自动调节技术

自动调节技术与应用前言

在工业生产过程中，自动化是保障安全生产，提高产品质量和产量、降低成本、增加经济效益，提高劳动生产率的有力措施之一。自动控制系统是依靠仪表与自动控制装置进行生产过程控制的。它能模仿人的从复劳动，包括体力劳动和脑力劳动。生产过程中的自动调节，是根据生产工艺要求，使生产过程中的某些工艺参数按一定规律变化的一种技术措施。自动调节虽然是重复地自动实现人工调节的既有规律，但是它在精度和快速等方面大大优于人工调节。近来，随着计算机在工业控制技术的广泛应用，使计算机已成为工业自动控制的主体。可以说，没有计算机就不可能达到真正的自动化。

概述

一、自动调节自动调节是从人工调节发展过来的，在工业生产过程中，为了完成对某些工艺参数的自动调节，按照一定方式组合起来的仪表装置和设备的整体称为自动调节系统或称为自动控制系统。二、自动调节系统传递方框图执行机构调节器变送器调节机构调节对象给定测量偏差调节信号外部扰动被调参数

在自动调节系统的传递方框中，每个方框就称为一个环节，基本上包括：调节对象、变送器、调节器和调节机构等环节。每一个环节都接受它前一个环节的作用，同时又对后一个环节施加作用，构成一个具有负反馈的闭环系统。变送器、调节器和调节机构分别完成对信号的检测、运算和控制作用。自动调节的目的就在于在有扰动存在的情况下，通过检测调节对象的被调量信号，然后通过调节器对信号进行运算，发出控制信号去控制调节机构，从而改变调节对象的输入量，此调节作用通过调节对象本身渐渐稳定下来。三、自动调节系统的分类自动调节系统有多种分类方法，每一种分类方法都反映了自动调节系统的某一方面的特点，但在分析自动调节系统特性时，给定值的形式不同，将会涉及到不同的分析方法，所以按给定值分类有以下三种：⒈定值调节系统它在工业生产中应用最为广泛，要求系统中的被调参数保持恒定或基本恒定。⒉随动调节系统随动调节系统中的被调参数以一定的精度跟随给定值变化。⒊程序调节系统程序调节系统也是被调参数以一定精度跟随给定值变化的调节系统。在这里给定值既不是固定的，也不是随机变化的，而是按工艺过程的要求，虽时间或其他参数以一定规律而变化的。开环控制：调节系统的校正作用是按着影响生产过程扰动量的测量进行的。由于开环调节无反馈回路，结构简单；缺点是，当受到外部干扰时，一旦出现控制误差无法补偿。闭环控制：由于扰动的影响，是被调参数偏离给定值产生偏差信号，作用于调节器改变被调参数，通过调节对象消除或减小偏差，可见闭环控制具有消除干扰的能力。开环调节示意图闭环调节示意图

目前工业生产自动控制绝大多数都是采用负反馈控制，这是自动控制的最低形式，如果要使生产过程保持最优状态，就要开发更智能、更完善和更科学的控制技术。调节器调节对象干扰调节器调节对象给定偏差外部扰动被调参数

最优值自动控制是预先将生产过程的最优方案输入计算机，然后由各种检测仪表将生产过程的各有关参数送入计算机，计算机根据预先编好的程序，计算出当时的最优工作条件，并控制执行机构，调节生产过程中的有关参数，但生产过程中有许多干扰因素是事先无法估计的，也无法事先编入程序，于是，在最优控制的基础上又发展一种新技术，叫做自适应控制技术。

自适应控制生产时，由各种检测仪表将生产过程中的各有关参数传输给计算机，计算机根据当时生产的各项工艺参数，自动寻求最优的生产工艺条件，一旦外界条件发生变化，计算机根据情况再重新寻找最优的生产工艺条件，并能自动修改，使生产过程始终保持在最优状态下进行。自动调节系统的过渡过程

在自动调节系统中，当原系统处于相对平衡状态，由于扰动的影响，被调参数就会发生变化，调节器等自动化装置就会自动地改变被调参数以克服扰动的影响，使系统又恢复平衡。从扰动发生，经过调节到系统重新建立平衡，在这一时间内，整个系统的每一个环节和参数都处于变动状态之中，把被调参数随时间变化的过程称为自动调节系统的过渡过程，也叫做动态过程。

