§1-3__調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)作用規(guī)律.ppt

船舶電氣與自動(dòng)化,DMU,1-3調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)作用規(guī)律,輪機(jī)自動(dòng)化教研室,引言,系統(tǒng)為偏差驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)器的輸入是被控量的偏差值調(diào)節(jié)器的輸出是控制量可看作一個(gè)對(duì)象或環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律：,引言,引言,引言,調(diào)節(jié)器研究的兩個(gè)方面：作用規(guī)律：p(t)=f(e(t)，即傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)。也稱控制規(guī)律或調(diào)節(jié)規(guī)律。作用強(qiáng)度：每一種控制規(guī)律的控制強(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)節(jié)器,1-3-2比例調(diào)節(jié)器,1-3-3比例微分調(diào)節(jié)器,1-3-4比例積分調(diào)節(jié)器,1-3-5比例積分微分調(diào)節(jié)器,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化，調(diào)節(jié)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化，調(diào)節(jié)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控制系統(tǒng),被控量輸出曲線,1-浮子室2-浮子3-調(diào)節(jié)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)節(jié)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)節(jié)器,根據(jù)測(cè)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)節(jié)器,1-3-1雙位作用規(guī)律,YT-1226型壓力調(diào)節(jié)器,PL,P=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：,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）：控制器的輸出變化量與輸入（偏差）變化量成比例。,K比例系數(shù),比例作用強(qiáng),比例作用弱,1-3-2比例作用規(guī)律,施加外部擾動(dòng),如何改變比例系數(shù)？為什會(huì)存在靜態(tài)偏差？控制器的輸出依賴于偏差的存在而存在。假設(shè)無偏差，則閥的開度恢復(fù)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(chǎng)合比例調(diào)節(jié)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(chǎng)合,1-3-2比例作用規(guī)律,2、比例帶（或PB）：是指調(diào)節(jié)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)控制器的輸出作100%（全行程，如閥開-關(guān)）變化時(shí)，其輸入量變化（數(shù)值上等于被控量的變化）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/K100%。,比例帶越小，比例作用越強(qiáng)；比例帶越大，比例作用越弱?？刂茖?duì)象慣性大的控制系統(tǒng)，可使比例帶小一點(diǎn)，如溫度、粘度等控制系統(tǒng)，其控制對(duì)象慣性比較大，可選定PB=50左右。反之，對(duì)于控制對(duì)象慣性小的控制系統(tǒng)，比例帶可適當(dāng)選定大一點(diǎn)，如液位控制系統(tǒng)，其控制對(duì)象慣性都比較小，可選定PB=7080。在調(diào)節(jié)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5300之內(nèi)。,1-3-2比例作用規(guī)律,1-3-2比例作用規(guī)律,例3：氣動(dòng)比例調(diào)節(jié)器,假設(shè)給定值沒有變化，即M設(shè)=0，則：,F為波紋管的截面積，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)）？改變反饋力臂的長(zhǎng)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)反饋波紋管的位置來實(shí)現(xiàn)。左移l3增長(zhǎng)負(fù)反饋增強(qiáng)K減小PB增大比例作用減弱；反之。實(shí)際在調(diào)節(jié)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，這些可以忽略不計(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(jiǎn)單，控制作用及時(shí)，是其它控制規(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、比例作用控制導(dǎo)致系統(tǒng)存在靜態(tài)偏差，比例作用強(qiáng)，靜態(tài)偏差小，但無法避免。,1-3-2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）：控制器的微分作用是指其輸出與輸入的微分，即偏差變化速度成比例。,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絕對(duì)值沒有關(guān)系2、根據(jù)偏差變化速度，超前控制，抵制偏差：偏差出現(xiàn)開始，控制作用較強(qiáng)當(dāng)偏差值變化緩慢時(shí)，微分控制作用微弱偏差為常數(shù)時(shí)，微分控制器沒有輸出3、微分控制無法消除偏差，只能作為一種輔助控制作用。4、常用于控制對(duì)象慣性大，時(shí)延較明顯的對(duì)象。,1-3-3比例微分作用規(guī)律,比例作用為主，決定調(diào)節(jié)器的最終輸出變化量微分作用只起超前控制的輔助作用。,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)：（不要求掌握）,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衡量微分消失的快慢,1-3-3比例微分作用規(guī)律,例：氣動(dòng)PD調(diào)節(jié)器,微分消失的快慢取決于反饋回路中慣性環(huán)節(jié)的慣性大小,2,1,1-3-3比例微分作用規(guī)律,只考慮變化量：,當(dāng)給定值pG不變時(shí)，偏差e實(shí)際上就是測(cè)量值的變化，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)節(jié)器,微分消失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，微分消失得越快，即微分時(shí)間Td越短，微分作用越弱；反之亦然。當(dāng)微分消失后，調(diào)節(jié)器的輸出大小與偏差成比例，比例作用的強(qiáng)弱由負(fù)反饋波紋管的位置進(jìn)行調(diào)整。,小結(jié)1、微分作用具有超前調(diào)節(jié)的功能，輸出減小的過程即為微分消失過程；2、微分作用不能單獨(dú)用作調(diào)節(jié)器，一般與比例或者比例積分一起構(gòu)成PD或者PID調(diào)節(jié)器；3、微分時(shí)間短，微分消失得快，微分作用弱，反之；4、調(diào)節(jié)器最后輸出與偏差成比例，即剩下比例作用5、比例微分作用為有差控制器，適用于對(duì)靜態(tài)精度要求不高的場(chǎng)合。,1-3-3比例微分作用規(guī)律,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）：控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、可以消除靜態(tài)偏差；2、控制作用不及時(shí)，超調(diào)嚴(yán)重，波動(dòng)大；3、常與比例作用（P）一起組成比例積分（PI）調(diào)節(jié)器。