調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)作用規(guī)律

調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)作用規(guī)律第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一調(diào)節(jié)器執(zhí)行機構(gòu)控制對象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)引言第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一系統(tǒng)為偏差驅(qū)動調(diào)節(jié)器的輸入是被控量的偏差值調(diào)節(jié)器的輸出是控制量可看作一個對象或環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律：引言第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一引言正作用式隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加兩種類型調(diào)節(jié)器反作用式隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出減小第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一引言調(diào)節(jié)器研究的兩個方面：作用規(guī)律：p(t)=f(e(t))，即傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)。也稱控制規(guī)律或調(diào)節(jié)規(guī)律。作用強度：每一種控制規(guī)律的控制強度。反映在傳遞函數(shù)中，如比例系數(shù)、積分時間、微分時間。第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一主要內(nèi)容§1-3-1位式調(diào)節(jié)器§1-3-2比例調(diào)節(jié)器§1-3-3比例微分調(diào)節(jié)器§1-3-4比例積分調(diào)節(jié)器§1-3-5比例積分微分調(diào)節(jié)器第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一雙位執(zhí)行機構(gòu)控制對象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-1雙位作用規(guī)律第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-1雙位作用規(guī)律被控量在設(shè)定的上限和下限之間變化，調(diào)節(jié)器的輸出只有兩個狀態(tài)（0或1）。第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-1雙位作用規(guī)律被控量在設(shè)定的上限和下限之間變化，調(diào)節(jié)器的輸出只有兩個狀態(tài)（0或1）。例1浮子式鍋爐水位的雙位控制系統(tǒng)被控量輸出曲線執(zhí)行機構(gòu)水位與電動機通斷之間的關(guān)系圖被控量動作范圍開關(guān)雙位作用規(guī)律第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一1-浮子室2-浮子3-調(diào)節(jié)板框架4-樞軸5-上、下限銷釘6、12-同極性永久磁鐵；7-靜觸點8-開關(guān)箱9-轉(zhuǎn)軸10-轉(zhuǎn)桿11-動觸點§1-3-1雙位作用規(guī)律例1：

浮子式輔鍋爐水位雙位調(diào)節(jié)器如何調(diào)整水位的上下限值？上下限值區(qū)間的幅度太小有什么樣的結(jié)果？第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-1雙位作用規(guī)律例2：雙位式壓力調(diào)節(jié)器

根據(jù)測量壓力的上限值和下限值輸出不同的開關(guān)量信號，如：鍋爐蒸汽壓力日用淡水壓力空氣瓶壓力等給定彈簧：調(diào)整的是壓力開關(guān)的下限值幅差調(diào)整旋鈕：調(diào)整幅差（上限值）YT-1226型壓力調(diào)節(jié)器第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-1雙位作用規(guī)律YT-1226型壓力調(diào)節(jié)器PLP=0.07+(0.25-0.07)

*X/10調(diào)幅旋鈕標(biāo)記有10個格的刻度檔：第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一P執(zhí)行機構(gòu)控制對象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-2比例作用規(guī)律第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-2比例作用規(guī)律1、比例作用規(guī)律（P）：控制器的輸出變化量與輸入（偏差）變化量成比例。K—比例系數(shù)比例作用強

比例作用弱

t0t0第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一例2：浮子式水位比例控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥出水進水水柜h支點浮子浮子桿杠桿abΔhΔμ§1-3-2比例作用規(guī)律施加外部擾動第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一如何改變比例系數(shù)？為什會存在靜態(tài)偏差？

控制器的輸出依賴于偏差的存在而存在。假設(shè)無偏差，則閥的開度恢復(fù)平衡前的狀態(tài)，平衡被打破。靜態(tài)偏差與比例系數(shù)的關(guān)系K越大，穩(wěn)態(tài)時靜態(tài)偏差越小，反之亦然。

適用場合

比例調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用于對被控量穩(wěn)態(tài)精度要求不是很高的場合

