§1-3-调节器及调节作用规律解析

船舶电气与自动化DMU§1-3调整器及调整作用规律轮机自动化教研室调节器执行机构控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)引言系统为偏差驱动调整器的输入是被控量的偏差值调整器的输出是限制量可看作一个对象或环节调整器的作用规律：引言引言正作用式随着测量值的增加，调节器的输出也增加两种类型调节器反作用式随着测量值的增加，调节器的输出减小引言调整器探讨的两个方面：作用规律：p(t)=f(e(t))，即传递函数的结构。也称限制规律或调整规律。作用强度：每一种限制规律的限制强度。反映在传递函数中，如比例系数、积分时间、微分时间。主要内容§1-3-1位式调整器§1-3-2比例调整器§1-3-3比例微分调整器§1-3-4比例积分调整器§1-3-5比例积分微分调整器双位执行机构控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-1双位作用规律§1-3-1双位作用规律被控量在设定的上限和下限之间变更，调整器的输出只有两个状态（0或1）。§1-3-1双位作用规律被控量在设定的上限和下限之间变更，调整器的输出只有两个状态（0或1）。例1浮子式锅炉水位的双位限制系统被控量输出曲线执行机构水位与电动机通断之间的关系图被控量动作范围开关双位作用规律1-浮子室2-浮子3-调整板框架4-枢轴5-上、下限销钉6、12-同极性永久磁铁；7-静触点8-开关箱9-转轴10-转杆11-动触点§1-3-1双位作用规律例1：浮子式辅锅炉水位双位调整器如何调整水位的上下限值？上下限值区间的幅度太小有什么样的结果？§1-3-1双位作用规律例2：双位式压力调整器依据测量压力的上限值和下限值输出不同的开关量信号，如：锅炉蒸汽压力日用淡水压力空气瓶压力等给定弹簧：调整的是压力开关的下限值幅差调整旋钮：调整幅差（上限值）YT-1226型压力调整器§1-3-1双位作用规律YT-1226型压力调整器PLP=0.07+(0.25-0.07)

*X/10调幅旋钮标记有10个格的刻度档：P执行机构控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-2比例作用规律§1-3-2比例作用规律1、比例作用规律（P）：限制器的输出变更量与输入（偏差）变更量成比例。K—比例系数比例作用强

比例作用弱

t0t0例2：浮子式水位比例控制系统调节阀

出水进水水柜h支点

浮子

浮子杆杠杆

abΔhΔμ§1-3-2比例作用规律施加外部扰动如何变更比例系数？为什会存在静态偏差？限制器的输出依靠于偏差的存在而存在。假设无偏差，则阀的开度复原平衡前的状态，平衡被打破。静态偏差与比例系数的关系K越大，稳态时静态偏差越小，反之亦然。适用场合比例调整器广泛应用于对被控量稳态精度要求不是很高的场合§1-3-2比例作用规律2、比例带δ（或PB）：是指调整器的相对输入量与相对输出量之比的百分数.例：当限制器的输出作100%（全行程，如阀开--关）变更时，其输入量变更（数值上等于被控量的变更）的百分数。§1-3-2比例作用规律R为量程系数，在单元组合仪表中，R=1，则PB=1/K×100%。比例带越小，比例作用越强；比例带越大，比例作用越弱。限制对象惯性大的限制系统，可使比例带小一点，如温度、粘度等限制系统，其限制对象惯性比较大，可选定PB=50％左右。反之，对于限制对象惯性小的限制系统，比例带可适当选定大一点，如液位限制系统，其限制对象惯性都比较小，可选定PB=70％～80％。在调整器上都设有比例带调整旋钮，用来设定比例带，一般在5％～300％之内。§1-3-2比例作用规律喷嘴挡板反馈波纹管杠杆支点测量波纹管测量值输出设定弹簧气源放大器§1-3-2比例作用规律例3：气动比例调整器假设给定值没有变更，即M设=0，则：F为水纹管的截面积，两者一般相等l为力臂，一般固定不变K为负数—负作用（作用方式）§1-3-2比例作用规律如何调整比例带（比例系数）？变更反馈力臂的长度，来调整比例系数（K比例带PB），实物上通过比例带旋钮可以左右移动反馈水纹管的位置来实现。左移→l3增长→负反馈增加→K减小→PB增大→比例作用减弱；反之。实际在调整器的工作过程中，杠杆上还会产生一些附加力矩，如喷嘴气流产生的反作用力矩、各个弹性部件产生的变形力矩等。但由于附加力矩很小，只要K足够大，这些可以忽视不计，因此未予考虑

§1-3-2比例作用规律总结1、比例作用规律实现简洁，限制作用刚好，是其它限制规律（双位除外）的基础；2、比例作用强弱取决于比例带或比例系数，比例带大比例作用弱，比例系数大比例作用强；3、比例作用限制导致系统存在静态偏差，比例作用强，静态偏差小，但无法避开。§1-3-2比例作用规律§1-3-3

