调节器及调节作用规律

DLMU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DLMU–系统为偏差驱动–调节器的输入是被控量的偏差值–调节器的输出是控制量–可看作一个对象或环节–调节器的作用规律：引言()[()]ptfetDLMU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DLMU引言调节器研究的两个方面：1.作用规律：p(t)=f(e(t))，即传递函数的结构。也称控制规律或调节规律。2.作用强度：每一种控制规律的控制强度。反映在传递函数中，如比例系数、积分时间、微分时间。DLMU主要内容§1-3-1位式调节器§1-3-2比例调节器§1-3-3比例微分调节器§1-3-4比例积分调节器§1-3-5比例积分微分调节器DLMU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DLMU§1-3-1双位作用规律被控量在设定的上限和下限之间变化，调节器的输出只有两个状态（0或1）。DLMU§1-3-1双位作用规律被控量在设定的上限和下限之间变化，调节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控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()pt1minemaxe()et双位作用规律DLMU1-浮子室2-浮子3-调节板框架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节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？DLMU§1-3-1双位作用规律例2：双位式压力调节器根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型压力调节器DLMU§1-3-1双位作用规律YT-1226型压力调节器PLP=0.07+(0.25-0.07)*X/10调幅旋钮标记有10个格的刻度档：DLMUP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DLMU§1-3-2比例作用规律1、比例作用规律（P）：控制器的输出变化量与输入（偏差）变化量成比例。K—比例系数K比例作用强K比例作用弱t0t()et()pt0Kee()()ptKetDLMU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akhb()()aptetbDLMU如何改变比例系数？为什会存在静态偏差？控制器的输出依赖于偏差的存在而存在。假设无偏差，则阀的开度恢复平衡前的状态，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。适用场合比例调节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DLMU2、比例带δ（或PB）：是指调节器的相对输入量与相对输出量之比的百分数.(6560)/(10050)100%32%(105)/(204)CCCCmAmAmAmA例：mmaxmaxaxmax/()100%100100%/OiiOeXPBpXKRXepX当控制器的输出作100%（全行程，如阀开--关）变化时，其输入量变化（数值上等于被控量的变化）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%。DLMU比例带越小，比例作用越强；比例带越大，比例作用越弱。控制对象惯性大的控制系统，可使比例带小一点，如温度、粘度等控制系统，其控制对象惯性比较大，可选定PB=50％左右。反之，对于控制对象惯性小的控制系统，比例带可适当选定大一点，如液位控制系统，其控制对象惯性都比较小，可选定PB=70％～80％。在调节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DLMU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：气动比例调节器设测反MMMDLMU230pFlpFl测测出反假设给定值没有变化，即M设=0，则：23pFlpKpFl测测出测反23FlKFl测反F为波纹管的截面积，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DLMU23FlKFl测反如何调整比例带（比例系数）？改变反馈力臂的长度，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波纹管的位置来实现。左移→l3增长→负反馈增强→K减小→PB增大→比例作用减弱；反之。实际在调节器的工作过程中，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，这些可以忽略不计，因此未予考虑§1-3-2比例作用规律DLMU总结1、比例作用规律实现简单，控制作用及时，是其它控制规律（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、比例作用控制导致系统存在静态偏差，比例作用强，静态偏差小，但无法避免。§1-3-2比例作用规律DLMU§1-3-3比例微分作用规律3、微分作用（D）：控制器的微分作用是指其输出与输入的微分，即偏差变化速度成比例。d()()ddetptSt实际微分作用的输出特性Sd为微分系数DLMU微分作用特点：1、微分作用的输出与偏差的绝对值没有关系2、根据偏差变化速度，超前控制，抵制偏差：a)偏差出现开始，控制作用较强b)当偏差值变化缓慢时，微分控制作用微弱c)偏差为常数时，微分控制器没有输出3、微分控制无法消除偏差，只能作为一种辅助控制作用。