任务2 调节算法和调节器

3.2.1 控制策略与调节算法

综合电路输出的误差信号e（t），作为输入信号送到调节器的运算放大器中，经过数学处理，产生一个输出信号向下一级输出。如果下一级是调节对象，这个输出信号就是施加于调节对象的调控信号；如果下一级仍是一个调节器，这个输出信号就是下一级调节器的输入信号，调节器输入信号的来源与输出的信号的去向如图3.2.1所示。

由a（t）去调节调节对象的工作状态，最终目的是要使e（t）→0。那么什么样的a（t），能够尽快尽好的使e（t）→0呢？或者说为了尽快尽好的使e（t）→0，a（t）与e（t）应该是什么关系？应该如何由e（t）去求得a（t）？这就是控制策略的选择问题。e（t）不同，选择控制策略也应不同。不同的控制策略将产生不同的控制效果。

选择控制策略（调节策略），也就是选择一种算法，如何由误差信号e（t）算出调控指令a（t）。人们花了很多努力来设计有效的控制算法。在工程中已经得到广泛使用的控制策略是PID控制策略，或者说控制算法是PID算法。

1.比例调节策略和比例调节算法（P）

这个方法的特点是把误差e（t）放大适当的倍数KP，得到调控指令a（t）（通常是一个电压）：

a（t）=KPe（t）

利用KPe（t）去调节对象的工作，使e（t）变小。如果放大倍数选择适当，就可能使e（t）变得很小（但不会变为0，否则KPe（t）=0，a（t）=0，就没有调节作用了）。

作为主要调节策略的比例调节策略，是最基本的一种调节策略。如果反馈信号与给定信号相比，只有大小的误差，没有相位的误差，这个策略是很有效的。把大小的误差大部分抵消了，输出量就比较理想了。

2.积分调节策略和积分调节算法（I）

比例调节策略是有差调节策略，它是以存在误差才能产生调控指令a（t）=KPe（t）为前提的。e（t）若为0，a（t）=0，调控指令就没有了。所以比例调节可以减小误差，但不能完全消除误差。

经过及时的比例调节后，大部分误差都立即被校正，但还剩下很小一点余差，对这些余差该怎么办呢？

对付余差，可以加上第二个调节策略——余差调节策略，即积分调节策略。这种策略能够通过积分运算把很小的余差积累起来，完全加以消除。设e（t）为误差，则对KPe（t）进行积分求a（t），即

a（t）是e（t）在时间中的积累。用积累起来的误差a（t）去调控调节对象，就可以把余差完全消除。式中，TI是积分器的时间常数。选择得合适的TI，可以使积分调节效果最好。

3.微分调节策略和微分调节算法（D）

微分调节是针对误差变化趋势进行的调节，其作用是抑制被调节量的突然变化。算法为

式中，TD是微分时间常数。选择合适的TD，可以达到最好的微分调节效果。

4.比例微分积分综合调节策略和综合调节算法

比例调节是与时间无关的调节，只要有误差，就会有比例调节。积分调节是时间上滞后的调节。误差出现了，它不能马上消除，要积累起来才能消除，并彻底消除。微分调节是时间上超前的调节。针对误差的突然变化采取行动，误差未到，调节先到。误差变化越快调节作用越强。不变不调，一变就调。

把P，I，D三种基本调节策略组合起来，可以构成复合的调节策略，如PI调节策略（比例—积分调节策略），DI调节策略（比例—微分调节策略）和PID调节策略（比例—微分—积分调节策略）。工业中用得最多的是PI调节策略。用P即时消除大部分误差，用I延迟消除全部剩余误差。

PI调节算法为

PID调节算法为

3.2.2 调节算法的实现——电子调节器

调节算法的实现有两种办法。

1.计算法

在计算机控制系统中，把调节算法编成计算程序，作为控制程序的一个子程序来调用。

2.模拟法

在模拟控制系统中，用电子调节器来模拟实现调节算法，通过集成运算放大电路直接将输入信号e（t）变成输出信号a（t）。电子调节器，就是用集成运算放大器构成的模拟计算器。

1）比例调节器（P）

比例调节器是由运算放大器构成的电子调节器，包括反相放大器、同相放大器和差分放大器三种类型，如图3.2.2所示。实际使用最广泛的是反相加（减）法运算放大器，同时完成信号综合与调节放大两项任务。

