滞后与微分作用

有网友问:“为什么压力、流量的自动调节中一般不用微分规律？而温度调节，成份调节多采用微分规律？”。

    在自动控制中选择什么调节规律，是与被控对象的放大系数K(又称为静态特性)、时间常数T、滞后时间τ(又称为动态特性)特性有关。就是说要看被控对象是不是容易控制?控制起来是否迟钝?即根据这些特性来选择控制方案。而且对测量元件及变送、执行机构的特性亦可用上述的三个特性参数来表示。
   
    对于压力对象，其大多是单容的，其时间常数不算太大、反应比较快，控制起来较容易，一般不用微分作用；相反当因压力对象太灵敏而产生振荡时，则可用反微分作用来将参数控制得平稳些。
   对于流量对象，其大多是一段管道，容量很小、反应迅速；在生产中有的被控对象是流量，但实际被控参数是压力，如泵和空压机等。
   对于液位对象，实质是由于物料流入与流出量不相等，即物料不平衡，通过控制来解决物料平衡问题。其变化较快、滞后较小，而时间常数与液位面积有关。
   对于温度对象，其时间常数大，滞后现象严重(滞后与热量传递的过程有关)。
   对于成分分析，其取样、转换过程反应较慢，反应滞后。
   以上五种控制系统中，各对象的特性大致如下:
   压力对象  τ不大，T也不大；
   流量对象  τ与T都较小，约数秒至数十秒；
   液位对象  τ很小，T稍大；
   温度对象  τ与T都较大，约为数分至数十分钟；
   成分对象  τ与T都较大。

    微分作用主要是用来克服被控对象的滞后。常用于容量滞后较大，纯滞后不太大但又不允许有余差的对象，如温度控制系统等场合。对于滞后大的系统，除采用微分作用外，在设计控制系统时还要注意到测量和传送的滞后问题，如温度测量元件的选择和安装位置；气动调节阀门的气动管线内径和长度；成分分析的转换和采样滞后等。
   为了认识微分作用，我们先来看看手动操作过程，假设有一工艺参数在变化，操作工发现这个参数上升较快，估计很快就会有比较大的偏差，这时，操作工就会过分的打开阀门来克服这个预期的偏差，这种估计及提前开大阀门的超前行为，就是微分动作。微分作用就是模仿了操作工的这一操作，因此有人又称微分作用为“超前调节”。
   自控中所指的微分与数学上的微分在概念上是有区别的，自控所指的微分实际上就是变化率。即:微分作用的输出变化与微分时间和偏差变化的速度成比例，而与偏差的大小无关，偏差变化的速度越大，微分时间越长，则微分作用的输出变化越大。但要看到，微分控制主要是用来克服被控对象的惯性滞后和容量滞后，但不能克服纯滞后。如想深入了解微分作用的原理，建议去找本相关的自控书看看。

   单纯的微分器具有比例和微分两个作用，且比例度恒定不变，这是无法用于生产实际的，因为比例作用的大小对控制质量的影响很大，要求比例度是可改变的，因此微分作用通常都是与比例、积分作用合用，组成比例积分微分三作用调节器(PID)。