調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)演示教學(xué)

調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)一．分類(lèi)

非連續(xù)作用式調(diào)節(jié)器｛雙位調(diào)節(jié)器脈沖式調(diào)節(jié)器連續(xù)作用式調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器(p調(diào)節(jié)器)比例、積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)比例、微分調(diào)節(jié)器(PD調(diào)節(jié)器)比例、積分、微分調(diào)節(jié)器(PID調(diào)節(jié)器)(一)按調(diào)節(jié)器的特性分類(lèi)(二)調(diào)節(jié)器按其作用方式可分為直接作用式調(diào)節(jié)器和間接作用式調(diào)節(jié)器。1．

直接作用式調(diào)節(jié)器敏感元件感受到調(diào)節(jié)參數(shù)的變化后，在沒(méi)有外來(lái)能源的條件下，就能推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的調(diào)節(jié)器叫直接作用式調(diào)節(jié)器。如熱力膨脹閥、蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)閥等就屬于此類(lèi)型。2．間接作用式調(diào)節(jié)器敏感元件感受到被調(diào)參數(shù)發(fā)生變化后，借助外來(lái)能源推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的調(diào)節(jié)器叫間接作用式調(diào)節(jié)器。

外界能源常有高壓液體、壓縮空氣、電能等。按引進(jìn)能源形式不同又可分為：(1)電動(dòng)調(diào)節(jié)器(2)氣動(dòng)調(diào)節(jié)器(3)液動(dòng)調(diào)節(jié)器在制冷系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是電動(dòng)調(diào)節(jié)器。

間接作用式調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、功率大、作用距離長(zhǎng)、便于集中控制；缺點(diǎn)：引進(jìn)輔助能源和結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

二．對(duì)所選用調(diào)節(jié)器的要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行性能穩(wěn)定和良好、耐用可靠、維修方便、價(jià)廉。

冷庫(kù)制冷系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)要求的精度并不很高，而調(diào)節(jié)對(duì)象(冷藏間)又都有一定的自平衡能力，被調(diào)參數(shù)又允許在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，所以一般均采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的雙位調(diào)節(jié)器和直接作用式比例調(diào)節(jié)器。只有當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的要求很高時(shí)，才采用比例積分調(diào)節(jié)器?！?-2雙位調(diào)節(jié)器及其調(diào)節(jié)過(guò)程

一．雙位調(diào)節(jié)器的工作原理

當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)只有兩個(gè)值的調(diào)節(jié)器，叫做雙位調(diào)節(jié)器。

輸出信號(hào)是間斷的，又稱為“繼電器”。溫度繼電器、壓力繼電器等雙位調(diào)節(jié)器是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種調(diào)節(jié)器。雙位調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)p(t)，誤差信號(hào)e(t)，信號(hào)p(t)保持在最大值還是最小值上，取決于誤差信號(hào)是正的還是負(fù)的。特性方程為：圖2-1是一個(gè)冷藏間溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的示意圖。

給定值：-18℃

理想情況：冷藏間溫度＜

-18℃，溫度控制器切斷電磁閥電源，停止向蒸發(fā)器供液，使冷藏間溫度不再繼續(xù)下降。冷藏間溫度＞

-18℃，溫度控制器接通電磁閥電源，向蒸發(fā)器供液，使冷藏間溫度下降。

頻繁地工作極易影響控制器、執(zhí)行器的壽命，使之損壞。

實(shí)際：冷藏庫(kù)的調(diào)節(jié)精度要求不高，冷藏間溫度允許在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。規(guī)定一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟确秶?，使溫度控制器在達(dá)到上限位溫度值時(shí)，觸頭能自動(dòng)閉合；達(dá)到下限位溫度值時(shí)，觸頭能自動(dòng)斷開(kāi)。在上下限位溫度值中間，溫度控制器不動(dòng)作，這樣就解決了溫度控制器頻繁動(dòng)作的缺陷，同時(shí)也能滿足食品冷藏工藝的要求。這個(gè)給定的溫度范圍，也就是控制器觸頭“閉合”和“斷開(kāi)”的溫度差叫做調(diào)節(jié)器差動(dòng)范圍。例如冷藏間溫度要求-18±1℃，這就是說(shuō)冷藏間溫度可以在-19～-17℃之間波動(dòng)。把溫度控制器的定值彈簧調(diào)節(jié)到-19℃，把差動(dòng)值調(diào)整為2℃，就能滿足食品冷藏工藝的要求。即當(dāng)冷藏間溫度達(dá)到-19℃時(shí)，控制器觸頭“斷開(kāi)”，切斷電源，電磁閥關(guān)閉。當(dāng)冷藏間溫度達(dá)到-17℃時(shí)，控制器觸頭“閉合”接通電源，電磁閥打開(kāi)。控制器的差動(dòng)范圍為2℃。調(diào)節(jié)器的差動(dòng)范圍也叫不靈敏區(qū)或呆滯區(qū)。二．雙位調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程

1．雙位調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性

雙位調(diào)書(shū)器的特點(diǎn)是能夠控制被調(diào)參數(shù)保持在一定的范圍之內(nèi)，只有被調(diào)參數(shù)達(dá)到上限位或下限位時(shí)，調(diào)節(jié)器才動(dòng)作。在差動(dòng)范圍之內(nèi)，調(diào)節(jié)器的觸頭保持原來(lái)狀態(tài)。圖2-2顯示出了調(diào)節(jié)器的動(dòng)作規(guī)律，它的輸出信號(hào)與被調(diào)參數(shù)、差動(dòng)范圍之間的關(guān)系，稱為雙位調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性。

系統(tǒng)受到擾動(dòng)作用，被調(diào)參數(shù)y逐漸增加，經(jīng)過(guò)d點(diǎn)到達(dá)a點(diǎn)時(shí)，輸出信號(hào)由a點(diǎn)突然躍到b點(diǎn)。當(dāng)被調(diào)參數(shù)y逐漸減小由b點(diǎn)到c點(diǎn)時(shí)，輸出信號(hào)由c點(diǎn)突然躍到d點(diǎn)。當(dāng)被調(diào)參數(shù)在差動(dòng)范圍之間變化時(shí)，雙位調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)無(wú)變化，即被調(diào)參數(shù)在d＜y＜a及b＞y＞c之間變化時(shí)，輸出信號(hào)不變。

2．雙位調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程

以庫(kù)溫的雙位調(diào)節(jié)為例。設(shè)庫(kù)溫θ的給定值為-18℃，溫控器的差動(dòng)范圍定為±1℃。圖2-3表示遲延τ＝0的理想情況下庫(kù)溫的雙位調(diào)節(jié)過(guò)程。

曲線1—2—3是無(wú)時(shí)間遲延的雙位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)過(guò)程的一個(gè)周期，它是一個(gè)不衰減的等幅振蕩過(guò)程。

τ＞o，雙位調(diào)節(jié)過(guò)程如圖2-4所示。

在滯后時(shí)間內(nèi)，調(diào)節(jié)作用不能立即影響到調(diào)節(jié)參數(shù)的改變，調(diào)節(jié)參數(shù)將繼續(xù)沿原來(lái)的方向變化。這樣就增大了調(diào)節(jié)過(guò)程的波動(dòng)幅度，使被調(diào)參數(shù)波動(dòng)范圍超過(guò)調(diào)節(jié)器的差動(dòng)范圍，滯后時(shí)問(wèn)越長(zhǎng)，超過(guò)的范圍就越多。滯后時(shí)間也增長(zhǎng)了調(diào)節(jié)周期，滯后時(shí)間越長(zhǎng)，調(diào)節(jié)周期也就越長(zhǎng)。

三．對(duì)象特性和雙位調(diào)節(jié)器特性對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響

（一）對(duì)象特性對(duì)雙位調(diào)節(jié)過(guò)程的影響

1.對(duì)象遲延τ愈大，則被調(diào)參數(shù)y波動(dòng)愈大；遲延τ愈小，則被調(diào)參數(shù)y波動(dòng)愈小。

2．對(duì)象傳遞系數(shù)k愈大，時(shí)間常數(shù)T愈小，則對(duì)象飛升曲線越陡，在同樣y差動(dòng)及遲延τ的情況下，y波動(dòng)也愈大，而T周期則愈小。（二）雙位調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)過(guò)程的特點(diǎn)

①雙位調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整，價(jià)格低廉。②輸出信號(hào)迅速突變，只能停留在“全開(kāi)”和“全關(guān)”或“最大”和“最小”兩個(gè)位置上，不能連續(xù)停留在中間位置，屬于非線性調(diào)節(jié)器。③調(diào)節(jié)器有差動(dòng)范圍(又稱不靈敏區(qū))，調(diào)節(jié)器在差動(dòng)范圍內(nèi)不動(dòng)作。改變差動(dòng)范圍，可以改變被調(diào)參數(shù)被動(dòng)范圍。④調(diào)節(jié)過(guò)程是周期的，不衰減的脈動(dòng)過(guò)程，被調(diào)參數(shù)在其波動(dòng)范圍內(nèi)，按對(duì)象本身的飛升曲線規(guī)律變化。⑤對(duì)象的τ越大，T越小，(即τ／T越大)，雙位調(diào)節(jié)的波動(dòng)范圍越大，調(diào)節(jié)品質(zhì)越低。雙位調(diào)節(jié)對(duì)于滯后小、時(shí)間常數(shù)大的對(duì)象較為適宜，特性比τ／T小于o．3的對(duì)象，可采用雙位調(diào)節(jié)。與雙位調(diào)節(jié)類(lèi)似的還有三位調(diào)節(jié)。它的調(diào)節(jié)器有三種輸出狀態(tài)。例如，要將室溫維持在14—20℃。超過(guò)20℃時(shí)，調(diào)節(jié)器使冷水盤(pán)管電磁閥接通；低于14℃時(shí)，將熱水盤(pán)管電磁閥接通，在14—20℃之間時(shí)，二者都不通。三位調(diào)節(jié)器與電動(dòng)執(zhí)行器配合使用時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和不轉(zhuǎn)三種調(diào)節(jié)動(dòng)作?！?-3比例調(diào)節(jié)器及其調(diào)節(jié)過(guò)程

