轮机自动化课件 第一章

1、 轮机自动化基础轮机自动化基础第一章第一章 自动控制基础知识自动控制基础知识 第一节第一节 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念 第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律 第二章第二章 微型计算机及网络控制基础微型计算机及网络控制基础 第一节第一节 微型计算机的基本概念微型计算机的基本概念 第二节第二节 单片微型计算机的基础知识单片微型计算机的基础知识 第三节第三节 现场总线及网络控制基础现场总线及网络控制基础第三章第三章 船舶机舱常用传感器船舶机舱常用传感器 第四章第四章 自动控制仪表自动控制仪表 第一节第一节 变送器变送器 第二节第二节 调节器调节器 第三节第三节 执行器执行

2、器 第一章第一章 自动控制基础知识自动控制基础知识 第一节第一节 自动控制系统的基本概念自动控制系统的基本概念n 一、锅炉水位的自动控制一、锅炉水位的自动控制n 1 1控制水位的重要性控制水位的重要性n 2 2水位控制原理水位控制原理n 3 3常用术语：常用术语：n 被控对象被控对象n 被控量被控量n 扰动：扰动：即干扰。影响被控量偏离即干扰。影响被控量偏离 给定值的因素为干扰。给定值的因素为干扰。4锅炉锅炉蒸汽蒸汽眼眼锅炉水位的手动控制锅炉水位的手动控制4执行机构；执行机构；5给水阀给水阀脑脑手手54锅炉锅炉蒸汽蒸汽眼眼锅炉水位的自动控制锅炉水位的自动控制1水位发讯器；水位发讯器；2变送器；

3、变送器；3调节器；调节器；4执行机构；执行机构；5给水阀给水阀脑脑手手5123 柴油机气缸冷却水温度手动控制过程柴油机气缸冷却水温度手动控制过程冷却器冷却器三通阀三通阀淡水泵淡水泵主机主机眼眼脑脑手手海水入口海水入口海水出口海水出口柴油机气缸冷却水温度自动控制过程柴油机气缸冷却水温度自动控制过程冷却器冷却器三通阀三通阀淡水泵淡水泵主机主机手手海水入口海水入口海水出口海水出口温度变送器温度变送器调节器调节器执行机构执行机构n二、自动控制系统的基本组成二、自动控制系统的基本组成n 1 1、测量变送单元、测量变送单元n 2 2、调节器、调节器n 3 3、执行器、执行器n 4 4、控制对象、控制对象n

4、 三、自动控制系统的方框图三、自动控制系统的方框图三、自动控制系统的方框图三、自动控制系统的方框图液位开环控制系统示意图液位开环控制系统示意图Q1V2Q2V1HF+E控制器控制器电动机电动机Q1V2Q2V1HF+E+E浮子浮子控制器控制器电动机电动机液位控制闭环系统示意图液位控制闭环系统示意图n 四、自动控制系统的分类n（1 1）按被控参数的名称分类：按被控参数的名称分类： 温度、压力、水位等自动控制系统。温度、压力、水位等自动控制系统。n（2 2）按仪表的能源分类：按仪表的能源分类： 电、气、液动式自动控制系统。电、气、液动式自动控制系统。n（3 3）按被控参数给定值的特点分类：按被控参数给

5、定值的特点分类：n 定值控制系统定值控制系统n 程序控制系统程序控制系统n 随动控制系统随动控制系统 五、自动控制系统的过渡过程五、自动控制系统的过渡过程 1、稳定状态（静态）：、稳定状态（静态）： 被控参数不随时间而变化的平衡状被控参数不随时间而变化的平衡状态。态。 2、过渡过程（动态）：、过渡过程（动态）： 被控参数随时间而变化的不平衡状被控参数随时间而变化的不平衡状态。态。n 扰动作用扰动作用 调节作用调节作用n稳态稳态 动态过程动态过程 稳态（平衡）稳态（平衡）n 平衡破坏平衡破坏 （排除扰动）（排除扰动） 改变外部扰动系统的动态过程改变外部扰动系统的动态过程 改变给定值系统的动态过程

