《輪機(jī)自動(dòng)化》數(shù)字化教材項(xiàng)目一任務(wù)三

1、項(xiàng)目一 船舶反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)【項(xiàng)目描述】反饋控制是自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要形式。在船舶機(jī)艙中，運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)控制通常都采用反饋控制。反饋控制系統(tǒng)的基本概念是理解和熟悉輪機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)，是輪機(jī)管理人員必須掌握的基本知識(shí)。通過本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，學(xué)員應(yīng)達(dá)到以下要求。一、知識(shí)要求1、 熟悉船舶反饋控制系統(tǒng)的組成；2、 熟悉反饋控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)；3、 熟悉PID調(diào)節(jié)規(guī)律及特點(diǎn)；4、能表述常用傳感器、變送器的作用、基本原理和特點(diǎn)； 5、熟悉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的類型、工作原理及特點(diǎn)；6、了解反饋控制系統(tǒng)參數(shù)整定的方法。二、能力要求 1、能熟練地繪制反饋控制系統(tǒng)的傳遞方框圖；2、能正確表述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程品質(zhì)指標(biāo)的含義；3、熟悉P

2、ID調(diào)節(jié)器的使用；4、學(xué)會(huì)變送器的使用操作與調(diào)整。三、素質(zhì)要求1、養(yǎng)成善于動(dòng)腦、勤于思考、及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題的學(xué)習(xí)習(xí)慣；2、提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力，培養(yǎng)善于分析和解決反饋控制系統(tǒng)實(shí)際問題的能力；3、培養(yǎng)理性思維能力和科學(xué)求實(shí)的精神；4、培養(yǎng)學(xué)習(xí)新技術(shù)的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)?！卷?xiàng)目實(shí)施】任務(wù)三 調(diào)節(jié)器及其調(diào)節(jié)作用規(guī)律一、學(xué)習(xí)目標(biāo)1、理解并熟悉位式調(diào)節(jié)規(guī)律，熟悉位式調(diào)節(jié)器的工作原理及使用方法。2、理解并熟悉比例調(diào)節(jié)規(guī)律，理解比例調(diào)節(jié)器的工作原理，熟悉比例調(diào)節(jié)器的使用方法。3、理解并熟悉比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，理解PI調(diào)節(jié)器的工作原理，熟悉PI調(diào)節(jié)器的使用方法。4、理解并熟悉比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律，理解PD調(diào)節(jié)器的工作

3、原理，熟悉PD調(diào)節(jié)器的使用方法。5、理解并熟悉比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律，理解PID調(diào)節(jié)器的工作原理，熟悉PID調(diào)節(jié)器的使用方法。二、學(xué)習(xí)任務(wù)掌握位式、比例、比例積分、比例微分和比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律的作用和特點(diǎn)，熟悉位式調(diào)節(jié)器的工作原理，理解氣動(dòng)調(diào)節(jié)器的工作原理，熟悉比例帶、積分時(shí)間、微分時(shí)間的含義及對動(dòng)態(tài)過程的影響。三、背景知識(shí)調(diào)節(jié)器是反饋控制系統(tǒng)的核心單元。調(diào)節(jié)器的輸入輸出關(guān)系即為調(diào)節(jié)規(guī)律，調(diào)節(jié)規(guī)律對于反饋控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程有著決定性的影響。在船舶機(jī)艙中，工況參數(shù)的控制系統(tǒng)使用了各種類型的調(diào)節(jié)器（如氣動(dòng)調(diào)節(jié)器、電動(dòng)調(diào)節(jié)器和數(shù)字調(diào)節(jié)器等），用來實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)規(guī)律。隨著技術(shù)的發(fā)展，以單片微機(jī)為核心的數(shù)

4、字式調(diào)節(jié)器正得到越來越多的應(yīng)用。調(diào)節(jié)器是反饋控制系統(tǒng)最重要的組成單元。當(dāng)控制對象選定后，調(diào)節(jié)器就對控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程品質(zhì)起著決定性的影響。調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出信號P(t)隨輸入量e(t)變化的規(guī)律，即給調(diào)節(jié)器輸入一個(gè)偏差信號e后，其輸出量P（調(diào)節(jié)閥的開度，也就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置）的變化規(guī)律，可用函數(shù)關(guān)系式Pf(e)來表示。常用的調(diào)節(jié)規(guī)律主要包括：雙位式調(diào)節(jié)規(guī)律、比例調(diào)節(jié)規(guī)律（P）、比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律（PI）、比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PD）、比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律（PID）。一、雙位式調(diào)節(jié)作用1雙位式調(diào)節(jié)規(guī)律的概念雙位式調(diào)節(jié)器的輸出只有兩個(gè)狀態(tài)，它不能使被控量穩(wěn)定在某一個(gè)值上而只能保持在一個(gè)范圍

5、之內(nèi)（上限和下限之間）。當(dāng)被控量下降到下限值時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出接通電源使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)或令電磁閥通電使閥門全開；當(dāng)被控量上升到上限值時(shí)，調(diào)節(jié)器動(dòng)作使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)或令電磁閥斷電使閥門全關(guān)；當(dāng)被控量在上、下限之間變化時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出狀態(tài)不變，如圖1-3-1所示。2YWK-50-C式壓力調(diào)節(jié)器壓力調(diào)節(jié)器也稱為壓力控制開關(guān)，YWK-50-C（原型號為YT-1226）式壓力調(diào)節(jié)器的原理圖如圖1-3-2所示。該調(diào)節(jié)器根據(jù)力矩平衡原理工作，在比較杠桿9上，對支點(diǎn)8作用有三個(gè)力矩并相互平衡。這三個(gè)力矩分別是：由測量波紋管11產(chǎn)生的測量力矩、由給定彈簧16產(chǎn)生的給定力矩、由幅差彈簧13產(chǎn)生的幅差力矩。當(dāng)輸入信號P達(dá)到下限

6、值時(shí)，杠桿在三個(gè)力矩的作用下處于水平位置。此時(shí)動(dòng)觸點(diǎn)2離開靜觸點(diǎn)1而緊壓在靜觸點(diǎn)3上，螺釘15離開幅差彈簧盤一段距離，幅差彈簧13對杠桿9不起作用。當(dāng)輸入信號P增加時(shí)，杠桿9繞支點(diǎn)8逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過撥臂使舌簧5的下邊框左移，跳簧4被圖1-3-1 理想的雙位式調(diào)節(jié)過程壓縮，儲(chǔ)存彈性能。同時(shí)，螺釘15逐漸與幅差彈簧盤接觸，杠桿9再轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不僅要克服給定力矩，還要克服幅差力矩。當(dāng)杠桿9轉(zhuǎn)過角時(shí)，輸入信號P達(dá)到上限值，舌簧5的下邊框正好與跳簧4在同一平面，跳簧4有了釋放所儲(chǔ)存彈性能的機(jī)會(huì)，迅速把舌簧5彈開，使動(dòng)觸點(diǎn)2離開靜觸點(diǎn)3而緊壓在靜觸點(diǎn)1上。當(dāng)P降低時(shí)，杠桿9繞支點(diǎn)8順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，只有杠桿9轉(zhuǎn)到水

