第二章調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)

1、 調(diào)節(jié)器是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的專用儀器。各種類型、規(guī)格和特性的調(diào)節(jié)器是為適應(yīng)不同的生產(chǎn)工藝而設(shè)計(jì)的。 調(diào)節(jié)器輸出信號p與輸入信號(偏差)e的關(guān)系叫調(diào)節(jié)規(guī)律。 調(diào)節(jié)器根據(jù)測量值與給定值的偏差信號，按某一調(diào)節(jié)規(guī)律和精度自動調(diào)節(jié)，使被調(diào)參數(shù)保持在規(guī)定范圍或者按指定的規(guī)律變化，它是調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分之一。 一分類 非連續(xù)作用式調(diào)節(jié)器雙位調(diào)節(jié)器脈沖式調(diào)節(jié)器連續(xù)作用式調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器(p調(diào)節(jié)器)比例、積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)比例、微分調(diào)節(jié)器(PD調(diào)節(jié)器)比例、積分、微分調(diào)節(jié)器(PID調(diào)節(jié)器)(一) 按調(diào)節(jié)器的特性分類(二)調(diào)節(jié)器按其作用方式可分為直接作用式調(diào)節(jié)器和間接作用式調(diào)節(jié)器。1 直接作用式調(diào)節(jié)器 敏

2、感元件感受到調(diào)節(jié)參數(shù)的變化后，在沒有外來能源的條件下，就能推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的調(diào)節(jié)器叫直接作用式調(diào)節(jié)器。如熱力膨脹閥、蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥等就屬于此類型。2間接作用式調(diào)節(jié)器 敏感元件感受到被調(diào)參數(shù)發(fā)生變化后，借助外來能源推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的調(diào)節(jié)器叫間接作用式調(diào)節(jié)器。 外界能源常有高壓液體、壓縮空氣、電能等。 按引進(jìn)能源形式不同又可分為：(1)電動調(diào)節(jié)器 (2)氣動調(diào)節(jié)器 (3)液動調(diào)節(jié)器 在制冷系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是電動調(diào)節(jié)器。 間接作用式調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、功率大、作用距離長、便于集中控制；缺點(diǎn)：引進(jìn)輔助能源和結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 二對所選用調(diào)節(jié)器的要求 結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行性能穩(wěn)定和良好、耐用可靠、維修方便、價廉。

3、 冷庫制冷系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)要求的精度并不很高，而調(diào)節(jié)對象(冷藏間)又都有一定的自平衡能力，被調(diào)參數(shù)又允許在一定的范圍內(nèi)波動，所以一般均采用結(jié)構(gòu)簡單的雙位調(diào)節(jié)器和直接作用式比例調(diào)節(jié)器。只有當(dāng)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求很高時，才采用比例積分調(diào)節(jié)器。 當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入信號發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)器的輸出信號只有兩個值的調(diào)節(jié)器，叫做雙位調(diào)節(jié)器。 輸出信號是間斷的，又稱為“繼電器”。溫度繼電器、壓力繼電器等雙位調(diào)節(jié)器是結(jié)構(gòu)最簡單的一種調(diào)節(jié)器。雙位調(diào)節(jié)器輸出信號p(t)，誤差信號e(t)，信號p(t)保持在最大值還是最小值上，取決于誤差信號是正的還是負(fù)的。特性方程為：)0)()0)(12)(teMteMtp圖2-1是一個冷藏間

4、溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的示意圖。 給定值：-18 理想情況：冷藏間溫度 -18，溫度控制器切斷電磁閥電源，停止向蒸發(fā)器供液，使冷藏間溫度不再繼續(xù)下降。冷藏間溫度 -18，溫度控制器接通電磁閥電源，向蒸發(fā)器供液，使冷藏間溫度下降。 頻繁地工作極易影響控制器、執(zhí)行器的壽命，使之損壞。 實(shí)際：冷藏庫的調(diào)節(jié)精度要求不高，冷藏間溫度允許在一定的范圍內(nèi)波動。規(guī)定一個適當(dāng)?shù)臏囟确秶箿囟瓤刂破髟谶_(dá)到上限位溫度值時，觸頭能自動閉合；達(dá)到下限位溫度值時，觸頭能自動斷開。在上下限位溫度值中間，溫度控制器不動作，這樣就解決了溫度控制器頻繁動作的缺陷，同時也能滿足食品冷藏工藝的要求。這個給定的溫度范圍，也就是控制器觸頭“

5、閉合”和“斷開”的溫度差叫做調(diào)節(jié)器差動范圍。例如冷藏間溫度要求-181，這就是說冷藏間溫度可以在-19-17之間波動。把溫度控制器的定值彈簧調(diào)節(jié)到-19，把差動值調(diào)整為2，就能滿足食品冷藏工藝的要求。即當(dāng)冷藏間溫度達(dá)到-19時，控制器觸頭“斷開”，切斷電源，電磁閥關(guān)閉。當(dāng)冷藏間溫度達(dá)到-17時，控制器觸頭“閉合”接通電源，電磁閥打開?？刂破鞯牟顒臃秶鸀?。調(diào)節(jié)器的差動范圍也叫不靈敏區(qū)或呆滯區(qū)。 雙位調(diào)書器的特點(diǎn)是能夠控制被調(diào)參數(shù)保持在一定的范圍之內(nèi)，只有被調(diào)參數(shù)達(dá)到上限位或下限位時，調(diào)節(jié)器才動作。在差動范圍之內(nèi)，調(diào)節(jié)器的觸頭保持原來狀態(tài)。圖2-2顯示出了調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律，它的輸出信號與被調(diào)參數(shù)

6、、差動范圍之間的關(guān)系，稱為雙位調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性。 系統(tǒng)受到擾動作用，被調(diào)參數(shù)y逐漸增加，經(jīng)過d點(diǎn)到達(dá)a點(diǎn)時，輸出信號由a點(diǎn)突然躍到b點(diǎn)。 當(dāng)被調(diào)參數(shù)y逐漸減小由b點(diǎn)到c點(diǎn)時，輸出信號由c點(diǎn)突然躍到d點(diǎn)。 當(dāng)被調(diào)參數(shù)在差動范圍之間變化時，雙位調(diào)節(jié)器的輸出信號無變化，即被調(diào)參數(shù)在dya及byc之間變化時，輸出信號不變。 2雙位調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程 以庫溫的雙位調(diào)節(jié)為例。設(shè)庫溫的給定值為-18，溫控器的差動范圍定為1。圖2-3表示遲延0的理想情況下庫溫的雙位調(diào)節(jié)過程。 曲線123是無時間遲延的雙位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過程的一個周期，它是一個不衰減的等幅振蕩過程。 o，雙位調(diào)節(jié)過程如圖2-4所示。 在滯后時間內(nèi)，調(diào)

7、節(jié)作用不能立即影響到調(diào)節(jié)參數(shù)的改變，調(diào)節(jié)參數(shù)將繼續(xù)沿原來的方向變化。這樣就增大了調(diào)節(jié)過程的波動幅度，使被調(diào)參數(shù)波動范圍超過調(diào)節(jié)器的差動范圍，滯后時問越長，超過的范圍就越多。滯后時間也增長了調(diào)節(jié)周期，滯后時間越長，調(diào)節(jié)周期也就越長。 （一）對象特性對雙位調(diào)節(jié)過程的影響 1.對象遲延愈大，則被調(diào)參數(shù)y波動愈大；遲延愈小，則被調(diào)參數(shù)y波動愈小。 2對象傳遞系數(shù)k愈大，時間常數(shù)T愈小，則對象飛升曲線越陡，在同樣y差動及遲延的情況下，y波動也愈大，而T周期則愈小。（二）雙位調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)過程的特點(diǎn) 雙位調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)整，價格低廉。輸出信號迅速突變，只能停留在“全開”和“全關(guān)”或“最大”和“最小”兩

