材料加工测试技术-06-温度的调节

1、材料加工测试技术材料加工测试技术材料加工测试技术材料加工测试技术 张占领张占领河南科技大学材料学院河南科技大学材料学院材料加工测试技术材料加工测试技术第六章第六章 温度的调节温度的调节材料加工测试技术材料加工测试技术6.1.1 自动调节系统的框图自动调节系统的框图 电加热炉：热电偶信号同时作为负反馈信号，与设定温度求差，电加热炉：热电偶信号同时作为负反馈信号，与设定温度求差，作用于控制器。作用于控制器。6.1 6.1 温度自动调节系统的基本概念温度自动调节系统的基本概念材料加工测试技术材料加工测试技术材料加工测试技术材料加工测试技术6.1.2 凋节系统的过渡过程凋节系统的过渡过程 一旦设定值变

2、更或干扰侵入，系统平衡被破坏，被调量一旦设定值变更或干扰侵入，系统平衡被破坏，被调量(温度温度)将将产小偏离。此时调节装置按一定规律发出调节指令，使被调量产小偏离。此时调节装置按一定规律发出调节指令，使被调量(温温度度)回到设定值，恢复平衡态。回到设定值，恢复平衡态。 在调节过程中被调量在调节过程中被调量(温度温度)的变化过程称为的变化过程称为过渡过程过渡过程。 影响因素：影响因素：设定的变更，干扰形式，炉子结构和大小，调节器设定的变更，干扰形式，炉子结构和大小，调节器调节方式等。调节方式等。 研究方法：研究方法：系统受干扰后，被调量在过渡过程中是如何偏离设系统受干扰后，被调量在过渡过程中是如

3、何偏离设定值、又如何返回定值、又如何返回(或不能返回或不能返回)，常在系统的输入端施加各种形式，常在系统的输入端施加各种形式的干扰来观察其响应。常见的干扰有正弦作用、单位斜坡作用、的干扰来观察其响应。常见的干扰有正弦作用、单位斜坡作用、单位脉冲作用、单位阶跃作用。其中，单位阶跃是一种突如其来单位脉冲作用、单位阶跃作用。其中，单位阶跃是一种突如其来的变化，一经加上不再消失的干扰，是最常见和典型的，分析处的变化，一经加上不再消失的干扰，是最常见和典型的，分析处理比较简便，又很容易模拟实现。理比较简便，又很容易模拟实现。 系统受阶跃干扰后，在调节器的作用下，系统的过渡过程能出系统受阶跃干扰后，在调节

4、器的作用下，系统的过渡过程能出现的几种基本形式。图现的几种基本形式。图6-46.1 6.1 温度自动调节系统的基本概念温度自动调节系统的基本概念材料加工测试技术材料加工测试技术a发散震荡：不稳定，不可取发散震荡：不稳定，不可取b等幅震荡：不稳定，不采用等幅震荡：不稳定，不采用c衰减震荡：比较满意，希望出现衰减震荡：比较满意，希望出现d非震荡过程：偏离时间长，一般不采用非震荡过程：偏离时间长，一般不采用6.1 6.1 温度自动调节系统的基本概念温度自动调节系统的基本概念材料加工测试技术材料加工测试技术6.1.3 自动调节系统的品质指标自动调节系统的品质指标 调节目的、要求：调节系统在受到干扰作用

5、后，总希望能平稳、调节目的、要求：调节系统在受到干扰作用后，总希望能平稳、快速、准确地回复或趋近设定值。快速、准确地回复或趋近设定值。 问题：问题：这些要求互相制约。快速这些要求互相制约。快速系统振荡、不稳定；平稳系统振荡、不稳定；平稳过程迟缓、不准确。过程迟缓、不准确。 期望：期望：图图6-5，p186。6.1 6.1 温度自动调节系统的基本概念温度自动调节系统的基本概念材料加工测试技术材料加工测试技术品质指标：品质指标：一、衰减比一、衰减比n 同方向两个相邻波峰值之比，同方向两个相邻波峰值之比，nB/B，一般取，一般取n为为4 10.二、过渡过程时间二、过渡过程时间ts 系统受干扰后，被调