7、平位置時(shí)，舌簧5下邊框順時(shí)針轉(zhuǎn)過角時(shí)，使舌簧與跳簧4處于同一平面，跳簧再次把舌簧彈開，使動(dòng)觸點(diǎn)2離開靜觸點(diǎn)1而緊壓在靜觸點(diǎn)3上，杠桿回到水平位置。輸入信號P在上下限之間變化時(shí)，跳簧保持原狀態(tài)不變，也就是調(diào)節(jié)器輸出狀態(tài)不變。圖1-3-2 YWK-50-C式壓力調(diào)節(jié)器原理圖1、3-靜觸點(diǎn)；2-動(dòng)觸點(diǎn)；4-跳簧；5-舌簧片；6-跳簧支點(diǎn)；7-撥臂；8-支點(diǎn)；9-比較杠桿；10-頂桿；11-波紋管；12-測量室；13-幅差彈簧；14-幅差調(diào)整旋鈕；15-作用螺釘；16-給定彈簧；17-給定值指示器；18-給定值調(diào)整螺釘扭動(dòng)螺釘18可以調(diào)整給定彈簧16的預(yù)緊力，亦即調(diào)整觸點(diǎn)動(dòng)作的壓力下限值PL，其大小可

8、由指示器17指示。調(diào)整旋鈕14可調(diào)整幅差彈簧的預(yù)緊力，亦即調(diào)整觸點(diǎn)動(dòng)作的壓力上限值PH。PPHPL稱為幅差。幅差調(diào)整旋鈕14有一個(gè)紅色標(biāo)記，在它旁邊的圓柱面上有010檔刻度，紅色標(biāo)記對準(zhǔn)0檔時(shí)，P0.07MPa；紅色標(biāo)記對準(zhǔn)10擋時(shí)，P0.25MPa。紅色標(biāo)記對準(zhǔn)其它不同檔時(shí)，其P的計(jì)算公式為， （1-3-1）其中x表示紅色標(biāo)記對準(zhǔn)的檔數(shù)，壓力單位都是MPa。這樣，在壓力的上限值、下限值及所對應(yīng)的檔數(shù)x三個(gè)變量中，知道其中任意兩個(gè)，就可以求出第三個(gè)。二、比例調(diào)節(jié)作用(P調(diào)節(jié)作用) 比例作用規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出量P（調(diào)節(jié)閥開度的變化量）隨輸入量e（給定值與測量值之間的偏差值）成比例關(guān)系，其輸出與

9、輸入之間的函數(shù)關(guān)系為： （1-3-2）其中KP稱為比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。KP值越大，說明比例作用越大；KP值越小，說明比例作用越小。比例調(diào)節(jié)器是一種只考慮“偏差大小”因素的調(diào)節(jié)器，它把測量信號與給定信號加以比較，得出偏差信號，然后發(fā)出一個(gè)與偏差信號的大小成比例的調(diào)節(jié)信號去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。1比例調(diào)節(jié)器實(shí)例分析圖1-3-3 浮子式比例控制系統(tǒng)1- 浮子；2-杠桿；3-可調(diào)支點(diǎn)；4-調(diào)節(jié)閥閥芯圖1-3-3表示一個(gè)采用浮子式調(diào)節(jié)器的水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。水柜中的水不斷地從排出管道流出，又不斷地從進(jìn)水管道注入，調(diào)節(jié)器的作用是把水位保持在適當(dāng)?shù)母叨壬?。?dāng)水柜中的水位升高時(shí)，浮子隨之升高，并通過杠桿的作用使閥門桿

10、向下移動(dòng)，把閥門關(guān)小一些；反之，當(dāng)水位降低時(shí)，浮子就把閥門桿提起來，把閥門開大些。這樣就可以自動(dòng)地把水位保持在適當(dāng)?shù)母叨壬?，完成水位自?dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)。在圖1-3-3中，水位和調(diào)節(jié)閥的開度變化分別用X0和P表示。假定杠桿處于圖中實(shí)線的位置時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于一個(gè)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，此時(shí)水位為X0，偏差e0。如果突然開大出水閥，出水流量Q0增大，由于給水量Qi暫時(shí)不變，水位和浮子、浮子桿一起下降。杠桿繞支點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，開大給水調(diào)節(jié)閥，增大對水柜的給水流量Qi，直到QiQO。假若水位在其變化過程中降低了e，那么調(diào)節(jié)閥門就要開大P，此時(shí)，杠桿的位置如圖中虛線所示，由圖可見：P·eKP·e。由

11、此可知，比例調(diào)節(jié)器的輸出量P和它的輸入量e是成正比的。改變杠桿上可調(diào)支點(diǎn)的位置就可以改變KP值，若將可調(diào)支點(diǎn)左移，a減小，b增大，則KP值減小，調(diào)節(jié)器比例作用減弱；反之，若可調(diào)支點(diǎn)右移，a增大，b減小，則KP增大，調(diào)節(jié)器比例作用增強(qiáng)。KP值大時(shí)，只要出現(xiàn)一個(gè)較小的偏差e值，調(diào)節(jié)閥的開度變化就比較大，給水量流量的變化也比較大，克服擾動(dòng)能力就強(qiáng)。反之，KP值小，克服擾動(dòng)能力就較弱。比例作用規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)節(jié)閥的開度可以及時(shí)地反映控制對象負(fù)荷的大小。負(fù)荷變化大，出現(xiàn)的偏差e（t）就大，調(diào)節(jié)閥開度的變化P就成比例地立即增大，對被控參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制?；谶@個(gè)原因，比例調(diào)節(jié)器的應(yīng)用十分廣泛。但是，比例調(diào)節(jié)

12、器也存在明顯的缺點(diǎn)，那就是當(dāng)控制對象受到擾動(dòng)后，在比例調(diào)節(jié)器的控制作用下，被控量不能完全回到給定值，而只能回到給定值附近，即其穩(wěn)態(tài)值和給定值之間會(huì)存在較小的靜態(tài)偏差，這是比例調(diào)節(jié)器固有的、不可克服的缺點(diǎn)。因?yàn)?，若進(jìn)水量受到一個(gè)階躍擾動(dòng)后，Q0增大，為了達(dá)到平衡，進(jìn)水量Qi必須增加到Q0。進(jìn)水量Qi的增加意味著調(diào)節(jié)器閥門開度必須增加，才可以達(dá)到新的平衡，要使閥門開度增大，水位（被控量）必然要降低，穩(wěn)態(tài)時(shí)的水位必然偏離原穩(wěn)態(tài)值，這就是比例調(diào)節(jié)器存在靜態(tài)偏差的根本原因。要減小靜態(tài)偏差，可以增大KP值，這時(shí)，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，水位有較小的變化（靜差），就可以使QiQ0。2比例帶在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，KP并不能作

