§1-3-調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)作用規(guī)律解析

船舶電氣與自動(dòng)化DMU§1-3調(diào)整器及調(diào)整作用規(guī)律輪機(jī)自動(dòng)化教研室調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對(duì)象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)引言系統(tǒng)為偏差驅(qū)動(dòng)調(diào)整器的輸入是被控量的偏差值調(diào)整器的輸出是限制量可看作一個(gè)對(duì)象或環(huán)節(jié)調(diào)整器的作用規(guī)律：引言引言正作用式隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加兩種類型調(diào)節(jié)器反作用式隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出減小引言調(diào)整器探討的兩個(gè)方面：作用規(guī)律：p(t)=f(e(t))，即傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)。也稱限制規(guī)律或調(diào)整規(guī)律。作用強(qiáng)度：每一種限制規(guī)律的限制強(qiáng)度。反映在傳遞函數(shù)中，如比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間。主要內(nèi)容§1-3-1位式調(diào)整器§1-3-2比例調(diào)整器§1-3-3比例微分調(diào)整器§1-3-4比例積分調(diào)整器§1-3-5比例積分微分調(diào)整器雙位執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對(duì)象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-1雙位作用規(guī)律§1-3-1雙位作用規(guī)律被控量在設(shè)定的上限和下限之間變更，調(diào)整器的輸出只有兩個(gè)狀態(tài)（0或1）。§1-3-1雙位作用規(guī)律被控量在設(shè)定的上限和下限之間變更，調(diào)整器的輸出只有兩個(gè)狀態(tài)（0或1）。例1浮子式鍋爐水位的雙位限制系統(tǒng)被控量輸出曲線執(zhí)行機(jī)構(gòu)水位與電動(dòng)機(jī)通斷之間的關(guān)系圖被控量動(dòng)作范圍開關(guān)雙位作用規(guī)律1-浮子室2-浮子3-調(diào)整板框架4-樞軸5-上、下限銷釘6、12-同極性永久磁鐵；7-靜觸點(diǎn)8-開關(guān)箱9-轉(zhuǎn)軸10-轉(zhuǎn)桿11-動(dòng)觸點(diǎn)§1-3-1雙位作用規(guī)律例1：浮子式輔鍋爐水位雙位調(diào)整器如何調(diào)整水位的上下限值？上下限值區(qū)間的幅度太小有什么樣的結(jié)果？§1-3-1雙位作用規(guī)律例2：雙位式壓力調(diào)整器依據(jù)測量壓力的上限值和下限值輸出不同的開關(guān)量信號(hào)，如：鍋爐蒸汽壓力日用淡水壓力空氣瓶壓力等給定彈簧：調(diào)整的是壓力開關(guān)的下限值幅差調(diào)整旋鈕：調(diào)整幅差（上限值）YT-1226型壓力調(diào)整器§1-3-1雙位作用規(guī)律YT-1226型壓力調(diào)整器PLP=0.07+(0.25-0.07)

*X/10調(diào)幅旋鈕標(biāo)記有10個(gè)格的刻度檔：P執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對(duì)象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-2比例作用規(guī)律§1-3-2比例作用規(guī)律1、比例作用規(guī)律（P）：限制器的輸出變更量與輸入（偏差）變更量成比例。K—比例系數(shù)比例作用強(qiáng)

比例作用弱

t0t0例2：浮子式水位比例控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥

出水進(jìn)水水柜h支點(diǎn)