6、量恢复到新的平衡态的时间。被调量进入系统受干扰后，被调量恢复到新的平衡态的时间。被调量进入新稳定值的新稳定值的5%(或或2%)范围内不再越出，称过渡过程结束。反范围内不再越出，称过渡过程结束。反映系统抗干扰能力。映系统抗干扰能力。三、最大偏差三、最大偏差A 被调量第一个波峰与设定值之差。被调量第一个波峰与设定值之差。四、余差四、余差C 过渡过程终了时的稳态值与设定值之差。反映系统调节的准确过渡过程终了时的稳态值与设定值之差。反映系统调节的准确性。性。6.1 6.1 温度自动调节系统的基本概念温度自动调节系统的基本概念材料加工测试技术材料加工测试技术 断续温度调节器经过不断的改进和完善，常见的有

7、两位调节器、断续温度调节器经过不断的改进和完善，常见的有两位调节器、三位调节器、时间比例调节器等多种类型。三位调节器、时间比例调节器等多种类型。6.2.1 两位调节器两位调节器 两位调节器特性是继电特性，两位调节器特性是继电特性，只有只有“1”(通通)和和“0”(断断)两种状态。两种状态。6.2 6.2 温度的断续调节温度的断续调节材料加工测试技术材料加工测试技术不灵敏区不灵敏区2，滞后时间，滞后时间 ，时间常数，时间常数T。 特点：结构简单，动作可靠，维修方便，成本低，控制精度不特点：结构简单，动作可靠，维修方便，成本低，控制精度不高，被控制量波动大，温差大，易损坏，噪声大。高，被控制量波动

8、大，温差大，易损坏，噪声大。6.2 6.2 温度的断续调节温度的断续调节材料加工测试技术材料加工测试技术6.2.2 三位调节器三位调节器 三位调节器也具有继电特性，其输出有三位调节器也具有继电特性，其输出有3种状态：种状态：“1”、“1/2”和和“0”。分别表示。分别表示“通通”、“部分通部分通”和和“断断”。6.2 6.2 温度的断续调节温度的断续调节材料加工测试技术材料加工测试技术6.2 6.2 温度的断续调节温度的断续调节：加热炉处于：加热炉处于“1/2”1/2”状态，状态，炉温就可超过炉温就可超过R+：加热炉处于：加热炉处于“1/2”1/2”状态，状态，炉温可稳定在炉温可稳定在R+与与

9、R-之间之间某一温度某一温度：加热炉处于加热炉处于“1/2”状态，状态，炉温不能超过炉温不能超过R材料加工测试技术材料加工测试技术6.2.3 时间比例调节器时间比例调节器 是一种断续作用的比例调节器，也是借助继电器的通断来实现是一种断续作用的比例调节器，也是借助继电器的通断来实现的。的。不同的是，不同的是，继电器通断时间的长短受偏差输入信号的控制。继电器通断时间的长短受偏差输入信号的控制。调节器的平均输出与偏差信号成比例。通断比调节器的平均输出与偏差信号成比例。通断比=T1/(T1+T2). 6.2 6.2 温度的断续调节温度的断续调节材料加工测试技术材料加工测试技术 温度断续调节虽然简单，但

10、是调节过程常在不断的振荡中，控温度断续调节虽然简单，但是调节过程常在不断的振荡中，控温精度不高，且接触器易损坏。温精度不高，且接触器易损坏。 连续调节系统根据温度偏差按一定规律连续调节，连续改变加连续调节系统根据温度偏差按一定规律连续调节，连续改变加热炉输入功率，是一种无触点调节方法。热炉输入功率，是一种无触点调节方法。 调节规律通常采用比例调节规律通常采用比例(P)、积分、积分(I)、微分、微分(D)等，按此构成的等，按此构成的调节器称为调节器称为PID调节器，调节器，所组成的系统称为所组成的系统称为PID自自动调节系统。动调节系统。6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节材料加工测试技

11、术材料加工测试技术6.3.1 调节器的基本调节规律调节器的基本调节规律 调节规律：调节器的输出信号随时间变化与输入信号随时间变调节规律：调节器的输出信号随时间变化与输入信号随时间变化间存在的关系。化间存在的关系。 基本规律：比例调节基本规律：比例调节(P)、积分调节、积分调节(I)、微分调节、微分调节(D)，组合。，组合。一、比例调节一、比例调节(P) 调节器的输出信号按一定比例、无滞调节器的输出信号按一定比例、无滞后、无惯性地重现输人信号的变化规律。后、无惯性地重现输人信号的变化规律。 y(t)Kpx(t) (6-1) 调节器的放大倍数、比例系数调节器的放大倍数、比例系数Kp越大，越大，系统