8、個位置上，不能連續(xù)停留在中間位置，屬于非線性調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器有差動范圍(又稱不靈敏區(qū))，調(diào)節(jié)器在差動范圍內(nèi)不動作。改變差動范圍，可以改變被調(diào)參數(shù)被動范圍。調(diào)節(jié)過程是周期的，不衰減的脈動過程，被調(diào)參數(shù)在其波動范圍內(nèi)，按對象本身的飛升曲線規(guī)律變化。對象的越大，T越小，(即T越大)，雙位調(diào)節(jié)的波動范圍越大，調(diào)節(jié)品質(zhì)越低。雙位調(diào)節(jié)對于滯后小、時間常數(shù)大的對象較為適宜，特性比T小于o3的對象，可采用雙位調(diào)節(jié)。與雙位調(diào)節(jié)類似的還有三位調(diào)節(jié)。它的調(diào)節(jié)器有三種輸出狀態(tài)。例如，要將室溫維持在1420。超過20時，調(diào)節(jié)器使冷水盤管電磁閥接通；低于14時，將熱水盤管電磁閥接通，在1420之間時，二者都不通。三位調(diào)節(jié)器

9、與電動執(zhí)行器配合使用時，可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和不轉(zhuǎn)三種調(diào)節(jié)動作。一.概述 雙位調(diào)節(jié)器只有全開和全閉兩個位置，它不能得到一個穩(wěn)定工況。以冷藏間為例，當(dāng)電磁閥全部打開時，供液量可能大于需求量，當(dāng)電磁閥全部關(guān)閉時，供液量又可能少于需求量，不能完全適應(yīng)對象的負(fù)荷要求，因而它有很大的波動性。 如果采用比例調(diào)節(jié)器，就可以彌補(bǔ)雙位調(diào)節(jié)器的這一缺陷，當(dāng)負(fù)荷大時，供液量增加，負(fù)荷小時供液量減少。在比例調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)參數(shù)的每一個數(shù)值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的某一規(guī)定位置相對應(yīng)。 調(diào)節(jié)器的輸出信號與它的輸入信號成比例的調(diào)節(jié)器稱為比例調(diào)節(jié)器，也叫P調(diào)節(jié)器。 特性方程為： eKpc式中 K c比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。 比例調(diào)節(jié)存在不可避免

10、的靜態(tài)偏差 比例調(diào)節(jié)器屬于連續(xù)動作的調(diào)節(jié)器，在制冷裝置中有廣泛應(yīng)用。如熱力膨脹閥、恒壓膨脹閥、能量旁通調(diào)節(jié)閥、吸氣壓力調(diào)節(jié)閥、水量調(diào)節(jié)閥等，都是比例型調(diào)節(jié)器。 比例調(diào)節(jié)器有直接作用與間接作用 圖2-5是一個簡單的比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖。它是由容器、杠桿、支點(diǎn)、浮球、調(diào)節(jié)閥和排出泵所組成，被調(diào)參數(shù)是容器的液位。系統(tǒng)平衡時Q入Q出，液位為額定位h。當(dāng)流出量突然減小時，液位會隨即升高，此時浮球亦上升，通過杠桿的作用關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減少供液量，使Q入重新與Q出平衡，液面又穩(wěn)定在一個新的高度上。 若流出量突然增大，液面就跟著下降，通過扛桿作用，調(diào)節(jié)閥被逐漸開啟使Q入Q出，液面又被穩(wěn)定于一個新的高度。 從圖中可以

11、看出調(diào)節(jié)閥閥桿的位移l與液位高度變化h是成比例的，閥桿的動作與液面變化是同步的，沒有時間上的滯后，因此 。因液位升高時，調(diào)節(jié)閥關(guān)?。灰何唤档蜁r調(diào)節(jié)閥開大，所以上式中用一負(fù)號表示。 hl1比例系數(shù)(放大倍數(shù)K c) hlKc輸入信號輸出信號hKlcl執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移，單位毫米； h調(diào)節(jié)參數(shù)的變化，單位毫米。比例調(diào)節(jié)器的動態(tài)方程式 比例系數(shù)越大，在相同輸入信號時，輸出信號l越大；反之，Kc值越小，則輸出信號也就越小。所以K值的大小可以表示調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。 Kc值大，調(diào)節(jié)作用強(qiáng)，Kc值小調(diào)節(jié)作用弱。 對于浮球液位控制器，比例系數(shù)可按下式求得：lahbhKhbalpbaKp 改變支點(diǎn)O的位置，可以改變b

12、與a的比值，也就可以改變浮球液位控制器的比例系數(shù)，改變調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。 2比例帶（比例限） 比例帶的定義：使輸出信號作全范圍變化所需輸入信號變化量占全量程的百分?jǐn)?shù)。 將調(diào)節(jié)器的輸入信號和輸出信號用相對值來表示 minmaxlllLminmaxhhhHHLminmaxminmaxlllhhhLH比例帶的物理意義：比例調(diào)節(jié)器輸出值變化100時所需輸入變化的百分?jǐn)?shù)，即輸入變化某個百分?jǐn)?shù)時，輸出將從最小值變化到最大值，那么輸入變化的這個百分?jǐn)?shù)，就是比例調(diào)節(jié)器的比例帶。例：已知 初始情況： 移動后求浮球液位比例調(diào)節(jié)器的比例帶。)(10)(0maxminmmlmml)(400)(0maxminmmh

13、mmh)(300)(5 . 211mmhmml)(250)(0 . 522mmhmml解：%500105 . 250400300250minmaxminmaxlllhhhLH50的含意是：當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入偏差為25(即被調(diào)參數(shù)指示值比給定值高滿量程的25)時，調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到最小值；當(dāng)輸入偏差為+25時調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到最大值。也就是被調(diào)參數(shù)指示值的變化是滿量程的25即50時，調(diào)節(jié)器的輸出可以跟著成正比地變化，并改變了100的范圍。 比例帶愈大（愈寬），則調(diào)節(jié)器的靈敏度愈低；反之，比例帶愈小（愈窄），則調(diào)節(jié)器的靈敏度愈高。 3比例范圍 比例范圍的意義：調(diào)節(jié)器輸出值變化時，所需輸入值變化的絕對值。即

14、當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入變化某個絕對值時，輸出值變化將達(dá)100%，那么輸入變化的這個絕對值，就是比例調(diào)節(jié)器的比例范圍。 minmax1212llllhhLh)(10)(0maxminmmlmml)(400)(0maxminmmhmmh)(300)(5 . 211mmhmml)(250)(0 . 522mmhmml例：已知 初始情況： 移動后求浮球液位比例調(diào)節(jié)器的比例范圍。解：mmllllhhLh2000105 . 25300250minmax12124、 、K c關(guān)系 cKhhll1minmaxminmaxcKll1)(minmax)(minmaxhh1特性方程（動態(tài)方程、動態(tài)響應(yīng)曲線） eKpc2傳遞

15、函數(shù) cKsEspsW)()()( t0時刻之前，流入量與流出量相等，液位保持平衡。 當(dāng)t=t0時刻，流出量突然減少，此時流入量大于流出量，液位逐漸上升，浮球也跟著上升，通過杠桿作用，使調(diào)節(jié)閥跟著關(guān)小，直到流入量逐漸接近流出量，液位平衡在新的數(shù)值上為止。 調(diào)節(jié)過程如圖示。 調(diào)節(jié)過程結(jié)束時，被調(diào)參數(shù)不會回復(fù)到原規(guī)定值，必然存在靜態(tài)偏差。 靜態(tài)偏差的大小與比例帶有關(guān)。比例帶值越小，則最終靜態(tài)偏差越小，比例帶值越大，終了靜態(tài)偏差值就越大。但過小時，調(diào)節(jié)器過于靈敏。當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)稍有一點(diǎn)變化，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動作就很大，容易形成過調(diào)，使調(diào)節(jié)過程不穩(wěn)定。值稍大些，調(diào)節(jié)過程容易穩(wěn)定。 相同干擾下，隨著比例帶的減小，