2）积分调节器（I）

用积分电容C作反相输入运算放大器的反馈回路，即得到积分调节器电路如图3.2.3所示。积分电容C的作用是累计误差，将误差电压e（t）积分成为误差电荷q（t），又将q（t）变成反馈电压。由于N点为虚地，电位为0，反馈电压也就是输出电压。

由图3.2.3（a）可知，N点为虚地GND，电位为0，故得等效电路如图3.2.3（b）所示。按KCL有

i1=i2i1

可由e（t）和R求得

电容的特性

故

即

故电路实现了输入电压信号e（t）的积分，将e（t）变为输出电压信号，积分时间常数TI=RC。

3）微分调节器（D）

用微分电容C作反相运算放大器的输入回路，就得到微分调节电路，如图3.2.4所示。

因为N点为虚地，电位近似为0，故可画出等效电路图如图3.2.4（b）所示，即

i1=i2

电容器的特性是，q为电容器上所充电荷，为充电电流，电容电压uC=e（t）-0=e（t），于是q=CDuC=CDe（t），而

Rf上的电压为0-a（t），故

代入前式即得

可见此电路实现了输入电压信号e（t）的微分运算，将误差信号e（t）变为输出电压信号，微分常数TD=RfCD。

4）比例积分调节器（PI）

这是工业中应用较广的调节器，由比例调节与积分调节两个功能合成。比例调节可以立即消除大部分误差，积分调节则消除比例调节无法消除的其余误差。两者相结合，构成无差调节器，因此获得广泛应用。PI调节器的反馈回路既包含比例元件R，又包含积分元件C，如图3.2.5所示。

因为N点为虚地，电位为0，故可画出等效电路图如图3.2.5（b）所示，即

i1（t）=i2（t）

又

即

故

可见PI调节器实现了对输入电压信号e（t）进行比例—积分运算。

一个控制系统的性能好不好，取决于系统的设计与调试。系统的每一个组成环节都需要精心调试。如传感器、调理变送器，都要逐一先测定好传递特性，确认正确后，再连入系统。但在系统调试中，关键的调试是对调节器的调试。调节器的三个参数KP，TI，TD，如何整定，决定系统的性能。比例放大倍数KP是由电阻之比决定的。时间常数TI，TD是由电阻和电容的乘积RC决定的。实际的调节器，远比上面讲的基本线路复杂。在众多的电阻、电容中，该调哪个，不能盲目瞎猜。要在看懂线路，理解工作原理的基础上小心的进行。需要调节的元件，通常是电位器、可调电阻、可调电容。调整好了的元件，都用红油漆打点、封定。如果必须重调，要记住其原来的位置和电阻值。调不好可以返回原地，再找办法。切忌越调越乱。调试也要运用负反馈原理。用示波器显示出给定信号与输出信号，有意改变一下给定信号，看看输出信号是如何响应的？就可以判断调对了，还是调错了，调多了还是调少了，由此决定下一步应该怎么调。这样一步一步接近目标，直到符合要求为止。由于比例调节策略是主要策略，积分、微分调节策略是辅助策略，所以调节时可以先调比例，调好比例后再调积分和微分。如果调节器是由两个或多个调节器组合起来构成的，这样做比较方便，可以先调前面的比例调节器。图3.2.6所示的是由比例调节器、积分调节器、差分放大器组成的一个PI调节器。

3.2.3 调节器的串联——多环反馈、主从调节

如果对调节的品质要求不是很高，则用一个反馈回路、一个调节器来进行调节就可以了。这个调节器可能只包含一个简单调节器，也可能由多个简单调节器组成，但反馈回路只有一个，被调节的参数也只有一个。这是单回路调节系统，比较简单。

如果一个调节对象有多个调节参数需要调节，这些被调节参数之间存在着相互影响，对调节品质的要求又较高，这时应该选定一个参数作为主要调节参数，其他参数为辅助调节参数，采用多个闭环、多个调节器进行调节。调节主参数的闭环称为主环，其他闭环称为副环。主环总是在副环的外面，所以又称外环，其他环则为内环。主环的调节器称为主调节器，起主要和主导的调节作用。其他调节器则为从调节器，起随从和辅助的调节作用，配合主调节器工作，使主调节器达到更好、更快的调节效果。主调节器总是第一个调节器，其他调节器一个接一个，依次串联于主调节器的后面。