浮子

浮子桿杠桿

abΔhΔμ§1-3-2比例作用規(guī)律施加外部擾動(dòng)如何變更比例系數(shù)？為什會(huì)存在靜態(tài)偏差？限制器的輸出依靠于偏差的存在而存在。假設(shè)無偏差，則閥的開度復(fù)原平衡前的狀態(tài)，平衡被打破。靜態(tài)偏差與比例系數(shù)的關(guān)系K越大，穩(wěn)態(tài)時(shí)靜態(tài)偏差越小，反之亦然。適用場合比例調(diào)整器廣泛應(yīng)用于對(duì)被控量穩(wěn)態(tài)精度要求不是很高的場合§1-3-2比例作用規(guī)律2、比例帶δ（或PB）：是指調(diào)整器的相對(duì)輸入量與相對(duì)輸出量之比的百分?jǐn)?shù).例：當(dāng)限制器的輸出作100%（全行程，如閥開--關(guān)）變更時(shí)，其輸入量變更（數(shù)值上等于被控量的變更）的百分?jǐn)?shù)。§1-3-2比例作用規(guī)律R為量程系數(shù)，在單元組合儀表中，R=1，則PB=1/K×100%。比例帶越小，比例作用越強(qiáng)；比例帶越大，比例作用越弱。限制對(duì)象慣性大的限制系統(tǒng)，可使比例帶小一點(diǎn)，如溫度、粘度等限制系統(tǒng)，其限制對(duì)象慣性比較大，可選定PB=50％左右。反之，對(duì)于限制對(duì)象慣性小的限制系統(tǒng)，比例帶可適當(dāng)選定大一點(diǎn)，如液位限制系統(tǒng)，其限制對(duì)象慣性都比較小，可選定PB=70％～80％。在調(diào)整器上都設(shè)有比例帶調(diào)整旋鈕，用來設(shè)定比例帶，一般在5％～300％之內(nèi)?！?-3-2比例作用規(guī)律噴嘴擋板反饋波紋管杠桿支點(diǎn)測量波紋管測量值輸出設(shè)定彈簧氣源放大器§1-3-2比例作用規(guī)律例3：氣動(dòng)比例調(diào)整器假設(shè)給定值沒有變更，即M設(shè)=0，則：F為水紋管的截面積，兩者一般相等l為力臂，一般固定不變K為負(fù)數(shù)—負(fù)作用（作用方式）§1-3-2比例作用規(guī)律如何調(diào)整比例帶（比例系數(shù)）？變更反饋力臂的長度，來調(diào)整比例系數(shù)（K比例帶PB），實(shí)物上通過比例帶旋鈕可以左右移動(dòng)反饋水紋管的位置來實(shí)現(xiàn)。左移→l3增長→負(fù)反饋增加→K減小→PB增大→比例作用減弱；反之。實(shí)際在調(diào)整器的工作過程中，杠桿上還會(huì)產(chǎn)生一些附加力矩，如噴嘴氣流產(chǎn)生的反作用力矩、各個(gè)彈性部件產(chǎn)生的變形力矩等。但由于附加力矩很小，只要K足夠大，這些可以忽視不計(jì)，因此未予考慮

§1-3-2比例作用規(guī)律總結(jié)1、比例作用規(guī)律實(shí)現(xiàn)簡潔，限制作用剛好，是其它限制規(guī)律（雙位除外）的基礎(chǔ)；2、比例作用強(qiáng)弱取決于比例帶或比例系數(shù)，比例帶大比例作用弱，比例系數(shù)大比例作用強(qiáng)；3、比例作用限制導(dǎo)致系統(tǒng)存在靜態(tài)偏差，比例作用強(qiáng)，靜態(tài)偏差小，但無法避開?！?-3-2比例作用規(guī)律§1-3-3

比例微分作用規(guī)律

3、微分作用（D）：限制器的微分作用是指其輸出與輸入的微分，即偏差變更速度成比例。實(shí)際微分作用的輸出特性Sd為微分系數(shù)微分作用特點(diǎn)：1、微分作用的輸出與偏差的確定值沒有關(guān)系2、依據(jù)偏差變更速度，超前限制，抵制偏差：偏差出現(xiàn)起先，限制作用較強(qiáng)當(dāng)偏差值變更緩慢時(shí)，微分限制作用微弱偏差為常數(shù)時(shí)，微分限制器沒有輸出3、微分限制無法消退偏差，只能作為一種幫助限制作用。4、常用于限制對(duì)象慣性大，時(shí)延較明顯的對(duì)象?！?-3-3比例微分作用規(guī)律

比例作用為主，確定調(diào)整器的最終輸出變更量微分作用只起超前限制的幫助作用。§1-3-3比例微分作用規(guī)律

比例微分作用（PD）：在比例作用的基礎(chǔ)上加入微分作用而得到的一種作用規(guī)律稱為微分時(shí)間，K為比例系數(shù)§1-3-3比例微分作用規(guī)律

