自動化裝置-調節(jié)器的參數(shù)

1、1第二節(jié)第二節(jié) 調節(jié)器的參數(shù)調節(jié)器的參數(shù) 一、比例帶一、比例帶PB 二、積分時間二、積分時間TI 三、積分增益三、積分增益KI 四、微分時間四、微分時間TD 五、微分增益五、微分增益KD 六、相互干擾系數(shù)六、相互干擾系數(shù)F2一、基本定義一、基本定義正反作用、正反作用、PB、TI、TD、KI、KD二、基本知識二、基本知識1.P、I、D、PI、PD等調節(jié)器階躍響應特性等調節(jié)器階躍響應特性曲線的繪制曲線的繪制（會在坐標上畫階躍作用下的響應曲線）（會在坐標上畫階躍作用下的響應曲線）2.PB、TI、TD的測試方法的測試方法（根據(jù)定義，實驗方法）（根據(jù)定義，實驗方法）3調節(jié)器輸入信號和輸出信號調節(jié)器輸入信

2、號和輸出信號輸入信號：輸入信號： 測量信號和給定測量信號和給定信號比較的偏差信信號比較的偏差信號，用號，用 X表示。表示。 X=Xi-Xs 輸出信號：輸出信號： 在偏差信號的作在偏差信號的作用下，輸出的變化用下，輸出的變化量，用量，用 Y表示。表示。 測量信號測量信號給定信號給定信號4習慣上習慣上 X0正偏差正偏差 X1Kp1呈現(xiàn)放大作用呈現(xiàn)放大作用kp xs x進入調節(jié)器，經進入調節(jié)器，經P運算后，則有運算后，則有y去克服去克服擾擾動動f，力圖使力圖使x ，但是但是P調節(jié)器的輸出調節(jié)器的輸出y和輸和輸入入x因成正比關系而有相互對應關系，若想因成正比關系而有相互對應關系，若想輸出一定的信號輸出

3、一定的信號y去克服去克服擾動擾動f的影響，就必的影響，就必須有一定的輸入信號須有一定的輸入信號x存在。存在。14 因此，比例調節(jié)過程結束時，總存在一因此，比例調節(jié)過程結束時，總存在一個個x ， x = xi xs 式中式中 xi 新穩(wěn)態(tài)值新穩(wěn)態(tài)值 xs給定值給定值 x 余差余差 所以，所以，P調節(jié)器當負荷發(fā)生變化時（調節(jié)器當負荷發(fā)生變化時（xi發(fā)發(fā)生變化），或給定值發(fā)生變化時（生變化），或給定值發(fā)生變化時（xs發(fā)生變發(fā)生變化）均會產生余差，其大小和比例增益有關?；┚鶗a生余差，其大小和比例增益有關。 KP 余差余差 15練習練習1一臺比例調節(jié)器，輸入信號一臺比例調節(jié)器，輸入信號15V，輸出信

4、輸出信號號420mA，若若PB=40%時，輸入信號變化時，輸入信號變化量為量為1V，輸出信號的變化量為多少？輸出信號的變化量為多少？分析分析:使用使用PB定義定義16 答：答： maxminmaxmin100%100%iiBXXXxPYyYY1(51)40%100%(204)VVYm Am A10YmA17練習練習2兩臺比例調節(jié)器，輸出信號的變化量相同，兩臺比例調節(jié)器，輸出信號的變化量相同，第一臺的輸入信號的變化量為第一臺的輸入信號的變化量為8mA，第二第二臺的輸入信號的變化量為臺的輸入信號的變化量為4mA，兩臺比例兩臺比例調節(jié)器，那一臺的比例增益大？調節(jié)器，那一臺的比例增益大？分析分析:使用