§1-3-2比例作用規(guī)律第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一2、比例帶δ（或PB）：是指調(diào)節(jié)器的相對輸入量與相對輸出量之比的百分數(shù).例：當(dāng)控制器的輸出作100%（全行程，如閥開--關(guān)）變化時，其輸入量變化（數(shù)值上等于被控量的變化）的百分數(shù)?！?-3-2比例作用規(guī)律R為量程系數(shù)，在單元組合儀表中，R=1，則PB=1/K×100%。第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一比例帶越小，比例作用越強；比例帶越大，比例作用越弱?？刂茖ο髴T性大的控制系統(tǒng)，可使比例帶小一點，如溫度、粘度等控制系統(tǒng)，其控制對象慣性比較大，可選定PB=50％左右。反之，對于控制對象慣性小的控制系統(tǒng)，比例帶可適當(dāng)選定大一點，如液位控制系統(tǒng)，其控制對象慣性都比較小，可選定PB=70％～80％。在調(diào)節(jié)器上都設(shè)有比例帶調(diào)整旋鈕，用來設(shè)定比例帶，一般在5％～300％之內(nèi)?！?-3-2比例作用規(guī)律第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一噴嘴擋板反饋波紋管杠桿支點測量波紋管測量值輸出設(shè)定彈簧氣源放大器§1-3-2比例作用規(guī)律例3：氣動比例調(diào)節(jié)器第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一假設(shè)給定值沒有變化，即M設(shè)=0，則：F為波紋管的截面積，兩者一般相等l為力臂，一般固定不變K為負數(shù)—負作用（作用方式）§1-3-2比例作用規(guī)律第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一如何調(diào)整比例帶（比例系數(shù)）？

改變反饋力臂的長度，來調(diào)整比例系數(shù)（K比例帶PB），實物上通過比例帶旋鈕可以左右移動反饋波紋管的位置來實現(xiàn)。左移→l3增長→負反饋增強→K減小→PB增大→比例作用減弱；反之。實際在調(diào)節(jié)器的工作過程中，杠桿上還會產(chǎn)生一些附加力矩，如噴嘴氣流產(chǎn)生的反作用力矩、各個彈性部件產(chǎn)生的變形力矩等。但由于附加力矩很小，只要K足夠大，這些可以忽略不計，因此未予考慮

§1-3-2比例作用規(guī)律第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一總結(jié)1、比例作用規(guī)律實現(xiàn)簡單，控制作用及時，是其它控制規(guī)律（雙位除外）的基礎(chǔ)；2、比例作用強弱取決于比例帶或比例系數(shù)，比例帶大比例作用弱，比例系數(shù)大比例作用強；3、比例作用控制導(dǎo)致系統(tǒng)存在靜態(tài)偏差，比例作用強，靜態(tài)偏差小，但無法避免?！?-3-2比例作用規(guī)律第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-3

比例微分作用規(guī)律

3、微分作用（D）：控制器的微分作用是指其輸出與輸入的微分，即偏差變化速度成比例。實際微分作用的輸出特性Sd為微分系數(shù)第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一微分作用特點：1、微分作用的輸出與偏差的絕對值沒有關(guān)系2、根據(jù)偏差變化速度，超前控制，抵制偏差：偏差出現(xiàn)開始，控制作用較強當(dāng)偏差值變化緩慢時，微分控制作用微弱偏差為常數(shù)時，微分控制器沒有輸出3、微分控制無法消除偏差，只能作為一種輔助控制作用。4、常用于控制對象慣性大，時延較明顯的對象?！?-3-3比例微分作用規(guī)律

第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一比例作用為主，決定調(diào)節(jié)器的最終輸出變化量微分作用只起超前控制的輔助作用?！?-3-3比例微分作用規(guī)律

比例微分作用（PD）：在比例作用的基礎(chǔ)上加入微分作用而得到的一種作用規(guī)律稱為微分時間，K為比例系數(shù)第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-3比例微分作用規(guī)律