16、被調(diào)參數(shù)變化靈敏，振蕩加劇。 比例帶為臨界比例帶k出現(xiàn)等幅振蕩小于k，被調(diào)參數(shù)將出現(xiàn)發(fā)散的增幅振蕩 大于k，被調(diào)參數(shù)衰減振蕩對象小，T較大，K較小時，取小一些。對象大，T較小，K較大時，必須取大一些。 一般比例調(diào)節(jié)適用于干擾小，小，T不太小的對象。比例帶的大致范圍：溫度調(diào)節(jié)20一60壓力調(diào)節(jié)30一70 流量調(diào)節(jié)40一100 液位調(diào)節(jié)20一80比例調(diào)節(jié)器雖然能根據(jù)負(fù)荷的變化按比例地迅速調(diào)節(jié)使之穩(wěn)定，但調(diào)節(jié)后始終存在靜態(tài)偏差。積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，只要有偏差存在，調(diào)節(jié)作用就繼續(xù)進(jìn)行，直到偏差完全消失為止。 積分調(diào)節(jié)器能使被調(diào)參數(shù)維持在恒定的給定值上，形成無靜態(tài)偏差自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律是輸出

17、的變化速率與輸入成正比，它的動態(tài)方程式為 )()(teKdttdpititiedtTedtKp001K i比例系數(shù)T i積分時間 )()(teKdttdpi由積分調(diào)節(jié)器特性方程判別積分調(diào)節(jié)器是如何消除靜態(tài)偏差的？ 積分調(diào)節(jié)是利用調(diào)節(jié)器輸出的變化速度與偏差成正比，當(dāng)偏差為零時，輸出的變化也為零。 積分調(diào)節(jié)就是調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對時間的積分成正比，因此稱為積分調(diào)節(jié)，用字母I表示。 積分調(diào)節(jié)器的輸出，不僅取決于偏差的大小，而且主要取決于偏差存在的時間。只要偏差存在，即便是很小，但只要存在的時間足夠長，調(diào)節(jié)器的輸出也很大。只有當(dāng)輸入偏差為零時，調(diào)節(jié)器的輸出才停止變化。調(diào)節(jié)閥才停止動作，保持在相應(yīng)的位置

18、上。 積分調(diào)節(jié)器輸出（或調(diào)節(jié)閥的相對位置）穩(wěn)定以后，可以停止在任何數(shù)值(或位置)上，也就是說調(diào)節(jié)器的輸入和輸出之間具有無定位性。積分調(diào)節(jié)雖然能消除靜態(tài)偏差，保持給定值恒定，但調(diào)節(jié)過程中會出現(xiàn)過調(diào)現(xiàn)象。積分作用使調(diào)節(jié)過程緩慢，波動加大，不易穩(wěn)定。因此在制冷中很少單獨(dú)使用積分調(diào)節(jié)器。 階躍輸入時，積分調(diào)節(jié)的動態(tài)特性（階躍響應(yīng)曲線）如圖所示。 放大器定值電阻ac電源伺服電動機(jī)電源調(diào)節(jié)機(jī)關(guān) 測量電阻bd 當(dāng)被調(diào)參數(shù)與給定值相等時，測量電阻與橋臂電阻所組成的電橋平衡，電橋c、d兩端無輸出信號，伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。 當(dāng)被調(diào)參數(shù)與給定值有偏差，電橋不平衡，電橋c、d兩端有信號輸出，經(jīng)放大器放大后，放大器的輸出

19、電流使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動。 被調(diào)參數(shù)與給定值是正偏差還是負(fù)偏差決定了電橋c、d兩端的極性，也就決定了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 電橋c、d兩端信號的大小與偏差的大小成正比，放大器的輸出電流又與輸入即c、d兩端信號成正比，因此流過伺服電機(jī)繞組電流的強(qiáng)弱就與偏差信號的大小成正比，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速亦與偏差信號成正比。由電機(jī)帶動的調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)的移動速度就與被調(diào)參數(shù)對給定值的偏差值成正比，即 ，從而實(shí)現(xiàn)了積分調(diào)節(jié)的作用。 Kdtd積分調(diào)節(jié)適用于遲延小、時間常數(shù)小而反應(yīng)迅速、自平衡能力較大、負(fù)荷變化又小又慢的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。 單純的積分調(diào)節(jié)器，能消除靜態(tài)偏差，但初始反應(yīng)速度慢，會造成較大的動態(tài)偏差。比例積分調(diào)節(jié)器是比例調(diào)節(jié)器與積分

20、調(diào)節(jié)器組合而成。比例積分調(diào)節(jié)既有比例調(diào)節(jié)器反應(yīng)迅速，又有積分調(diào)節(jié)器可以消除靜態(tài)偏差的優(yōu)點(diǎn)。一比例積分調(diào)節(jié)器的特性方程 比例積分調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性方程是比例和積分兩種基本規(guī)律的疊加，即tictcicticdtteTteKdtteKKteKdtteKteKp000)(1)()()()()(或 )1(eTdtdeKdtdpic用傳遞函數(shù)表示為)11 ()()()(sTKsEsPsWic式中 K c比例系數(shù)； T i積分時間常數(shù)； e被調(diào)參數(shù)與給定值的偏差信號； p調(diào)節(jié)器輸出信號。 t輸入t0t輸出t0比例積分 當(dāng)輸入偏差是一個階躍變化，比例積分調(diào)節(jié)器輸出是兩部分之和，它一開始是一個階躍變化(比例作用)

21、，然后輸出信號逐漸線性增大(積分作用)，直到調(diào)節(jié)器輸出信號達(dá)到最大值。 三積分時間常數(shù) 已知比例積分調(diào)節(jié)器的微分方程式為：edtTteKpic1)( 比例積分調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)的測定：對比例積分調(diào)節(jié)器輸入一階躍信號，當(dāng)積分作用部分的輸出等于比例作用部分的輸出時，其所經(jīng)歷的一段時間就是積分時間常數(shù)T i。 t輸入t0t輸出比例積分TiP比例=P積分積分比例PPedtTeKpic)1( 當(dāng) 時，求解得T i：edtTKpic1積分eKpc比例積分比例PPedtTKeKicc1因?yàn)檩斎氲氖请A躍信號，e為常數(shù)，所以 dtTeKedtTKeKicicc11dtTi當(dāng)積分作用輸出信號與比例作用輸出信號相

22、等時，這段積分過程所經(jīng)歷的時間就是積分時間常數(shù)Ti。四比例積分調(diào)節(jié)器的特性及其調(diào)節(jié)過程 比例調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)作用反應(yīng)快，而且是立即的，有利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是：調(diào)節(jié)過程最終存在靜態(tài)偏差。積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)過程能夠消除靜態(tài)偏差,其缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)作用反應(yīng)慢,被調(diào)參數(shù)易發(fā)生大的波動。 比例積分調(diào)節(jié)器綜合了比例調(diào)節(jié)器及積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn),而克服了它們各自的缺點(diǎn),因此它是一個既反應(yīng)快,又可消除靜態(tài)偏差的較理想的調(diào)節(jié)器。 比例積分調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括比例帶和積分時間常數(shù)Ti。調(diào)整調(diào)節(jié)器的比例帶可以改變調(diào)節(jié)器中比例部分調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱；調(diào)整調(diào)節(jié)器的積分時間，可以改變調(diào)節(jié)器中積分部分調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。 比例帶對

