回到基础:闭环稳定性

为了反馈控制的目的，稳定性是指控制回路减少被测过程变量与其期望值或设定值之间误差的能力。稳定的控制回路会对过程进行操作，使过程变量更接近设定值，而不稳定的控制回路会保持甚至扩大两者之间的差距。

除了爆炸装置依赖于自持续反应以指数级增加工艺的温度和压力外，反馈回路通常被设计为稳定的，以便在设定值改变或工艺受到扰动后，工艺变量最终达到恒定的稳定状态。

不幸的是，有些控制循环并非如此。问题通常是惯性的问题——一个进程倾向于在控制器试图反向后继续向同一方向移动。

例如，考虑第一个图中所示的儿童玩具。它由一个
重物悬挂在一个垂直弹簧上，控制人员可以通过拉动弹簧手柄来提高或降低。如果控制器的目标是将重物放置在地板以上的指定高度，那么缓慢地抬起重物将是一件很简单的事情
直到高度测量值与所需的设定值匹配为止。

这样做当然可以达到预期的目标，但如果这是一个工业定位系统，将重物缓慢移动到最终高度所需的过多时间将降低任何依赖于重物位置的过程的性能。权重保持在设定值之上或之下的时间越长，性能就越差。

更快地移动重量可以解决时间错位问题，但移动太快可能会使情况变得更糟。重量的惯性可能会导致它超过设定值，即使控制器已经观察到即将发生的超调并开始向相反的方向推动。如果控制器试图反向的动作也过于激烈，重量就会朝另一个方向超调。

幸运的是，每一次连续的超调通常都会比上一次小，所以重量在反弹后最终会达到理想的高度。但玩过这类玩具的人都知道，控制器移动手柄的速度越快，震动持续的时间就越长。在与重量-弹簧过程的谐振频率相对应的特定速度下，每次连续的超调都将具有与前一次相同的幅度，振荡将持续到控制器放弃为止。

但如果控制器变得更加激进，这些振荡的幅度将会越来越大，直到弹簧达到最大膨胀或断裂。对于一个玩弹簧玩具的孩子来说，这样一个不稳定的控制回路可能是有趣的，但对于商业定位系统或任何其他闭环反馈应用来说，这将是灾难性的。

这个问题的一个解决方案是限制控制器的攻击性，通过装备一个速度敏感的阻尼器，如阻尼器或减震器，如图2所示。当控制器试图移动得越来越快时，这样的设备会越来越抵制控制器的移动。的
PID控制器中的导数项具有相同的功能，尽管过多的导数阻尼实际上会使情况变得更糟。

参见“理解PID控制中的导数”。控制工程2010年2月。

参见教程频道www.globalelove.com/tutorials。

Vance VanDoren，博士，体育，是控制工程咨询编辑controleng@msn.com．www.globalelove.com

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