一.概述

雙位調(diào)節(jié)器只有全開(kāi)和全閉兩個(gè)位置，它不能得到一個(gè)穩(wěn)定工況。以冷藏間為例，當(dāng)電磁閥全部打開(kāi)時(shí)，供液量可能大于需求量，當(dāng)電磁閥全部關(guān)閉時(shí)，供液量又可能少于需求量，不能完全適應(yīng)對(duì)象的負(fù)荷要求，因而它有很大的波動(dòng)性。

如果采用比例調(diào)節(jié)器，就可以彌補(bǔ)雙位調(diào)節(jié)器的這一缺陷，當(dāng)負(fù)荷大時(shí)，供液量增加，負(fù)荷小時(shí)供液量減少。在比例調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)參數(shù)的每一個(gè)數(shù)值與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的某一規(guī)定位置相對(duì)應(yīng)。

調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與它的輸入信號(hào)成比例的調(diào)節(jié)器稱為比例調(diào)節(jié)器，也叫P調(diào)節(jié)器。

特性方程為：

式中

Kc——比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。

比例調(diào)節(jié)存在不可避免的靜態(tài)偏差

比例調(diào)節(jié)器屬于連續(xù)動(dòng)作的調(diào)節(jié)器，在制冷裝置中有廣泛應(yīng)用。如熱力膨脹閥、恒壓膨脹閥、能量旁通調(diào)節(jié)閥、吸氣壓力調(diào)節(jié)閥、水量調(diào)節(jié)閥……等，都是比例型調(diào)節(jié)器。

比例調(diào)節(jié)器有直接作用與間接作用

二．比例調(diào)節(jié)器的工作原理

圖2-5是一個(gè)簡(jiǎn)單的比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖。它是由容器、杠桿、支點(diǎn)、浮球、調(diào)節(jié)閥和排出泵所組成，被調(diào)參數(shù)是容器的液位。系統(tǒng)平衡時(shí)Q入＝Q出，液位為額定位h。當(dāng)流出量突然減小時(shí)，液位會(huì)隨即升高，此時(shí)浮球亦上升，通過(guò)杠桿的作用關(guān)小調(diào)節(jié)閥，減少供液量，使Q入重新與Q出平衡，液面又穩(wěn)定在一個(gè)新的高度上。

若流出量突然增大，液面就跟著下降，通過(guò)扛桿作用，調(diào)節(jié)閥被逐漸開(kāi)啟使Q入＝Q出，液面又被穩(wěn)定于一個(gè)新的高度。

從圖中可以看出調(diào)節(jié)閥閥桿的位移Δl與液位高度變化Δh是成比例的，閥桿的動(dòng)作與液面變化是同步的，沒(méi)有時(shí)間上的滯后，因此。因液位升高時(shí)，調(diào)節(jié)閥關(guān)小；液位降低時(shí)調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，所以上式中用一負(fù)號(hào)表示。

1．比例系數(shù)(放大倍數(shù)Kc)Δl——執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移，單位毫米；Δh——調(diào)節(jié)參數(shù)的變化，單位毫米。比例調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)方程式

三．比例系數(shù)和比例帶（比例范圍）

比例系數(shù)越大，在相同輸入信號(hào)時(shí)，輸出信號(hào)Δl越大；反之，Kc值越小，則輸出信號(hào)也就越小。所以K值的大小可以表示調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。

Kc值大，調(diào)節(jié)作用強(qiáng)，Kc值小調(diào)節(jié)作用弱。

對(duì)于浮球液位控制器，比例系數(shù)可按下式求得：

改變支點(diǎn)O的位置，可以改變b與a的比值，也就可以改變浮球液位控制器的比例系數(shù)，改變調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。

2．比例帶δ（比例限）

比例帶的定義：使輸出信號(hào)作全范圍變化所需輸入信號(hào)變化量占全量程的百分?jǐn)?shù)。

將調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)用相對(duì)值來(lái)表示

∴比例帶的物理意義：比例調(diào)節(jié)器輸出值變化100％時(shí)所需輸入變化的百分?jǐn)?shù)，即輸入變化某個(gè)百分?jǐn)?shù)時(shí)，輸出將從最小值變化到最大值，那么輸入變化的這個(gè)百分?jǐn)?shù)，就是比例調(diào)節(jié)器的比例帶。例：已知初始情況：移動(dòng)后求浮球液位比例調(diào)節(jié)器的比例帶。解：δ＝50％的含意是：當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入偏差為—25％(即被調(diào)參數(shù)指示值比給定值高滿量程的25％)時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到最小值；當(dāng)輸入偏差為+25％時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到最大值。也就是被調(diào)參數(shù)指示值的變化是滿量程的±25％即50％時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出可以跟著成正比地變化，并改變了100％的范圍。

比例帶δ愈大（愈寬），則調(diào)節(jié)器的靈敏度愈低；反之，比例帶δ愈?。ㄓ?，則調(diào)節(jié)器的靈敏度愈高。

3．比例范圍

比例范圍的意義：調(diào)節(jié)器輸出值變化時(shí)，所需輸入值變化的絕對(duì)值。即當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入變化某個(gè)絕對(duì)值時(shí)，輸出值變化將達(dá)100%，那么輸入變化的這個(gè)絕對(duì)值，就是比例調(diào)節(jié)器的比例范圍。

例：已知初始情況：移動(dòng)后求浮球液位比例調(diào)節(jié)器的比例范圍。解：4．δ、、Kc關(guān)系

1．特性方程（動(dòng)態(tài)方程、動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線）

2．傳遞函數(shù)

四．比例調(diào)節(jié)器的特性方程和它的傳遞函數(shù)五．比例調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過(guò)程和它的靜態(tài)偏差t0時(shí)刻之前，流入量與流出量相等，液位保持平衡。當(dāng)t=t0時(shí)刻，流出量突然減少，此時(shí)流入量大于流出量，液位逐漸上升，浮球也跟著上升，通過(guò)杠桿作用，使調(diào)節(jié)閥跟著關(guān)小，直到流入量逐漸接近流出量，液位平衡在新的數(shù)值上為止。調(diào)節(jié)過(guò)程如圖示。

調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束時(shí)，被調(diào)參數(shù)不會(huì)回復(fù)到原規(guī)定值，必然存在靜態(tài)偏差。靜態(tài)偏差的大小與比例帶δ有關(guān)。比例帶值越小，則最終靜態(tài)偏差越小，比例帶值越大，終了靜態(tài)偏差值就越大。但δ過(guò)小時(shí)，調(diào)節(jié)器過(guò)于靈敏。當(dāng)調(diào)節(jié)參數(shù)稍有一點(diǎn)變化，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作就很大，容易形成過(guò)調(diào)，使調(diào)節(jié)過(guò)程不穩(wěn)定。δ值稍大些，調(diào)節(jié)過(guò)程容易穩(wěn)定。

相同干擾下，隨著比例帶的減小，被調(diào)參數(shù)變化靈敏，振蕩加劇。

比例帶為臨界比例帶δk出現(xiàn)等幅振蕩δ小于δk，被調(diào)參數(shù)將出現(xiàn)發(fā)散的增幅振蕩

δ大于δk，被調(diào)參數(shù)衰減振蕩對(duì)象τ小，T較大，K較小時(shí)，δ取小一些。對(duì)象τ大，T較小，K較大時(shí)，δ必須取大一些。

一般比例調(diào)節(jié)適用于干擾小，τ小，T不太小的對(duì)象。比例帶的大致范圍：溫度調(diào)節(jié)20一60％壓力調(diào)節(jié)30一70％流量調(diào)節(jié)40一100％液位調(diào)節(jié)20一80％§2-4積分調(diào)節(jié)器（I調(diào)節(jié)器）

比例調(diào)節(jié)器雖然能根據(jù)負(fù)荷的變化按比例地迅速調(diào)節(jié)使之穩(wěn)定，但調(diào)節(jié)后始終存在靜態(tài)偏差。積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，只要有偏差存在，調(diào)節(jié)作用就繼續(xù)進(jìn)行，直到偏差完全消失為止。

積分調(diào)節(jié)器能使被調(diào)參數(shù)維持在恒定的給定值上，形成無(wú)靜態(tài)偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。積分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律是輸出的變化速率與輸入成正比，它的動(dòng)態(tài)方程式為

Ki——比例系數(shù)Ti——積分時(shí)間

由積分調(diào)節(jié)器特性方程判別積分調(diào)節(jié)器是如何消除靜態(tài)偏差的？思考題

積分調(diào)節(jié)是利用調(diào)節(jié)器輸出的變化速度與偏差成正比，當(dāng)偏差為零時(shí)，輸出的變化也為零。

積分調(diào)節(jié)就是調(diào)節(jié)器的輸出與偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比，因此稱為積分調(diào)節(jié)，用字母I表示。

積分調(diào)節(jié)器的輸出，不僅取決于偏差的大小，而且主要取決于偏差存在的時(shí)間。只要偏差存在，即便是很小，但只要存在的時(shí)間足夠長(zhǎng)，調(diào)節(jié)器的輸出也很大。只有當(dāng)輸入偏差為零時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出才停止變化。調(diào)節(jié)閥才停止動(dòng)作，保持在相應(yīng)的位置上。

積分調(diào)節(jié)器輸出（或調(diào)節(jié)閥的相對(duì)位置）穩(wěn)定以后，可以停止在任何數(shù)值(或位置)上，也就是說(shuō)調(diào)節(jié)器的輸入和輸出之間具有無(wú)定位性。積分調(diào)節(jié)雖然能消除靜態(tài)偏差，保持給定值恒定，但調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)過(guò)調(diào)現(xiàn)象。積分作用使調(diào)節(jié)過(guò)程緩慢，波動(dòng)加大，不易穩(wěn)定。因此在制冷中很少單獨(dú)使用積分調(diào)節(jié)器。