（a）若輸入為階躍信號(hào)：（不要求駕馭）Td為帶慣性性質(zhì)的微分環(huán)節(jié)的作用下降了63.2%所需的時(shí)間Td衡量微分消逝的快慢氣源放大器氣動(dòng)比例微分調(diào)節(jié)器原理圖微分氣室測量波紋管負(fù)反饋波紋管微分閥恒氣阻給定波紋管§1-3-3比例微分作用規(guī)律

例：氣動(dòng)PD調(diào)整器微分消逝的快慢取決于反饋回路中慣性環(huán)節(jié)的慣性大小21§1-3-3比例微分作用規(guī)律

只考慮變更量：當(dāng)給定值pG不變時(shí)，偏差e事實(shí)上就是測量值的變更，而負(fù)反饋回路的慣性過程結(jié)束時(shí)，即:只剩比例作用§1-3-3比例微分作用規(guī)律

氣動(dòng)PD調(diào)整器微分消逝的快慢取決于反饋回路中慣性環(huán)節(jié)的慣性大小，可由微分閥Rd進(jìn)行調(diào)整。微分閥Rd開度越大，微分消逝得越快，即微分時(shí)間Td越短，微分作用越弱；反之亦然。當(dāng)微分消逝后，調(diào)整器的輸出大小與偏差成比例，比例作用的強(qiáng)弱由負(fù)反饋水紋管的位置進(jìn)行調(diào)整。小結(jié)1、微分作用具有超前調(diào)整的功能，輸出減小的過程即為微分消逝過程；2、微分作用不能單獨(dú)用作調(diào)整器，一般與比例或者比例積分一起構(gòu)成PD或者PID調(diào)整器；3、微分時(shí)間短，微分消逝得快，微分作用弱，反之；4、調(diào)整器最終輸出與偏差成比例，即剩下比例作用5、比例微分作用為有差限制器，適用于對(duì)靜態(tài)精度要求不高的場合?！?-3-3比例微分作用規(guī)律

PI執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制對(duì)象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-4比例積分作用規(guī)律§1-3-4比例積分作用規(guī)律1、積分作用（I）：限制器的輸出與輸入之間呈積分關(guān)系。TI

—積分時(shí)間。TI↑→積分作用↓積分作用特點(diǎn)1、可以消退靜態(tài)偏差；2、限制作用不剛好，超調(diào)嚴(yán)峻，波動(dòng)大；3、常與比例作用（P）一起組成比例積分（PI）調(diào)整器?！?-3-4比例積分作用規(guī)律a為比例限制過程b是積分限制過程§1-3-4比例積分作用規(guī)律2、比例積分作用（PI）：在比例作用的基礎(chǔ)上加入積分作用而得到的作用規(guī)律。K—比例系數(shù)，S0

積分系數(shù)，Ti

積分時(shí)間比例作用能使調(diào)整器的輸出剛好響應(yīng)偏差的變更，起著主導(dǎo)作用，而積分作用是幫助的，用來消退靜態(tài)偏差§1-3-4比例積分作用規(guī)律若給PI調(diào)整器一個(gè)階躍的輸入偏差信號(hào)，其階躍量為常數(shù)e，則第一項(xiàng)為比例輸出，在階躍輸入瞬間，比例作用把輸入量放大到K倍。由于此時(shí)時(shí)間t=0，故沒有積分輸出；其次項(xiàng)是積分輸出，它與時(shí)間t保持線性關(guān)系，其斜率為§1-3-4比例積分作用規(guī)律當(dāng)時(shí)間進(jìn)行到Ti時(shí)，

輸出為2Ke，以此，積分時(shí)間的物理意義：階躍輸入信號(hào)作用下，積分輸出達(dá)到比例輸出所需的時(shí)間若k=1，輸入偏差為Δh，則輸出當(dāng)t=Ti時(shí)，Δμ=