13、為所有比例調(diào)節(jié)器的通用參數(shù)。這是因?yàn)椋海?）大部分比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)KP是有量綱的。不同類型的比例調(diào)節(jié)器，P和e的單位均不同，所以求出的KP的單位也不統(tǒng)一，各種類型的比例調(diào)節(jié)器的KP就無法加以比較。 （2）放大倍數(shù)KP等于比例調(diào)節(jié)器絕對輸出量與絕對輸入量之比，至于輸出(輸入)的絕對變化值占其最大變化范圍的百分比，KP是無法表達(dá)清楚的。 為了解決上述問題，通常采用比例帶作為比例調(diào)節(jié)器的通用參數(shù)，它等于比例調(diào)節(jié)器的相對輸入量和相對輸出量之比，通常用PB或表示，即： （1-3-3）式中，是被控量的變化量（偏差值）；是被控量允許變化的最大范圍（全量程）；是調(diào)節(jié)閥開度的變化量；是調(diào)節(jié)閥開度的最大變化量

14、（全行程，即由全開到全閉或由全閉到全開）；是量程系數(shù)。 在單元組合儀表中，由于儀表采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號（如氣動(dòng)單元組合儀表為0.020.1MPa，電動(dòng)單元組合儀表為0l0mA或420mA），因此調(diào)節(jié)器的輸入、輸出信號最大變化范圍都是一樣的，亦即常數(shù)Rl，故： （1-3-4）由上式可知，比例帶與放大系數(shù)KP值成反比。比例帶越大，意味著比例調(diào)節(jié)器在相同的相對輸出量時(shí)，所需要的相對輸入量越大，這時(shí)，輸入量對輸出量的控制作用越小，也就是比例調(diào)節(jié)作用越弱；相反，比例帶越小，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)。由于比例帶是比例調(diào)節(jié)器相對輸入量與相對輸出量之比，所以它是一個(gè)無量綱的百分?jǐn)?shù)。它不僅反映出比例調(diào)節(jié)作用的對應(yīng)關(guān)系，而且

15、能確切地說明每一個(gè)比例調(diào)節(jié)器的性能。比如，PB100的比例調(diào)節(jié)器，說明它的輸入信號變化為全量程的100時(shí)，其輸出信號變化為全行程；又如，PB50的比例調(diào)節(jié)器，說明只要輸入信號為全量程的50，其輸出就可達(dá)到全行程。見圖1-3-4。這樣，不論比例調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)上差別有多大，不論調(diào)節(jié)的是何種參數(shù)，只要調(diào)節(jié)器的比例帶數(shù)值相同，在比例調(diào)節(jié)作用強(qiáng)弱這一點(diǎn)上都是一樣的。圖1-3-4 比例帶大小與輸入輸出信號的關(guān)系3比例帶大小對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的影響當(dāng)控制對象確定之后，控制對象的特性參數(shù)已經(jīng)確定，比例帶的大小對控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程品質(zhì)有決定性的影響。如圖1-3-5所示，若比例帶太小，系統(tǒng)將出現(xiàn)不穩(wěn)定的發(fā)散振蕩過程（曲線

16、1）；當(dāng)比例帶減小到某一數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)將出現(xiàn)等幅振蕩，這時(shí)的比例帶稱為臨界比例帶（曲線2）；若比例帶選得較小，比例作用很強(qiáng)，調(diào)節(jié)閥開度的變化量會(huì)過頭，從而導(dǎo)致被控量的大起大落，系統(tǒng)的振蕩傾向加劇，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)使調(diào)節(jié)時(shí)間增加（曲線3）。若比例帶選得很合適，則輸出特性比較平穩(wěn)而穩(wěn)態(tài)偏差又不太大 (如曲線4)。若比例帶選得太大，比例作用很弱，克服擾動(dòng)能力就很弱，動(dòng)態(tài)過程雖然很穩(wěn)定，沒有波動(dòng)，但最大動(dòng)態(tài)偏差增大，過渡過程時(shí)間拖得很長（曲線6）。所以要正確地選用比例帶，最合理地利用比例調(diào)節(jié)作用?？傊?，從穩(wěn)定性要求看，希望PB大一些好，但從準(zhǔn)確性要求看，卻希望PB小一些好。由此可見，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

17、的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性之間存在著一定的矛盾，需在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。對于一般的調(diào)節(jié)器，比例帶的選擇范圍約為5300。 圖1-3-5 比例帶大小對動(dòng)態(tài)過程的影響4比例調(diào)節(jié)作用的特點(diǎn)通過以上的分析可以知道，比例調(diào)節(jié)規(guī)律具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）比例調(diào)節(jié)作用具有克服干擾的立即性，而且這種克服能力會(huì)隨著被控參數(shù)的偏差增大而增大。（2）比例調(diào)節(jié)結(jié)束后，被控參數(shù)將出現(xiàn)靜態(tài)偏差，這是其不可克服的缺點(diǎn)。三、比例積分調(diào)節(jié)作用（PI調(diào)節(jié)作用）比例積分作用規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出隨輸入按比例積分規(guī)律變化，這種調(diào)節(jié)器稱為比例積分調(diào)節(jié)器。顯然，在比例積分調(diào)節(jié)器中，既有比例調(diào)節(jié)作用又有積分調(diào)節(jié)作用。1積分調(diào)節(jié)作用（I作用）對于比例調(diào)節(jié)

18、器而言，被控量偏差越大，調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)作用越大，調(diào)節(jié)閥(朝著消除偏差的方向)動(dòng)得也越多。但是，糾正偏差依靠的是偏差本身，調(diào)節(jié)閥開度與被控量之間有著一一對應(yīng)的硬性關(guān)系，因此會(huì)產(chǎn)生靜差，這是比例調(diào)節(jié)作用不可避免的缺點(diǎn)。要想避免穩(wěn)態(tài)誤差，就必須采用積分調(diào)節(jié)規(guī)律。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出P（t）與偏差輸入e（t）對時(shí)間的積分成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1-3-5）式中，Ki是積分速度。顯然，積分調(diào)節(jié)器的輸出不僅取決于偏差的大小，而且取決于偏差存在的時(shí)間長短。對式（1-3-5）兩邊求導(dǎo)后，可以得到積分調(diào)節(jié)作用規(guī)律的另一種表述方式， （1-3-6）即積分調(diào)節(jié)器輸出（調(diào)節(jié)閥開度）的變化速度與輸入偏差信號成正比。