階躍輸入時(shí)，積分調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性（階躍響應(yīng)曲線）如圖所示。

放大器定值電阻ac電源伺服電動(dòng)機(jī)電源調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)

測(cè)量電阻bd積分調(diào)節(jié)器原理

當(dāng)被調(diào)參數(shù)與給定值相等時(shí)，測(cè)量電阻與橋臂電阻所組成的電橋平衡，電橋c、d兩端無(wú)輸出信號(hào)，伺服電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)被調(diào)參數(shù)與給定值有偏差，電橋不平衡，電橋c、d兩端有信號(hào)輸出，經(jīng)放大器放大后，放大器的輸出電流使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。被調(diào)參數(shù)與給定值是正偏差還是負(fù)偏差決定了電橋c、d兩端的極性，也就決定了伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

電橋c、d兩端信號(hào)的大小與偏差的大小成正比，放大器的輸出電流又與輸入即c、d兩端信號(hào)成正比，因此流過(guò)伺服電機(jī)繞組電流的強(qiáng)弱就與偏差信號(hào)的大小成正比，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速亦與偏差信號(hào)成正比。由電機(jī)帶動(dòng)的調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)的移動(dòng)速度就與被調(diào)參數(shù)對(duì)給定值的偏差值成正比，即，從而實(shí)現(xiàn)了積分調(diào)節(jié)的作用。

積分調(diào)節(jié)適用于遲延小、時(shí)間常數(shù)小而反應(yīng)迅速、自平衡能力較大、負(fù)荷變化又小又慢的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。§2-5比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）及其調(diào)節(jié)過(guò)程

單純的積分調(diào)節(jié)器，能消除靜態(tài)偏差，但初始反應(yīng)速度慢，會(huì)造成較大的動(dòng)態(tài)偏差。比例積分調(diào)節(jié)器是比例調(diào)節(jié)器與積分調(diào)節(jié)器組合而成。比例積分調(diào)節(jié)既有比例調(diào)節(jié)器反應(yīng)迅速，又有積分調(diào)節(jié)器可以消除靜態(tài)偏差的優(yōu)點(diǎn)。一．比例積分調(diào)節(jié)器的特性方程

比例積分調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性方程是比例和積分兩種基本規(guī)律的疊加，即或

用傳遞函數(shù)表示為式中Kc——比例系數(shù)；

Ti——積分時(shí)間常數(shù)；

e——被調(diào)參數(shù)與給定值的偏差信號(hào)；

p——調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)。

二．比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線

t輸入t0t輸出t0比例積分

當(dāng)輸入偏差是一個(gè)階躍變化，比例積分調(diào)節(jié)器輸出是兩部分之和，它一開(kāi)始是一個(gè)階躍變化(比例作用)，然后輸出信號(hào)逐漸線性增大(積分作用)，直到調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)達(dá)到最大值。

三．積分時(shí)間常數(shù)

已知比例積分調(diào)節(jié)器的微分方程式為：

比例積分調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)的測(cè)定：對(duì)比例積分調(diào)節(jié)器輸入一階躍信號(hào)，當(dāng)積分作用部分的輸出等于比例作用部分的輸出時(shí)，其所經(jīng)歷的一段時(shí)間就是積分時(shí)間常數(shù)Ti。

t輸入t0t輸出比例積分TiP比例=P積分

當(dāng)時(shí)，求解得Ti：因?yàn)檩斎氲氖请A躍信號(hào)，e為常數(shù)，所以∴當(dāng)積分作用輸出信號(hào)與比例作用輸出信號(hào)相等時(shí)，這段積分過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間就是積分時(shí)間常數(shù)Ti。四．比例積分調(diào)節(jié)器的特性及其調(diào)節(jié)過(guò)程

比例調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)節(jié)作用反應(yīng)快，而且是立即的，有利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定。其缺點(diǎn)是：調(diào)節(jié)過(guò)程最終存在靜態(tài)偏差。積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)過(guò)程能夠消除靜態(tài)偏差,其缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)作用反應(yīng)慢,被調(diào)參數(shù)易發(fā)生大的波動(dòng)。

比例積分調(diào)節(jié)器綜合了比例調(diào)節(jié)器及積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn),而克服了它們各自的缺點(diǎn),因此它是一個(gè)既反應(yīng)快,又可消除靜態(tài)偏差的較理想的調(diào)節(jié)器。

比例積分調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括比例帶δ和積分時(shí)間常數(shù)Ti。調(diào)整調(diào)節(jié)器的比例帶可以改變調(diào)節(jié)器中比例部分調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱；調(diào)整調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間，可以改變調(diào)節(jié)器中積分部分調(diào)節(jié)作用的強(qiáng)弱。比例帶δ對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響同比例調(diào)節(jié)器。

積分作用的強(qiáng)弱與積分時(shí)間Ti成反比。

Ti越長(zhǎng)，積分作用越弱，靜差消除緩慢，反之，Ti越短，積分作用越強(qiáng)。

PI調(diào)節(jié)中，若比例作用的比例帶δ一定，Ti對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響如圖。

可以看出，Ti過(guò)長(zhǎng)，積分作用很不明顯，靜差消除很慢，Ti過(guò)短，衰減比過(guò)小，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性變差，調(diào)節(jié)時(shí)間拉長(zhǎng)。Ti=∞,比例調(diào)節(jié)器，存在靜態(tài)偏差。(b)Ti太大，積分作用弱，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。(c)Ti選取適當(dāng)，調(diào)節(jié)過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，可以迅速消除靜態(tài)偏差。(d)Ti太小，積分作用太強(qiáng),被調(diào)參數(shù)波動(dòng)次數(shù)增多，過(guò)渡時(shí)間持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。§2-6比例積分微分調(diào)節(jié)器

一．微分調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)器和積分調(diào)節(jié)器都是根據(jù)被調(diào)參數(shù)與給定值的偏差量來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。所以調(diào)節(jié)作用總是滯后于干擾作用。

理想微分調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)變化速度成正比。動(dòng)態(tài)方程為：Td——微分時(shí)間常數(shù)；de(t)/dt——輸入信號(hào)變化速度。Td大，微分作用強(qiáng)；Td小，微分作用弱。微分環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)量與偏差的變化速率成比例。因此起到超前調(diào)節(jié)的作用，能加快調(diào)節(jié)速度，改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)。

理想微分調(diào)節(jié)器飛升特性曲線（階躍響應(yīng)曲線）如圖示。

微分調(diào)節(jié)器一般不單獨(dú)使用

因?yàn)橹灰徽{(diào)參數(shù)的導(dǎo)數(shù)等于零，調(diào)節(jié)器就不再輸出調(diào)節(jié)作用。此時(shí)即使被調(diào)參數(shù)有很大的偏差，微分調(diào)節(jié)器也不產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使被調(diào)參數(shù)得不到控制而不能回復(fù)到要求的范圍內(nèi)。二．比例微分調(diào)節(jié)器（PD調(diào)節(jié)器）

動(dòng)態(tài)方程：傳遞函數(shù)比例微分調(diào)節(jié)器飛升特性曲線（階躍響應(yīng)曲線）

比例微分調(diào)節(jié)器既有比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，又有微分環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，使調(diào)節(jié)作用超前，但是調(diào)節(jié)過(guò)程終了仍然存在靜態(tài)偏差，同時(shí)由于比例微分調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用比單純的比例調(diào)節(jié)器超前，所以采用比例微分調(diào)節(jié)器的靜態(tài)偏差比采用比例調(diào)節(jié)器要小。微分時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響

PD調(diào)節(jié)中，δ一定時(shí)，微分時(shí)間常數(shù)Td對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響見(jiàn)圖。

微分作用的強(qiáng)弱與Td成正比。Td過(guò)大，會(huì)引起被調(diào)參數(shù)波動(dòng)頻繁；Td過(guò)小，微分環(huán)節(jié)超前調(diào)節(jié)的作用不明顯，對(duì)改善調(diào)節(jié)品質(zhì)的作用不大。合適的Td不僅能增強(qiáng)穩(wěn)定性，而且允許降低比例帶，減小靜差。慣性較大的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，加入微分作用環(huán)節(jié)對(duì)提高調(diào)節(jié)品質(zhì)有顯著效果。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)中一般不加微分作用。三．比例積分微分調(diào)節(jié)器（PID調(diào)節(jié)器）

當(dāng)對(duì)象滯后特別大時(shí)，采用比例積分調(diào)節(jié)器，可能調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，最大偏差也較大；或者負(fù)荷變化特別劇烈時(shí)，由于積分作用的遲緩性質(zhì)，使調(diào)節(jié)作用不及時(shí)，這時(shí)增加微分作用可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量。

比例積分微分調(diào)節(jié)器具有比例、積分、微分三種作用環(huán)節(jié)。它是比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用的綜合。

PID調(diào)節(jié)器的特性方程為

傳遞函數(shù)比例積分微分調(diào)節(jié)特性曲線（階躍響應(yīng)曲線）

將比例、積分、微分調(diào)節(jié)三者結(jié)合起來(lái)，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)，比例調(diào)節(jié)是一個(gè)基本調(diào)節(jié)作用。微分作用在開(kāi)始時(shí)調(diào)節(jié)作用最強(qiáng)，然后逐漸消失，積分作用逐漸占主導(dǎo)作用，直到偏差完全消失，積分作用才不再增強(qiáng)。

比例作用按偏差量成比例地改變調(diào)節(jié)量，能迅速抑制干擾，是基本的作用環(huán)節(jié)，積分作用是有偏差量就要進(jìn)行調(diào)節(jié)，起消除靜差的作用，微分作用則按偏差量的變化速率成比例地改變調(diào)節(jié)量，起超前調(diào)節(jié)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間的作用。

