突变对控制系统的作用

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作者：李卫华 单位：九江学院电子工程学院

脉冲信号本文所指的脉冲信号是指单位冲激信号，其特点是在0－和0+时刻信号幅值均为0(低电平)，在0时刻信号为1(高电平)，其上升沿和下降沿跃变速率均为dx/dt=∞。理想脉冲信号持续时间为0，实际工程中用极短时间的方波信号来模拟。脉冲突变信号持续时间短，信号强度强，对系统的扰动作用大。如前例二阶系统，其脉冲响应效果如图2所示，惯性小(阻尼系数ξ小)的系统受到的影响大，波动剧烈。实际上惯性大的系统同样受到影响，因其冲击势能被系统吸收，没有表现出来。在工程中有时需要采取措施避免脉冲冲击的影响，如机械冲击等。在电气设备中，如电机、变压器等，冲击指标设计不理想，冲击电压或电流过大，可能击穿电磁线圈的绝缘层，造成事故。而冲击钻则是利用冲击响应的例子。干扰信号干扰信号是对系统性能产生扰动的信号，信号持续时间不定，其上升和下降速率可近似为dx/dt∞。干扰信号从来源分类有负载干扰、脉冲干扰、噪声干扰等类型;从持续时间角度分类有长时间干扰信号和短时间干扰信号两种类型。长时间干扰信号持续时间长，会影响系统稳态性能。负载干扰(如电机拖动系统负载突然增加)是一种阶跃性质的长时间干扰，文献［3］专门讨论了这种干扰对英吉利海峡隧道掘进机的影响，并讨论了采用PID反馈系统校正的方法［3－4］。周期脉冲干扰也是一种长时间干扰，但比较罕见。短时间干扰信号持续时间短，如独立脉冲干扰、噪声干扰等。工程中脉冲干扰信号强度强，持续时间短，脉冲数量少，突变性较强，可以用一个或几个脉冲信号建模仿真。控制系统中常用反馈结构来消除其影响，效果显著。噪声信号通常指信号强度相对较弱，频率较高，持续时间不定的信号。在电子和电气电路中，噪声信号容易形成背景噪声，可用滤波器来消除其影响，如电源谐波等。控制系统对噪声干扰的处理手段较多，大惯性系统可以利用系统惯性削弱其影响。弱噪声信号会加剧如电机、电磁阀等电磁类机构的涡流发热现象和机械结构的磨损。小惯性系统对干扰信号比较敏感，抗干扰能力相对较差，系统稳定性降低，应考虑适当降低这类系统的灵敏度，增加系统惯性，但是这样会牺牲系统快速反应性能。工程中通常在控制系统周围增加一些屏蔽措施或加装滤波设备等措施滤除干扰信号。图3模拟了脉冲干扰和噪声干扰对惯性系统的影响。图3(a)为强脉冲干扰对控制系统的影响。调节相关参数可以发现，当缩短脉冲宽度和减小脉冲强度到一定程度时，脉冲干扰对系统的影响将非常有限，说明惯性系统本身具有一定的抗干扰能力。该图仿真的是干扰信号与输入信号叠加后的影响效果，在实际控制系统中，干扰信号引入系统的位置不同，其动态方程有些差别，但是其稳态误差叠加效果相似［5］。图3(b)为随机干扰(噪声干扰，强度系数为0.2)对控制系统的影响，可见对系统影响有限。因此在实际控制系统中，大惯性系统可以忽略弱干扰信号的影响。但弱噪声信号对控制器的电子电路影响大，在工业场合必须对控制器进行特殊的抗干扰设计，如采取屏蔽保护措施等。实际系统中以上3种突变信号都不是理想突变，其上升沿和下降沿都有一定的坡度，只不过上升速率特别大而已，在理论分析时允许按照理想状态来处理。

