控制方向对了,还有一个控制量大小的问题。双位开关控制倒是简单,反正不是开就是关。但连续可调控制就纠结了,温度高了1℃,热水该关小多少呢,应该转动1/4圈,1/8圈,还是1/16圈?可爱的微积分隆重登场。
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小猪洗澡是一个典型的连续温度控制问题
经验告诉我们,根据具体的水龙头和水压,温度高1℃,热水需要关小一定的量,比如说,关小1/8圈:温度要是高2℃,就需要关小1/4圈。换句话说,控制量和控制偏差成比例关系,误差加倍,控制量也要加倍,这就是经典的比例控制规律:控制量=比例控制增益×控制偏差偏差越大,控制量越大,比例控制增益则决定了这个“越大”到底是多大。控制偏差就是实际测量值和设定值或目标值之差。在比例控制规律下,偏差反向,控制量也反向。也就是说,如果淋浴水温要求为38℃,实际水温高于38℃时,热水龙头向关闭的方向变化;实际水温低于38℃时,热水龙头向开启的方向变化。低增益意味着懒懒散散的控制动作;偏差起起伏伏折腾得热火朝天,热水龙头不大怎么动作:高增益则意味着很灵敏的控制动作:有一点点偏差,热水龙头就猛打。但生活经验告诉我们,凡事极端了都不大好,但如何才能做到中庸,这在后面要谈到。
阶跃误差作用下的比例-积分-微分控制的开环响应,比例(P)与误差是同步的,误差为零的话,比例作用为零,误差反向,比例作用也反向;积分(I)随时间不断累积,误差为零的话,积分作用不为零,只是停止累积,也就是拉平了,误差反向,积分作用反向累积;微分(D)不在乎误差大小,只在乎误差的变化,阶跃误差在理论上可造成幅值为无穷大的“尖刺”
正弦误差作用下的比例-积分-微分控制的开环响应,比例(P)依然是误差的镜像,积分“拖后”1/4个周期,微分“超前”1/4个周期,但频率不变
典型比例-积分-微分控制的闭环响应,比例(P)和徽分(D)作用Zui终归零,积分(I)作用“飘”到某一位置稳定下来,PID的综合作用(图中的控制输出)的稳态Zui终由积分决定