6、改变给定值系统的动态过程n六、自动控制系统的品质指标六、自动控制系统的品质指标n1、最大动态偏差最大动态偏差：是指过渡过程中，被控是指过渡过程中，被控参数偏离给定值的最大值。在衰减振荡过参数偏离给定值的最大值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值，以程中，最大偏差就是第一个波的峰值，以e emaxmax表示。表示。n2 2、静态偏差静态偏差（稳态误差）：（稳态误差）：过渡过程结束过渡过程结束 后被控参数所达到的新稳态值与给定值后被控参数所达到的新稳态值与给定值 之间的偏差。用之间的偏差。用表示。表示。n3 3、衰减率衰减率：设：设A A、B B为衰减振荡过程中同相第为衰减振荡过程中同相

7、第 n 一、第二两个波峰的幅度。一、第二两个波峰的幅度。n 衰减率：衰减率：n4 4、过渡过程时间过渡过程时间：从干扰作用发生起，直到：从干扰作用发生起，直到被被 n 控参数进入新稳态值的控参数进入新稳态值的2%2%或或5%5%的范围的范围 n 内，且不再越出时所经历的时间。用内，且不再越出时所经历的时间。用tsts表表 n 示。示。n5 5、振荡次数振荡次数：过渡过程中被控参数振荡次数。：过渡过程中被控参数振荡次数。ABA 稳定性稳定性（由衰减率来恒量）（由衰减率来恒量）主要品质指标主要品质指标 准确性准确性（最大动态偏差和静态偏差来恒量）（最大动态偏差和静态偏差来恒量） 快速性快速性（过渡

8、过程时间恒量）（过渡过程时间恒量） 第二节第二节 调节器的调节规律调节器的调节规律 双位双位调节规律、调节规律、比例比例调节规律调节规律P、比例积分比例积分调节调节规律规律PI、比例微分比例微分调节规律调节规律PD、比例积分微分比例积分微分调调节规律节规律PID。e0，P0，正作用调节器正作用调节器；e0，P0，反作用调器反作用调器。 比例比例P P三种基本调节规律三种基本调节规律 积分积分I I 组成组成5 5种实用调节规律：种实用调节规律： 微分微分D D一、双位调节规律n1、概念、概念 调节器的输出只有两个状态，它不能使被控调节器的输出只有两个状态，它不能使被控参数稳定在某个值上。参数稳

9、定在某个值上。 当被控参数下降到下限值时当被控参数下降到下限值时，调节器的输出，调节器的输出接通电机电源使电机转动或使电磁阀通电阀门全接通电机电源使电机转动或使电磁阀通电阀门全开。开。 当被控参数上升到上限值时当被控参数上升到上限值时，调节器的输出，调节器的输出使电机断电停转或使电磁阀断电阀门全关。使电机断电停转或使电磁阀断电阀门全关。 当被控参数在上、下限之间变化时，调节器当被控参数在上、下限之间变化时，调节器的输出状态不变。的输出状态不变。2、实例分析、实例分析n3、特点、特点 被控参数不可能稳定在某一数值，被控参数不可能稳定在某一数值，只能控制在上、下限之间。只能控制在上、下限之间。n4

10、、适用范围、适用范围 只适用于允许被调参数以一定幅只适用于允许被调参数以一定幅度上、下波动，且被控对象的时间常度上、下波动，且被控对象的时间常数较大，滞后时间较小的场合。数较大，滞后时间较小的场合。二、比例调节规律1、概念、概念 KP， p(t) ，则，则KP大比例作用强。大比例作用强。当输入当输入 e(t)不变不变 KP ， p(t) ，则，则KP小比例作用弱。小比例作用弱。tPte调节器的输出量调节器的输出量p(t)与偏差输入量与偏差输入量e(t)成比例：成比例： )()(teKtpp 2、实例分析、实例分析3、比例带及比例带对系统过渡过程的影响、比例带及比例带对系统过渡过程的影响 %10