ΔhTi等于限制器的輸出變更到與其階躍輸入量相等時(shí)所需的時(shí)間。Δh0Δh0ABTIATIB積分限制器的動(dòng)態(tài)特性越陡，積分時(shí)間越小，表明限制器作用越快，積分作用越強(qiáng)，即限制作用積累到同一值時(shí)所需時(shí)間越短。積分時(shí)間小→積分作用強(qiáng)→系統(tǒng)穩(wěn)定性差→上升時(shí)間短→振蕩周期小§1-3-4比例積分作用規(guī)律PI調(diào)整器的整定原則：在PI調(diào)整器上設(shè)有兩個(gè)旋鈕，分別用來整定PB、Ti。在整定Ti時(shí)，切忌值整定得太小，否則積分作用太強(qiáng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性差假如Ti值不能進(jìn)行精確地整定，可以接受寧大勿小的策略。因?yàn)門i值略微偏大時(shí)，盡管積分作用偏弱，但只會(huì)使消退靜態(tài)偏差的時(shí)間稍長而別無它害。積分時(shí)間Ti的整定范圍一般在3s至20min之內(nèi)限制對(duì)象慣性大，選取Ti值要大一些，反之?！?-3-4比例積分作用規(guī)律積分時(shí)間TI小←→大積分作用強(qiáng)←→弱穩(wěn)定程度降低←→增高短期最大偏差小←→大被調(diào)量靜差消失上升時(shí)間短←→長振蕩周期小←→大Ti對(duì)限制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)的影響§1-3-4比例積分作用規(guī)律§1-3-4比例積分作用規(guī)律ZCGF測量給定1:1跟隨器氣動(dòng)放大器積分氣容氣源噴嘴擋板支點(diǎn)杠桿1234氣動(dòng)PI調(diào)整器達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)：適當(dāng)調(diào)整比例帶與積分時(shí)間，使：則平衡后的狀態(tài)：§1-3-4比例積分作用規(guī)律若PC不等于PG，調(diào)整作用就始終存在，消退靜態(tài)偏差正作用調(diào)整器比例帶調(diào)整：則比例帶↑，比例作用↓，正反饋↓則比例帶↓，比例作用↑，正反饋↑，抵制負(fù)反饋積分時(shí)間調(diào)整：積分時(shí)間變長，積分作用減弱積分時(shí)間縮短，積分作用增加§1-3-4比例積分作用規(guī)律若達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，測量值=給定值若測量值>給定值，（PZ=PF），杠桿會(huì)在積分的作用下始終順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸出將始終增加，直到……?！?-3-4比例積分作用規(guī)律總結(jié)1、積分作用可以消退靜態(tài)偏差；2、積分時(shí)間Ti長，積分作用弱，反之亦然；3、積分時(shí)間無窮大時(shí)可視為積分作用切除；4、比例積分限制器中積分時(shí)間的求法§1-3-4比例積分作用規(guī)律§3-5比例積分微分作用規(guī)律5、比例積分微分作用（PID）：以比例作用為主，吸取積分作用能消退靜態(tài)偏差以及微分作用能實(shí)現(xiàn)超前限制的優(yōu)點(diǎn)，功能最為完善:§3-5比例積分微分作用規(guī)律比例比例微分積分積分微分比例積分微分限制器的階躍響應(yīng)PID調(diào)整器的實(shí)現(xiàn)方法：1、三種反饋并行地疊加在一起形成調(diào)整器內(nèi)部的綜合反饋；2、在比例積分調(diào)整器前串聯(lián)一個(gè)微分器來實(shí)現(xiàn)（如，后文的QTM氣動(dòng)PID調(diào)整器）。PID調(diào)整器的功能變更：積分時(shí)間Ti為無窮大時(shí)，則相當(dāng)于切除積分作用，變?yōu)镻D；微分時(shí)間Td為0時(shí)，則相當(dāng)于切除微風(fēng)作用，變?yōu)镻I；同時(shí)使Td為0且Ti為無窮大，則調(diào)整器變?yōu)榧儽壤齈；§3-5比例積分微分作用規(guī)律PID作用選取原則若被控量的穩(wěn)態(tài)精度要較高，則調(diào)整器中應(yīng)加入?若限制對(duì)象慣性較大，則調(diào)整器應(yīng)加入?若限制對(duì)象慣性較大且要求較高的靜態(tài)指標(biāo)，則應(yīng)加入?如：鍋爐水位等液位限制系統(tǒng)，不宜接受包含D的調(diào)整器。