比例微分作用规律

3、微分作用（D）：限制器的微分作用是指其输出与输入的微分，即偏差变更速度成比例。实际微分作用的输出特性Sd为微分系数微分作用特点：1、微分作用的输出与偏差的确定值没有关系2、依据偏差变更速度，超前限制，抵制偏差：偏差出现起先，限制作用较强当偏差值变更缓慢时，微分限制作用微弱偏差为常数时，微分限制器没有输出3、微分限制无法消退偏差，只能作为一种帮助限制作用。4、常用于限制对象惯性大，时延较明显的对象。§1-3-3比例微分作用规律

比例作用为主，确定调整器的最终输出变更量微分作用只起超前限制的帮助作用。§1-3-3比例微分作用规律

比例微分作用（PD）：在比例作用的基础上加入微分作用而得到的一种作用规律称为微分时间，K为比例系数§1-3-3比例微分作用规律

（a）若输入为阶跃信号：（不要求驾驭）Td为带惯性性质的微分环节的作用下降了63.2%所需的时间Td衡量微分消逝的快慢气源放大器气动比例微分调节器原理图微分气室测量波纹管负反馈波纹管微分阀恒气阻给定波纹管§1-3-3比例微分作用规律

例：气动PD调整器微分消逝的快慢取决于反馈回路中惯性环节的惯性大小21§1-3-3比例微分作用规律

只考虑变更量：当给定值pG不变时，偏差e事实上就是测量值的变更，而负反馈回路的惯性过程结束时，即:只剩比例作用§1-3-3比例微分作用规律

气动PD调整器微分消逝的快慢取决于反馈回路中惯性环节的惯性大小，可由微分阀Rd进行调整。微分阀Rd开度越大，微分消逝得越快，即微分时间Td越短，微分作用越弱；反之亦然。当微分消逝后，调整器的输出大小与偏差成比例，比例作用的强弱由负反馈水纹管的位置进行调整。小结1、微分作用具有超前调整的功能，输出减小的过程即为微分消逝过程；2、微分作用不能单独用作调整器，一般与比例或者比例积分一起构成PD或者PID调整器；3、微分时间短，微分消逝得快，微分作用弱，反之；4、调整器最终输出与偏差成比例，即剩下比例作用5、比例微分作用为有差限制器，适用于对静态精度要求不高的场合。§1-3-3比例微分作用规律

PI执行机构控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-4比例积分作用规律§1-3-4比例积分作用规律1、积分作用（I）：限制器的输出与输入之间呈积分关系。TI

—积分时间。TI↑→积分作用↓积分作用特点1、可以消退静态偏差；2、限制作用不刚好，超调严峻，波动大；3、常与比例作用（P）一起组成比例积分（PI）调整器。§1-3-4比例积分作用规律a为比例限制过程b是积分限制过程§1-3-4比例积分作用规律2、比例积分作用（PI）：在比例作用的基础上加入积分作用而得到的作用规律。K—比例系数，S0

积分系数，Ti

积分时间比例作用能使调整器的输出刚好响应偏差的变更，起着主导作用，而积分作用是帮助的，用来消退静态偏差§1-3-4比例积分作用规律若给PI调整器一个阶跃的输入偏差信号，其阶跃量为常数e，则第一项为比例输出，在阶跃输入瞬间，比例作用把输入量放大到K倍。由于此时时间t=0，故没有积分输出；其次项是积分输出，它与时间t保持线性关系，其斜率为§1-3-4比例积分作用规律当时间进行到Ti时，