19、被控量的偏差越大，調(diào)節(jié)閥朝著消除偏差方向動(dòng)得越快，偏差為零，調(diào)節(jié)閥才停止變化。積分調(diào)節(jié)器是一種考慮了“偏差是否存在”因素的自動(dòng)調(diào)節(jié)器，它把測量值與給定值加以比較得出偏差值，然后發(fā)出與偏差對時(shí)間的積分成正比例的調(diào)節(jié)信號。只要偏差存在，調(diào)節(jié)器的輸出P（t）就會(huì)不斷變化，執(zhí)行機(jī)構(gòu)就會(huì)不斷動(dòng)作。只有當(dāng)偏差消除（即e（t）0）時(shí)，輸出信號才不再變化，系統(tǒng)才穩(wěn)定下來。換言之，積分控制作用將最終導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差等于零。2積分調(diào)節(jié)器實(shí)例及特點(diǎn)圖1-3-6 采用積分調(diào)節(jié)器的水位控制系統(tǒng)圖1-3-6表示采用積分調(diào)節(jié)器的水位控制系統(tǒng)。積分調(diào)節(jié)器由浮子、杠桿和滑閥組成，屬液動(dòng)式調(diào)節(jié)器。當(dāng)水柜內(nèi)的水位等于給定值時(shí)，滑

20、閥2正好將通往伺服油缸的上下油口A、B遮住，伺服活塞不動(dòng)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。設(shè)在某一時(shí)刻，流出量突然減少Q(mào)0，水柜內(nèi)水位上升，杠桿ABO以支點(diǎn)O為轉(zhuǎn)動(dòng)中心順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，同時(shí)將滑閥2向上提起，于是伺服油缸上面的油口A與進(jìn)油管連通，壓力油進(jìn)入伺服油缸的上腔，而下腔則與回油管路接通，向外排油。這時(shí)在伺服油缸的上下腔便出現(xiàn)壓力差，此壓力差推動(dòng)活塞下行，關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減小流入量Q1，直到流入量與流出量相等，而且水位也回到起始給定值時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)才重新建立平衡。水位偏離給定值越大，滑閥將上下油口開得越大，伺服油缸上、下腔的壓力差也越大，則調(diào)節(jié)閥移動(dòng)的速度也就越大，符合式（1-3-6）所描述的積分動(dòng)作規(guī)律

21、，所以，它是一個(gè)積分調(diào)節(jié)器。不難看出，只要水位與其給定值之間還有誤差存在，滑閥就不能把通往伺服油缸的上、下兩個(gè)油口完全遮住，調(diào)節(jié)過程就要一直進(jìn)行下去，直到水位又回到初始給定值，調(diào)節(jié)才停止，系統(tǒng)重新建立平衡。所以采用積分調(diào)節(jié)器可以消除被控量的穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。這是積分調(diào)節(jié)器的主要特點(diǎn)，也是它的優(yōu)點(diǎn)。采用積分調(diào)節(jié)器時(shí)，被控量的偏差與調(diào)節(jié)閥的位移之間沒有一一對應(yīng)的關(guān)系。由圖1-3-6可以看到，在調(diào)節(jié)過程中，只要水位變到等于給定值(滑閥正好將A、B口遮住)，且水柜的流入水量等于流出水量時(shí)，那么不管伺服活塞處在什么位置上，調(diào)節(jié)閥都會(huì)停止不動(dòng)。因此，采用積分調(diào)節(jié)時(shí)，被控量在任何負(fù)荷下的穩(wěn)態(tài)值都等于它

22、的給定值。此外，從式(1-3-6)可以看出，調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作速度的大小及方向決定于偏差e的大小及正負(fù)，而不考慮偏差變化速度的大小及方向，這是積分作用在調(diào)節(jié)中造成過調(diào)現(xiàn)象的根本原因。如圖1-3-7所示，在a、b兩點(diǎn)上，被控量與給定值之間的偏差大小一樣且都是正偏差。對應(yīng)于a、b兩點(diǎn)，調(diào)節(jié)閥的移動(dòng)速度的大小及方向(關(guān)小)都一樣，但a、b兩點(diǎn)被控量變化速度的大小及方向卻是不一樣的。在a點(diǎn)，被控量處于上升變化階段，此時(shí)流入量大于流出量，積分作用以某個(gè)速度去關(guān)小調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作是正確的；而在b點(diǎn)，被控量已處于下降變化階段，此時(shí)流入量已小于流出量。調(diào)節(jié)器正確的調(diào)節(jié)作用應(yīng)該是開大調(diào)節(jié)閥或暫時(shí)停止調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。然而，積分

23、作用不考慮被控量變化速度的大小及方向，只要偏差一樣，它就以同樣大小的速度去繼續(xù)關(guān)小調(diào)節(jié)閥，這就產(chǎn)生了過調(diào)現(xiàn)象。過調(diào)的結(jié)果，擴(kuò)大了流入量與流出量的差值，引起被控量的振蕩，大大降低了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這是積分作用規(guī)律的另一個(gè)特點(diǎn)，也是其缺點(diǎn)。圖1-3-7 積分作用產(chǎn)生過調(diào)的原因積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是沒有穩(wěn)態(tài)偏差，但是由于需要一定的時(shí)間才能把調(diào)節(jié)閥開大或關(guān)小，所以它總是滯后于偏差信號的變化，從而導(dǎo)致調(diào)節(jié)過程比較緩慢。同時(shí)，由于調(diào)節(jié)的滯后，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程容易發(fā)生振蕩，甚至不穩(wěn)定。圖1-3-8給出了控制系統(tǒng)在相同擾動(dòng)情況下，分別采用比例調(diào)節(jié)器和積分調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)過程曲線。在出現(xiàn)偏差的初期，圖1-3-8 比例控

24、制和積分控制的比較曲線b由于積分控制作用很不及時(shí)，所以最大動(dòng)態(tài)偏差emax較大，后期由于積分作用越來越強(qiáng)，造成被控量的振蕩。而曲線a，由于比例控制作用比較及時(shí)，故最大動(dòng)態(tài)偏差emax較小，振蕩小，但是最后存在靜態(tài)偏差。由于積分作用的以上缺點(diǎn)，積分調(diào)節(jié)器很少單獨(dú)使用，而經(jīng)常作為一種輔助作用加以利用，以發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。3比例積分調(diào)節(jié)作用在PI調(diào)節(jié)器中，比例作用是主要的，它能使調(diào)節(jié)閥的開度隨時(shí)適應(yīng)偏差量的變化，控制比較及時(shí)，這樣就具有了較好的動(dòng)態(tài)特性。積分作用是輔助的，用它來消除靜態(tài)偏差。PI調(diào)節(jié)器的輸出和輸入之間的關(guān)系為： （1-3-7）式中： KPPI調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)； TiPI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間。若

25、給比例積分調(diào)節(jié)器施加一個(gè)階躍的偏差信號（在實(shí)際系統(tǒng)中，偏差信號是不會(huì)階躍變化的，但在開環(huán)實(shí)驗(yàn)中人為地給PI調(diào)節(jié)器施加一個(gè)階躍信號是容易實(shí)現(xiàn)的），則有： （1-3-8）圖1-3-9 比例積分調(diào)節(jié)器的輸出特性PI調(diào)節(jié)器的輸出分為兩個(gè)部分，第一項(xiàng)是比例輸出，在階躍輸入瞬間，比例作用把輸入量e放大KP倍后階躍輸出；第二項(xiàng)是積分輸出，該輸出跟時(shí)間t保持線性關(guān)系，其斜率為KP/Ti。從圖1-3-9中可以看出，積分輸出取決于偏差和時(shí)間兩個(gè)因素。當(dāng)時(shí)間t0時(shí)，不論偏差多大，積分輸出為零，以后隨著時(shí)間的增長，積分輸出隨時(shí)間呈線性關(guān)系上升。當(dāng)tTi時(shí)，P（Ti）2KP·e，即比例輸出等于積分輸出，調(diào)節(jié)器