PID調(diào)節(jié)器有三個(gè)可以調(diào)整的參數(shù)，比例帶δ、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td。只要比例帶δ、積分時(shí)間常數(shù)Ti和微分時(shí)間常數(shù)Td三個(gè)參數(shù)選取得恰當(dāng)，就能發(fā)揮三種調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)，從而得到較為理想的調(diào)節(jié)質(zhì)量。PID調(diào)節(jié)器一般用于對(duì)象時(shí)間常數(shù)大、容積遲延大、負(fù)荷變化又大又快的場(chǎng)合。在冷庫(kù)系統(tǒng)中，由于調(diào)節(jié)對(duì)象一般熱容量較大，調(diào)節(jié)精度要求并不高，所以，比例積分與微分調(diào)節(jié)器基本不用。

§2-7串級(jí)調(diào)節(jié)和補(bǔ)償調(diào)節(jié)的概念及在制冷裝置中的應(yīng)用

在制冷空調(diào)系統(tǒng)中和其它熱工對(duì)象中，為了提高調(diào)節(jié)質(zhì)量常應(yīng)用串級(jí)調(diào)節(jié)和補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

一.串級(jí)調(diào)節(jié)的工作原理

串級(jí)調(diào)節(jié)是改善調(diào)節(jié)質(zhì)量有效方法之一，因此在制冷空調(diào)系統(tǒng)和其它熱工對(duì)象中應(yīng)用較廣。

被調(diào)參數(shù)：庫(kù)溫干擾：冷庫(kù)外部及內(nèi)部熱負(fù)荷的變化、制冷劑蒸發(fā)壓力或蒸發(fā)溫度的波動(dòng)等。

調(diào)節(jié)方案一：?jiǎn)位芈氛{(diào)節(jié)系統(tǒng)直接蒸發(fā)式制冷系統(tǒng)冷庫(kù)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

用一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)在吸氣管路上安裝的PHS調(diào)節(jié)閥（主閥），通過(guò)調(diào)節(jié)流出蒸發(fā)器的制冷劑流量，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)冷庫(kù)庫(kù)溫的目的。

冷

庫(kù)

冷風(fēng)機(jī)

調(diào)節(jié)器Ⅰ

熱力膨脹閥調(diào)節(jié)閥吸氣供液tR

調(diào)節(jié)特點(diǎn)：因?yàn)闇y(cè)量的是冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)溫度，如果發(fā)生制冷系統(tǒng)側(cè)的干擾，如蒸發(fā)壓力的擾動(dòng)時(shí)，則反應(yīng)遲鈍，要經(jīng)過(guò)冷風(fēng)機(jī)及大容量的冷庫(kù)對(duì)象環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的一段時(shí)間后，才反應(yīng)到庫(kù)溫變化，然后由溫度發(fā)信器發(fā)信號(hào)，調(diào)節(jié)器才開(kāi)始動(dòng)作，控制PHS調(diào)節(jié)閥。當(dāng)制冷劑流量改變后，又要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，才能影響到冷庫(kù)庫(kù)溫。這樣就不能及時(shí)消除蒸發(fā)壓力干擾對(duì)被調(diào)參數(shù)的影響，對(duì)要求控制精度較高的冷庫(kù)，采用單回路控制系統(tǒng)就不能滿足要求。

冷

庫(kù)

熱力膨脹閥調(diào)節(jié)閥吸氣供液調(diào)節(jié)器Ⅱ調(diào)節(jié)器ⅠtRp0

冷風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方案二：附加中間變量的調(diào)節(jié)系統(tǒng)

將蒸發(fā)壓力作為另一個(gè)被調(diào)參數(shù)，增加調(diào)節(jié)器Ⅱ構(gòu)成另一個(gè)單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。制冷劑側(cè)的擾動(dòng)，首先反映為蒸發(fā)壓力的變化，在影響庫(kù)溫之前，就由調(diào)節(jié)器Ⅱ所構(gòu)成的另一調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡了，減少了其對(duì)庫(kù)溫的影響。這種方案需要增加一個(gè)調(diào)節(jié)閥，增大了管路的流動(dòng)阻力，增加了初投資。

冷

庫(kù)

熱力膨脹閥調(diào)節(jié)閥吸氣供液調(diào)節(jié)器Ⅱ調(diào)節(jié)器ⅠtRp0

冷風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)方案三：串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中應(yīng)用兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接，即主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器串接起來(lái)而組成串級(jí)調(diào)節(jié)。主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為副調(diào)節(jié)器的給定值，也就是副調(diào)節(jié)器的給定值由主調(diào)節(jié)器所決定。

副調(diào)節(jié)器的工作是隨動(dòng)調(diào)節(jié)，而主調(diào)節(jié)器的工作是定值調(diào)節(jié)。

蒸發(fā)壓力主閥直接接受調(diào)節(jié)器Ⅱ的控制，而調(diào)節(jié)器Ⅱ的給定值則受調(diào)節(jié)器Ⅰ的控制。調(diào)節(jié)器Ⅰ稱為主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器Ⅱ稱為副調(diào)節(jié)器。被調(diào)參數(shù)庫(kù)溫稱為主參數(shù)，蒸發(fā)壓力稱為副參數(shù)。由副調(diào)節(jié)器和副參數(shù)蒸發(fā)壓力信號(hào)形成的閉環(huán)回路稱為副回路，由主調(diào)節(jié)器和主參數(shù)庫(kù)溫形成的閉環(huán)回路稱為主回路。

調(diào)節(jié)器1調(diào)節(jié)器2調(diào)節(jié)閥蒸發(fā)壓力對(duì)象庫(kù)溫對(duì)象發(fā)信器庫(kù)溫給定值+-+-干擾1干擾2庫(kù)溫方框圖：

冷

庫(kù)

熱力膨脹閥PHS吸氣供液EPT70tR

冷風(fēng)機(jī)CVMM主調(diào)節(jié)器為庫(kù)溫調(diào)節(jié)器EPT70副調(diào)節(jié)器CVMM為蒸發(fā)壓力調(diào)節(jié)器冷庫(kù)采用直接蒸發(fā)式冷風(fēng)機(jī)外平衡熱力膨脹閥控制制冷劑供液量

為了提高庫(kù)溫的控制精度，冷風(fēng)機(jī)的蒸發(fā)溫度或蒸發(fā)壓力要求穩(wěn)定。為了不使蒸發(fā)壓力的波動(dòng)以及其它因素的影響和干擾而引起蒸發(fā)壓力的波動(dòng)，裝有蒸發(fā)壓力的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

蒸發(fā)壓力穩(wěn)壓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)設(shè)備由壓力導(dǎo)閥CVMM和主閥PHS組成。電動(dòng)壓力導(dǎo)閥CVMM由壓力導(dǎo)閥CVM和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)AMD23所組成在吸氣管路上裝有主閥PHS，主閥的開(kāi)度控制蒸發(fā)壓力或蒸發(fā)溫度。蒸發(fā)壓力信號(hào)由壓力導(dǎo)閥所感受，它與壓力導(dǎo)閥的給定值進(jìn)行比較，壓力導(dǎo)閥的輸出信號(hào)控制主閥的開(kāi)度，使蒸發(fā)壓力穩(wěn)定在壓力導(dǎo)閥的給定值所給定的范圍內(nèi)。

冷庫(kù)庫(kù)溫的控制是由調(diào)節(jié)冷風(fēng)機(jī)盤(pán)管的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度，也就是調(diào)節(jié)改變盤(pán)管蒸發(fā)溫度與冷庫(kù)溫度之間傳熱溫差來(lái)實(shí)現(xiàn)。安裝在庫(kù)內(nèi)的發(fā)信器感受庫(kù)溫信號(hào)，輸出給EPT70電動(dòng)溫度調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)控制電動(dòng)壓力導(dǎo)閥CVMM的給定值。副調(diào)節(jié)器CVM壓力導(dǎo)閥的給定值由主調(diào)節(jié)器EPT70溫度調(diào)節(jié)器所控制，這樣就組成了串級(jí)調(diào)節(jié)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作調(diào)整壓力導(dǎo)閥CVM的給定值，從而調(diào)整冷風(fēng)機(jī)盤(pán)管的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度，使它符合庫(kù)溫控制精度的要求，保持庫(kù)溫穩(wěn)定。溫度調(diào)節(jié)器EPT70壓力調(diào)節(jié)器CVM導(dǎo)閥調(diào)節(jié)閥PHS主閥蒸發(fā)壓力對(duì)象庫(kù)溫對(duì)象溫度發(fā)信器主給定值+-+-干擾1干擾2庫(kù)溫蒸發(fā)壓力電動(dòng)執(zhí)行器AMD主參數(shù)：串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的那個(gè)被調(diào)參數(shù)即為主要參數(shù)（庫(kù)溫）。副參數(shù)：串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主參數(shù)而引入的輔助被調(diào)參數(shù)，稱為副參數(shù)（蒸發(fā)壓力）。主調(diào)節(jié)器：按主參數(shù)對(duì)主給定值的偏差而產(chǎn)生調(diào)節(jié)規(guī)律，其輸出信號(hào)作為副調(diào)節(jié)器的給定值（EPT70溫度調(diào)節(jié)器）。副調(diào)節(jié)器：其給定值由主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)所決定，并按副參數(shù)對(duì)其給定值的偏差而動(dòng)作的調(diào)節(jié)器（CVMM壓力導(dǎo)閥）。主回路：串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中斷開(kāi)副調(diào)節(jié)器后的整個(gè)外回路。副回路：處于串級(jí)系統(tǒng)里面，由副參數(shù)、副調(diào)節(jié)器及其所包括的一部分對(duì)象等環(huán)節(jié)所組成的閉合回路。二．串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍

1．

特點(diǎn)①當(dāng)干擾進(jìn)入副回路時(shí)，副回路快速調(diào)節(jié)，在干擾影響到主參數(shù)波動(dòng)之前，即已被克服。②具有改善對(duì)象特性的作用。