（a）若輸入為階躍信號：（不要求掌握）Td為帶慣性性質(zhì)的微分環(huán)節(jié)的作用下降了63.2%所需的時間Td衡量微分消失的快慢第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一氣源放大器氣動比例微分調(diào)節(jié)器原理圖微分氣室測量波紋管負反饋波紋管微分閥恒氣阻給定波紋管§1-3-3比例微分作用規(guī)律

例：氣動PD調(diào)節(jié)器微分消失的快慢取決于反饋回路中慣性環(huán)節(jié)的慣性大小21第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-3比例微分作用規(guī)律

只考慮變化量：當(dāng)給定值pG不變時，偏差e實際上就是測量值的變化

，而負反饋回路的慣性過程結(jié)束時，

即:只剩比例作用第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-3比例微分作用規(guī)律

氣動PD調(diào)節(jié)器微分消失的快慢取決于反饋回路中慣性環(huán)節(jié)的慣性大小，可由微分閥Rd進行調(diào)整。微分閥Rd開度越大，微分消失得越快，即微分時間Td

越短，微分作用越弱；反之亦然。當(dāng)微分消失后，調(diào)節(jié)器的輸出大小與偏差成比例，比例作用的強弱由負反饋波紋管的位置進行調(diào)整。第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一小結(jié)1、微分作用具有超前調(diào)節(jié)的功能，輸出減小的過程即為微分消失過程；2、微分作用不能單獨用作調(diào)節(jié)器，一般與比例或者比例積分一起構(gòu)成PD或者PID調(diào)節(jié)器；3、微分時間短，微分消失得快，微分作用弱，反之；4、調(diào)節(jié)器最后輸出與偏差成比例，即剩下比例作用5、比例微分作用為有差控制器，適用于對靜態(tài)精度要求不高的場合?！?-3-3比例微分作用規(guī)律

第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一PI執(zhí)行機構(gòu)控制對象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-4比例積分作用規(guī)律第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-4比例積分作用規(guī)律1、積分作用（I）：控制器的輸出與輸入之間呈積分關(guān)系。TI

—積分時間。TI↑→積分作用↓第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一積分作用特點1、可以消除靜態(tài)偏差；2、控制作用不及時，超調(diào)嚴重，波動大；3、常與比例作用（P）一起組成比例積分（PI）調(diào)節(jié)器?！?-3-4比例積分作用規(guī)律a為比例控制過程b是積分控制過程第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-4比例積分作用規(guī)律2、比例積分作用（PI）：在比例作用的基礎(chǔ)上加入積分作用而得到的作用規(guī)律。K—比例系數(shù)，S0

積分系數(shù)，Ti

積分時間比例作用能使調(diào)節(jié)器的輸出及時響應(yīng)偏差的變化，起著主導(dǎo)作用，而積分作用是輔助的，用來消除靜態(tài)偏差第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-4比例積分作用規(guī)律若給PI調(diào)節(jié)器一個階躍的輸入偏差信號，其階躍量為常數(shù)

e，則第一項為比例輸出，在階躍輸入瞬間，比例作用把輸入量

放大到K倍。由于此時時間t=0，故沒有積分輸出；第二項

是積分輸出，它與時間

t保持線性關(guān)系，其斜率為

第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-4比例積分作用規(guī)律當(dāng)時間進行到Ti時，

輸出為2Ke，以此，積分時間的物理意義：階躍輸入信號作用下，積分輸出達到比例輸出所需的時間第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一若k=1，輸入偏差為Δh，則輸出當(dāng)t=Ti時，Δμ=

ΔhTi等于控制器的輸出變化到與其階躍輸入量相等時所需的時間。

Δh0Δh0ABTIATIB積分控制器的動態(tài)特性越陡，積分時間越小，表明控制器作用越快，積分作用越強，即控制作用積累到同一值時所需時間越短。積分時間小→積分作用強→系統(tǒng)穩(wěn)定性差→上升時間短→振蕩周期小§1-3-4比例積分作用規(guī)律第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一PI調(diào)節(jié)器的整定原則：在PI調(diào)節(jié)器上設(shè)有兩個旋鈕，分別用來整定PB、Ti。