26、的輸出是比例輸出的兩倍，BCAB。由此可以看出，積分時(shí)間的物理意義是：在給PI調(diào)節(jié)器輸入一個(gè)階躍信號情況下，積分輸出等于比例輸出所需要的時(shí)間就是積分時(shí)間Ti。積分時(shí)間越小，積分輸出上升到比例輸出所花時(shí)間就越短，積分作用就越強(qiáng)。4積分時(shí)間對調(diào)節(jié)過程的影響 圖1-3-10所示為同一比例帶PB下不同Ti值對調(diào)節(jié)過程曲線的影響。圖（a）表示Ti太小，積分作用很強(qiáng)，消除靜差的能力很強(qiáng)，同時(shí)動(dòng)態(tài)偏差也較小，但振蕩過程加劇，穩(wěn)定性降低。曲線（b）表示Ti合適，經(jīng)23個(gè)波過程就結(jié)束。曲線（c）表示Ti太大，積分作用減弱，消除穩(wěn)態(tài)偏差的能力變?nèi)?，調(diào)節(jié)過程時(shí)間變長，同時(shí)動(dòng)態(tài)偏差也增大，但振蕩減少、穩(wěn)定性提高。曲線

27、(d)表示Ti，即沒有積分作用，這時(shí)調(diào)節(jié)器只剩下比例作用，被控量有靜差。圖1-3-10 積分時(shí)間大小對動(dòng)態(tài)過程的影響由于比例積分調(diào)節(jié)器具有比例調(diào)節(jié)反應(yīng)快、無滯后的優(yōu)點(diǎn)，又具有積分調(diào)節(jié)可以消除穩(wěn)態(tài)偏差的優(yōu)點(diǎn)，因此適用面比較廣泛，多數(shù)系統(tǒng)都可以采用。在PI調(diào)節(jié)器上設(shè)有兩個(gè)旋鈕，一個(gè)用于調(diào)整比例帶PB，另一個(gè)用于調(diào)整積分時(shí)間Ti。Ti被調(diào)整為合適的值時(shí)，既能保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求又能在較短的時(shí)間內(nèi)使系統(tǒng)消除靜態(tài)偏差值。在調(diào)整Ti時(shí)，切忌把Ti值整定得太小，否則由于積分作用過于強(qiáng)烈將導(dǎo)致系統(tǒng)的激烈振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間大大增加，這是對控制不利的。如果Ti不能準(zhǔn)確地確定，那么在選取Ti值時(shí)，要寧大勿小，這只是

28、增加了系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)偏差的時(shí)間而沒有其它影響。對控制對象慣性大的控制系統(tǒng)，選取Ti值要大一點(diǎn)；控制對象慣性較小，則選取Ti值可以小一點(diǎn)。當(dāng)Ti時(shí)，就相當(dāng)于切除積分調(diào)節(jié)作用，而成為純比例調(diào)節(jié)器。四、比例微分調(diào)節(jié)作用（PD調(diào)節(jié)作用） 1微分調(diào)節(jié)作用（D作用）由上面分析可知，比例作用對系統(tǒng)的控制比較及時(shí)，調(diào)節(jié)閥的開度能適應(yīng)負(fù)荷的變化，但這是相對的。在控制對象受到很大擾動(dòng)時(shí)，特別是在控制對象慣性比較大的情況下，在短時(shí)間內(nèi)，被控量不會(huì)出現(xiàn)較大的偏差e。比例調(diào)節(jié)作用的輸出是與偏差大小成正比的，因此，在短時(shí)間內(nèi)，調(diào)節(jié)閥的開度P是不可能適應(yīng)擾動(dòng)的要求。這樣，被控量就會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。在這種情況下，比例控制規(guī)律就

29、顯得不夠及時(shí)了?？刂茖ο髴T性越大，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。如果在控制對象受到擾動(dòng)的瞬間，調(diào)節(jié)器的輸出P與偏差的變化速度de(t)/dt成比例，那么這種調(diào)節(jié)器就被稱之為微分調(diào)節(jié)器，其作用規(guī)律為： （1-3-9）式中，Kd是微分系數(shù)。顯然，微分作用的輸出與偏差的絕對值大小沒有關(guān)系，而是根據(jù)偏差的變化速度形成控制量輸出。只要偏差的變化速度足夠大，哪怕此時(shí)偏差絕對值很小，調(diào)節(jié)器的輸出也會(huì)很大。因此，微分作用可以對系統(tǒng)受到的擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，從而克服擾動(dòng)，使被控量不會(huì)出現(xiàn)大的偏差。換言之，微分作用有抵制偏差出現(xiàn)的能力。理想微分作用的調(diào)節(jié)器在實(shí)際系統(tǒng)中是不能直接使用的。因?yàn)椋绻趖0時(shí)刻對微分調(diào)節(jié)器輸入一個(gè)階躍

30、的偏差信號e，e是常數(shù)，即dee，此時(shí)dt0，所以調(diào)節(jié)器的輸出P；然后在極短的時(shí)間內(nèi)，dt0，而de0，則調(diào)節(jié)器的輸出Pde/dt，迅速減小為零，即對微分調(diào)節(jié)器輸入階躍的偏差信號后，調(diào)節(jié)器指揮調(diào)節(jié)閥馬上從原來位置達(dá)到全開，接著又立即回到原位置。這種作用規(guī)律在工程上是不可實(shí)現(xiàn)的，就是實(shí)現(xiàn)也沒有實(shí)用價(jià)值。所以在實(shí)際系統(tǒng)中，一般采用實(shí)際微分作用。給實(shí)際微分調(diào)節(jié)器施加一個(gè)階躍的偏差輸入信號后，它先有一個(gè)較大的階躍輸出，然后微分輸出按負(fù)的指數(shù)規(guī)律逐漸衰減，最后消失在零上，如圖1-3-11所示。圖1-3-11 實(shí)際微分作用的輸出特性對于微分控制來說，在被控參數(shù)偏差存在但是不變化時(shí)，微分作用是沒有輸出的。也