2.適用場(chǎng)合①對(duì)象滯后比較大，用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量大，被調(diào)參數(shù)回復(fù)慢，因此調(diào)節(jié)質(zhì)量不能滿足要求，這時(shí)可以采用串級(jí)調(diào)節(jié)。②調(diào)節(jié)對(duì)象純遲延時(shí)間長(zhǎng)，用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量要求時(shí)，可以采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。③系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈和幅值很大的干擾作用時(shí)，調(diào)節(jié)質(zhì)量往往比較差，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，可采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

串級(jí)調(diào)節(jié)中調(diào)節(jié)器的選擇：副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是快速抵消在副回路中的干擾，而中間變量并不要求無(wú)差，一般采用比例調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)參數(shù)符合工藝要求。如主參數(shù)調(diào)節(jié)質(zhì)量要求不高，可采用比例調(diào)節(jié)器。但是，通常采用串級(jí)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，總是希望調(diào)節(jié)質(zhì)量高一些，采用比例積分調(diào)節(jié)器。

三．補(bǔ)償調(diào)節(jié)的概念和應(yīng)用

1．前饋調(diào)節(jié)

反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)是按偏差來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的，調(diào)節(jié)作用總是滯后于干擾作用，使調(diào)節(jié)作用不及時(shí)，在被調(diào)參數(shù)偏離給定值之前，反饋控制根本無(wú)法克服干擾，使調(diào)節(jié)質(zhì)量不高。

前饋控制是按照引起被調(diào)參數(shù)變化的干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的。

空調(diào)房間補(bǔ)償環(huán)節(jié)送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)器蒸汽送風(fēng)發(fā)信器風(fēng)機(jī)補(bǔ)償發(fā)信器室外新風(fēng)排風(fēng)HCCC空調(diào)房間送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)器蒸汽送風(fēng)發(fā)信器風(fēng)機(jī)室外新風(fēng)排風(fēng)HCCC空調(diào)房間補(bǔ)償環(huán)節(jié)蒸汽送風(fēng)風(fēng)機(jī)補(bǔ)償發(fā)信器室外新風(fēng)排風(fēng)HCCCG0對(duì)象補(bǔ)償器測(cè)量裝置GLfpqY被調(diào)量

前饋調(diào)節(jié)：通過(guò)發(fā)信器測(cè)量干擾量的變化，當(dāng)干擾被測(cè)量出來(lái)，調(diào)節(jié)器發(fā)出信號(hào)，調(diào)節(jié)作用施加上去，使兩者抵消于被調(diào)參數(shù)發(fā)生偏差之前。因此前饋調(diào)節(jié)抗干擾能力比反饋調(diào)節(jié)快。前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖如圖示。

干擾作用通過(guò)兩個(gè)通道影響被調(diào)參數(shù)(輸出量)，一個(gè)是通過(guò)對(duì)象的干擾通道GL去影響被調(diào)參數(shù)Y；另一個(gè)通過(guò)測(cè)量環(huán)節(jié)和補(bǔ)償器產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，并通過(guò)調(diào)節(jié)通道G0去影響被調(diào)參數(shù)Y。調(diào)節(jié)作用和干擾作用對(duì)輸出量的影響是相反的。這樣在一定條件下，有可能使補(bǔ)償通道的作用很好地抵消干擾f對(duì)對(duì)象輸出的影響，使得被調(diào)量不隨干擾f變化。

要求：測(cè)量干擾準(zhǔn)確；了解對(duì)象的特性；補(bǔ)償裝置的調(diào)節(jié)規(guī)律是可以實(shí)現(xiàn)的。

G0(s)GC(S)Gd(S)F(s)Y被調(diào)量Gf(s)++前饋補(bǔ)償器調(diào)節(jié)器對(duì)象調(diào)節(jié)通道外擾通道上圖表示前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。Gf(s)、G0(s)分別代表調(diào)節(jié)對(duì)象干擾f作用和調(diào)節(jié)作用下的傳遞函數(shù)。

如果沒(méi)有補(bǔ)償器，干擾f只通過(guò)Gf(s)影響Y，即有了補(bǔ)償器后，干擾f還同時(shí)通過(guò)補(bǔ)償通道Gd(s)、Gc(s)、G0(s)來(lái)影響Y，因而在干擾f作用下被調(diào)參數(shù)不變的條件是：Y(s)=0可得補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為如果前饋裝置物理上能精確實(shí)現(xiàn)上式的傳遞函數(shù)，那么干擾f對(duì)于Y的影響就將等于零，就可實(shí)現(xiàn)所謂的“完全不變性”。

前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以依據(jù)干擾的大小，在被調(diào)參數(shù)偏離給定值之前進(jìn)行控制，使被調(diào)參數(shù)始終保持在給定值上。前饋調(diào)節(jié)在理論上是理想的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

實(shí)際：完全補(bǔ)償是很難實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)楦蓴_因素很多，有一些沒(méi)有辦法進(jìn)行測(cè)量，不可能對(duì)每一干擾加一套前饋補(bǔ)償裝置，只能針對(duì)主要干擾進(jìn)行補(bǔ)償，而其它干擾還會(huì)使被調(diào)參數(shù)發(fā)生偏差。

前饋調(diào)節(jié)也不能得到滿意的調(diào)節(jié)質(zhì)量，而反饋調(diào)節(jié)對(duì)所有干擾都能起到控制作用，同時(shí)調(diào)節(jié)器也不需要像補(bǔ)償器那樣的要求嚴(yán)格精密。將前饋調(diào)節(jié)和反饋調(diào)節(jié)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

2．補(bǔ)償調(diào)節(jié)(復(fù)合調(diào)節(jié)）

G0(s)GC(S)Gd(S)F(s)Y(s)Gf(s)-++++R(s)E(s)復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖當(dāng)沒(méi)有前饋補(bǔ)償時(shí)，即Gd(s)=0，就是普通的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出信號(hào)式中的第二項(xiàng)表示了干擾對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出量的影響。由于Gf(s)≠0，因此Y1(s)表示干擾對(duì)系統(tǒng)輸出量的影響。說(shuō)明了反饋調(diào)節(jié)不能完全補(bǔ)償干擾。

在反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)中再加上前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)，就成為復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為如果要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，則第二項(xiàng)為零，即因?yàn)镕(s)≠0，所以只有即要求說(shuō)明復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)與開(kāi)環(huán)的前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有同一補(bǔ)償條件，并不因?yàn)橐M(jìn)偏差信號(hào)而改變。§2-8調(diào)節(jié)系統(tǒng)的微分方程和傳遞函數(shù)

一.調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

（一）自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的框圖

G0調(diào)節(jié)對(duì)象GC調(diào)節(jié)器Gv執(zhí)行器干擾fy-+reH發(fā)信器pqz被調(diào)參數(shù)給定值偏差自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖

G0(s)GC(s)Gv(s)F(s)Y(s)-+R(s)E(s)Gf(s)H(s)P(s)Q(s)Z(s)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

G(s)=GC(s)Gv(s)G0(s)F(s)Y(s)-+R(s)E(s)Gf(s)H(s)Z(s)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化框圖

r和R(s)——給定值和給定值的象函數(shù)；e和E(s)——測(cè)量值z(mì)和給定值r相比較的偏差值和它的象函數(shù)；z和Z(s)——測(cè)量值和測(cè)量值的象函數(shù)；p和P(s)——調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)和它的象函數(shù)；q和Q(s)——執(zhí)行器的輸出信號(hào)和它的象函數(shù)；y和Y(s)——被調(diào)參數(shù)和它的象函數(shù)；f和F(s)——干擾信號(hào)和它的象函數(shù)；Gc和Gc(s)——調(diào)節(jié)器和它的象函數(shù)；Gv和Gv(s)——執(zhí)行器和它的象函數(shù)；G0和G0(s)——調(diào)節(jié)對(duì)象和它的調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)；H和H(s)——發(fā)信器和它的象函數(shù)；Gf(s)——調(diào)節(jié)對(duì)象干擾通道的傳遞函數(shù)；G(s)——；G(s)H(s)——開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)。（二）調(diào)節(jié)系統(tǒng)中基本環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性和傳遞函數(shù)

1.調(diào)節(jié)對(duì)象

（1）一階環(huán)節(jié)

（2）二階環(huán)節(jié)

（3）一階加純遲延環(huán)節(jié)

2.調(diào)節(jié)器

（1）比例調(diào)節(jié)器（P）

（2）比例積分調(diào)節(jié)器(PI)

（3）比例積分微分調(diào)節(jié)器(PID)

3.執(zhí)行器

（1）一階環(huán)節(jié)

（2）比例環(huán)節(jié)

4.發(fā)信器

（1）一階環(huán)節(jié)

（2）二階環(huán)節(jié)

（3）比例環(huán)節(jié)

（三）反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

由自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化框圖

G(s)=GC(s)Gv(s)G0(s)F(s)Y(s)-+R(s)E(s)Gf(s)H(s)Z(s)移項(xiàng)得

（1）對(duì)于定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，給定值保持不變，R(s)=0，引起被調(diào)參數(shù)變化的原因是外來(lái)的干擾作用F(s),因此研究定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，主要考慮干擾作用F(s)，則定值系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為（2）對(duì)于隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，要求被調(diào)參數(shù)應(yīng)跟蹤給定值。給定值的變化是受外來(lái)作用控制的。因此在研究這種系統(tǒng)時(shí)，主要考慮給定值R(s)的變化，而忽略干擾作用F(s)，可令F(s)=0，故隨動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為例1：已知調(diào)節(jié)對(duì)象為一階環(huán)節(jié)，采用比例調(diào)節(jié)器。若執(zhí)行機(jī)構(gòu)及發(fā)信器的時(shí)間常數(shù)比調(diào)節(jié)對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小得多，把執(zhí)行器和發(fā)信器作為比例環(huán)節(jié)，求調(diào)節(jié)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

解：已知調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)通道的傳遞函數(shù)：調(diào)節(jié)對(duì)象干擾通道的傳遞函數(shù)：比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)：發(fā)信器的傳遞函數(shù)：對(duì)于定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

對(duì)于隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為

（四）反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差

已知調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，根據(jù)拉氏變換的終值定理，可以求調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差e(∞)。