12、系统静差静差越小，调节精度越高；但越小，调节精度越高；但Kp过过大，会使系统产生自激振荡。大，会使系统产生自激振荡。6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节材料加工测试技术材料加工测试技术比例带比例带P：比例系数比例系数Kp的倒数。的倒数。P越小，越小，静差静差越小，调节精度越高；越小，调节精度越高；但但P过小，会使系统产生自激振荡。过小，会使系统产生自激振荡。6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节maxmax1100%(64)PxPKy材料加工测试技术材料加工测试技术二、积分调节二、积分调节(I) 输出信号与输出信号与“输入信号对时间的积分输入信号对时间的积分”成成正比关系。正比关

13、系。 TI为常数，表示积分速度的大小，为常数，表示积分速度的大小，TI越越大积分速度越慢，积分作用越弱。大积分速度越慢，积分作用越弱。 调节器的输出量不仅与偏差的大小有关，调节器的输出量不仅与偏差的大小有关，而且与偏差存在的时间有关。只要偏差存而且与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会随时间不断增加，直到偏差在，输出就会随时间不断增加，直到偏差消失积分作用才停止。积分作用使输出停消失积分作用才停止。积分作用使输出停留的新位置，不存在静差。留的新位置，不存在静差。 积分作用动作缓慢，不能及时克服干扰积分作用动作缓慢，不能及时克服干扰的影响，控制作用滞后，过渡过程延长，的影响，控制作用滞后，

14、过渡过程延长，甚至造成系统的不稳定性。积分调节很少甚至造成系统的不稳定性。积分调节很少单独使用，常与比例调节组合使用。单独使用，常与比例调节组合使用。6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节1( )( )d(65)Iy tx ttT材料加工测试技术材料加工测试技术三、比例积分调节三、比例积分调节(PI) 两种调节作用的综合，使被调量较快地趋向两种调节作用的综合，使被调量较快地趋向稳定，存在的静差被积分作用逐渐消除，得到稳定，存在的静差被积分作用逐渐消除，得到无差调节效果。无差调节效果。 如果由于某原因，偏差一时无法消除，那么如果由于某原因，偏差一时无法消除，那么调节器将不断积分下去，输出不

15、断增加调节器将不断积分下去，输出不断增加(或减少或减少)直至调节器深度饱和直至调节器深度饱和(积分饱和积分饱和)，调节器失控，调节器失控造成事故。造成事故。比例带比例带P和积分常数和积分常数TI应选择恰当。应选择恰当。6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节11( )( )( )d(67)Iy tx tx ttPT材料加工测试技术材料加工测试技术四、微分调节四、微分调节(D) 微分调节的输出信号与微分调节的输出信号与“输入信号的变化输入信号的变化速率速率”成正比关系。成正比关系。 TD是微分时间。是微分时间。 理想的微分作用：阶跃输入信导的变化率理想的微分作用：阶跃输入信导的变化率无限大，

16、输出也应无限大。图无限大，输出也应无限大。图6-21a 实际：阶跃输入信导时，输出突跳一个较实际：阶跃输入信导时，输出突跳一个较大值，然后按指数曲线衰减至零。跳跃越高，大值，然后按指数曲线衰减至零。跳跃越高，衰减得越馒，微分作用越强。图衰减得越馒，微分作用越强。图6-21b 6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节d ( )( )dDx ty tTt(6-9)材料加工测试技术材料加工测试技术 微分作用特点：微分作用特点： 1. 调节输出只响应偏差变化速率，即使偏差值不大，只要出现调节输出只响应偏差变化速率，即使偏差值不大，只要出现变化趋势马上就由微分作用及时产生输出变化趋势马上就由微分作用

17、及时产生输出，以抑制偏差连续增长，以抑制偏差连续增长，有超前调节作用有超前调节作用； 2. 输出不能响应偏差值大小，如有固定的偏差，即使数值很大输出不能响应偏差值大小，如有固定的偏差，即使数值很大也不会有微分作用产生的输出，因此也就也不会有微分作用产生的输出，因此也就不能消除静差不能消除静差； 3. 如有变化很慢的偏差，微分作用也很小，会使系统很长时间如有变化很慢的偏差，微分作用也很小，会使系统很长时间积累产生根大的静差。积累产生根大的静差。 所以实际系统中不会单独使用微分作用，常与比例或比例积分所以实际系统中不会单独使用微分作用，常与比例或比例积分合成合成PD、PID调节器。调节器。6.3