31、就是說，微分控制對恒定不變的偏差是沒有克服能力的。因此微分調(diào)節(jié)規(guī)律不能單獨(dú)使用，而只作為一種輔助調(diào)節(jié)規(guī)律，與比例或比例積分作用聯(lián)合使用。2比例微分調(diào)節(jié)作用比例微分調(diào)節(jié)作用規(guī)律是指調(diào)節(jié)器的輸出包括比例作用和微分作用。其中，比例作用是主要的作用，它最終決定了調(diào)節(jié)閥開度的變化量；微分作用是輔助的，它只起到超前調(diào)節(jié)的作用。比例微分作用規(guī)律可以表述為： （1-3-10）式中，Td是PD調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。由上式可以看出，放大倍數(shù)KP不僅影響比例部分，同樣也影響微分部分。就是說，KP不僅將偏差的放大倍數(shù)增大了，同樣也把偏差的變化速度放大了。給比例微分調(diào)節(jié)器施加一個(gè)階躍的偏差輸入信號后，它首先有一個(gè)階躍的比例

32、加微分的輸出，然后微分輸出部分逐漸消失，最后消失在比例輸出上。如圖1-3-12所示。微分時(shí)間Td表示微分輸出消失的時(shí)間。Td較大，則微分輸出保留的時(shí)間比較長，說明微分作用較強(qiáng)；反之，則說明微分作用比較弱。因此微分時(shí)間Td的大小是衡量微分作用強(qiáng)弱的參數(shù)。微分作用不能太強(qiáng)，即Td過大的話，將會(huì)使調(diào)節(jié)器的輸出劇烈變化，不但不能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，反而會(huì)引起被控參數(shù)劇烈振蕩。微分作用也不能太弱，如果Td太小的話，對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)改善不顯著。當(dāng)Td0時(shí)，P（t）KPe（t），即此時(shí)只剩下了比例作用。圖1-3-12 比例微分調(diào)節(jié)器的輸出特性在PD調(diào)節(jié)器上有兩個(gè)旋鈕，一個(gè)是比例帶PB調(diào)整旋鈕，另一個(gè)是微分時(shí)間

33、Td調(diào)整旋鈕。一般來說，對于控制對象慣性比較小的控制系統(tǒng)，其采用的調(diào)節(jié)器可以不加入微分作用。而控制對象慣性較大的控制系統(tǒng)（如溫度控制系統(tǒng)），調(diào)節(jié)器加入微分作用，其控制效果的改進(jìn)是十分顯著的。在PD調(diào)節(jié)器中，如果已加入微分作用，比例帶PB的值可以比純比例控制時(shí)的值調(diào)得小一些。因?yàn)槲⒎肿饔每梢詫?shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，具有抵制偏差出現(xiàn)的能力，所以盡管PB比較小，即比例作用比較強(qiáng)，也能夠保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的穩(wěn)定性，且PB較小時(shí)，穩(wěn)態(tài)偏差的值也會(huì)小一點(diǎn)。五、比例積分微分調(diào)節(jié)作用（PID調(diào)節(jié)作用） 1. 比例積分微分（PID）作用比例積分微分調(diào)節(jié)器是把比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用結(jié)合起來組成的調(diào)節(jié)器，也稱三作用調(diào)節(jié)器

34、，或簡稱PID調(diào)節(jié)器。在這種作用規(guī)律中，仍然以比例作用為主，積分調(diào)節(jié)作用規(guī)律主要是用于消除靜態(tài)偏差，而微分作用用來實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，因而是一種功能最完善的經(jīng)典調(diào)節(jié)規(guī)律。PID調(diào)節(jié)作用規(guī)律可以表述為： （1-3-11）調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號等于比例作用、積分作用和微分作用三部分輸出變化之和。當(dāng)給PID調(diào)節(jié)器輸入一個(gè)階躍的偏差信號時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出的變化如圖1-3-13所示。圖1-3-13 PID調(diào)節(jié)器輸出特性開始時(shí)，微分作用變化得最快，它使輸出信號發(fā)生突然的大幅度的變化，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的超前調(diào)節(jié)作用，這種控制作用可以看成是“預(yù)調(diào)”。然后微分作用又慢慢地下降直到消失，而隨著時(shí)間的積累，積分作用就越來越大地起

35、了主導(dǎo)作用。只要偏差信號不消失，e0，積分輸出（）就不等于零，積分作用就不斷增加，直至調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到飽和；只有偏差完全消失，積分作用才會(huì)停止，這種控制作用可以看成是“細(xì)調(diào)”。而在調(diào)節(jié)的整個(gè)過程中，比例作用一直是與偏差成正比關(guān)系的，它是整個(gè)調(diào)節(jié)器中最主要的調(diào)節(jié)作用。在PID調(diào)節(jié)器中，如果把三個(gè)參數(shù)，即比例帶PB、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td整定適當(dāng)，控制系統(tǒng)就可以獲得最佳的動(dòng)態(tài)過程品質(zhì)指標(biāo)，取得滿意的調(diào)節(jié)效果。由于比例作用使調(diào)節(jié)閥的開度與偏差值成正比，因此比例作用可以根據(jù)偏差的大小決定調(diào)節(jié)閥的最終開度，實(shí)現(xiàn)及時(shí)的調(diào)節(jié)。積分作用可以使穩(wěn)態(tài)偏差等于零，即最終使得被控量回到給定值。微分作用有超前控制能

36、力，即抵制出現(xiàn)偏差的能力，因此可以減小系統(tǒng)的最大動(dòng)態(tài)偏差emax，減少振蕩、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使被控量波動(dòng)23次就可以穩(wěn)定下來?？梢姡琍ID調(diào)節(jié)器是控制系統(tǒng)理想的調(diào)節(jié)單元，使用得當(dāng)可以取得滿意的調(diào)節(jié)效果。但是，PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，從節(jié)省投資和便于維修的角度考慮，在能滿足調(diào)節(jié)要求的前提下，應(yīng)選用最簡單的調(diào)節(jié)器。此外，PID調(diào)節(jié)器對干擾信號非常敏感。比如機(jī)艙中的液位系統(tǒng)，由于船舶周期性的穩(wěn)性變化（搖擺），將導(dǎo)致PID調(diào)節(jié)器中的微分作用發(fā)出較大的階躍信號，使調(diào)節(jié)閥開度突然變化很大。也就是本來不需要調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，由于微分作用的超前調(diào)節(jié)，使閥門開度忽而大開、忽而大關(guān)，破壞了系統(tǒng)的平衡。所以對于液位控

37、制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器不能加入微分作用，只能選擇雙位式調(diào)節(jié)規(guī)律、比例調(diào)節(jié)規(guī)律或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律。2. 氣動(dòng)PID調(diào)節(jié)器1）QTM-23J型氣動(dòng)PID調(diào)節(jié)器（1)調(diào)節(jié)器的基本組成QTM-23J型氣動(dòng)三作用（PID）調(diào)節(jié)器按力矩平衡原理工作，其結(jié)構(gòu)原理如圖1-3-14所示。它主要由四部分組成：比較部分、放大部分、比例積分部分和微分部分。比較部分包括測量波紋管F、給定波紋管G、負(fù)反饋波紋管E、正反饋波紋管H及具有彈性支點(diǎn)的比較杠桿6。測量信號與反饋信號以力矩形式在杠桿6上進(jìn)行比較。1、6-平衡杠桿； 2、4-擋板；3、5-噴嘴；7、9-恒節(jié)流孔8-放大器；10-膜片；11-噴嘴；12-1：1跟蹤器圖1-3-