11、0%100%100maxmaxmax/max/KpRPexPPPxePBP = Kp e (1) (1)引入比例带引入比例带PBPB的原因的原因 (2) (2)何为比例带何为比例带PBPB（比例度（比例度） 比例带比例带PBPB是调节器的相对输入量与相对输出量之比是调节器的相对输入量与相对输出量之比的百分数。的百分数。maxx 式中：式中：e e是被控量的变化量（偏差值）；是被控量的变化量（偏差值）； 是被控量允许变化的最大范围；是被控量允许变化的最大范围； P P是调节器输出的变化量；是调节器输出的变化量； PmaxPmax是调节器输出的工作范围。是调节器输出的工作范围。 nR R是量程系数

12、是量程系数，对于指定的调节器，对于指定的调节器，R R为常为常数；对于单元组合仪表，因采用统一的标数；对于单元组合仪表，因采用统一的标准信号，准信号，R=1R=1，则则PB=1/KPB=1/KP P100%100%。n显然比例带显然比例带PBPB与比例系数与比例系数K KP P成反比。成反比。n maxmaxxPRn(3)(3)比例带的物理意义比例带的物理意义n 比例带实际上就是使调节器输出变化全范围时，比例带实际上就是使调节器输出变化全范围时，被控参数变化量占满量程的百分数。被控参数变化量占满量程的百分数。n 若若 PB=50%PB=50%，被控参数只要变化全量程的一半，被控参数只要变化全量

13、程的一半，调节器就能使调节阀的开度变化全行程；调节器就能使调节阀的开度变化全行程；n 若若 PB=100%PB=100%，被控参数变化全量程的百分之百，被控参数变化全量程的百分之百，调节器才能指挥调节阀的开度变化全行程；调节器才能指挥调节阀的开度变化全行程；n 若若 PB=200%PB=200%，被控参数已变化了全量程的百分，被控参数已变化了全量程的百分之百，调节器才使调节阀的开度变化全行程的一半。之百，调节器才使调节阀的开度变化全行程的一半。 n 可见，可见，比例带越小比例带越小，在被控量偏差值占全量程，在被控量偏差值占全量程百分数相同情况下，调节阀开度的变化量越大，百分数相同情况下，调节阀

14、开度的变化量越大，比比例作用越强；反之比例带越大，比例作用越弱。例作用越强；反之比例带越大，比例作用越弱。 (4)(4)比例带对系统过渡过程的影响比例带对系统过渡过程的影响n3、特点、特点n（1 1）调节及时，且调节器的调节量随偏）调节及时，且调节器的调节量随偏 n 差增大以及比例系数增大而增大。差增大以及比例系数增大而增大。n（2 2）一般调节完毕，会有静差出现。）一般调节完毕，会有静差出现。n4、适用范围、适用范围n 适用于干扰较小，对象滞后较小，适用于干扰较小，对象滞后较小，时间常数较大的调节对象，此时选时间常数较大的调节对象，此时选PBPB小小些，使静态偏差不致太大，同时又能保些，使静

15、态偏差不致太大，同时又能保证控制过程有足够的稳定性。证控制过程有足够的稳定性。三三、比例积分调节规律比例积分调节规律P PI I 1 1、积分调节规律、积分调节规律I IdtteKtpI)()(n （1）概念：）概念：调节器的输出与偏差输入对时间的积分成调节器的输出与偏差输入对时间的积分成正比正比。式中，式中，KI为积分速度。为积分速度。从上式可看出从上式可看出:调节器输出信号的大小不仅取决于偏差输入信调节器输出信号的大小不仅取决于偏差输入信号的大小，而主要取决于偏差存在的时间长短。只要有偏差，号的大小，而主要取决于偏差存在的时间长短。只要有偏差，尽管偏差可能很小，但它存在的时间越长，输出信号

16、就越大。尽管偏差可能很小，但它存在的时间越长，输出信号就越大。 当调节器的偏差输入为常数当调节器的偏差输入为常数A时：时： tAKedtKPII 可见，只要偏差存在，调节器的输出就会变可见，只要偏差存在，调节器的输出就会变化，只有化，只有e(t)=0，输出信号才不再继续变化，执，输出信号才不再继续变化，执行器才停止动作，系统才能稳定不来。行器才停止动作，系统才能稳定不来。 dtteKtpI)()()()(teKdttdpI （2）实例）实例 1浮子；浮子；2滑阀；滑阀；3节流阀；节流阀；4伺服活塞；伺服活塞；5调节阀；调节阀；6伺服油缸；伺服油缸；7滑阀油缸滑阀油缸 采用积分调节器的水位控制系