5、使用KP18答：答：y=KPx，y相等，相等，x越小，越小，KP越大，第越大，第二臺的二臺的KP大。大。19練習練習3液位控制系統(tǒng)采用純比例調節(jié)器，在開車液位控制系統(tǒng)采用純比例調節(jié)器，在開車前要對變送器、調節(jié)器和執(zhí)行器進行聯(lián)校，前要對變送器、調節(jié)器和執(zhí)行器進行聯(lián)校，當當PB=20%，偏差偏差=0時，手動操作使調節(jié)器時，手動操作使調節(jié)器的輸出的輸出=50%，若給定信號突變，若給定信號突變5%，試問，試問突變瞬間調節(jié)器的輸出處在什么位置上？突變瞬間調節(jié)器的輸出處在什么位置上？分析分析:使用使用PB定義定義、正反作用正反作用20答：答：PB=20%，表明表明KP=5；給定信號突變給定信號突變5%，表

6、明調節(jié)器的偏差信號，表明調節(jié)器的偏差信號同樣突變同樣突變5%;調節(jié)器的輸出信號變化量為調節(jié)器的輸出信號變化量為5%5=25%，考慮到正作用，調節(jié)器的輸出信號處于考慮到正作用，調節(jié)器的輸出信號處于50%+25%=75%;考慮到反作用，調節(jié)器的輸出信號處于考慮到反作用，調節(jié)器的輸出信號處于50%-25%=25%。21二、積分時間二、積分時間TI積分調節(jié)器的輸出信號和輸入信號對時間積分調節(jié)器的輸出信號和輸入信號對時間的積分成正比的積分成正比 xdtT1yI積分時間積分時間TI 積分作用積分作用 TI 積分作用積分作用 22 輸入階躍信號，輸出信號隨時間的延長輸入階躍信號，輸出信號隨時間的延長不斷增加

7、，當輸入信號結束時，輸出信號不斷增加，當輸入信號結束時，輸出信號就停留在某個位置上。就停留在某個位置上。 TI ，曲線斜率，曲線斜率 ，積，積 分作用分作用 ； TI ，曲線斜率，曲線斜率 ，積，積 分作用分作用 txty無定位特性TI小TI大23輸出信號和輸入信號存在的有關因素：輸出信號和輸入信號存在的有關因素：大小大小方向方向時間時間無定位特性無定位特性無定位特性的定義是：無定位特性的定義是：當輸入信號消除時，當輸入信號消除時，I調節(jié)器的輸出調節(jié)器的輸出可以穩(wěn)定在任何一個數(shù)值上可以穩(wěn)定在任何一個數(shù)值上24I調節(jié)器的特點調節(jié)器的特點 只要偏差存在，輸出就會隨著時間不只要偏差存在，輸出就會隨著

8、時間不斷地增長，直到偏差消除為止。斷地增長，直到偏差消除為止。 偏差剛出現(xiàn)時，積分輸出的反應緩慢，偏差剛出現(xiàn)時，積分輸出的反應緩慢，不象比例那樣及時迅速，導致動態(tài)偏差增不象比例那樣及時迅速，導致動態(tài)偏差增大，調節(jié)過程拖長。大，調節(jié)過程拖長。25三、積分增益三、積分增益KI xdt)T1(xKyIp積分時間積分時間比例增益比例增益比例積分調節(jié)器是比例作用和積分作用的比例積分調節(jié)器是比例作用和積分作用的疊加疊加26 輸入階躍信號，輸入階躍信號， 開始一瞬間，輸出信號向上跳躍一下，開始一瞬間，輸出信號向上跳躍一下，形成比例作用。然后，隨著時間的增形成比例作用。然后，隨著時間的增 加而逐漸上升，形加而

9、逐漸上升，形 成積分作用?？梢姵煞e分作用?？梢?PI調節(jié)器的輸出是調節(jié)器的輸出是 比例和積分的合成比例和積分的合成 ty xt27 PI調節(jié)器整定的參數(shù)調節(jié)器整定的參數(shù): PB和和TI TI的定義：的定義： 調節(jié)器在階躍輸入信號的作用下，調節(jié)器在階躍輸入信號的作用下，積分部分的輸出變化到和比例部分積分部分的輸出變化到和比例部分的輸出相等時所經歷的時間為的輸出相等時所經歷的時間為TI 重復一遍比例動作所需重復一遍比例動作所需要的時間，就是要的時間，就是TI 。28理想理想PI調節(jié)器調節(jié)器實際實際PI調節(jié)器調節(jié)器輸入信號長期存在輸入信號長期存在輸入信號長期存在輸入信號長期存在輸出信號隨著時間的輸出