23、調(diào)節(jié)過程的影響同比例調(diào)節(jié)器。 積分作用的強(qiáng)弱與積分時間Ti成反比。 Ti越長，積分作用越弱，靜差消除緩慢，反之，Ti越短，積分作用越強(qiáng)。 PI調(diào)節(jié)中，若比例作用的比例帶一定，Ti對調(diào)節(jié)過程的影響如圖。 可以看出，Ti過長，積分作用很不明顯，靜差消除很慢，Ti過短，衰減比過小，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性變差，調(diào)節(jié)時間拉長。(a)Ti=,比例調(diào)節(jié)器，存在靜態(tài)偏差。(b) Ti太大，積分作用弱，調(diào)節(jié)時間長。(c) Ti選取適當(dāng)，調(diào)節(jié)過程持續(xù)時間短，可以迅速消除靜態(tài)偏差。(d) Ti太小，積分作用太強(qiáng),被調(diào)參數(shù)波動次數(shù)增多，過渡時間持續(xù)時間延長。一微分調(diào)節(jié) 比例調(diào)節(jié)器和積分調(diào)節(jié)器都是根據(jù)被調(diào)參數(shù)與給定值的偏差量來進(jìn)行

24、調(diào)節(jié)的。所以調(diào)節(jié)作用總是滯后于干擾作用。 理想微分調(diào)節(jié)器輸出信號與輸入信號變化速度成正比。動態(tài)方程為：Td微分時間常數(shù)；de(t)/dt輸入信號變化速度。dttdeTtpd)()( Td大，微分作用強(qiáng)；Td小，微分作用弱。微分環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)量與偏差的變化速率成比例。因此起到超前調(diào)節(jié)的作用，能加快調(diào)節(jié)速度，改善動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)。 理想微分調(diào)節(jié)器飛升特性曲線（階躍響應(yīng)曲線）如圖示。 微分調(diào)節(jié)器一般不單獨(dú)使用 因?yàn)橹灰徽{(diào)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)等于零，調(diào)節(jié)器就不再輸出調(diào)節(jié)作用。此時即使被調(diào)參數(shù)有很大的偏差，微分調(diào)節(jié)器也不產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使被調(diào)參數(shù)得不到控制而不能回復(fù)到要求的范圍內(nèi)。二比例微分調(diào)節(jié)器（PD 調(diào)節(jié)器）

25、動態(tài)方程：傳遞函數(shù) )()()(dttdeTteKtpdc)1 ()(sTKsWdc比例微分調(diào)節(jié)器飛升特性曲線（階躍響應(yīng)曲線） 比例微分調(diào)節(jié)器既有比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，又有微分環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，使調(diào)節(jié)作用超前，但是調(diào)節(jié)過程終了仍然存在靜態(tài)偏差，同時由于比例微分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用比單純的比例調(diào)節(jié)器超前，所以采用比例微分調(diào)節(jié)器的靜態(tài)偏差比采用比例調(diào)節(jié)器要小。微分時間對調(diào)節(jié)過程的影響 PD調(diào)節(jié)中，一定時，微分時間常數(shù)Td對調(diào)節(jié)過程的影響見圖。 微分作用的強(qiáng)弱與Td成正比。Td過大，會引起被調(diào)參數(shù)波動頻繁；Td過小，微分環(huán)節(jié)超前調(diào)節(jié)的作用不明顯，對改善調(diào)節(jié)品質(zhì)的作用不大。合適的Td不僅能增強(qiáng)穩(wěn)定性，而且允許降低比例

26、帶，減小靜差。慣性較大的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，加入微分作用環(huán)節(jié)對提高調(diào)節(jié)品質(zhì)有顯著效果。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中一般不加微分作用。 當(dāng)對象滯后特別大時，采用比例積分調(diào)節(jié)器，可能調(diào)節(jié)時間較長，最大偏差也較大；或者負(fù)荷變化特別劇烈時，由于積分作用的遲緩性質(zhì)，使調(diào)節(jié)作用不及時，這時增加微分作用可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量。 比例積分微分調(diào)節(jié)器具有比例、積分、微分三種作用環(huán)節(jié)。它是比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用的綜合。 PID調(diào)節(jié)器的特性方程為 dttdeTdtteTteKdttdeKKdtteKKteKdttdeKdtteKteKpdticcdtcicdtic)()(1)()()()()()()(000傳遞函數(shù))11 ()()(

27、)(sTsTKsEsPsWdic比例積分微分調(diào)節(jié)特性曲線（階躍響應(yīng)曲線） 將比例、積分、微分調(diào)節(jié)三者結(jié)合起來，當(dāng)擾動出現(xiàn)，比例調(diào)節(jié)是一個基本調(diào)節(jié)作用。微分作用在開始時調(diào)節(jié)作用最強(qiáng)，然后逐漸消失，積分作用逐漸占主導(dǎo)作用，直到偏差完全消失，積分作用才不再增強(qiáng)。 比例作用按偏差量成比例地改變調(diào)節(jié)量，能迅速抑制干擾，是基本的作用環(huán)節(jié)，積分作用是有偏差量就要進(jìn)行調(diào)節(jié)，起消除靜差的作用，微分作用則按偏差量的變化速率成比例地改變調(diào)節(jié)量，起超前調(diào)節(jié)，縮短調(diào)節(jié)時間的作用。 PID調(diào)節(jié)器有三個可以調(diào)整的參數(shù)，比例帶、積分時間常數(shù)Ti和微分時間常數(shù)Td。 只要比例帶、積分時間常數(shù)Ti和微分時間常數(shù)Td三個參數(shù)選取得

28、恰當(dāng)，就能發(fā)揮三種調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)，從而得到較為理想的調(diào)節(jié)質(zhì)量。PID調(diào)節(jié)器一般用于對象時間常數(shù)大、容積遲延大、負(fù)荷變化又大又快的場合。在冷庫系統(tǒng)中，由于調(diào)節(jié)對象一般熱容量較大，調(diào)節(jié)精度要求并不高，所以，比例積分與微分調(diào)節(jié)器基本不用。 在制冷空調(diào)系統(tǒng)中和其它熱工對象中，為了提高調(diào)節(jié)質(zhì)量常應(yīng)用串級調(diào)節(jié)和補(bǔ)償調(diào)節(jié)。 一.串級調(diào)節(jié)的工作原理 串級調(diào)節(jié)是改善調(diào)節(jié)質(zhì)量有效方法之一，因此在制冷空調(diào)系統(tǒng)和其它熱工對象中應(yīng)用較廣。 被調(diào)參數(shù)：庫溫干擾：冷庫外部及內(nèi)部熱負(fù)荷的變化、制冷劑蒸發(fā)壓力或蒸發(fā)溫度的波動等。 調(diào)節(jié)方案一：單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng) 直接蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)冷庫溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng) 用一個調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)在吸氣管路上安裝