（1）定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差

由定值系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

得

定值系統(tǒng)的給定值不變，R(s)=0根據(jù)拉氏變換的終值定理，得定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差e(∞)為若干擾作用為單位階躍函數(shù)時(shí)，，代入得（2）隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差

由隨動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)得若給定值的變化為單位階躍函數(shù)，，得例2：已知調(diào)節(jié)對(duì)象為一階環(huán)節(jié)，采用比例調(diào)節(jié)器，求定值系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。解：已知：，，

，，

對(duì)于定值系統(tǒng)，當(dāng)輸入為單位階躍干擾時(shí)，靜態(tài)偏差為：對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)給定值為單位階躍信號(hào)時(shí)，靜態(tài)偏差為：可見(jiàn)，采用比例調(diào)節(jié)器一定存在靜態(tài)偏差，且調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)Kc越大，靜態(tài)偏差越小。

如果用比例積分調(diào)節(jié)器替換比例調(diào)節(jié)器，求調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為，即

對(duì)于定值系統(tǒng)，當(dāng)輸入為單位階躍干擾時(shí)，靜態(tài)偏差為：對(duì)于隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)給定值為單位階躍信號(hào)時(shí)，靜態(tài)偏差為：在隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，采用比例積分調(diào)節(jié)器，對(duì)于階躍信號(hào)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)偏差可以完全消除。

二．調(diào)節(jié)系統(tǒng)的微分方程列寫(xiě)

一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以用微分方程來(lái)描述，對(duì)微分方程求解，可得被調(diào)參數(shù)受干擾（或調(diào)節(jié)）作用下隨時(shí)間的變化規(guī)律，即過(guò)渡過(guò)程。把過(guò)渡過(guò)程繪成曲線，得到過(guò)渡過(guò)程曲線，并可以求得調(diào)節(jié)過(guò)程的調(diào)節(jié)質(zhì)量。

通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性和它們之間的聯(lián)系，可以方便地列寫(xiě)出系統(tǒng)的微分方程。

例：某定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)，采用比例調(diào)節(jié)器，執(zhí)行器和發(fā)信器都簡(jiǎn)化為比例環(huán)節(jié)，求該定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的微分方程。

各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)方程式如下調(diào)節(jié)對(duì)象：執(zhí)行器：比例調(diào)節(jié)器：發(fā)信器：比較機(jī)構(gòu)：以上各環(huán)節(jié)組成的定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的微分方程，就是將以上各方程聯(lián)立，得：與傳遞函數(shù)表達(dá)式一樣?！?-9自適應(yīng)控制、模糊控制的概念及在制冷裝置中的應(yīng)用

一.自適應(yīng)控制的概念

自適應(yīng)控制的對(duì)象是那些存在不定性的系統(tǒng)。通過(guò)不斷地量測(cè)系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)、輸出或性能參數(shù)，逐漸了解和掌握對(duì)象,然后根據(jù)所得的過(guò)程信息，按一定的設(shè)計(jì)方法，作出控制決策去更新控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或控制作用，以便在某種意義下使控制效果達(dá)到最優(yōu)或次最優(yōu)，或達(dá)到某個(gè)預(yù)期目標(biāo)。按此設(shè)計(jì)思想建立的控制系統(tǒng)便是自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

自適應(yīng)控制可簡(jiǎn)單地定義如下：在系統(tǒng)工作過(guò)程中，系統(tǒng)本身能不斷地檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)或運(yùn)行指標(biāo)，根據(jù)參數(shù)的變化或運(yùn)行指標(biāo)的變化，改變控制參數(shù)或改變控制作用，使系統(tǒng)運(yùn)行于最優(yōu)或接近于最優(yōu)工作狀態(tài)。自適應(yīng)控制也是一種反饋控制，但它不是一般的系統(tǒng)狀態(tài)反饋或系統(tǒng)輸出反饋，而是一種比較復(fù)雜的反饋控制。一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)必然具有下列三個(gè)基本特征(l)過(guò)程信息的在線積累在線積累過(guò)程信息的目的，是為了降低受控系統(tǒng)原有的不定性。為此可用系統(tǒng)辯識(shí)的方法在線辨識(shí)受控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，直接積累過(guò)程信息，也可通過(guò)量測(cè)能反映過(guò)程狀態(tài)的某些輔助變量，間接積累過(guò)程信息。(2)可調(diào)控制器可調(diào)控制器是指它的結(jié)構(gòu)、參數(shù)或信號(hào)可以根據(jù)性能指標(biāo)要求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整?？烧{(diào)性要求是由受控系統(tǒng)的不定性決定的，否則就無(wú)法對(duì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效的控制。

(3)性能指標(biāo)的控制性能指標(biāo)的控制可分為開(kāi)環(huán)控制方式和閉環(huán)控制方式兩種。

與開(kāi)環(huán)控制方式不同，在性能指標(biāo)的閉環(huán)控制中，還要獲取實(shí)際性能與預(yù)定性能之間的偏差信息，將其反饋后修改可調(diào)控制器，直到實(shí)際性能達(dá)到或接近預(yù)定性能為止。

若與過(guò)程動(dòng)態(tài)相關(guān)聯(lián)的輔助變量可測(cè)，而且此輔助變量與可調(diào)控制器參數(shù)之間的關(guān)系又可根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出，這時(shí)就可通過(guò)此輔助變量直接調(diào)整可調(diào)控制器，以期達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)。這就是性能指標(biāo)的開(kāi)環(huán)控制，它的特點(diǎn)是沒(méi)有根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際達(dá)到的性能指標(biāo)再作進(jìn)一步的調(diào)整。

二．幾種自適應(yīng)控制方案介紹

(一)自校正控制系統(tǒng)STC(SelfTuningControl)

當(dāng)過(guò)程的隨機(jī)、時(shí)滯、時(shí)變和非線性等特性比較明顯時(shí)，采用常規(guī)的比例積分微分(PID)調(diào)節(jié)器很難收到良好的控制效果，甚至無(wú)法達(dá)到基本要求。此外，在初次運(yùn)轉(zhuǎn)或者工況發(fā)生變化時(shí)，都需要重新整定PID參數(shù)，這相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間。如果采用自校正控制技術(shù)，上述問(wèn)題都能得到圓滿解決。

理論分析和應(yīng)用結(jié)果表明，自校正控制技術(shù)特別適用于結(jié)構(gòu)部分已知和參數(shù)未知而恒定或緩慢變化的隨機(jī)受控系統(tǒng)。由于大多數(shù)工業(yè)對(duì)象都具有這些特征，再加上自校正控制技術(shù)理解直觀，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，所以它在工業(yè)過(guò)程控制中已得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已成為十分重要的一類(lèi)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

自校正控制系統(tǒng)定義：一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)必須連續(xù)地提供受控系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)信息，也就是必須對(duì)過(guò)程進(jìn)行辨識(shí)；然后將系統(tǒng)的當(dāng)前性能與期望的或最優(yōu)的性能進(jìn)行比較，作出使系統(tǒng)趨向期望的或最優(yōu)的性能的決策；最后，必須對(duì)控制器進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，以?qū)使系統(tǒng)接近最優(yōu)狀態(tài)，這就是一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)所必須具有的三個(gè)內(nèi)在功能。

自校正控制系統(tǒng)由兩個(gè)環(huán)路組成，它的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。內(nèi)環(huán)與常規(guī)反饋系統(tǒng)類(lèi)似，由對(duì)象和控制器組成。外環(huán)由參數(shù)估計(jì)器和控制器設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)構(gòu)組成，其任務(wù)是辨識(shí)過(guò)程參數(shù)，再按選定的設(shè)計(jì)方法綜合出控制器參數(shù)，用以修改內(nèi)環(huán)的控制器。

綜合自校正控制律的性能指標(biāo)有兩類(lèi)：優(yōu)化性能指標(biāo)和常規(guī)性能指標(biāo)優(yōu)化性能指標(biāo)有:最小方差、廣義預(yù)測(cè)控制等常規(guī)性能指標(biāo)有:極點(diǎn)配置和PID控制用來(lái)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的方法有:最小二乘法、增廣矩陣法、輔助變量法和最大似然法。

在參數(shù)估計(jì)時(shí)，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的使用方式有兩種。一種估計(jì)受控系統(tǒng)模型本身的未知參數(shù)，這樣的自校正算法稱為顯式算法。另一種估計(jì)控制器的未知參數(shù)，這時(shí)需要將過(guò)程重新參數(shù)化，建立一個(gè)與控制器參數(shù)直接關(guān)聯(lián)的估計(jì)模型，相應(yīng)的自校正算法稱為隱式算法。隱式算法無(wú)需進(jìn)行控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算，所以它的計(jì)算量比顯式算法小，不過(guò)要為它建立一個(gè)合適的估計(jì)模型。

自校正控制器是在線參數(shù)估計(jì)和控制器參數(shù)在線設(shè)計(jì)兩者的有機(jī)結(jié)合。由于存在多種參數(shù)估計(jì)和控制器設(shè)計(jì)的方法，所以自校正控制器的設(shè)計(jì)十分靈活，這也是它得到廣泛應(yīng)用的原因之一。

(二)模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)MRAS(ModelReferenceAdaptiveSystem)

這也是一類(lèi)重要的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)容易，自適應(yīng)速度快。

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)定義:

一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，就是利用它的可調(diào)系統(tǒng)的輸入、狀態(tài)和輸出變量來(lái)度量某個(gè)性能指標(biāo)，然后根據(jù)實(shí)測(cè)性能指標(biāo)值與給定性能指標(biāo)集相比較的結(jié)果，由自適應(yīng)機(jī)構(gòu)修正可調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)，或者產(chǎn)生一個(gè)輔助輸人信號(hào)，以保持系統(tǒng)的性能指標(biāo)接近給定的性能指標(biāo)集。

模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)劃分為內(nèi)外兩個(gè)環(huán)路。內(nèi)環(huán)是由對(duì)象和控制器組成的常規(guī)反饋回路。外環(huán)是調(diào)整控制器參數(shù)的自適應(yīng)回路。