以直流电动机为例，可调节的参数有转速、转矩、电压、电流、磁场等。这些参数是相互关联的。根据负载的需要，可以选择转速为主要调节参数或目标参数，而选电流为辅助调节参数。由测速发电机TG和速度调节器（主调节器）ASR构成主环（速度环），电流传感器TA和电流调节器（从调节器）ACR构成副环（电流环），从而构成转速、电流双闭环自动调速系统，以获得比较理想的速度调节性能，如图3.2.7所示。

在这个双环主从调节系统中，主调节器ASR与电流调节器ACR串联连接，主调节器的速度给定信号由操作者输入，输出的是转速调控指令，此指令传给从调节器ACR，作为ACR的给定信号要求ACR执行。ACR将转速指令与电流反馈信号综合，构成电流调控指令，下达给晶闸管整流器的控制电路执行。根据系统电路图（见图3.2.7），可以画出系统方框图（见图3.2.8）。两种图对照阅读，更加容易理解。

图3.2.9所示的是一个包含位置环、速度环、电流环的直流电动机位置伺服控制系统。最终调节对象是直流伺服电动机所驱动的伺服机构的运行位置。位置控制是主要的目标控制。位置控制目标要求以尽快的速度实现，所以速度调节紧接在位置调节之后。速度目标又要求以尽可能大的电流快速实现，所以电流调节又紧接在速度调节之后。多个调节器串联调节，前级为主，后级为辅。前级指挥后级，后级实现前级的要求。

3.2.4 调控指令——指向电力电子变换装置

各种控制信息，经过多个环节的变换、传递，最后以调控指令信号的形式从最末一级调节器输出，向电力电子变换装置传送。此前的变换是在弱电下进行的信息变换，此后的变换，是强电系统中的功率变换。电能变换在电力电子变换装置中进行，电能/非电能变换则在电动机、电解槽、电镀槽等用电设备中进行。

电力电子变换，是以电力电子开关方式实现的电能形态和量值的变换，是把复杂信息注入电能中，将低品质电能转化为高品质电能，将普通形态电能转化为特殊形态电能的变换。实现电力电子变换的设备或系统，称为电力电子装置或电力电子系统。

电力电子系统越来越复杂，电力电子变换种类越来越多，但最基本的电力电子变换还是四大类，即AC/DC变换（整流器），DC/AC变换（逆变器），AC/AC变换（变频器），DC/DC变换（直流变压器）。更复杂的变换链，都由这四种变换组成，如AC/DC/AC/DC变换（逆变电焊机），AC/DC/AC变换（高，中频感应电炉），AC/DC/DC变换（脉冲电镀电源，脉冲电化电源，开关电源等），AC/DC/AC变换（变频变压电源，UPS电源），DC/AC/DC/AC变换（车载电源）等。

电力电子系统或电力电子装置本身也由两部分组成，即变换部与控制部。变换部即电力电子系统的主电路，主电路承担电力电子变换的任务。控制部包括测量电路、控制电路、保护电路、显示电路、操作电路。控制电路承担对电力电子变换的测控任务。这两部分用框图描述如图3.2.10所示。

控制部的主体，是控制器和驱动器。变换部由两类元件组成，一类是储/放能元件，即电感与电容`。另一类是电力电子开关，如二极管、晶闸管、IGBT、MOSFET等。这些元件组成特定的拓扑网络来实现电能/电能变换。L、C元件在变换中起基础作用，通过特定的充电/放电、充磁/放磁实现所需的电能变换。电力电子开关在变换中起着主导作用，通过对拓扑网络进行准时、快速、高效的切换，来主导L、C元件充/放电和充/放磁有条不紊的进行。因为L、C元件在变换中的基础作用，对网络拓扑的结构和L、C元件的参数进行精确设计是至关重要的。因为电力电子开关对变换的主导作用，对电力电子开关进行实时、精确、可靠的控制也是至关重要的。

电力电子变换的强大功能，全都是电力电子开关赋予的。只因有了电力电子开关的发明，才有电力电子变换的产生。所以要弄清电力电子变换与控制的原理，必须把电力电子开关的工作方式和控制方式搞清楚。

电力电子变换装置的调控指令通常以直流控制电压的形式出现。末级调节器所发出的这一调控指令，发送到电力电子变换装置的控制部中。控制部依据调控指令，生成控制电力电子开关的控制脉冲信号，去控制电力电子开关的工作。