29、的PHS調(diào)節(jié)閥（主閥），通過調(diào)節(jié)流出蒸發(fā)器的制冷劑流量，來達(dá)到調(diào)節(jié)冷庫庫溫的目的。 冷 庫 冷 風(fēng) 機(jī) 調(diào)節(jié)器 熱力膨脹閥調(diào)節(jié)閥吸氣供液tR 調(diào)節(jié)特點(diǎn)： 因?yàn)闇y量的是冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)溫度，如果發(fā)生制冷系統(tǒng)側(cè)的干擾，如蒸發(fā)壓力的擾動時，則反應(yīng)遲鈍，要經(jīng)過冷風(fēng)機(jī)及大容量的冷庫對象環(huán)節(jié)，經(jīng)過較長的一段時間后，才反應(yīng)到庫溫變化，然后由溫度發(fā)信器發(fā)信號，調(diào)節(jié)器才開始動作，控制PHS調(diào)節(jié)閥。當(dāng)制冷劑流量改變后，又要經(jīng)過一段時間后，才能影響到冷庫庫溫。這樣就不能及時消除蒸發(fā)壓力干擾對被調(diào)參數(shù)的影響，對要求控制精度較高的冷庫，采用單回路控制系統(tǒng)就不能滿足要求。 冷 庫 熱力膨脹閥調(diào)節(jié)閥吸氣供液調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器tRp0

30、冷 風(fēng) 機(jī)調(diào)節(jié)方案二：附加中間變量的調(diào)節(jié)系統(tǒng) 將蒸發(fā)壓力作為另一個被調(diào)參數(shù)，增加調(diào)節(jié)器構(gòu)成另一個單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。制冷劑側(cè)的擾動，首先反映為蒸發(fā)壓力的變化，在影響庫溫之前，就由調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的另一調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡了，減少了其對庫溫的影響。這種方案需要增加一個調(diào)節(jié)閥，增大了管路的流動阻力，增加了初投資。 冷 庫 熱力膨脹閥調(diào)節(jié)閥吸氣供液調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器tRp0 冷 風(fēng) 機(jī)調(diào)節(jié)方案三：串級調(diào)節(jié)系統(tǒng) 在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)用兩個調(diào)節(jié)器串接，即主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器串接起來而組成串級調(diào)節(jié)。 主調(diào)節(jié)器的輸出信號作為副調(diào)節(jié)器的給定值，也就是副調(diào)節(jié)器的給定值由主調(diào)節(jié)器所決定。 副調(diào)節(jié)器的工作是隨動調(diào)節(jié)，而主調(diào)節(jié)器的工作是定值調(diào)節(jié)。

31、 蒸發(fā)壓力主閥直接接受調(diào)節(jié)器的控制，而調(diào)節(jié)器的給定值則受調(diào)節(jié)器的控制。調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。被調(diào)參數(shù)庫溫稱為主參數(shù)，蒸發(fā)壓力稱為副參數(shù)。 由副調(diào)節(jié)器和副參數(shù)蒸發(fā)壓力信號形成的閉環(huán)回路稱為副回路，由主調(diào)節(jié)器和主參數(shù)庫溫形成的閉環(huán)回路稱為主回路。 調(diào)節(jié)器1調(diào)節(jié)器2調(diào)節(jié)閥蒸發(fā)壓力對象庫溫對象發(fā)信器庫溫給定值+-+-干擾1干擾2庫溫方框圖： 冷 庫 熱力膨脹閥PHS吸氣供液EPT70tR 冷 風(fēng) 機(jī)CVMM主調(diào)節(jié)器為庫溫調(diào)節(jié)器EPT70副調(diào)節(jié)器CVMM為蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)器冷庫采用直接蒸發(fā)式冷風(fēng)機(jī)外平衡熱力膨脹閥控制制冷劑供液量 為了提高庫溫的控制精度，冷風(fēng)機(jī)的蒸發(fā)溫度或蒸發(fā)壓力要求穩(wěn)定。

32、為了不使蒸發(fā)壓力的波動以及其它因素的影響和干擾而引起蒸發(fā)壓力的波動，裝有蒸發(fā)壓力的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 蒸發(fā)壓力穩(wěn)壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)設(shè)備由壓力導(dǎo)閥CVMM和主閥PHS組成。電動壓力導(dǎo)閥CVMM由壓力導(dǎo)閥CVM和電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)AMD23所組成在吸氣管路上裝有主閥PHS，主閥的開度控制蒸發(fā)壓力或蒸發(fā)溫度。蒸發(fā)壓力信號由壓力導(dǎo)閥所感受，它與壓力導(dǎo)閥的給定值進(jìn)行比較，壓力導(dǎo)閥的輸出信號控制主閥的開度，使蒸發(fā)壓力穩(wěn)定在壓力導(dǎo)閥的給定值所給定的范圍內(nèi)。 冷庫庫溫的控制是由調(diào)節(jié)冷風(fēng)機(jī)盤管的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度，也就是調(diào)節(jié)改變盤管蒸發(fā)溫度與冷庫溫度之間傳熱溫差來實(shí)現(xiàn)。安裝在庫內(nèi)的發(fā)信器感受庫溫信號，輸出給EPT70電動溫度調(diào)

33、節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出信號控制電動壓力導(dǎo)閥CVMM的給定值。副調(diào)節(jié)器CVM壓力導(dǎo)閥的給定值由主調(diào)節(jié)器EPT70溫度調(diào)節(jié)器所控制，這樣就組成了串級調(diào)節(jié)。電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作調(diào)整壓力導(dǎo)閥CVM的給定值，從而調(diào)整冷風(fēng)機(jī)盤管的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度，使它符合庫溫控制精度的要求，保持庫溫穩(wěn)定。溫度調(diào)節(jié)器EPT70壓力調(diào)節(jié)器CVM導(dǎo)閥調(diào)節(jié)閥PHS主閥蒸發(fā)壓力對象庫溫對象溫度發(fā)信器主給定值+-+-干擾1干擾2庫溫蒸發(fā)壓力電動執(zhí)行器AMD主參數(shù)：串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的那個被調(diào)參數(shù)即為主要參數(shù)（庫溫）。副參數(shù)：串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主參數(shù)而引入的輔助被調(diào)參數(shù)，稱為副參數(shù)（蒸發(fā)壓力）。主調(diào)節(jié)器：按主參數(shù)對主給定值的偏差而

34、產(chǎn)生調(diào)節(jié)規(guī)律，其輸出信號作為副調(diào)節(jié)器的給定值（EPT70溫度調(diào)節(jié)器）。副調(diào)節(jié)器：其給定值由主調(diào)節(jié)器輸出信號所決定，并按副參數(shù)對其給定值的偏差而動作的調(diào)節(jié)器（CVMM壓力導(dǎo)閥）。主回路：串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中斷開副調(diào)節(jié)器后的整個外回路。副回路：處于串級系統(tǒng)里面，由副參數(shù)、副調(diào)節(jié)器及其所包括的一部分對象等環(huán)節(jié)所組成的閉合回路。二串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍 1 特點(diǎn)當(dāng)干擾進(jìn)入副回路時，副回路快速調(diào)節(jié)，在干擾影響到主參數(shù)波動之前，即已被克服。具有改善對象特性的作用。 2. 適用場合對象滯后比較大，用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)時，過渡過程時間長，超調(diào)量大，被調(diào)參數(shù)回復(fù)慢，因此調(diào)節(jié)質(zhì)量不能滿足要求，這時可以采用串級調(diào)節(jié)。調(diào)

35、節(jié)對象純遲延時間長，用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量要求時，可以采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈和幅值很大的干擾作用時，調(diào)節(jié)質(zhì)量往往比較差，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 串級調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的選擇：副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速抵消在副回路中的干擾，而中間變量并不要求無差，一般采用比例調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)參數(shù)符合工藝要求。如主參數(shù)調(diào)節(jié)質(zhì)量要求不高，可采用比例調(diào)節(jié)器。但是，通常采用串級調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，總是希望調(diào)節(jié)質(zhì)量高一些，采用比例積分調(diào)節(jié)器。 1前饋調(diào)節(jié) 反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)是按偏差來進(jìn)行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)作用總是滯后于干擾作用，使調(diào)節(jié)作用不及時，在被調(diào)參數(shù)偏離給定值之前，反饋控制根本無法