10、信號隨著時間的增長不斷地變化增長不斷地變化輸出信號隨著時間的輸出信號隨著時間的增長趨于有限值增長趨于有限值KPKIx原因：原因：理想放大器的增益理想放大器的增益原因：原因：實際放大器的增益實際放大器的增益29 上述分析表明積分部分上述分析表明積分部分 的輸出具有飽和特性，的輸出具有飽和特性， 我們把我們把t時，時，PI調節(jié)調節(jié) 器出現(xiàn)積分飽和時的器出現(xiàn)積分飽和時的 增益增益K= KPKI稱為靜態(tài)稱為靜態(tài) 增益，式中的增益，式中的KI稱為稱為 積分增益。積分增益。xKPKIxKPxyttx積分增益積分增益30KI的物理意義表明實際的的物理意義表明實際的PI調節(jié)器消除余差的能調節(jié)器消除余差的能力，

11、力，KI余差余差 。 0( )( )PIIPK K xyKy tK xKI的定義：的定義： 在階躍輸入信號的作用下，在階躍輸入信號的作用下，實際的實際的PI調節(jié)器的輸出的最終調節(jié)器的輸出的最終變化量和初始變化量之比變化量和初始變化量之比 31PI調節(jié)器的特點調節(jié)器的特點 輸出信號響應速度快，輸出信號響應速度快， 消除余差。消除余差。32練習練習4 某調節(jié)器的某調節(jié)器的PB=100%，TI=2min，初始狀初始狀態(tài)輸入態(tài)輸入=輸出輸出=12mA，后來輸入信號從后來輸入信號從12mA階躍變化到階躍變化到14mA，試問經過多長時間后輸出試問經過多長時間后輸出信號可以達到信號可以達到20mA？分析：使

12、用分析：使用1()PtIyKxxdT33解：解：1()PtIyKxxdT1(2012)12( 2)2td182(2 )2t6()t 分34練習練習5 參見圖示曲線，曲線參見圖示曲線，曲線1為為PB=100%時的時的PI特性曲線，若其它條件不變，令特性曲線，若其它條件不變，令PB=50%，則曲線則曲線1變成曲線變成曲線2，對否？為什么？，對否？為什么？分析：使用分析：使用TI的定義的定義yt1235解：解： 不對，不對， 由曲線由曲線1的已知條件的已知條件PB=100%可以推導出曲線可以推導出曲線1的的TI為某個值，曲線為某個值，曲線2和和曲線曲線1的的TI值是相同的。但值是相同的。但是是PB=

13、100%變成了變成了PB=50%，比例部分的輸，比例部分的輸出有變化，在同一出有變化，在同一TI下應下應有有2倍的比例輸出，所以倍的比例輸出，所以曲線曲線2的斜率變陡峭。的斜率變陡峭。36四、微分時間四、微分時間TD微分調節(jié)器的輸出信號和輸入信號的變化微分調節(jié)器的輸出信號和輸入信號的變化速度成正比速度成正比 TD 微分作用微分作用 TD 微分作用微分作用 dtdxTyD微分時間微分時間37 輸入階躍信號，輸入階躍信號， t=t0瞬間，輸出信號跳向無瞬間，輸出信號跳向無窮窮大，大， t t0以后，返回零狀態(tài)。以后，返回零狀態(tài)。 ytt0 xtt038D調節(jié)器的特點調節(jié)器的特點 輸入變化速度越快，

14、輸出就越大，輸入輸入變化速度越快，輸出就越大，輸入無變化速度，即使經過長時間的積累輸入無變化速度，即使經過長時間的積累輸入變成較大的數(shù)值，微分輸出仍舊不響應。變成較大的數(shù)值，微分輸出仍舊不響應。39五、微分增益五、微分增益KD )dtdxTx(KpyD比例增益比例增益微分時間微分時間比例微分調節(jié)器是比例作用和微分作用的比例微分調節(jié)器是比例作用和微分作用的疊加疊加40給給PD調節(jié)器輸入一個階躍信號，調節(jié)器輸入一個階躍信號， tt0時，輸出跳向無窮大，時，輸出跳向無窮大， tt0時，又跳回比例部分時，又跳回比例部分xtt0 xtt041 上述的上述的D調節(jié)器和調節(jié)器和PD調節(jié)器都是理想的調節(jié)器都是