突变信号可存在于控制系统的输入、控制器、被控对象、输出、检测反馈等各个环节，形式多种多样。输入环节，控制系统输入环节用于设置控制参数，信号类型有突变型(如开关信号)和缓变型(如模拟信号)两种，取决于输入信号跃变速率。输入数字信号时，数字信号本身不会对控制系统有影响，但是数字信号代表的数据信息如果变化量大，则对系统仍然造成突变效应。控制器，控制器是控制系统的核心。数字控制器进行的是逻辑运算，其脉动信号(高低电平、1和0逻辑)有一定的垂直度，跃变幅度取决于工作电压，是利用跃变特性的典型。数字控制器的控制算法和采样、输出等环节均存在突变，必须采取一些措施。控制器的控制算法直接关系到系统的动态性能。PID控制算法中P为阶跃特性，D具有脉冲信号特性，不宜单独使用，一般组合成PI、PD或PID运算器等。大林控制算法的振铃问题不仅关系系统稳定问题，还关系机构磨损。数字控制器输出的数字量必须经过重构变成连续信号才能输出。当使用零阶保持器重构时，重构信号为阶梯波，具有一定的突变性。通常由于控制器采样频率较高并且信号变化趋势平缓，重构信号幅度变化不大，对于一般的系统，其影响可以忽略不计［5］。模糊控制系统在进行模糊化、模糊推理和解模糊过程中，数据之间是离散的，具有突变特性，也用重构技术解决其影响［6－7］。输出环节，输出环节主要表现为执行机构对输出信号的响应速度。电磁阀和继电器是突变类逻辑执行器件，依靠电感线圈产生力矩而动作，虽然电磁力矩存在滞环缓动现象，但动作瞬间触点开关状态发生跃变，速度快，可以避免拉弧和抱死现象烧毁触点、线圈等［8］。缓动型执行机构，如伺服电机用于高精度控制、液压机构用于大力矩场合等，动作平缓，在突变性能要求较高的系统中，这类执行机构会延长其稳定时间。检测反馈，环节传感机构(如传感器、速度继电器、测量仪表等)输出信号有两种类型，一种是开关信号，是一种突变型信号，直接反馈加载给控制器，对系统有较大冲击，如接近开关、行程开关、速度继电器等信号;一种是连续缓变信号，如热敏电阻等，不具有突变性质，但其灵敏度会影响系统的性能。干扰信号，干扰信号存在形式和引入系统的途径非常多，在工业控制系统中，要对现场干扰源进行评估，确定是干扰源性质和传播途径，估计干扰强度和等级，并采取适当的保护措施。

突变现象在电气控制系统中广泛存在，其优点是反应速度快，在控制系统中可以通过减小系统阻尼系数、采用电磁执行机构等获得满意性能。但突变特性同时存在对系统冲击较大，系统稳定性降低等缺点。突变特性有时要加以利用，有时必须设法克服或避免。电子电路在进行运算时，容抗负载的电压和感抗负载的电流不会突变，但容抗负载的电流和感抗负载的电压能够突变，必须考虑其暂态过程的影响。按照我国国家标准，电气电路通常是指电压高于220/380V的交流电压。在进行线路转换时，触点间容易产生拉弧烧毁触点现象，因此要采取一定的保护措施，缩短其突变时间。另外，电气电路中的储能元件，如电感等，要设计泄流电路，否则也容易产生电弧。为了避免拉弧现象，计算机控制系统中采用电子继电器(软继电器)取代电气继电器(硬继电器)，如PLC输入输出接口等。要求快速性能的自动控制系统必须能够承受一定的突变性，例如提升PID控制算法中的P和D参数性能等。执行机构则采用快速元件，如电磁阀、电磁铁、快速电机等。但是控制系统的快速性能往往受到系统惯性的影响，如电动机转动惯量、电磁机构的滞环等。电磁元件存在滞环现象，频繁动作不仅冲击大，而且会增加发热和机械磨损等。电机类负载，机械惯性较大，限制了反应速度，但使动作平缓，冲击性反而小。电气系统中大负载如电焊机、电动机等在启动和停机时，负荷变化大，是一种典型的突变电场，对电网冲击大，影响电网质量［9］。电动机启动瞬间，绕组近似于短路，电流激增，产生很大力矩，冲击机械造成磨损。通常从两个方面解决这类问题:一是设计启动力矩大、转子惯性小和绕组绝缘性能好的机组;二是设计平滑启动电路，如Y－启动降压启动电路等。平滑启动电路可以减小对机组的冲击，但是会延长电机的启动过程［10］。另外，电力系统中雷击浪涌电压的突变现象，对电网十分有害，是预防和研究的重要专题。