這是因?yàn)镈作用對(duì)干擾信號(hào)比較敏感，隨船舶的搖擺，會(huì)使給水調(diào)整閥的開度忽大小，造成水位的大起大落，閥泵等頻繁啟動(dòng)?！?-5比例積分微分作用規(guī)律IDID各種限制過程常用的限制規(guī)律如下：液位：滯后不大，一般限制要求不高用P或PI限制規(guī)律。流量：滯后很小，時(shí)間常數(shù)小，測量信號(hào)中雜有噪音用PI限制壓力：介質(zhì)為液體的滯后較小，介質(zhì)為氣體時(shí)的滯后中等。用P或PI限制規(guī)律。溫度：容量滯后較大，時(shí)間常數(shù)大。常用PID限制規(guī)律。§3-5比例積分微分作用規(guī)律NAKAKITA氣動(dòng)PID調(diào)整器：其三種作用規(guī)律通過內(nèi)部綜合反饋實(shí)現(xiàn)常用于冷卻水溫度限制系統(tǒng)和燃油粘度限制系統(tǒng)§3-5比例積分微分作用規(guī)律§3-5比例積分微分作用規(guī)律234負(fù)作用式↑↓↓↑↑↑NAKAKITA氣動(dòng)PID調(diào)整器：在調(diào)整器上有三個(gè)調(diào)整盤，分別用來調(diào)整比例帶PB、積分時(shí)間和微分時(shí)間比例帶調(diào)整盤是一個(gè)偏心機(jī)構(gòu)，可使噴嘴和擋板一起沿著比例桿上下移動(dòng)，上移時(shí)傳動(dòng)桿BO’左右移動(dòng)相同的距離，即輸入偏差相同的狀況下，擋板開度變更要大，比例作用增加，比例帶減小給定值由給定旋鈕確定，給定旋鈕的角度變更通過連接桿件一方面變更給定指針（紅色）的偏轉(zhuǎn)角度，指示當(dāng)前給定值的大??；另一方面，通過連接桿件帶動(dòng)比例桿OO’繞O點(diǎn)左右偏轉(zhuǎn)，引起調(diào)整器輸出變更§3-5比例積分微分作用規(guī)律據(jù)實(shí)際須要，該調(diào)整器還可以工作在正作用方式。此時(shí)，噴嘴擋板機(jī)構(gòu)在比例桿上的相對(duì)位置如圖所示：區(qū)分在于噴嘴背壓的變更將與測量值的變更方向相一樣，而不是相反。當(dāng)應(yīng)用于燃油粘度限制系統(tǒng)時(shí)，一般應(yīng)接受反作用方式?！?-5比例積分微分作用規(guī)律正作用式切換電動(dòng)PID調(diào)整器：在船舶機(jī)艙中，有些限制系統(tǒng)是接受電動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)整器一般做成電路板的形式，其內(nèi)部電路多數(shù)以運(yùn)算放大器、電阻和電容等元器件組成給定值由給定旋鈕確定，給定旋鈕的角度變更通過連接桿件一方面變更給定指針（紅色）的偏轉(zhuǎn)角度，指示當(dāng)前給定值；另一方面，通過連接桿件帶動(dòng)比例桿OO’繞O點(diǎn)左右偏轉(zhuǎn)，引起調(diào)整器輸出變更§3-5比例積分微分作用規(guī)律§3-5比例積分微分作用規(guī)律由運(yùn)算放大器組成的PID調(diào)整器偏差信號(hào)e§3-5比例積分微分作用規(guī)律§3-5比例積分微分作用規(guī)律電動(dòng)PID調(diào)整器：在船舶機(jī)艙中，有些限制調(diào)整R4、R2和R5的阻值可以分別調(diào)整比例、積分和微分的作用強(qiáng)度從電路設(shè)計(jì)的角度，往往還會(huì)加上一些抗干擾措施§3-5比例積分微分作用規(guī)律數(shù)字PID調(diào)整器：在計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)中，調(diào)整器的作用規(guī)律是接受軟件編程來實(shí)現(xiàn)的，稱為調(diào)整器作用規(guī)律的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。接受了單片機(jī)系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換電路鍵盤與顯示裝置進(jìn)行數(shù)字設(shè)定限制算法程序D/A轉(zhuǎn)換電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象§3-5比例積分微分作用規(guī)律§3-5比例積分微分作用規(guī)律計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述限制過程并不是像模擬儀表那樣連續(xù)進(jìn)行的，而是每隔確定的周期（稱為采樣周期，用T表示）進(jìn)行一次