17、统采用积分调节器的水位控制系统工作过程：工作过程：na a、 Qo 水位水位A进进B出出关小给水阀关小给水阀 n QiQi=Qo，水位不再上升。，水位不再上升。nb、此时水位有偏差，给水阀进一步关小、此时水位有偏差，给水阀进一步关小n Qi水位水位。nc、当水位为、当水位为h0时，时，A，B堵堵此时此时QiQo 水水n 位继续位继续。nd、 B 进进A出出开大给水阀开大给水阀Qi Qi=Qo，水，水n 位不再下降。位不再下降。ne、 Qi QiQo水位水位 n(3) 特点特点na a）积分调节完毕，能消除被控参数的静差。）积分调节完毕，能消除被控参数的静差。nb b）积分调节作用比较缓慢。）积

18、分调节作用比较缓慢。nc c）积分作用的引入，会降低系统的稳定）积分作用的引入，会降低系统的稳定n 性，最大动态偏差较大，调节时间增加。性，最大动态偏差较大，调节时间增加。nd d）积分调节规律，容易使调节器输出产）积分调节规律，容易使调节器输出产n 生饱和状态。生饱和状态。 总之，积分调节规律动态性能差，在实际总之，积分调节规律动态性能差，在实际系统中极少单独使用，主要用来作为辅助调节规系统中极少单独使用，主要用来作为辅助调节规律，以消除静态偏差。律，以消除静态偏差。n K KP P为为PIPI的比例系数；的比例系数；T Ti i=1/K=1/KI I 为积分时间。为积分时间。n 若输入幅值

19、为若输入幅值为A A的阶跃偏差信号，的阶跃偏差信号，e(t)=Ae(t)=A，则，则：2 2、比例积分调节规律、比例积分调节规律PIPI (1) 概念：概念：即具有调节及时的比例调节规律，又具有即具有调节及时的比例调节规律，又具有 消除静差的积分调节规律。消除静差的积分调节规律。teAtPPPIPTiKPA)(1)()( dtteTteKtPiptATKAKtPiPP )(nTi越短，积分作用越强；越短，积分作用越强；nTi越长，积分作用越弱；越长，积分作用越弱；n若若Ti为无穷大，则表示无积分作用，调节为无穷大，则表示无积分作用，调节器变为纯比例调节器。器变为纯比例调节器。(2) 积分时间积

20、分时间Ti 当当t=Ti ； PP=PI积分时间的物理意义：积分时间的物理意义：给比例积分调节器输入一个阶跃给比例积分调节器输入一个阶跃偏差信号，当积分部分的输出等于比例部分的输出时，偏差信号，当积分部分的输出等于比例部分的输出时，所经历的时间就是积分时间。所经历的时间就是积分时间。tATKAKtPiPP )(3) 积分时间对系统过渡过程的影响积分时间对系统过渡过程的影响(4) 特点特点 即具有克服干扰的立即性，又具有即具有克服干扰的立即性，又具有消除静差的能力。但由于引入积分调节消除静差的能力。但由于引入积分调节作用，会一定程度降低系统的稳定性，作用，会一定程度降低系统的稳定性，延长过渡过程

21、时间。延长过渡过程时间。四四、 比例微分调节规律比例微分调节规律PDPDn 1 1、微分调节规律、微分调节规律D Dn （1） 为何引入微分作用规律为何引入微分作用规律n 为了克服对象惯性滞后和容量滞后对系统过为了克服对象惯性滞后和容量滞后对系统过n 渡过程的影响，引入具有超前调节作用的微分渡过程的影响，引入具有超前调节作用的微分 调节规律。调节规律。n （2）理想的微分调节规律理想的微分调节规律n 调节器的输出与被控参数偏差的变化速度成正比。调节器的输出与被控参数偏差的变化速度成正比。dttdeTdtP)()( 式中，式中，Td为微分时间。为微分时间。 0 , 0 , 0 )()()(dtt