在整定

Ti時，切忌值整定得太小，否則積分作用太強，系統(tǒng)穩(wěn)定性差如果

Ti值不能進行準確地整定，可以采用寧大勿小的策略。因為

Ti值略微偏大時，盡管積分作用偏弱，但只會使消除靜態(tài)偏差的時間稍長而別無它害。積分時間

Ti的整定范圍一般在3s至20min之內(nèi)控制對象慣性大，選取

Ti值要大一些，反之?！?-3-4比例積分作用規(guī)律第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一積分時間TI小←→大積分作用強←→弱穩(wěn)定程度降低←→增高短期最大偏差小←→大被調(diào)量靜差消失上升時間短←→長振蕩周期小←→大Ti對控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)的影響§1-3-4比例積分作用規(guī)律第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§1-3-4比例積分作用規(guī)律ZCGF測量給定1:1跟隨器氣動放大器積分氣容氣源噴嘴擋板支點杠桿1234氣動PI調(diào)節(jié)器第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一達到平衡狀態(tài)時：適當(dāng)調(diào)整比例帶與積分時間，使：則平衡后的狀態(tài)：§1-3-4比例積分作用規(guī)律若PC不等于PG，調(diào)節(jié)作用就一直存在，消除靜態(tài)偏差第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一正作用調(diào)節(jié)器比例帶調(diào)整：則比例帶↑，比例作用↓，正反饋↓

則比例帶↓，比例作用↑，正反饋↑，抵制負反饋積分時間調(diào)整：積分時間變長，積分作用減弱積分時間縮短，積分作用增強§1-3-4比例積分作用規(guī)律第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一若達到穩(wěn)定狀態(tài)時，測量值=給定值若測量值>給定值，（PZ=PF），杠桿會在積分的作用下一直順時針旋轉(zhuǎn)，輸出將一直增加，直到……?！?-3-4比例積分作用規(guī)律第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一總結(jié)1、積分作用可以消除靜態(tài)偏差；2、積分時間Ti長，積分作用弱，反之亦然；3、積分時間無窮大時可視為積分作用切除；4、比例積分控制器中積分時間的求法§1-3-4比例積分作用規(guī)律第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§3-5比例積分微分作用規(guī)律5、比例積分微分作用（PID）：以比例作用為主，吸收積分作用能消除靜態(tài)偏差以及微分作用能實現(xiàn)超前控制的優(yōu)點，功能最為完善:

第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§3-5比例積分微分作用規(guī)律比例比例微分積分積分微分比例積分微分控制器的階躍響應(yīng)第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一PID調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)方法：1、三種反饋并行地疊加在一起形成調(diào)節(jié)器內(nèi)部的綜合反饋；2、在比例積分調(diào)節(jié)器前串聯(lián)一個微分器來實現(xiàn)（如，后文的QTM氣動PID調(diào)節(jié)器）。PID調(diào)節(jié)器的功能變化：

積分時間Ti為無窮大時，則相當(dāng)于切除積分作用，變?yōu)镻D；微分時間Td為0時，則相當(dāng)于切除微風(fēng)作用，變?yōu)镻I；同時使Td為0且Ti為無窮大，則調(diào)節(jié)器變?yōu)榧儽壤齈；§3-5比例積分微分作用規(guī)律第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一PID作用選取原則若被控量的穩(wěn)態(tài)精度要較高，則調(diào)節(jié)器中應(yīng)加入?若控制對象慣性較大，則調(diào)節(jié)器應(yīng)加入?若控制對象慣性較大且要求較高的靜態(tài)指標(biāo)，則應(yīng)加入?如：鍋爐水位等液位控制系統(tǒng)，不宜采用包含D的調(diào)節(jié)器。這是因為D作用對干擾信號比較敏感，隨船舶的搖擺，會使給水調(diào)節(jié)閥的開度忽大小，造成水位的大起大落，閥泵等頻繁啟動。§3-5比例積分微分作用規(guī)律IDID第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一各種控制過程常用的控制規(guī)律如下：液位：滯后不大，一般控制要求不高用P或PI控制規(guī)律。流量：滯后很小，時間常數(shù)小，測量信號中雜有噪音