18、6.3 温度的连续调节温度的连续调节材料加工测试技术材料加工测试技术五、比例微分调节五、比例微分调节(PD) 调节器输出与输入的关系：调节器输出与输入的关系： 在斜坡信号作用下，相同输出下，在斜坡信号作用下，相同输出下，有有比例和微分作用比例和微分作用的的A点比点比仅有比例作仅有比例作用用的的B点要提前一个时间点要提前一个时间t2-tl，调节作，调节作用更为及时，此提前时间正是微分时用更为及时，此提前时间正是微分时间间TD，故，故TD又称为超前时间又称为超前时间。6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节d ( )( )( )(6 11)dPDx ty tKx tTt材料加工测试技术材料加工

19、测试技术6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节材料加工测试技术材料加工测试技术六、比例积分微分调节（六、比例积分微分调节（PID） 具有比例、积分、微分具有比例、积分、微分3种作用，综合了比例控制的快速有力、种作用，综合了比例控制的快速有力、积分控制的消除静差以及微分控制的超前预测功能。其理想动态积分控制的消除静差以及微分控制的超前预测功能。其理想动态特性表达式为：特性表达式为： PID调节器：调节器：P、TI、TD选择适当，可获得较高的控制质量。选择适当，可获得较高的控制质量。6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节1d ( )( )( )( )d(6 14)dPDIx ty tK

20、x tx ttTTt材料加工测试技术材料加工测试技术6.3.2 调节器调节规律的选型调节器调节规律的选型 1）调节规律对不同对象的调节质量）调节规律对不同对象的调节质量 一、当对象调节的时间常数一、当对象调节的时间常数T较大、纯滞后较小，即较大、纯滞后较小，即 /T很小，很小，引入微分作用可获得良好的效果。各种调节规律对调节质量的影引入微分作用可获得良好的效果。各种调节规律对调节质量的影响以响以PID作用最好，作用最好，PD作用较好，作用较好，P作用次之，作用次之，PI作用则较差。作用则较差。 二、当对象调节的时间常数较小、纯滞后较大，即二、当对象调节的时间常数较小、纯滞后较大，即 (T/2)

21、时，时，采用微分作用对改善调节质量的效果不太大。采用微分作用对改善调节质量的效果不太大。 三、当对象调节的三、当对象调节的T较小，而负荷变化很快时，引入微分作用和较小，而负荷变化很快时，引入微分作用和积分作用都会引起系统振荡，对调节质量影响很大。如果对象调积分作用都会引起系统振荡，对调节质量影响很大。如果对象调节的节的T很小，采用反微分作用对改善调节质量效果良好。很小，采用反微分作用对改善调节质量效果良好。 四、当对象滞后很大，且负荷变化也很大，而调节质量要求又四、当对象滞后很大，且负荷变化也很大，而调节质量要求又较高时，可以采用比例积分微分作用。较高时，可以采用比例积分微分作用。 五、当负荷

22、变化很大，对象纯滞后也较大时，采用比例积分微五、当负荷变化很大，对象纯滞后也较大时，采用比例积分微分作用也很难达到控制质量的要求，这时需要采用多回路调节系分作用也很难达到控制质量的要求，这时需要采用多回路调节系统和其它复杂的调节系统。统和其它复杂的调节系统。6.3 6.3 温度的连续调节温度的连续调节材料加工测试技术材料加工测试技术2）调节器的选型原则）调节器的选型原则P197-198 先了解被控对象的特性，熟悉各种调节器的调节规律和工作性先了解被控对象的特性，熟悉各种调节器的调节规律和工作性能。表能。表6-1是各种调节器的适用情况。是各种调节器的适用情况。p1986.3 6.3 温度的连续调

23、节温度的连续调节材料加工测试技术材料加工测试技术两位调节器两位调节器属于简单的调节方式，一般适用于对调节质量要求不太高属于简单的调节方式，一般适用于对调节质量要求不太高的场合。的场合。P调节调节的适用范围很广，它对调节的作用和扰动作用的响应均迅速，的适用范围很广，它对调节的作用和扰动作用的响应均迅速，调节质量在一般情况下都较高。但这种调节器存在静差，特别是当负荷调节质量在一般情况下都较高。但这种调节器存在静差，特别是当负荷变化幅度大且系统滞后较大时，静差会更大。因此，对调节要求不太高变化幅度大且系统滞后较大时，静差会更大。因此，对调节要求不太高的场合，可以选用的场合，可以选用P调节。调节。PI调