对任何自动调节系统的过渡过程的要求都可以概括为三个方面：即稳定性、准确性和快速型。

系统的稳定型是前提，自动调节系统的过渡过程大致有以下几种形式。①为衰减震荡，②为单调衰减，二者都属于稳定系统。③为发散振荡，④为单调发散，二者都属于不稳定系统。⑤为等幅振荡系统，属于中性系统。衰减振荡较为理想，自动调节系统过渡过程大多数都采取这种过渡形式。①②③④⑤㈠衰减度ψ

在衰减过渡过程中，用衰减度ψ来表示被调参数衰减程度的大小。衰减度用过渡过程曲线前后峰值之差与前一峰值之比表示：ψ=(x1-x2)/x1=1-x2/x1

一般取

x1/x2=n:1，此曲线叫n:1衰减曲线，经常取n=4~10，ψ=1-1/n=0.75~0.9

衰减度ψ越小，越接近于等幅振荡过程；衰减度ψ越大，则接近于非振荡过程。㈡最大偏差Xmax

最大偏差Xmax是过渡过程中的一个动态指标，它是指过渡过程中被调参数最大偏离给定值的大小。㈢静差静差属于准确性的一个重要指标。它是指过渡过程终了时，被调参数的稳定值与给定值之差，其值可以是正，也可以是负，其数值大小由生产过程所要求的精度来确定，我们希望静差越小越好。㈣过渡时间从扰动发生起至被调参数又建立新的平衡为止，这段时间称为过渡时间。过渡时间越短，表示过渡过程进行得越快，即使扰动很频繁系统也能适应。㈤振荡周期和频率在衰减度相同的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望周期短些为好。在过渡时间不变的情况下，如果振荡周期太短，即振荡次数增加，使得过渡不平稳，而且增加了调节系统中活动部件的松动和磨损。以上这些品质指标，在不同的自动调节系统中各有其重要性，应根据具体情况分清主次，区别轻重，对于主要指标应优先保证。在一既定的系统里，几个动态品质指标之间是相互联系又相互制约的，同样，系统的动态品质指标和静态品质指标之间也是如此。对于一个自动化系统，如果对象是一个慢速生产过程，整个系统动态过程较慢，因而对系统的动态特性要求就低，反之，对于快速过程，对系统的动态特性要求就高。调节对象的动态特性

任何一个调节系统，都是由调节对象和调节装置所组成的。在不同的生产工艺过程中，调节对象千差万别，不同的调节对象要求采用不同类型的调节系统和调节装置，在调节装置投入运行之前，必须根据调节对象的具体特性，对调节装置进行调整。因此，必须了解调节对象的动态特性，才能做到有的放矢，收到预期的效果。调节对象的动态特性是指调节对象受到扰动作用后，被调参数随时间变化的情况。衡量动态特性的参数（以加热炉温度自动调节为例）⒈放大系数加热炉在受到突然扰动后，温度发生变化，最后稳定在新的数值上。我们把加热炉看成一个环节，当它的输入量改变Δx时，它的输出量改变了Δy，其关系为：Δy=KΔx

K叫做放大系数，放大系数大的调节对象，调节起来比较灵敏，但稳定性差，而放大系数小的对象调节起来不灵敏但稳定性好。一般希望对象的放大系数K小一些。⒉时间常数

所谓时间常数，是指参数作阶跃变化后，仪表指示值达到参数变化值的63.2%时所经过的时间，时间常数是表示调节对象惯性大小的一个参数。⒊滞后时间对某些调节对象，当输入量变化后，输出量并不立即改变，而须等待一段时间后才变化，这些调节对象的被调参数变化落后于扰动的现象，称为调节对象的滞后现象。根据滞后的性质可分为两类：传递滞后和容量滞后。传递滞后一方面与传递距离有关，另一方面与介质流动速度有关。传递滞后对调节过程非常有害，测量装置迟迟不能将被测参数的动态传送给调节器，使调节器不能立即发出信号进行调节，这就降低了调节质量。容量滞后：它几乎与调节对象的负荷和扰动无关。仅取决于工艺设备的结构与运行条件。时间滞后是设计自动调节系统，选择仪表必须注意的问题。对一些环节的时间滞后可采取适当措施来解决：例如选择快速测量元件，科学合理的安装位置，对执行环节加强维护、润滑等。综上所述，简单调节对象的特性，可以全面的用放大系数，时间常数及滞后时间三个动态特性参数来表征。调节器的调节特性