,1-3-4比例積分作用規(guī)律,a為比例控制過程b是積分控制過程,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)節(jié)器的輸出及時(shí)響應(yīng)偏差的變化，起著主導(dǎo)作用，而積分作用是輔助的，用來消除靜態(tài)偏差,1-3-4比例積分作用規(guī)律,若給PI調(diào)節(jié)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；第二項(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h，則輸出,當(dāng)t=Ti時(shí)，=h,Ti等于控制器的輸出變化到與其階躍輸入量相等時(shí)所需的時(shí)間。,h0,h0,A,B,TIA,TIB,積分控制器的動(dòng)態(tài)特性越陡，積分時(shí)間越小，表明控制器作用越快，積分作用越強(qiáng)，即控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)節(jié)器的整定原則：在PI調(diào)節(jié)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)定性差如果Ti值不能進(jìn)行準(zhǔn)確地整定，可以采用寧大勿小的策略。因?yàn)門i值略微偏大時(shí)，盡管積分作用偏弱，但只會(huì)使消除靜態(tài)偏差的時(shí)間稍長(zhǎng)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)控制對(duì)象慣性大，選取Ti值要大一些，反之。,1-3-4比例積分作用規(guī)律,Ti對(duì)控制系統(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,氣動(dòng)PI調(diào)節(jié)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)節(jié)作用就一直存在，消除靜態(tài)偏差,正作用調(diào)節(jié)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(zhǎng)，積分作用減弱積分時(shí)間縮短，積分作用增強(qiáng),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(cè)量值=給定值若測(cè)量值給定值，（PZ=PF），杠桿會(huì)在積分的作用下一直順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，輸出將一直增加，直到。,1-3-4比例積分作用規(guī)律,總結(jié)1、積分作用可以消除靜態(tài)偏差；2、積分時(shí)間Ti長(zhǎng)，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、比例積分控制器中積分時(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，吸收積分作用能消除靜態(tài)偏差以及微分作用能實(shí)現(xiàn)超前控制的優(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,比例積分微分控制器的階躍響應(yīng),PID調(diào)節(jié)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)節(jié)器內(nèi)部的綜合反饋；2、在比例積分調(diào)節(jié)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)節(jié)器）。,PID調(diào)節(jié)器的功能變化：,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)節(jié)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)節(jié)器中應(yīng)加入?若控制對(duì)象慣性較大，則調(diào)節(jié)器應(yīng)加入?若控制對(duì)象慣性較大且要求較高的靜態(tài)指標(biāo)，則應(yīng)加入?如：鍋爐水位等液位控制系統(tǒng)，不宜采用包含D的調(diào)節(jié)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)節(jié)閥的開度忽大小，造成水位的大起大落，閥泵等頻繁啟動(dòng)。,3-5比例積分微分作用規(guī)律,I,D,ID,各種控制過程常用的控制規(guī)律如下：液位：滯后不大，一般控制要求不高用P或PI控制規(guī)律。流量：滯后很小，時(shí)間常數(shù)小，測(cè)量信號(hào)中雜有噪音用PI控制壓力：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控制規(guī)律。溫度：容量滯后較大，時(shí)間常數(shù)大。常用PID控制規(guī)律。,3-5比例積分微分作用規(guī)律,NAKAKITA氣動(dòng)PID調(diào)節(jié)器：其三種作用規(guī)律通過內(nèi)部綜合反饋實(shí)現(xiàn)常用于冷卻水溫度控制系統(tǒng)和燃油粘度控制系統(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,2,3,4,負(fù)作用式,NAKAKITA氣動(dòng)PID調(diào)節(jié)器：在調(diào)節(jié)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，即輸入偏差相同的情況下，擋板開度變化要大，比例作用增強(qiáng)，比例帶減小給定值由給定旋鈕確定，給定旋鈕的角度變化通過連接桿件一方面改變給定指針（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)節(jié)器輸出變化,3-5比例積分微分作用規(guī)律,據(jù)實(shí)際需要，該調(diào)節(jié)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)別在于噴嘴背壓的變化將與測(cè)量值的變化方向相一致，而不是相反。當(dāng)應(yīng)用于燃油粘度控制系統(tǒng)時(shí)，一般應(yīng)采用反作用方式。,3-5比例積分微分作用規(guī)律,正作用式切換,電動(dòng)PID調(diào)節(jié)器：在船舶機(jī)艙中，有些控制系統(tǒng)是采用電動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)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，給定旋鈕的角度變化通過連接桿件一方面改變給定指針（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)節(jié)器輸出變化,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)節(jié)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)節(jié)器：在船舶機(jī)艙中，有些控制調(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)節(jié)器：在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律是采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)的，稱為調(diào)節(jié)器作用規(guī)律的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。采用了單片機(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)定控制算法程序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)行上述控制過程并不是像模擬儀表那樣連續(xù)進(jìn)行的，而是每隔一定的周期（稱為采樣周期，用T表示）進(jìn)行一次測(cè)量采樣和控制量輸出。,a、位置式PID控制算法：,3-5比例積分微分作用規(guī)律,在采樣