22、dedttdettAte当当设没有实用价值没有实用价值tetpdttdeTdtP)()(n (3)(3)实际的微分调节规律实际的微分调节规律有限峰值有限峰值tetpn(4) 微分时间微分时间Tdn Td大微分作用强大微分作用强n Td小微分作用弱小微分作用弱n(5) 微分作用的特点微分作用的特点n a a）具有超前调节的特点）具有超前调节的特点。n b b）具有抑制振荡的效果，有助于提高）具有抑制振荡的效果，有助于提高 n 系统的稳定性。系统的稳定性。n c c）最大动态偏差小，调节过程结束得）最大动态偏差小，调节过程结束得 n 快。快。n d d）只适用于惯性较大的系统。）只适用于惯性较大的

23、系统。n 二、比例微分调节规律二、比例微分调节规律PDPDn （1） 概念概念n 理想的比例微分调节规律，其表达式为：理想的比例微分调节规律，其表达式为： dttdeTteKptPd)()()(n 式中：式中：K Kp p比例系数；比例系数；T Td d微分时间；微分时间； de/dtde/dt偏差的变化速度偏差的变化速度。n 比例微分调节器的输出等于比例作用的输出和比例微分调节器的输出等于比例作用的输出和微分作用的输出之和。比例系数和微分时间是比例微分作用的输出之和。比例系数和微分时间是比例微分调节器的两个重要特性参数。其大小反映了比微分调节器的两个重要特性参数。其大小反映了比例作用和微分作

24、用的强弱。例作用和微分作用的强弱。n微分时间微分时间Td的物理意义的物理意义：在等速偏差输入信号的作用下，比在等速偏差输入信号的作用下，比例微分调节器的比例部分的输出变化量增加到等于微分部分的输例微分调节器的比例部分的输出变化量增加到等于微分部分的输出变化量时，所需要的时间即为微分时间出变化量时，所需要的时间即为微分时间Td。)()(00VTtVKptPddTVKptVKptP00)( (2) 微分时间微分时间Td的物理意义的物理意义 设输入偏差为等速信号：设输入偏差为等速信号：e(t) =V0t；V0为常数为常数dPDPdTVKPPPTt0,2,当 dttdeTteKptPd)()()(Pt

25、PDPPP=PP+ PDtev0tdTVKptVKptP00)(dPDPdTVKPPPTt0,2,当 dttdeTteKptPd)()()( 由于微分调节规律具有超前调节的作用，能有由于微分调节规律具有超前调节的作用，能有效地克服干扰引起的被控参数变化趋势，抑制系统效地克服干扰引起的被控参数变化趋势，抑制系统发生振荡。故微分作用的适当引入可增加系统的稳发生振荡。故微分作用的适当引入可增加系统的稳定性，最大动态偏差变小，过渡过程时间缩短，在定性，最大动态偏差变小，过渡过程时间缩短，在保证同样稳定性前提下，可适当减小比例带，静态保证同样稳定性前提下，可适当减小比例带，静态偏差也相应减小。偏差也相应

26、减小。(3) 微分时间对系统过渡过程的影响微分时间对系统过渡过程的影响 若若Td过小，微分作用弱，系统质量改善不显著。过小，微分作用弱，系统质量改善不显著。 若若Td过大，微分作用强，反而引起小幅度振荡。过大，微分作用强，反而引起小幅度振荡。 若若Td为零，无微分作用，只有比例作用。为零，无微分作用，只有比例作用。微分时间对系统过渡过程的影响微分时间对系统过渡过程的影响DIPdtdedTiPPPTdteeKpP )(1五五、 比例积分微分调节规律比例积分微分调节规律PIDPID 1、概念、概念 其数学表达式为：其数学表达式为： 式中：式中：Kp、Ti、Td分别为分别为PID调节规律调节规律的比例系数、的比例系数、积分时间和微分时间。积分时间和微分时间。 PIDPID调节规律仍以比例调节规律为主，吸取积分调节规律仍以比例调节规律为主，吸取积分调节规律能消除余差，微分调节