自动调节的基本原理是根据偏差进行调节，按照人们对调节规律的要求，调节器有各种各样的结构形式，它们的特性可分为：位式调节、比例调节、积分调节和微分调节等。㈠位式调节规律目前所采用的自动调节装置中，最简单的是位式调节。其调节规律以电加热炉的位式调节来分析。⒈二位式调节二位式调节是指调节器的调节动作只有“通”和“断”两种工作状态。二位式炉温控制系统示意图位式调节的一个突出特点是被调参数始终不能稳定在给定值上，它总是在给定值上下作周期性的波动。因此，衡量一个位式调节过程的品质指标，用振幅和周期表示。由于二位式调节的温度波动很大，为减小波动，可采用三位式调节。C调节仪表~⒉三位式调节三位式调节的调节动作有“通”，“部分通”和“断”三种工作状态。与二位式调节不同之处在于，它控制两个接触器，这两个接触器相对应的是仪表的下限给定值和上限给定值。三位式炉温控制系统示意图C1调节仪表~C2

位式调节是调节规律中最简单、也是最基本的断续调节形式。它适用于调节对象的时间常数很大，而延迟时间又很小的工况。位式调节具有结构简单，使用方便，成本低的优点，其缺点是调节精度低，调节器动作频繁，故障率高，且噪音较大。在位式调节系统中，被调参数总是持续的等幅振荡，使它的应用受到很大的限制。如果能使调节器的输出与被测参数的偏差成正比的话，那就有可能大大提高调节对象的调节品质。比例调节器就是根据被调参数的偏差大小成比例地输出控制信号来进行调节的。㈡比例调节（P）以加热炉温度调节来说明。当炉温低于给定值时，就应加大煤气的阀门开度，使炉温上升，但阀门要开多大视偏差的大小而定；反之，当炉温高于给定值时，就应使阀门关小，关小多少也是由偏差大小来决定。也就是说，阀门的开度与被测参数的偏差是按照比例变化的，这就是比例调节的基本原理。用数学式表示为Δy=KPΔx

调节器输出变化量与输入变化量的比值称为放大系数，也可用比例带表示，它们的关系是倒数关系，虽然它们的表示方法不同，但都是表示调节器调节作用强弱的参数。

在比例调节过程中，当系统受到扰动后，使被调参数发生变化，经过一段时间的调节，逐步使被调参数出现新的平衡，但此时被调参数的新稳定值与给定值不相等，他们的差值叫余差或静差。这个静差的大小与调节器的放大系数有关，放大系数越小，比例调节作用越弱，静差就越大；反之，调节器的放大系数越大，比例调节作用越强，静差就越小。比例调节会产生静差，这是比例调节的缺点。对调节要求不高的场合，可以单独用比例调节；而对调节要求比较高的场合，就必须选择另外的调节方式。总结比例调节的特点是：⑴比例调节的输入量和输出量呈一一对应的比例关系。⑵比例调节反应速度快，数出与输入同步，没有时间滞后，因此其动态特性很好。⑶比例调节的结果不能使被调参数完全回到给定值，而产生静差（余差），这是由比例调节特性所决定的。㈢积分调节（I）积分调节作用是调节器的输出变化量与输入偏差值随时间的积分成正比。用数学表达式为

Δy=∫Δxdt/TI

其中：TI为积分时间

对于积分调节器，输出变化量的大小，不仅决定于偏差的大小，而且取决于偏差存在的时间长短。积分时间越长，积分作用越弱；积分时间越短，积分作用越强。积分作用也可用积分常数（积分速度）表示，它们的倒数叫做积分时间。都是表示积分作用强弱的参数。积分调节的显著特点是它的执行机构的位置是“浮动”的，也就是说，它和被调量之间没有一一对应的关系，因此这也说明了产生静差的原因。积分调节器可以消除静差，这是积分调节器的优点，但也有缺点，只要与比例调节器加以比较就可以发现，对于比例调节器来说当被调参数出现扰动时，调节器能立即按比例输出控制信号，但积分调节器就做不到这一点，它需要一定的时间才能做出反应，因此积分调节会使调节过程非常缓慢。基于上述原因，积分调节器很少单独采用，一般只用在最简单的调节对象，例如时间常数很小，而自衡率很大的调节对象。由于积分调节有消除静差的优点，往往作为一种辅助调节来加以利用。㈣比例积分调节（PI）积分调节虽然能消除静差，但有滞后现象，比例调节没有滞后现象，但存在静差。目前比较广泛应用的是积分调节与比例调节组合构成比例积分调节，或称PI调节。比例积分调节的特点是具有比例调节作用反应快、无滞后的优点，因而可以加速调节作用，缩短调节时间，又具有积分调节的优点，可以消除静差。因此对于一般调节对象，除了滞后时间特别大外，均可采用比例积分调节。㈤微分调节（D）微分调节是根据偏差信号的微分，即偏差变化速度而动作的。当系统出现扰动，被测参数发生变化时，微分调节根据被调参数的变化速度和方向，立即采取措施，即提前动作，迅速抑制被测参数的变化。