输出为2Ke，以此，积分时间的物理意义：阶跃输入信号作用下，积分输出达到比例输出所需的时间若k=1，输入偏差为Δh，则输出当t=Ti时，Δμ=

ΔhTi等于限制器的输出变更到与其阶跃输入量相等时所需的时间。Δh0Δh0ABTIATIB积分限制器的动态特性越陡，积分时间越小，表明限制器作用越快，积分作用越强，即限制作用积累到同一值时所需时间越短。积分时间小→积分作用强→系统稳定性差→上升时间短→振荡周期小§1-3-4比例积分作用规律PI调整器的整定原则：在PI调整器上设有两个旋钮，分别用来整定PB、Ti。在整定Ti时，切忌值整定得太小，否则积分作用太强，系统稳定性差假如Ti值不能进行精确地整定，可以接受宁大勿小的策略。因为Ti值略微偏大时，尽管积分作用偏弱，但只会使消退静态偏差的时间稍长而别无它害。积分时间Ti的整定范围一般在3s至20min之内限制对象惯性大，选取Ti值要大一些，反之。§1-3-4比例积分作用规律积分时间TI小←→大积分作用强←→弱稳定程度降低←→增高短期最大偏差小←→大被调量静差消失上升时间短←→长振荡周期小←→大Ti对限制系统品质指标的影响§1-3-4比例积分作用规律§1-3-4比例积分作用规律ZCGF测量给定1:1跟随器气动放大器积分气容气源喷嘴挡板支点杠杆1234气动PI调整器达到平衡状态时：适当调整比例带与积分时间，使：则平衡后的状态：§1-3-4比例积分作用规律若PC不等于PG，调整作用就始终存在，消退静态偏差正作用调整器比例带调整：则比例带↑，比例作用↓，正反馈↓则比例带↓，比例作用↑，正反馈↑，抵制负反馈积分时间调整：积分时间变长，积分作用减弱积分时间缩短，积分作用增加§1-3-4比例积分作用规律若达到稳定状态时，测量值=给定值若测量值>给定值，（PZ=PF），杠杆会在积分的作用下始终顺时针旋转，输出将始终增加，直到……。§1-3-4比例积分作用规律总结1、积分作用可以消退静态偏差；2、积分时间Ti长，积分作用弱，反之亦然；3、积分时间无穷大时可视为积分作用切除；4、比例积分限制器中积分时间的求法§1-3-4比例积分作用规律§3-5比例积分微分作用规律5、比例积分微分作用（PID）：以比例作用为主，吸取积分作用能消退静态偏差以及微分作用能实现超前限制的优点，功能最为完善:§3-5比例积分微分作用规律比例比例微分积分积分微分比例积分微分限制器的阶跃响应PID调整器的实现方法：1、三种反馈并行地叠加在一起形成调整器内部的综合反馈；2、在比例积分调整器前串联一个微分器来实现（如，后文的QTM气动PID调整器）。PID调整器的功能变更：积分时间Ti为无穷大时，则相当于切除积分作用，变为PD；微分时间Td为0时，则相当于切除微风作用，变为PI；同时使Td为0且Ti为无穷大，则调整器变为纯比例P；§3-5比例积分微分作用规律PID作用选取原则若被控量的稳态精度要较高，则调整器中应加入?若限制对象惯性较大，则调整器应加入?若限制对象惯性较大且要求较高的静态指标，则应加入?如：锅炉水位等液位限制系统，不宜接受包含D的调整器。这是因为D作用对干扰信号比较敏感，随船舶的摇摆，会使给水调整阀的开度忽大小，造成水位的大起大落，阀泵等频繁启动。§3-5比例积分微分作用规律IDID各种限制过程常用的限制规律如下：液位：滞后不大，一般限制要求不高用P或PI限制规律。流量：滞后很小，时间常数小，测量信号中杂有噪音用PI限制压力：介质为液体的滞后较小，介质为气体时的滞后中等。用P或PI限制规律。温度：容量滞后较大，时间常数大。常用PID限制规律。§3-5比例积分微分作用规律NAKAKITA气动PID调整器：其三种作用规律通过内部综合反馈实现常用于冷却水温度限制系统和燃油粘度限制系统§3-5比例积分微分作用规律§3-5比例积分微分作用规律234负作用式↑↓↓↑↑↑NAKAKITA气动PID调整器：在调整器上有三个调整盘，分别用来调整比例带PB、积分时间和微分时间比例带调整盘是一个偏心机构，可使喷嘴和挡板一起沿着比例杆上下移动，上移时传动杆BO’左右移动相同的距离，即输入偏差相同的状况下，挡板开度变更要大，比例作用增加，比例带减小给定值由给定旋钮确定，给定旋钮的角度变更通过连接杆件一方面变更给定指针（红色）的偏转角度，指示当前给定值的大小；另一方面，通过连接杆件带动比例杆OO’绕O点左右偏转，引起调整器输出变更§3-5比例积分微分作用规律据实际须要，该调整器还可以工作在正作用方式。此时，喷嘴挡板机构在比例杆上的相对位置如图所示：区分在于喷嘴背压的变更将与测量值的变更方向相一样，而不是相反。当应用于燃油粘度限制系统时，一般应接受反作用方式。§3-5比例积分微分作用规律正作用式切换电动PID调整器：在船舶机舱中，有些限制系统是接受电动的方式实现调整器一般做成电路板的形式，其内部电路多数以运算放大器、电阻和电容等元器件组成给定值由给定旋钮确定，给定旋钮的角度变更通过连接杆件一方面变更给定指针（红色）的偏转角度，指示当前给定值；另一方面，通过连接杆件带动比例杆OO’绕O点左右偏转，引起调整器输出变更§3-5比例积分微分作用规律§3-5比例积分微分作用规律由运算放大器组成的PID调整器偏差信号e§3-5比例积分微分作用规律§3-5比例积分微分作用规律电动PID调整器：在船舶机舱中，有些限制调整R4、R2和R5的阻值可以分别调整比例、积分和微分的作用强度从电路设计的角度，往往还会加上一些抗干扰措施§3-5比例积分微分作用规律数字PID调整器：在计算机限制系统中，调整器的作用规律是接受软件编程来实现的，称为调整器作用规律的数字实现。接受了单片机系统A/D转换电路键盘与显示装置进行数字设定限制算法程序D/A转换电路执行机构被控对象§3-5比例积分微分作用规律§3-5比例积分微分作用规律计算机执行上述限制过程并不是像模拟仪表那样连续进行的，而是每隔确定的周期（称为采样周期，用T表示）进行一次