采用了一個(gè)參考模型的輔助系統(tǒng)

加到可調(diào)系統(tǒng)的指令輸入同時(shí)也加到這個(gè)參考模型輸入端，所以模型的輸出或狀態(tài)可用來(lái)規(guī)定希望的性能指標(biāo)。

給定的性能指標(biāo)集已被參考模型生成的參考性能指標(biāo)所取代

為了比較給定性能和實(shí)測(cè)性能，可用減法器將參考模型和可調(diào)系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)直接相減，得到廣義誤差信號(hào)，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)按一定的準(zhǔn)則利用廣義誤差信號(hào)來(lái)修改可調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)，或產(chǎn)生一個(gè)輔助輸入信號(hào)，使廣義誤差的某個(gè)泛函達(dá)到極小。當(dāng)可調(diào)系統(tǒng)漸近逼近參考模型時(shí)，廣義誤差就趨于極小或下降到零。模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何設(shè)計(jì)自適應(yīng)規(guī)律，以得到一個(gè)能使廣義誤差為零的穩(wěn)定系統(tǒng)。

另一類(lèi)基于穩(wěn)定性理論的設(shè)計(jì)方法，這種方法保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但它需要利用系統(tǒng)的全部狀態(tài)或輸出量的微分信號(hào)。

自適應(yīng)規(guī)律的綜合方法可粗略分為兩大類(lèi)：一類(lèi)稱為局部參數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它利用最優(yōu)化技術(shù)搜索能滿足要求的一組控制器參數(shù)。這種方法的主要缺點(diǎn)是不能確保所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性，甚至對(duì)簡(jiǎn)單的受控對(duì)象，在某些輸入信號(hào)作用下，控制系統(tǒng)也可能喪失穩(wěn)定性。（三）學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)

這是一類(lèi)按行為科學(xué)進(jìn)行處理的控制系統(tǒng)，它比上述各類(lèi)自適應(yīng)控制系統(tǒng)都更加復(fù)雜。這種系統(tǒng)的先驗(yàn)信息相當(dāng)缺乏，為了保證有效的工作，它一般應(yīng)具有識(shí)別、判斷、積累經(jīng)驗(yàn)和學(xué)習(xí)的功能。

由IEEE（國(guó)際電子電工工程學(xué)會(huì)）的“自適應(yīng)學(xué)習(xí)和模式識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)與定義小組委員會(huì)”提出的定義如下：一個(gè)系統(tǒng)，如果能對(duì)一個(gè)過(guò)程或其環(huán)境的未知特征有關(guān)的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并將所得的經(jīng)驗(yàn)用于未來(lái)的估計(jì)、分類(lèi)、決策或控制，以改善系統(tǒng)的性能，則稱此系統(tǒng)為學(xué)習(xí)系統(tǒng)。若一個(gè)學(xué)習(xí)系統(tǒng)以其學(xué)得的信息用來(lái)控制一個(gè)具有未知特征的過(guò)程，則稱為學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。

根據(jù)學(xué)習(xí)時(shí)是否需要接收外部信息，學(xué)習(xí)過(guò)程可分為兩類(lèi)：監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)。

(1)監(jiān)督學(xué)習(xí)這種學(xué)習(xí)方式，除了普通的輸入信號(hào)外，它還需要接收外部的信息。外部信息可以是希望的輸出或希望的控制作用。控制器據(jù)此信息修正控制策略或控制參數(shù)，以便保證學(xué)習(xí)系統(tǒng)具有最優(yōu)的輸入——輸出關(guān)系。這種外部信息也可以是對(duì)系統(tǒng)工作質(zhì)量的評(píng)價(jià)，在最簡(jiǎn)單的情況下僅需給出“獎(jiǎng)”和“罰”兩種評(píng)價(jià)信息，控制系統(tǒng)工作符合要求則“獎(jiǎng)”，相反則“罰”。

控制器據(jù)此評(píng)價(jià)信息，或者維持或加強(qiáng)原有的控制作用，或者改變或削弱原有的控制作用，以便改進(jìn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的性能。這種外部信息當(dāng)然還可以具有其他的特征。在監(jiān)督學(xué)習(xí)過(guò)程中，一旦通過(guò)學(xué)習(xí)獲得了過(guò)程的足夠信息，使系統(tǒng)性能達(dá)到一定的水平，學(xué)習(xí)過(guò)程就中斷，直到下一個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程開(kāi)始為止。因此，這種學(xué)習(xí)又稱為離線學(xué)習(xí)。

(2)無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)這種學(xué)習(xí)方式，除了普通的輸入信號(hào)外，它不接收任何外部信息?？刂葡到y(tǒng)只能經(jīng)由統(tǒng)計(jì)估計(jì)和觀測(cè)等手段積累經(jīng)驗(yàn)，以便決定所需的控制策略。這種學(xué)習(xí)方式的先驗(yàn)信息甚少，要經(jīng)過(guò)多次疊代才能逐步逼近最優(yōu)性能，所以學(xué)習(xí)時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)系統(tǒng)在隨機(jī)環(huán)境下工作時(shí)，無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)也許是唯一可行的學(xué)習(xí)方式。因此，這種學(xué)習(xí)又稱為在線學(xué)習(xí)。

在實(shí)際應(yīng)用中，常將兩種學(xué)習(xí)方式組合使用。首先通過(guò)監(jiān)督學(xué)習(xí)獲取盡可能多的先驗(yàn)信息，然后改為無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，以便收到最好的學(xué)習(xí)效果。學(xué)習(xí)系統(tǒng)的形式有模糊自適應(yīng)控制和專家或智能自適應(yīng)控制。

在自適應(yīng)控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，離散時(shí)間系統(tǒng)占有重要的地位。大多數(shù)受控系統(tǒng)是連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，在對(duì)它們施加自適應(yīng)控制時(shí)，一般都要采用計(jì)算機(jī)技術(shù)。因此，在綜合自適應(yīng)控制規(guī)律時(shí)，不論是采用連續(xù)設(shè)計(jì)法，還是采用離散設(shè)計(jì)法，都面臨一個(gè)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的離散化任務(wù)。

三.離散時(shí)間系統(tǒng)

對(duì)同一個(gè)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，可以有各種不同的數(shù)學(xué)描述形式。它們可以是傳遞函數(shù)、微分方程(狀態(tài)空間表示)、脈沖響應(yīng)函數(shù)或頻率響應(yīng)函數(shù)等。十分明顯，同一個(gè)過(guò)程的各種表示形式必定是相互等價(jià)的。因此，將任何一種連續(xù)時(shí)間的表示形式離散化后,所得到的離散時(shí)間模型都可作為這個(gè)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的離散時(shí)間描述。

針對(duì)連續(xù)時(shí)間的數(shù)學(xué)描述形式，常用的離散化方法有：(1)z變換法(2)零階保持法(3)差分法(4)雙線性變換法(5)極——零匹配法控制器風(fēng)機(jī)新風(fēng)送風(fēng)

熱水冷水四．自適應(yīng)控制在制冷空調(diào)中的應(yīng)用PID自適應(yīng)控制器用在空調(diào)系統(tǒng)空氣加熱器的控制器上，空氣加熱器采用叉流的熱水交換器，室外新風(fēng)由風(fēng)機(jī)吹送流過(guò)熱交換器獲得熱量。其中熱水器的進(jìn)口水溫通過(guò)電動(dòng)三通閥來(lái)調(diào)節(jié)，而電動(dòng)三通閥得開(kāi)度大小則由輸入電動(dòng)閥的電壓來(lái)控制。位于空氣加熱器末端的溫度傳感器則用于測(cè)量作為控制變量的溫度。

由閥的特性及熱交換器的熱傳遞引起的非線性嚴(yán)重地影響著穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，見(jiàn)圖p96，被調(diào)參數(shù)隨電壓及風(fēng)速的變化。調(diào)節(jié)過(guò)程見(jiàn)p96、97。

五．模糊理論及模糊控制

模糊控制工程是模糊集理論(簡(jiǎn)稱模糊理論)在控制工程上的運(yùn)用和發(fā)展。是模糊理論實(shí)用化的—個(gè)重要分支及成功應(yīng)用的典范。模糊理論是在美國(guó)柏克萊加州大學(xué)電氣工程系L0tfi.A.zadeh教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要包括模糊集合理論、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。

客觀世界的萬(wàn)千現(xiàn)象可分成兩類(lèi)：確定性的和不確定性的，后一類(lèi)又分為兩小類(lèi)：隨機(jī)不確定性的和模糊不確定性的。比如說(shuō)，“明天有八成可能要下大雨”，這句話中的“八成可能”屬于隨機(jī)不確定性，而“大”屬于模糊不確定性。相應(yīng)地，出現(xiàn)了三類(lèi)數(shù)學(xué)：普通數(shù)學(xué)處理確定性現(xiàn)象，概率論和統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)處理隨機(jī)不確定性現(xiàn)象，而模糊數(shù)學(xué)(模糊集理論)處理模糊不確定性現(xiàn)象。

在經(jīng)典集合論中，任何一個(gè)元素與任何一個(gè)集合之間的關(guān)系，只有“屬于”和“不屬于”兩種情況，兩者必居其一，而且只居其一，絕對(duì)不允許模棱兩可。比如“不大于5的自然數(shù)”是個(gè)清晰的概念，該概念的內(nèi)涵和外延均是明確的?？墒?，我們也經(jīng)常遇到?jīng)]有明確外延的概念，這種概念實(shí)質(zhì)上是模糊概念。

例如，“比5大得多的自然數(shù)”就是一個(gè)模糊概念。無(wú)法劃定一個(gè)明確的界限，使得在這個(gè)界限內(nèi)所有自然數(shù)都比5大得多，而界限外的所有自然數(shù)都不比5大得多。只能說(shuō)某個(gè)數(shù)屬于“比5大得多”的程度高，而另一個(gè)數(shù)屬于“比5大得多”的程度低，比如50同于“比5大得多”的程度比10屬于“比5大得多”的程度高。