理想微分调节的输出变化量与输入偏差变化速度成正比，其数学表达式为

Δy=TDdΔXU/dt微分调节的输出变化量只与偏差的变化速度有关，只要偏差ΔXU一有变化，微分作用立即动作，调节输出就有变化，偏差ΔXU变化速度越大，微分作用输出越大。微分调节只对变化的偏差起调节作用，偏差存在，但变化速度为零，微分调节不起作用。显然微分调节是不能单独使用的，它总是依附于比例调节或比例积分调节。微分作用的强弱用微分时间来衡量，微分时间TD越大，微分作用越强，即超前时间越大。微分调节主要用于克服调节对象有较大的传递滞后和容量滞后。㈥比例积分微分调节（PID）在自动调节中，经常将比例、积分、微分三种调节作用结合起来，构成比例积分微分调节，或称PID调节，其输出与输入的关系可用数学式表示为

Δy=KP（Δx+∫t0Δxdt／TI+TDdΔx/dt）在一个自动调节系统中，当扰动一出现，即输入一个阶跃偏差Δx时，调节器输出的调节信号等于比例作用、积分作用和微分作用三部分输出之和。首先，微分作用立即动作，使调节器输出突然大幅度变化，然后就慢慢下降，比例作用也同时动作，偏差减小，接着积分作用动作，随着时间增加，积分作用越来越起主导作用，最后慢慢的消除静差。综上所述，比例调节作用的输出与输入偏差大小成正比；积分调节作用的输出与输入偏差和积分速度成正比；微分调节作用的输出与输入偏差的变化速度成正比。调节器的正、反作用的确定在控制系统中调节器的正、反作用确定法：先做两条规定：⑴气开调节阀为+A，气关调节阀为－A；⑵调节阀开大，被调参数上升为+B，下降为－B。则

A×B=“+”调节阀选反作用；

A×B=“－”调节阀选正作用。如：阀为气开+A，阀开大，液位下降－B，则有：

（+A）×（－B）=“－”调节器选正作用。

调节器的参数整定

在整定PID参数时应充分熟悉它们的特性，以便在调试时抓住主要矛盾。

PID参数究竟需要多大，取决于调节对象和控制系统各环节的特性。对于同一对象，不同的工艺控制参数，其PID参数也有所差异。在现场调试过程中，整定PID参数的原则是：①要使控制系统的过渡过程尽量短；②最大偏差和超调量要小；③扰动作用后，减幅振荡的次数尽可能少；④稳定曲线要求尽可能平直；⑤静差要小；整定的方法主要有：⒈理论整定法所谓理论整定法是从PID调节规律的概念出发，根据对象的特性和控制精度的要求从理论上得出各参数的整定数据。从PID的理论概念分析可知：①要使过渡过程尽可能短，应选较强的比例作用、较强的积分作用和适当的微分作用。②要使超调量尽量小，使系统减幅振荡，应选较弱的比例作用、较弱的积分作用和较短的微分时间。整定时既要满足前者，有不可忽视后者。从优选法的观点出发考虑到PID参数的折衷选取，故将比例和积分整定到中间值，而微分的参数应视对象的具体特性来定，若在系统的调节过程中不会有过大的扰动出现，微分作用应尽可能小，甚至不用。反之，应选取适当的值，一般情况不宜过大。⒉经验法经验法师实际工作者从丰富的实践中根据调节器的调节规律和对象的特性总结出来的方法，也是目前应用最广泛的方法。经验法实际上是一种试凑法，即先将调节器的参数放在某一数值上，将系统闭合起来，然后观察调节过程曲线状况，如果曲线不够理想，则按某种程序将参数反复试凑，直到调节质量合格为止。