36、克服干擾，使調(diào)節(jié)質(zhì)量不高。 前饋控制是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。 空調(diào)房間補(bǔ)償環(huán)節(jié)送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)器蒸汽送風(fēng)發(fā)信器風(fēng)機(jī)補(bǔ)償發(fā)信器室外新風(fēng)排風(fēng)HCCC空調(diào)房間送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)器蒸汽送風(fēng)發(fā)信器風(fēng)機(jī)室外新風(fēng)排風(fēng)HCCC空調(diào)房間補(bǔ)償環(huán)節(jié)蒸汽送風(fēng)風(fēng)機(jī)補(bǔ)償發(fā)信器室外新風(fēng)排風(fēng)HCCCG0對象補(bǔ)償器測量裝置GLfpqY被調(diào)量 前饋調(diào)節(jié)：通過發(fā)信器測量干擾量的變化，當(dāng)干擾被測量出來，調(diào)節(jié)器發(fā)出信號，調(diào)節(jié)作用施加上去，使兩者抵消于被調(diào)參數(shù)發(fā)生偏差之前。因此前饋調(diào)節(jié)抗干擾能力比反饋調(diào)節(jié)快。前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖如圖示。 干擾作用通過兩個通道影響被調(diào)參數(shù)(輸出量)，一個是通過對象的干擾通道GL去影響被調(diào)參數(shù)Y；

37、另一個通過測量環(huán)節(jié)和補(bǔ)償器產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，并通過調(diào)節(jié)通道G0去影響被調(diào)參數(shù)Y。 調(diào)節(jié)作用和干擾作用對輸出量的影響是相反的。這樣在一定條件下，有可能使補(bǔ)償通道的作用很好地抵消干擾f 對對象輸出的影響，使得被調(diào)量不隨干擾f 變化。 要求：測量干擾準(zhǔn)確；了解對象的特性；補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)規(guī)律是可以實(shí)現(xiàn)的。 G0(s)GC(S)Gd(S)F(s)Y被調(diào)量Gf(s)+前饋補(bǔ)償器調(diào)節(jié)器對象調(diào)節(jié)通道外擾通道上圖表示前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。Gf(s)、G0(s)分別代表調(diào)節(jié)對象干擾f 作用和調(diào)節(jié)作用下的傳遞函數(shù)。 如果沒有補(bǔ)償器，干擾f只通過Gf(s)影響Y，即有了補(bǔ)償器后，干擾f還同時通過補(bǔ)償通道Gd(s)、Gc(s

38、)、G0(s) 來影響Y，因而在干擾f作用下被調(diào)參數(shù)不變的條件是：Y(s)=0)()()(sFsGsYf)()()()()()()(0sFsGsGsGsFsGsYcdf0)()()()()()(0sFsGsGsGsFsGcdf可得補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為如果前饋裝置物理上能精確實(shí)現(xiàn)上式的傳遞函數(shù)，那么干擾f 對于Y的影響就將等于零，就可實(shí)現(xiàn)所謂的“完全不變性”。 )()()()(0sGsGsGsGcfd 前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以依據(jù)干擾的大小，在被調(diào)參數(shù)偏離給定值之前進(jìn)行控制，使被調(diào)參數(shù)始終保持在給定值上。 前饋調(diào)節(jié)在理論上是理想的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 實(shí)際：完全補(bǔ)償是很難實(shí)現(xiàn)的。 因?yàn)楦蓴_因素很多，有一些沒有辦法進(jìn)

39、行測量，不可能對每一干擾加一套前饋補(bǔ)償裝置，只能針對主要干擾進(jìn)行補(bǔ)償，而其它干擾還會使被調(diào)參數(shù)發(fā)生偏差。 前饋調(diào)節(jié)也不能得到滿意的調(diào)節(jié)質(zhì)量，而反饋調(diào)節(jié)對所有干擾都能起到控制作用，同時調(diào)節(jié)器也不需要像補(bǔ)償器那樣的要求嚴(yán)格精密。 將前饋調(diào)節(jié)和反饋調(diào)節(jié)結(jié)合起來，構(gòu)成復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 2補(bǔ)償調(diào)節(jié)(復(fù)合調(diào)節(jié)） G0(s)GC(S)Gd(S)F(s)Y(s)Gf(s)-+R(s)E(s)復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖當(dāng)沒有前饋補(bǔ)償時，即G d(s)=0，就是普通的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出信號)()()(1)()()()(1)()()(000sFsGsGsGsRsGsGsGsGsYcfcc式中的第二項(xiàng)表示了干擾對調(diào)

40、節(jié)系統(tǒng)輸出量的影響。由于G f(s)0，因此0)()()(1)()(01sFsGsGsGsYcfY1(s)表示干擾對系統(tǒng)輸出量的影響。說明了反饋調(diào)節(jié)不能完全補(bǔ)償干擾。 在反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)中再加上前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，就成為復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為)()()(1)()()()()()()(1)()()(0000sFsGsGsGsGsGsGsRsGsGsGsGsYccdfcc如果要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，則第二項(xiàng)為零，即0)()()(1)()()()(00sFsGsGsGsGsGsGccdf0)()()()(0sGsGsGsGcdf因?yàn)镕(s)0，所以只有即要求說明復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)與開環(huán)的前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有同一補(bǔ)償條件

41、，并不因?yàn)橐M(jìn)偏差信號而改變。)()()()(0sGsGsGsGcfd一.調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù) （一）自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的框圖 G0調(diào)節(jié)對象GC調(diào)節(jié)器Gv執(zhí)行器干擾fy-+reH發(fā)信器pqz被調(diào)參數(shù)給定值偏差自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖 G0(s)GC(s)Gv(s)F(s)Y(s)-+R(s)E(s)Gf(s)H(s)P(s)Q(s)Z(s)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖 G(s)=GC(s)Gv(s)G0(s)F(s)Y(s)-+R(s)E(s)Gf(s)H(s)Z(s)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞函數(shù)簡化框圖 r和R(s)給定值和給定值的象函數(shù)；e和E(s)測量值z和給定值r相比較的偏差值和它的象函數(shù)；z和Z(s)測量值

42、和測量值的象函數(shù)；p和P(s)調(diào)節(jié)器輸出信號和它的象函數(shù)；q和Q(s)執(zhí)行器的輸出信號和它的象函數(shù)；y和Y(s)被調(diào)參數(shù)和它的象函數(shù)；f和F(s)干擾信號和它的象函數(shù)；Gc和Gc(s)調(diào)節(jié)器和它的象函數(shù)；Gv和Gv(s)執(zhí)行器和它的象函數(shù)；G0和G0(s)調(diào)節(jié)對象和它的調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)；H和H(s)發(fā)信器和它的象函數(shù)；Gf(s)調(diào)節(jié)對象干擾通道的傳遞函數(shù)；G(s) ；G(s)H(s)開環(huán)傳遞函數(shù)。)()()()(0sGsGsGsGvc（二）調(diào)節(jié)系統(tǒng)中基本環(huán)節(jié)的動態(tài)特性和傳遞函數(shù) 1.調(diào)節(jié)對象 （1）一階環(huán)節(jié) 1)()()(000sTKsQsYsG（2）二階環(huán)節(jié) ) 1)(1()()()(21