38、14 QTM-23J型氣動(dòng)PID調(diào)節(jié)器原理圖CD氣源P測PGRDRPP出RFRIJ6123456789101112MKHFLEG放大部分由擋板4、噴嘴5和恒節(jié)流孔9組成的噴嘴擋板機(jī)構(gòu)及后面串聯(lián)的耗氣型氣動(dòng)功率放大器8組成。二級功率放大器的輸出即為調(diào)節(jié)器的輸出，送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。比例部分由比例閥RP（可調(diào)氣阻）、恒氣阻RF和正反饋波紋管H組成。積分部分由積分閥RI（可調(diào)氣阻）、節(jié)流盲室J和1：1跟蹤器組成，積分作用是由正反饋實(shí)現(xiàn)的。微分部分由接受測量信號的波紋管K、接受負(fù)反饋信號的波紋管L、噴嘴3、擋板2、具有彈性支點(diǎn)的杠桿1以及微分恒節(jié)流孔7、微分閥RD（可調(diào)氣阻）、微分氣容CD和彈性氣容M等元件

39、組成。由變送器送來的測量信號先引入波紋管K，經(jīng)微分部分先產(chǎn)生一個(gè)微分輸出并送入比較部分的測量波紋管F。（2）調(diào)節(jié)器的工作原理假定在初始平衡狀態(tài)下系統(tǒng)受到擾動(dòng)，使被控量的測量值大于給定值，則擋板2靠近噴嘴3，噴嘴背壓瞬間增加。這個(gè)增大的信號分三路：第一路直接送入比較部分的測量波紋管F，使擋板4靠近噴嘴5，噴嘴背壓升高，經(jīng)放大器放大，調(diào)節(jié)器輸出信號瞬間增大；第二路經(jīng)彈性氣容M擠壓微分氣室CD，使波紋管L中的氣壓信號瞬間增加，限制擋板2繼續(xù)靠近噴嘴3。此時(shí)微分部分的輸出信號最大，相應(yīng)于調(diào)節(jié)器輸出信號也是最大的；第三路經(jīng)微分閥RD不斷向波紋管L充氣，使擋板2不斷離開噴嘴3，測量波紋管F接受的測量信號隨

40、之逐漸減小，亦即微分輸出逐漸衰減。當(dāng)波紋管L的氣壓信號增加到與波紋管K相同時(shí)，微分輸出消失。不難看出，微分部分是比例帶為100%的比例微分環(huán)節(jié)（微分器）。測量波紋管F接受微分部分輸出的超前控制信號，打破杠桿6的初始平衡狀態(tài)，使擋板4靠近噴嘴5，調(diào)節(jié)器的輸出信號增大。增大的輸出信號分四路：第一路送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變調(diào)節(jié)閥的開度以適應(yīng)負(fù)荷的要求。第二路直接送入負(fù)反饋波紋管E，限制擋板繼續(xù)靠近噴嘴，構(gòu)成100的負(fù)反饋。第三路經(jīng)過比例閥RP（可調(diào)氣阻）、恒氣阻RF和正反饋波紋管H組成的節(jié)流分壓器進(jìn)入正反饋波紋管H，產(chǎn)生正反饋力矩。進(jìn)入波紋管H的氣壓信號是由比例閥RP和氣阻RF分壓得到的。在P出增大的瞬間

41、，積分氣室的壓力PI尚未變化，則此時(shí)正反饋波紋管H的壓力為： （1-3-12）顯然，正反饋波紋管H的氣壓信號PH小于調(diào)節(jié)器的輸出，而負(fù)反饋波紋管E的氣壓信號PE就是調(diào)節(jié)器的輸出信號P出。因此，正、負(fù)反饋的綜合效果為負(fù)反饋。這一負(fù)反饋使杠桿達(dá)到一個(gè)暫時(shí)的平衡狀態(tài)。這是一個(gè)比例輸出的過程，調(diào)節(jié)閥開度基本適應(yīng)負(fù)荷的要求，但是由于PEPH，必然有PFPG，即P測P出，被控量不能恢復(fù)到給定值，也就是說比例調(diào)節(jié)是存在靜態(tài)偏差的。調(diào)節(jié)器輸出的第四路經(jīng)積分閥RI（可調(diào)氣阻）不斷向積分氣室J充氣，積分氣室的壓力PI按指數(shù)曲線逐漸升高，使正反饋波紋管H中的壓力逐漸升高，這個(gè)附加的正反饋使擋板又靠近噴嘴，調(diào)節(jié)器的輸

42、出略有增大，通過調(diào)節(jié)閥開度的變化來消除被控量的靜態(tài)偏差。正反饋波紋管H的氣壓信號PH、調(diào)節(jié)器的輸出信號P出、積分氣室氣壓信號（等于1：1跟蹤器的輸出）PI之間的關(guān)系為： （1-3-13）當(dāng)最終達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，PI=P出。此時(shí)PH = P出=PE，則必有PF=PG，即被控量的測量值等于給定值?？梢?，積分作用可以消除靜態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。1：1跟蹤器由殼體、噴嘴11、具有硬芯的膜片10、恒節(jié)流孔等構(gòu)成，其輸出信號（膜片下室壓力）始終跟蹤輸入信號（膜片上室壓力，也就是積分氣室J的壓力）變化。跟蹤器按力平衡原理工作，當(dāng)輸入信號增大時(shí)，膜片靠近噴嘴10，氣室的放氣量減少，其輸出壓力升高。當(dāng)膜片下室壓力

43、升高到與輸入壓力相等時(shí)，膜片不再下移，氣室的壓力也不再變化。1：1跟蹤器為節(jié)流通室提供節(jié)流通道，同時(shí)又起抗干擾作用，使調(diào)節(jié)器的輸出比較穩(wěn)定。（3）參數(shù)調(diào)整調(diào)節(jié)器的比例作用是以綜合負(fù)反饋來實(shí)現(xiàn)的，其強(qiáng)弱取決于正反饋的大小，由比例閥RP的開度來調(diào)定。開大比例閥，正反饋增強(qiáng)，綜合負(fù)反饋?zhàn)饔脺p弱，比例帶PB變小，比例作用增強(qiáng)。反之，關(guān)小比例閥，比例帶PB變大，比例作用減弱。全開比例閥，比例帶為5%，全關(guān)比例閥，比例帶為300%。調(diào)整積分閥RI的開度可改變積分時(shí)間Ti。開大積分閥，積分氣室充氣快，積分時(shí)間Ti短，附加正反饋?zhàn)饔脧?qiáng)，即積分作用強(qiáng)。反之，關(guān)小積分閥，積分時(shí)間Ti長，積分作用弱。調(diào)整微分閥RD