PID参数预先放在哪里以及反复试凑的程序是经验法的核心。整定参数预先放置的位置要根据对象特性及参考仪表的量程而定。试凑程序可先用P，再加

I，最后再加D。调试时，首先将PID参数置于影响最小的位置，即P最大、I最大、D最小。按纯比例系统整定比例度，使其得到比较理想的调节过程曲线，然后再把比例度放大1.2倍左右，将积分时间从大到小改变，同时注意观察调节过程曲线，根据调节过程的实际状况修改比例度和积分时间，这样经过多次的反复就可以得到合适的比例度和积分时间，如果在扰动的作用下，系统的稳定性不够好，可以把比例度和积分时间适当增加一些，使系统有足够的稳定性。在调试中可以发现，如果比例度过小、积分时间过短和微分时间过长，都会产生周期性的激烈振荡。但可以看出，积分时间引起的振荡，其周期较长；而比例度过小所引起的振荡，周期较短；微分时间过长引起的振荡，周期最短。如何正确判断比例度过大或积分时间过长？一般说来，比例度过大，曲线不规则且较大的偏离给定值；如果曲线变化是非周期性的，慢慢的回复到给定值，就说明积分时间过长。⑶衰减法即曲线衰减法，一般按1/4~1/10衰减。对于干扰较小的对象可用1/4衰减法。在进行整定时，可先置比例度P和积分时间I最大、微分时间D最小，待稳定后，逐步减小P值，再突变给定值，观察振荡情况，根据实际需要修改P值，直至呈现1/4衰减，此时记录下比例度PS和衰减周期TS，然后再按“衰减法整定参数参考表”表初选PID参数，观察曲线，若调节过程曲线不理想，可适当调整。

衰减法整定参数参考表⒋临界比例度法临界比例度法是根据控制过程中临界振荡时的比例度和振荡周期来整定PID参数的方法。如果一个调节系统在外界干扰作用下不能回复到平稳状态，也不发散，而是产生一个等幅的不衰减振荡，这样的调节过程称为临界振荡过程。被调参数处于临界振荡过程时，调节器的比例度称为临界比例

P（%）I（min）D（min）PI1.2PS0.5TSPID0.8PS0.3TS0.1TS调节规律参数度。临界比例度法整定PID参数是在纯P作用下，在闭合的调节系统中从大到小逐步改变调节器的比例度，以得到临界振荡过程，如图所示。从而确定临界比例度PK和临界周期TK的数值，再根据表“临界比例度法整定参数参考表”所示的计算公式，计算出调节器PID参数的具体数值，即为所整定的PID参数。临界比例度法整定参数参考表P（%）I（min）D（min）PI2.2PK0.85TKPID1.7PK0.57TK0.125TK调节规律参数自动调节系统

在工业生产过程中，由很多自动调节系统，它们在安全、优质、高产、低耗等方面起着重要作用，其中应用最广泛的有单回路调节系统、串级调节系统、比值调节系统、多冲量调节系统等。㈠单回路自动调节系统单回路自动调节系统也称为单参数调节系统或简单调节系统。它由一个测量对象、一个测量元件、一个调节器和一个调节机构组成。它是最基本最简单的自动调节系统，其它复杂的调节系统是为之适应新的要求而在简单调节系统的基础上发展起来的。⒈典型的单参数调节为了对典型自动调节系统有一个清晰、完整和正确的认识，根据被调参数的性质和系统结构逐一分析。⑴流量调节流量调节系统的特点是被调节参数和调节量都是流量。流量仪表感受被调流量参数大小，并将信号送到调节器与给定值进行比较，根据偏差大小和正负，向执行器发出调节指令。调节阀动作，被调节流量也发生变化，直到测量值与给定值相一致。在被调节流量的管线上安装调节阀，用节流方式调节是最常用的方法。但是在低流量时，会造成较大的能量损失。为了节约能源，目前也有用变频器等装置改变电机转速的方法，以改变泵的出口流量。由于流体的流动状态和泵的振动等原因，总存在高频噪音干扰，所以在流量调节系统中一般不使用微分动作。同时考虑到流量调节的快速性，选用仪表应注意动态匹配。即便如此，流量仪表和调节阀在同一管线上，也存在低幅度振荡。⑵液位调节容器液位的高低，是跟流入量与流出量之差的累积有关。流入量和流出量中，若一个量与生产工艺负载有关，则另一个量就可以选作调节量。所以液位调节系统的被调量虽是液位，调节量则是流