用PI控制壓力：介質(zhì)為液體的滯后較小，介質(zhì)為氣體時的滯后中等。用P或PI控制規(guī)律。溫度：容量滯后較大，時間常數(shù)大。常用PID控制規(guī)律?！?-5比例積分微分作用規(guī)律第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一NAKAKITA氣動PID調(diào)節(jié)器：其三種作用規(guī)律通過內(nèi)部綜合反饋實現(xiàn)常用于冷卻水溫度控制系統(tǒng)和燃油粘度控制系統(tǒng)§3-5比例積分微分作用規(guī)律第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§3-5比例積分微分作用規(guī)律234負作用式↑↓↓↑↑↑第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一NAKAKITA氣動PID調(diào)節(jié)器：在調(diào)節(jié)器上有三個調(diào)整盤，分別用來調(diào)整比例帶PB、積分時間和微分時間比例帶調(diào)整盤是一個偏心機構(gòu)，可使噴嘴和擋板一起沿著比例桿上下移動，上移時傳動桿BO’左右移動相同的距離，即輸入偏差相同的情況下，擋板開度變化要大，比例作用增強，比例帶減小給定值由給定旋鈕確定，給定旋鈕的角度變化通過連接桿件一方面改變給定指針（紅色）的偏轉(zhuǎn)角度，指示當(dāng)前給定值的大??；另一方面，通過連接桿件帶動比例桿OO’繞O點左右偏轉(zhuǎn)，引起調(diào)節(jié)器輸出變化§3-5比例積分微分作用規(guī)律第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一據(jù)實際需要，該調(diào)節(jié)器還可以工作在正作用方式。此時，噴嘴擋板機構(gòu)在比例桿上的相對位置如圖所示：區(qū)別在于噴嘴背壓的變化將與測量值的變化方向相一致，而不是相反。當(dāng)應(yīng)用于燃油粘度控制系統(tǒng)時，一般應(yīng)采用反作用方式?！?-5比例積分微分作用規(guī)律正作用式切換第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一電動PID調(diào)節(jié)器：在船舶機艙中，有些控制系統(tǒng)是采用電動的方式實現(xiàn)調(diào)節(jié)器一般做成電路板的形式，其內(nèi)部電路多數(shù)以運算放大器、電阻和電容等元器件組成給定值由給定旋鈕確定，給定旋鈕的角度變化通過連接桿件一方面改變給定指針（紅色）的偏轉(zhuǎn)角度，指示當(dāng)前給定值；另一方面，通過連接桿件帶動比例桿OO’繞O點左右偏轉(zhuǎn)，引起調(diào)節(jié)器輸出變化§3-5比例積分微分作用規(guī)律第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§3-5比例積分微分作用規(guī)律由運算放大器組成的PID調(diào)節(jié)器偏差信號e第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§3-5比例積分微分作用規(guī)律第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§3-5比例積分微分作用規(guī)律第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一電動PID調(diào)節(jié)器：在船舶機艙中，有些控制調(diào)整R4、R2和R5的阻值可以分別調(diào)整比例、積分和微分的作用強度從電路設(shè)計的角度，往往還會加上一些抗干擾措施§3-5比例積分微分作用規(guī)律第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一數(shù)字PID調(diào)節(jié)器：在計算機控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律是采用軟件編程來實現(xiàn)的，稱為調(diào)節(jié)器作用規(guī)律的數(shù)字實現(xiàn)。采用了單片機系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換電路鍵盤與顯示裝置進行數(shù)字設(shè)定控制算法程序D/A轉(zhuǎn)換電路執(zhí)行機構(gòu)被控對象§3-5比例積分微分作用規(guī)律第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一§3-5比例積分微分作用規(guī)律第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期一計算機執(zhí)行上述控