43、00sTsTKsQsYsG（3）一階加純遲延環(huán)節(jié) sesTKsQsYsG1)()()(0002.調(diào)節(jié)器 （1）比例調(diào)節(jié)器（P） ccKsEsPsG)()()(（2）比例積分調(diào)節(jié)器(PI) sTKsEsPsGicc11)()()(（3）比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID) sTsTKsEsPsGdicc11)()()(3.執(zhí)行器 （1）一階環(huán)節(jié) （2）比例環(huán)節(jié) 1)()()(sTKsPsQsGvvvvvKsPsQsG)()()(4.發(fā)信器 （1）一階環(huán)節(jié) 1)()()(sTKsYsZsHhh（2）二階環(huán)節(jié) ) 1)(1()()()(21sTsTKsYsZsHhhh（3）比例環(huán)節(jié) hKsYsZsH)()(

44、)(（三）反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 由自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的簡化框圖 G(s)=GC(s)Gv(s)G0(s)F(s)Y(s)-+R(s)E(s)Gf(s)H(s)Z(s)()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(000sFsGsGsGsGsYsHsRsFsGsGsGsGsZsRsFsGsGsGsGsEsYfvcfvcfvc移項(xiàng)得 )()()()()()()()()()()()(00sFsGsGsGsGsRsGsGsGsYsHsYfvcvc)()()()()(1)()()()()()(1)()()()(000sFsHsGsGsGsGsRsHsGsG

45、sGsGsGsGsYvcfvcvc)()()(1)()()()(1)()(sFsHsGsGsRsHsGsGsYf)()()()(0sGsGsGsGvc（1）對于定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，給定值保持不變，R(s)=0，引起被調(diào)參數(shù)變化的原因是外來的干擾作用F(s),因此研究定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)時，主要考慮干擾作用F(s)，則定值系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為)()(1)()()(sHsGsGsFsYf（2）對于隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，要求被調(diào)參數(shù)應(yīng)跟蹤給定值。給定值的變化是受外來作用控制的。因此在研究這種系統(tǒng)時，主要考慮給定值R(s)的變化，而忽略干擾作用F(s)，可令F(s)=0，故隨動系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為)()(1)()()(sH

46、sGsGsRsY例1：已知調(diào)節(jié)對象為一階環(huán)節(jié)，采用比例調(diào)節(jié)器。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)及發(fā)信器的時間常數(shù)比調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù)小得多，把執(zhí)行器和發(fā)信器作為比例環(huán)節(jié)，求調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。 解：已知調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)： 調(diào)節(jié)對象干擾通道的傳遞函數(shù)：1)(000sTKsG1)(0sTKsGff比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)：發(fā)信器的傳遞函數(shù)：hKsH)(vvKsG)(ccKsG)(對于定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 hvcfhvcfvcfKKKKsTKKsTKKKsTKsHsGsGsGsGsFsY0000001111)()()()(1)()()(對于隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 h

47、vcvchvcvcvcvcKKKKsTKKKKsTKKKsTKKKsHsGsGsGsGsGsGsRsY0000000001111)()()()(1)()()()()(已知調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，根據(jù)拉氏變換的終值定理，可以求調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差e()。 )()()(1)()(sFsHsGsGsYf（1）定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差 由定值系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) )()(1)()()(sHsGsGsFsYf得 )()()()()()(sHsYsRsZsRsE定值系統(tǒng)的給定值不變，R(s)=0)()()(1)()()()()(sFsHsGsHsGsHsYsEf根據(jù)拉氏變換的終值定理，得定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差e()

48、為)()()(1)()(lim)(lim)(lim)(00sFsHsGsHsGSsSEteefsst若干擾作用為單位階躍函數(shù)時， ，代入得ssF1)()()()()(1)()(lim)()(1)()(lim)(000sHsGsGsGsHsGsHsGsHsGevcfsfs（2）隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差 由隨動系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 得)()(1)()()(sHsGsGsRsY)()()(1)()(sRsHsGsGsY)()()(11)()(1)()(1)()()()()()()(sRsHsGsHsGsHsGsRsHsYsRsZsRsE若給定值的變化為單位階躍函數(shù)， ，得ssR1)()()()()(11

49、lim)()()(11lim)(lim)(0000sHsGsGsGsRsHsGSsSEevcsss例2：已知調(diào)節(jié)對象為一階環(huán)節(jié)，采用比例調(diào)節(jié)器，求定值系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。解：已知： ， ， ， ， 1)(000sTKsG1)(0sTKsGffccKsG)(vvKsG)(hKsH)(對于定值系統(tǒng)，當(dāng)輸入為單位階躍干擾時，靜態(tài)偏差為：hvchfhvchfshvchfsvcfsKKKKKKKKKKsTKKKsTKKKKsTKsHsGsGsGsHsGe000000000011lim111lim)()()()(1)()(lim)(對于隨動系統(tǒng)，當(dāng)給定值為單位階躍信號時，靜態(tài)偏差為：hvckvcsv

50、csKKKKKsTKKKsHsGsGsGe00000011111lim)()()()(11lim)(可見，采用比例調(diào)節(jié)器一定存在靜態(tài)偏差，且調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)K c越大，靜態(tài)偏差越小。 如果用比例積分調(diào)節(jié)器替換比例調(diào)節(jié)器，求調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，即 )11 ()()()(sTKsEsPsWic)11()(sTKsGicc對于定值系統(tǒng)，當(dāng)輸入為單位階躍干擾時，靜態(tài)偏差為：0) 1(lim1)11 (11lim)()()()(1)()(lim)(0000000000hvchvciihfishvichfsvcfsKKKKKKKsKTsTsTKsKTKsTKKsTKKsTKsH

51、sGsGsGsHsGe對于隨動系統(tǒng)，當(dāng)給定值為單位階躍信號時，靜態(tài)偏差為：0) 1() 1(lim1)11 (11lim)()()()(11lim)(0000000000hvchvciiiskvicsvcsKKKKKKKsKTsTsTsTsTKsTKKsTKsHsGsGsGe在隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)或定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，采用比例積分調(diào)節(jié)器，對于階躍信號，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差可以完全消除。 一個自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以用微分方程來描述，對微分方程求解，可得被調(diào)參數(shù)受干擾（或調(diào)節(jié)）作用下隨時間的變化規(guī)律，即過渡過程。把過渡過程繪成曲線，得到過渡過程曲線，并可以求得調(diào)節(jié)過程的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的動態(tài)特性和

52、它們之間的聯(lián)系，可以方便地列寫出系統(tǒng)的微分方程。 例：某定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象為一階慣性環(huán)節(jié)，采用比例調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器和發(fā)信器都簡化為比例環(huán)節(jié)，求該定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的微分方程。 各環(huán)節(jié)的動態(tài)方程式如下調(diào)節(jié)對象：執(zhí)行器：比例調(diào)節(jié)器：發(fā)信器：比較機(jī)構(gòu)：fKqKydtdyTf00pKqveKpcyKzhzre以上各環(huán)節(jié)組成的定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的微分方程，就是將以上各方程聯(lián)立，得：fKyKKKKdtdyTfvch)1 (00與傳遞函數(shù)表達(dá)式一樣。hvcfKKKKsTKsFsY001)()(一.自適應(yīng)控制的概念 自適應(yīng)控制的對象是那些存在不定性的系統(tǒng)。通過不斷地量測系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)、輸出或性能參數(shù)，逐漸了解和掌握對

53、象,然后根據(jù)所得的過程信息，按一定的設(shè)計(jì)方法，作出控制決策去更新控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或控制作用，以便在某種意義下使控制效果達(dá)到最優(yōu)或次最優(yōu)，或達(dá)到某個預(yù)期目標(biāo)。 按此設(shè)計(jì)思想建立的控制系統(tǒng)便是自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 自適應(yīng)控制可簡單地定義如下：在系統(tǒng)工作過程中，系統(tǒng)本身能不斷地檢測系統(tǒng)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)，根據(jù)參數(shù)的變化或運(yùn)行指標(biāo)的變化，改變控制參數(shù)或改變控制作用，使系統(tǒng)運(yùn)行于最優(yōu)或接近于最優(yōu)工作狀態(tài)。自適應(yīng)控制也是一種反饋控制，但它不是一般的系統(tǒng)狀態(tài)反饋或系統(tǒng)輸出反饋，而是一種比較復(fù)雜的反饋控制。一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)必然具有下列三個基本特征(l)過程信息的在線積累在線積累過程信息的目的，是為了降低受控系統(tǒng)原