44、的開度可改變微分作用的強(qiáng)弱，關(guān)小微分閥，微分時(shí)間Td變長，微分作用存在的時(shí)間長，微分作用強(qiáng)。反之，開大微分閥，微分時(shí)間Td短，微分作用存在的時(shí)間短，微分作用弱。全開微分閥，Td=0，相當(dāng)于切除了微分作用。2）NAKAKITA型氣動(dòng)PID調(diào)節(jié)器（1）結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-3-15 NAKAKITA型黏度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)原理圖NAKAKITA型PID調(diào)節(jié)器按位移平衡原理工作，其結(jié)構(gòu)原理如圖1-3-15所示。調(diào)節(jié)器有兩個(gè)指針，即紅色給定指針與黑色測量指針。在初始平衡狀態(tài)下，被控量的測量值與給定值相等，黑、紅指針重合。這時(shí)噴嘴擋板之間開度不變，調(diào)節(jié)器有一個(gè)穩(wěn)定的輸出。比例波紋管、積分波紋管、微分氣室及積分氣室

45、壓力相等，都等于調(diào)節(jié)器的輸出壓力。當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)，被控量的測量值離開給定值出現(xiàn)偏差。假定測量值增大，經(jīng)控制板送入彈簧管，使彈簧管張開，其自由端F產(chǎn)生一個(gè)向上的位移量，帶動(dòng)FG桿上移，F(xiàn)G桿推動(dòng)GH桿上移。使HEN桿和HED桿均以E為軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。它一方面使MN桿右移，黑色測量指針將繞軸Q向指示粘度增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。另一方面D點(diǎn)右移，帶動(dòng)AC桿繞軸C逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，BO桿右移，OO桿以O(shè)為支點(diǎn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，固定于OO桿上的銷釘上移，推動(dòng)控制擋板開度的調(diào)節(jié)桿上移，這一動(dòng)作使擋板離開噴嘴，噴嘴背壓下降，經(jīng)氣動(dòng)功率放大器使調(diào)節(jié)器的輸出壓力降低（反作用式）。這一降低的壓力信號送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)來開大調(diào)節(jié)閥（應(yīng)配合使

46、用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥），使測量值降低。同時(shí)，這一降低的輸出信號又分三路作為調(diào)節(jié)器的反饋信號。第一路與微分氣室中的波紋管相通，波紋管收縮，波紋管外面氣室壓力略有降低，則比例波紋管壓力略有降低，OO桿略有下降使擋板略微靠近噴嘴，這一負(fù)反饋很弱，不足以抵制擋板繼續(xù)離開噴嘴，擋板離開噴嘴的位移量比較大，使調(diào)節(jié)器的輸出壓力大大降低，調(diào)節(jié)閥開度變化量很大，這就是調(diào)節(jié)器的微分輸出，以實(shí)現(xiàn)超前控制，抑制偏差的出現(xiàn)。第二路是微分氣室壓力經(jīng)微分閥與調(diào)節(jié)器的輸出相通，其壓力不斷下降，負(fù)反饋?zhàn)饔貌粩嘣鰪?qiáng)，擋板逐漸靠近噴嘴，調(diào)節(jié)器的輸出壓力信號不斷增大，這是微分輸出消失的過程。當(dāng)測量信號使擋板離開噴嘴的位移量與負(fù)反饋信號使擋

47、板靠近噴嘴的位移量相平衡時(shí)，微分輸出就消失在比例輸出上。第三路是積分波紋管壓力經(jīng)積分閥不斷放氣而降低，使擋板又離開一點(diǎn)噴嘴，調(diào)節(jié)器的輸出壓力信號又有所下降，這一附加的正反饋用來消除靜態(tài)偏差，最終使測量值等于給定值，黑色測量指針與紅色給定指針重合。當(dāng)被控量的測量值減小時(shí)，調(diào)節(jié)器的動(dòng)作原理與此相同，只是動(dòng)作方向相反。（2）調(diào)節(jié)器的調(diào)整給定值的調(diào)整是通過轉(zhuǎn)動(dòng)給定值旋鈕來實(shí)現(xiàn)的。若增大給定值，可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)給定值旋鈕。一方面紅色給定指針向指示值增大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，另一方面QS繞Q軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，RC桿左移。這時(shí)因被控量的測量值暫時(shí)未變，A和D點(diǎn)不動(dòng)，所以BO左移，擋板靠近噴嘴，調(diào)節(jié)器的輸出壓力增大，這與被控量

48、的測量值降低小于給定值的效果是一樣的。于是經(jīng)過調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，使測量值逐漸向給定值靠近，最終達(dá)到相等，黑色指針與紅色指針又重合。若減小給定值，可逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)給定值旋鈕。在調(diào)節(jié)器上有三個(gè)調(diào)整盤，分別用來調(diào)整比例帶PB、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td，并有相應(yīng)的刻度指示。調(diào)整積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td實(shí)際上是改變積分閥、微分閥的開度。比例帶調(diào)整盤是一個(gè)偏心機(jī)構(gòu)。轉(zhuǎn)動(dòng)比例帶調(diào)整盤可使噴嘴和擋板一起平行地移動(dòng)，并且擋板調(diào)節(jié)桿的傾斜度發(fā)生變化。這樣，擋板轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，銷釘上下移動(dòng)相同的距離，調(diào)節(jié)桿上下移動(dòng)的位移量不同，使噴嘴與擋板的開度變化量不同。，NAKAKITA型調(diào)節(jié)器積分時(shí)間Ti的調(diào)整范圍為200.

49、1min，微分時(shí)間Td的調(diào)整范圍為100.05min，比例帶PB的調(diào)整范圍為10250%。圖1-3-16 NAKATITA型調(diào)節(jié)器的作用方式根據(jù)船舶機(jī)艙自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求，NAKAKITA型調(diào)節(jié)器也可以采用正作用式。正反作用切換是通過轉(zhuǎn)動(dòng)比例帶調(diào)整盤來實(shí)現(xiàn)的。圖1-3-16所示為正、反作用工作方式時(shí)的比例帶調(diào)整盤及噴嘴和擋板的狀態(tài)。左圖為反作用工作方式，右圖為正作用工作方式。在反作用工作方式時(shí)，把比例帶調(diào)整盤順時(shí)針轉(zhuǎn)過3/4圈即轉(zhuǎn)換成正作用工作方式。此時(shí)，擋板調(diào)節(jié)桿轉(zhuǎn)到了OO桿上銷釘?shù)南路?，?dāng)測量信號增大時(shí)，OO桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，銷釘上移，調(diào)節(jié)桿在擋板調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)彈簧力的作用下上移，這一動(dòng)作是使擋板靠近噴嘴，噴嘴背壓升高。3. 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器除了氣動(dòng)和常規(guī)電動(dòng)控制系統(tǒng)之外，船舶機(jī)艙中越來越多的參數(shù)控制系統(tǒng)都采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，故被稱為數(shù)字調(diào)節(jié)