L.A.Zadeh在1965年把普遍集合中的元素對(duì)集合的隸屬度只能取0和1這兩個(gè)值，推廣到可以取區(qū)間[0，1]中的任意一個(gè)數(shù)值。即可以用隸屬度定量去描述論域U中的元素符合概念的程度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通集合中絕對(duì)隸屬關(guān)系的擴(kuò)充，從而用隸屬函數(shù)表示模糊集合，用模糊集合表示模糊概念。

在自動(dòng)控制技術(shù)出現(xiàn)之前，人們?cè)谏a(chǎn)、生活過(guò)程中只能采用手動(dòng)控制方式來(lái)達(dá)到控制某一對(duì)象運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的目的。比如，在日常生活中，當(dāng)我們擰開(kāi)水龍頭用一空捅接水時(shí)，常常會(huì)有這樣的生活經(jīng)驗(yàn)：

(1)桶里水很少時(shí)，應(yīng)開(kāi)大閥門(mén)。(2)桶里的水比較多時(shí)，應(yīng)擰小閥門(mén)。(3)桶中的水快滿時(shí)，應(yīng)把閥門(mén)擰很小。(4)桶中的水已滿時(shí)，要迅速關(guān)死閥門(mén)。

在以上的手動(dòng)控制過(guò)程中，首先是由人通過(guò)眼睛的觀察(檢測(cè)作用)來(lái)檢測(cè)水桶(被控對(duì)象)的輸出(水位)，大腦要經(jīng)過(guò)一系列的推算從而做出正確的決策(控制量)，最后由手動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度大小，使捅里的水(被控對(duì)象的輸出信號(hào))達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，即用最短的時(shí)間接滿一桶水而又不溢出一滴水。

人們就是這樣不斷地通過(guò)檢測(cè)、判斷、調(diào)整等一系列手動(dòng)控制。在這里，眼睛相當(dāng)于傳感器，大腦就是控制器，手則做為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在最短的時(shí)間內(nèi)接滿一桶水且水不溢出則是控制目標(biāo)。按照控制理論的思想來(lái)看待上述過(guò)程，上述的接水過(guò)程是一個(gè)典型液位控制系統(tǒng)。

在上述手動(dòng)液位控制中，人的控制過(guò)程是用語(yǔ)言來(lái)加以描述的，表現(xiàn)為一系列條件語(yǔ)句。也就是所謂的語(yǔ)言控制規(guī)則。在描述以上控制規(guī)則的條件語(yǔ)句中存在一些詞，如“很少”、“較多”、‘快滿”、“大”、“小”等概念均具有一定的模糊性，這些概念沒(méi)有明顯的外延。

模糊控制方法模仿人的思維方式和人的控制經(jīng)驗(yàn)，用電腦代替人腦來(lái)實(shí)施有效的控制措施。傳統(tǒng)的控制理論依賴于被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而模糊控制則是依賴于被控系統(tǒng)的物理特性。

物理特性的提取要靠人的直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)，這些物理特性在人腦中是用自然語(yǔ)言來(lái)抽象成一系列的概念和規(guī)則的，自然語(yǔ)言的重要特點(diǎn)是具有模糊性。人可以根據(jù)不精確信息來(lái)進(jìn)行推理而得到有意義的結(jié)果。

那么我們?cè)趺从脵C(jī)器來(lái)模仿這樣的過(guò)程呢?用于描述的數(shù)學(xué)工具就是Zadeh提出的模糊集合論，或者說(shuō)模糊集合論在控制上的應(yīng)用。這是一種解決復(fù)雜系統(tǒng)控制決策的技巧和方法。用這種方法可以把人的經(jīng)驗(yàn)形式化并引入控制過(guò)程，再運(yùn)用比較嚴(yán)密的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)模糊推理，進(jìn)行判斷決策，以達(dá)到令人滿意的控制效果。

在工程實(shí)現(xiàn)上，則使用模糊邏輯語(yǔ)言分析方法，且這種語(yǔ)言可以轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語(yǔ)言。這種方法有三個(gè)特點(diǎn)：第一，它不用數(shù)值變量而是用語(yǔ)言變量來(lái)描述系統(tǒng)；第二，它是利用附帶條件的命題來(lái)描述變量之間的關(guān)系；第三，它是使用模糊運(yùn)算法則進(jìn)行推理。

目前，模糊控制主要還是建立在人的直覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，這就是說(shuō)，操作人員對(duì)被控系統(tǒng)的了解不是通過(guò)精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是通過(guò)操作人員豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和直觀感覺(jué)。這種方法可以看成是一組探索式?jīng)Q策規(guī)則。由于人的決策過(guò)程本質(zhì)上就具有模糊性，因此，控制動(dòng)作并非穩(wěn)定一致，且有一定的主觀性。

有經(jīng)驗(yàn)的模糊控制設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)對(duì)操作人員控制動(dòng)作的觀察和與操作人員的交談?dòng)懻摚谜Z(yǔ)言把操作人員的控制策略描述出來(lái)，以構(gòu)成一組用語(yǔ)言表達(dá)的定性的決策規(guī)則。

把那些熟練技術(shù)工人或者技術(shù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和形式化描述，用語(yǔ)言表達(dá)成一組定性的條件語(yǔ)句和不精確的決策規(guī)則，然后利用模糊集合作為工具使其定量化，設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，用形式化的人的經(jīng)驗(yàn)法則模仿人的控制策略，再驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程進(jìn)行控制，這就是模糊控制器。

模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的新型計(jì)算機(jī)控制方法。顯然，模糊控制的基礎(chǔ)是模糊數(shù)學(xué)，模糊控制的實(shí)現(xiàn)手段是計(jì)算機(jī)。

模糊控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)際上是一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)，主要完成輸入量的模糊化、模糊關(guān)系運(yùn)算、模糊決策以及決策結(jié)果的非模糊化處理(精確化)等重要過(guò)程?？梢哉f(shuō)，一個(gè)模糊控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的優(yōu)劣在很大程度上取決于模糊控制器的“聰明”程度。

模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器，模糊控制器靠軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)模糊控制的一般步驟是：

1.微機(jī)先采集被控對(duì)象輸出信號(hào)的精確值；

2.將該精確值與給定值相比較得到誤差信號(hào)E，把誤差信號(hào)E的精確值進(jìn)行模糊化變成模糊量，從而得到了誤差E的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集e，e此時(shí)實(shí)際上是一個(gè)模糊向量；

3.由e和模糊控制規(guī)則R(模糊關(guān)系矩陣)根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制向量u’。

4.為了對(duì)被控對(duì)象實(shí)施精確的控制，還必須把模糊量轉(zhuǎn)換為精確量(非模糊化)u，再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換為模擬量去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取相應(yīng)的動(dòng)作。上述模糊控制算法的工作過(guò)程可以用方框圖形象地表示出來(lái)。

在圖中，進(jìn)水閥的開(kāi)度是可以連續(xù)調(diào)節(jié)的。當(dāng)進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)度增加時(shí)，進(jìn)水量Ql將增加，槽中水位將上升；同理，當(dāng)進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)度減小時(shí)，進(jìn)水量Ql將減少，槽中水位將下降。人工手動(dòng)控制時(shí)，根據(jù)對(duì)水槽中水位的觀察，手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度大小，可以達(dá)到使水位h升高或降低的目的。

控制規(guī)則可以用語(yǔ)言描述如下：(1)若水位高于O點(diǎn)，則進(jìn)水閥應(yīng)開(kāi)小一點(diǎn)，且高得越多時(shí)，K1關(guān)得越多。(2)若水位高于O點(diǎn)，則進(jìn)水閥K1開(kāi)小，且高得少時(shí)，Kl關(guān)得少一點(diǎn)。(3)若水位在O點(diǎn)附近，則進(jìn)水閥開(kāi)度基本不變。（4）若水位在O點(diǎn)之下，則進(jìn)水閥開(kāi)度要增加，水位低得多時(shí)，則要求K1開(kāi)度多增加一點(diǎn)。（5）若水位在O點(diǎn)之下，則進(jìn)水閥開(kāi)度要增加，水位低得少時(shí)，則要求K1開(kāi)度少增加一點(diǎn)。如果用模糊控制方法來(lái)控制水位，則必須做如下幾步工作：第一步，確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。在這里定義O點(diǎn)的水位高度為ho，實(shí)際測(cè)得的水位高度為h，選擇液位差

作為模糊控制器的輸入。模糊控制器的輸出變量就是伺服電動(dòng)機(jī)SM兩端的電樞電壓的大小和極性。第二步，輸入變量與輸出變量的模糊語(yǔ)言描述。假定描述輸入變量e和輸出變量u的語(yǔ)言值的模糊子集為

{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}第三步，模糊控制規(guī)則的語(yǔ)言描述。根據(jù)手動(dòng)控制方法，模糊控制規(guī)則為：(1)若e負(fù)大，則u負(fù)大。(2)若e負(fù)小，則u負(fù)小。(3)若e為零，則u為零。(4)若e正小，則u正小。(5)若e正大，則u正大。第四步，模糊關(guān)系的求取。第五步，模糊控制決策。第六步，控制量的非模糊化(精確化)。模糊控制算法可概括為以下四個(gè)步驟：(1)根據(jù)采樣結(jié)果得到模糊控制器的輸入變量。(2)將輸入變量的精確值模糊化。(3)根據(jù)模糊輸入變量及模糊控制規(guī)則計(jì)算模糊控制量。(4)將模糊控制量非模糊化，得到精確量。六．模糊控制在制冷空調(diào)中的應(yīng)用房間空調(diào)器、集中空調(diào)系統(tǒng)、列車(chē)空調(diào)、家用冰箱等§2-10調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定

調(diào)節(jié)器接入具體的調(diào)節(jié)系統(tǒng)后，確定它的比例帶、積分時(shí)間和微分時(shí)間，這是