54、有的不定性。為此可用系統(tǒng)辯識的方法在線辨識受控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接積累過程信息，也可通過量測能反映過程狀態(tài)的某些輔助變量，間接積累過程信息。(2)可調(diào)控制器 可調(diào)控制器是指它的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或信號可以根據(jù)性能指標(biāo)要求進(jìn)行自動調(diào)整?？烧{(diào)性要求是由受控系統(tǒng)的不定性決定的，否則就無法對過程實(shí)現(xiàn)有效的控制。 (3)性能指標(biāo)的控制 性能指標(biāo)的控制可分為開環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式兩種。 與開環(huán)控制方式不同，在性能指標(biāo)的閉環(huán)控制中，還要獲取實(shí)際性能與預(yù)定性能之間的偏差信息，將其反饋后修改可調(diào)控制器，直到實(shí)際性能達(dá)到或接近預(yù)定性能為止。 若與過程動態(tài)相關(guān)聯(lián)的輔助變量可測，而且此輔助變量與可調(diào)控制器參數(shù)之間的關(guān)系

55、又可根據(jù)物理學(xué)的知識和經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出，這時就可通過此輔助變量直接調(diào)整可調(diào)控制器，以期達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。這就是性能指標(biāo)的開環(huán)控制，它的特點(diǎn)是沒有根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際達(dá)到的性能指標(biāo)再作進(jìn)一步的調(diào)整。 (一)自校正控制系統(tǒng)STC (Self Tuning Control) 當(dāng)過程的隨機(jī)、時滯、時變和非線性等特性比較明顯時，采用常規(guī)的比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器很難收到良好的控制效果，甚至無法達(dá)到基本要求。此外，在初次運(yùn)轉(zhuǎn)或者工況發(fā)生變化時，都需要重新整定PID參數(shù)，這相當(dāng)耗費(fèi)時間。如果采用自校正控制技術(shù)，上述問題都能得到圓滿解決。 理論分析和應(yīng)用結(jié)果表明，自校正控制技術(shù)特別適用于結(jié)構(gòu)部分已知和參數(shù)未知而恒定或緩

56、慢變化的隨機(jī)受控系統(tǒng)。由于大多數(shù)工業(yè)對象都具有這些特征，再加上自校正控制技術(shù)理解直觀，實(shí)現(xiàn)簡單經(jīng)濟(jì)，所以它在工業(yè)過程控制中已得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已成為十分重要的一類自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 自校正控制系統(tǒng)定義：一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)必須連續(xù)地提供受控系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息，也就是必須對過程進(jìn)行辨識；然后將系統(tǒng)的當(dāng)前性能與期望的或最優(yōu)的性能進(jìn)行比較，作出使系統(tǒng)趨向期望的或最優(yōu)的性能的決策；最后，必須對控制器進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，以?qū)使系統(tǒng)接近最優(yōu)狀態(tài)，這就是一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)所必須具有的三個內(nèi)在功能。 自校正控制系統(tǒng)由兩個環(huán)路組成，它的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。 內(nèi)環(huán)與常規(guī)反饋系統(tǒng)類似，由對象和控制器組成。 外環(huán)由參數(shù)估計(jì)器和控

57、制器設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)構(gòu)組成，其任務(wù)是辨識過程參數(shù)，再按選定的設(shè)計(jì)方法綜合出控制器參數(shù)，用以修改內(nèi)環(huán)的控制器。 綜合自校正控制律的性能指標(biāo)有兩類：優(yōu)化性能指標(biāo)和常規(guī)性能指標(biāo)優(yōu)化性能指標(biāo)有:最小方差、廣義預(yù)測控制等常規(guī)性能指標(biāo)有:極點(diǎn)配置和PID控制用來進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的方法有:最小二乘法、增廣矩陣法、輔助變量法和最大似然法。 在參數(shù)估計(jì)時，對觀測數(shù)據(jù)的使用方式有兩種。一種估計(jì)受控系統(tǒng)模型本身的未知參數(shù)，這樣的自校正算法稱為顯式算法。另一種估計(jì)控制器的未知參數(shù)，這時需要將過程重新參數(shù)化，建立一個與控制器參數(shù)直接關(guān)聯(lián)的估計(jì)模型，相應(yīng)的自校正算法稱為隱式算法。 隱式算法無需進(jìn)行控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，所以它的計(jì)算

58、量比顯式算法小，不過要為它建立一個合適的估計(jì)模型。 自校正控制器是在線參數(shù)估計(jì)和控制器參數(shù)在線設(shè)計(jì)兩者的有機(jī)結(jié)合。由于存在多種參數(shù)估計(jì)和控制器設(shè)計(jì)的方法，所以自校正控制器的設(shè)計(jì)十分靈活，這也是它得到廣泛應(yīng)用的原因之一。 (二)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRAS (Model Reference Adaptive System) 這也是一類重要的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)容易，自適應(yīng)速度快。 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)定義: 一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)，就是利用它的可調(diào)系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)和輸出變量來度量某個性能指標(biāo)，然后根據(jù)實(shí)測性能指標(biāo)值與給定性能指標(biāo)集相比較的結(jié)果，由自適應(yīng)機(jī)構(gòu)修正可調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)，或者產(chǎn)

59、生一個輔助輸人信號，以保持系統(tǒng)的性能指標(biāo)接近給定的性能指標(biāo)集。 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)劃分為內(nèi)外兩個環(huán)路。內(nèi)環(huán)是由對象和控制器組成的常規(guī)反饋回路。外環(huán)是調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)回路。 采用了一個參考模型的輔助系統(tǒng) 加到可調(diào)系統(tǒng)的指令輸入同時也加到這個參考模型輸入端，所以模型的輸出或狀態(tài)可用來規(guī)定希望的性能指標(biāo)。 給定的性能指標(biāo)集已被參考模型生成的參考性能指標(biāo)所取代 為了比較給定性能和實(shí)測性能，可用減法器將參考模型和可調(diào)系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)直接相減，得到廣義誤差信號，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)按一定的準(zhǔn)則利用廣義誤差信號來修改可調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)，或產(chǎn)生一個輔助輸入信號，使廣義誤差的某個泛函達(dá)到極小。當(dāng)可調(diào)系統(tǒng)漸近逼近參考

60、模型時，廣義誤差就趨于極小或下降到零。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何設(shè)計(jì)自適應(yīng)規(guī)律，以得到一個能使廣義誤差為零的穩(wěn)定系統(tǒng)。 另一類基于穩(wěn)定性理論的設(shè)計(jì)方法，這種方法保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但它需要利用系統(tǒng)的全部狀態(tài)或輸出量的微分信號。 自適應(yīng)規(guī)律的綜合方法可粗略分為兩大類： 一類稱為局部參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它利用最優(yōu)化技術(shù)搜索能滿足要求的一組控制器參數(shù)。 這種方法的主要缺點(diǎn)是不能確保所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性，甚至對簡單的受控對象，在某些輸入信號作用下，控制系統(tǒng)也可能喪失穩(wěn)定性。（三）學(xué)習(xí)控制系統(tǒng) 這是一類按行為科學(xué)進(jìn)行處理的控制系統(tǒng)，它比上述各類自適應(yīng)控制系統(tǒng)都更加復(fù)雜。這