从反馈控制的目的来看,稳定性就相当于一个控制回路在控制测得的过程变量与预期值或设定值之间差距的能力。一个稳定的控制回路会巧妙地处理整个过程的变化,使测定值向设定值靠近;而一个不稳定的控制回路则很难缩小,甚至还可能扩大两者之间的差距。
除了爆炸物采用自激反应短时间内指数级提升温度和压力,反馈回路的设计通常都是稳定的,以保证在设定值改变或者控制过程受到干扰之后,过程变量终能达到一个持续稳定的状态。
但不幸的是控制工程网版权所有,有些控制回路并不能达到这样的效果。惯性往往是问题产生的主因——控制器发出反向指令后,控制过程的趋势却总是倾向于继续同向运行。
我们来做一个案例分析,下图一中是一个儿童玩具。它是一个连接在垂直弹簧上的重物CONTROL ENGINEERING China版权所有,控制者可以通过对弹簧把手施加牵引力来达到重物上下运动的效果。如果控制者的目标是将重物维持在地面上方的某一个特定高度控制工程网版权所有,那么他只要缓缓提升把手直到重物的高度与预期的设定值相当即可。
图一:一个控制者(人)试图通过上下移动弹簧的把手来将挂于弹簧下的重物固定于某一位置。移动过快会导致这个闭环控制系统变得不稳定控制工程网版权所有,使重物发生无法控制的振摆运动。
图二:给控制者加装一个速度感应阻尼器或微分动作,可以限制控制者纠正动作的幅度,使回路趋向稳定。
这么做当然能毫无困难地达到预期目标,但如果这是个工业定位系统,将重物缓慢下落到位置所需的时间过长,将极大程度地降低对任何与重物位置有关的控制过程的评价。重物稳定于设定点之前所花费的时间越长,过程表现的评价就越低。
以较快的速度移动重物可以解决“时间-位置”问题,但是如果速度太快则会让情况变得更严重。重物的惯性会使其越过设定点,即使控制者已经看到即将发生的过头现象而开始反向用力,亦无法立即改变这一状态。而且如果控制者的反向用力太过强烈,重物将会在另一方向上重复上述过程。
所幸,连续的上下振动在正常情况下将依次减小其振幅,于是重物在如此跳动一段时间后,最终仍将停在预期高度。但是,就像玩过这个玩具的任何人都知道的那样,控制者把手移动得越快,这种振动的持续时间就越长。并且一旦移动速度与这个重物——弹簧系统的共振频率相一致,每次振动都与前一次的量级相当,这种简谐运动将持续到控制者自己放弃为止。
而如果控制者的动作更加激烈,振动的量级将不断提升,直至弹簧达到它的延伸极限,或断裂。这种不稳定的控制回路对玩这种弹簧玩具的儿童来说可能很有趣www.cechina.cn,但对一个商业性质的定位系统或任何其他闭环反馈控制的应用来说将是一个灾难。
解决这一问题的一种方案是增加一个类似于缓冲器或减震器的速度感应阻尼器(如图所示),以限制控制者的动作激烈程度。这种装置将弱化控制者的动作,动作的速度越快,减弱的程度就越大。PID控制器的微分作用就具有这样的功能,尽管太多的微分抑制动作事实上起了反效果。