4、常用于控制对象惯性大，时延较明显的对象。§1-3-3比例微分作用规律DLMU比例作用为主，决定调节器的最终输出变化量微分作用只起超前控制的辅助作用。§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()()()()[()]dddetdetptKetSKetTdtdt/ddTSK称为微分时间，K为比例系数DLMU§1-3-3比例微分作用规律（a）若输入为阶跃信号：（不要求掌握）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衡量微分消失的快慢DLMUC气源p给p出dR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1l恒气阻p测F2l3l给定波纹管dCG§1-3-3比例微分作用规律例：气动PD调节器微分消失的快慢取决于反馈回路中惯性环节的惯性大小21DLMU§1-3-3比例微分作用规律132FFGGCCpFlpFlpFlFGCFFF132FFGGCCpFlpFlpFl0Gp2211CFCCFFllpppFll21lpel出只考虑变化量：当给定值pG不变时，偏差e实际上就是测量值的变化，而负反馈回路的惯性过程结束时，即:CpFpp出只剩比例作用DLMU§1-3-3比例微分作用规律气动PD调节器微分消失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，微分消失得越快，即微分时间Td越短，微分作用越弱；反之亦然。当微分消失后，调节器的输出大小与偏差成比例，比例作用的强弱由负反馈波纹管的位置进行调整。DLMU小结1、微分作用具有超前调节的功能，输出减小的过程即为微分消失过程；2、微分作用不能单独用作调节器，一般与比例或者比例积分一起构成PD或者PID调节器；3、微分时间短，微分消失得快，微分作用弱，反之；4、调节器最后输出与偏差成比例，即剩下比例作用5、比例微分作用为有差控制器，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DLMUPI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DLMU§1-3-4比例积分作用规律1、积分作用（I）：控制器的输出与输入之间呈积分关系。tIodtteTtx0)(1)(TI—积分时间。TI↑→积分作用↓DLMU积分作用特点1、可以消除静态偏差；2、控制作用不及时，超调严重，波动大；3、常与比例作用（P）一起组成比例积分（PI）调节器。§1-3-4比例积分作用规律a为比例控制过程b是积分控制过程DLMU§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01()()()[()()]iptKetSetdtKetetdtT比例作用能使调节器的输出及时响应偏差的变化，起着主导作用，而积分作用是辅助的，用来消除静态偏差DLMU§1-3-4比例积分作用规律若给PI调节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；•第二项是积分输出，它与时间t保持线性关系，其斜率为1()()()(1)iiiietKeptKeedtKedtKeKetTTTTiKeTDLMU§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DLMU若k=1，输入偏差为Δh，则输出tThdthTItI01当t=Ti时，Δμ=ΔhTi等于控制器的输出变化到与其阶跃输入量相等时所需的时间。Δh0Δh0ABTIATIB积分控制器的动态特性越陡，积分时间越小，表明控制器作用越快，积分作用越强，即控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DLMUPI调节器的整定原则：•在PI调节器上设有两个旋钮，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•如果Ti值不能进行准确地整定，可以采用宁大勿小的策略。因为Ti值略微偏大时，尽管积分作用偏弱，但只会使消除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•控制对象惯性大，选取Ti值要大一些，反之。§1-3-4比例积分作用规律DLMU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对控制系统品质指标的影响§1-3-4比例积分作用规律DLMU§1-3-4比例积分作用规律ZCGF测量给定1:1跟随器1l2l3l4l气动放大器积分气容气源喷嘴挡板pRiRP出支点杠杆RRRRR1234气动PI调节器DLMU3142ZZCCFFGGpFlpFlpFlpFl达到平衡状态时：适当调整比例带与积分时间，使：ZFppZCFGFFFF12ll34llCGpp则平衡后的状态：§1-3-4比例积分作用规律若PC不等于PG，调节作用就一直存在，消除静态偏差DLMU正作用调节器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，积分作用增强PRPRiRiR§1-3-4比例积分作用规律DLMU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一直顺时针旋转，输出将一直增加，直到……。§1-3-4比例积分作用规律DLMU总结1、积分作用可以消除静态偏差；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