15、理想的 當輸入信號中含有高頻信號時，就會使輸出當輸入信號中含有高頻信號時，就會使輸出產生干擾信號，造成執(zhí)行器的誤動作。產生干擾信號，造成執(zhí)行器的誤動作。 實際實際PD調節(jié)器的都具有飽和特性。調節(jié)器的都具有飽和特性。 給實際的給實際的PD調節(jié)器輸入階躍信號時，在調節(jié)器輸入階躍信號時，在t=t0時，輸出不是無窮大，而是趨近于一個有時，輸出不是無窮大，而是趨近于一個有限值限值KPKDx，表明微分輸出有飽和特性，表明微分輸出有飽和特性，KD稱為微分增益。稱為微分增益。42 tt0以后，微分輸出的下降也不是瞬間以后，微分輸出的下降也不是瞬間完成，而是按指數(shù)規(guī)律下降，下降的快慢取完成，而是按指數(shù)規(guī)律下降，

16、下降的快慢取決于微分時間決于微分時間TD， 當當KD一定時，一定時， TD 微分作用微分作用 ， TD 微分作用微分作用 ， TD =0時，時， D作用消失，作用消失，PD調節(jié)調節(jié) 器就變成器就變成P調節(jié)器調節(jié)器 tytxt0KPKDxKPx(KPKDx- KPx)63.2%td = TD /KD43 KD ，微分作用微分作用 ； KD ，微分作用，微分作用 。 KD530，一般調節(jié)器，一般調節(jié)器KD均為常數(shù)。均為常數(shù)。0( )( )PDDPy tK K xKyK xKD的定義：的定義： 在階躍輸入信號的作用下，在階躍輸入信號的作用下，實際的實際的PD調節(jié)器的輸出的初始調節(jié)器的輸出的初始變化量

17、和最終變化量之比變化量和最終變化量之比 44 PD調節(jié)器整定的參數(shù)是調節(jié)器整定的參數(shù)是PB和和TD ，TD的定義：的定義： 在階躍輸入信號的作用下，實際的在階躍輸入信號的作用下，實際的PD調節(jié)器的輸出信號從開始的跳變值下降了調節(jié)器的輸出信號從開始的跳變值下降了最大值和新穩(wěn)態(tài)值之差的最大值和新穩(wěn)態(tài)值之差的63.2%所經歷的所經歷的時間時間td的的KD倍，就是微分時間倍，就是微分時間TD TD = td KD td 微分時間常數(shù)微分時間常數(shù)45PD調節(jié)器的特點調節(jié)器的特點 不論輸入信號多大，只要有變化趨勢，不論輸入信號多大，只要有變化趨勢，立即產生輸出信號，具有較強的調節(jié)作用，立即產生輸出信號，具

18、有較強的調節(jié)作用，這是一種先于比例作用的調節(jié)動作，所以這是一種先于比例作用的調節(jié)動作，所以稱為稱為“超前超前”調節(jié)。（超前是說調節(jié)。（超前是說D作用比作用比P作用超前的時間為作用超前的時間為td）46練習練習6 圖示曲線為調節(jié)器的階躍響應曲線，圖示曲線為調節(jié)器的階躍響應曲線，試回答：該曲線表示試回答：該曲線表示PD調節(jié)器的實際工況調節(jié)器的實際工況還是理想工況？還是理想工況？KD=?PB=?分析：分析： KP和和KD的定義的定義2Ii102Iott47解：解：1.表示表示PD調節(jié)器的實際工況，因為輸出具調節(jié)器的實際工況，因為輸出具有飽和特性。有飽和特性。2.KD=53. PB=100%(KP=1

19、)48練習七練習七 根據(jù)給定的輸入信號和條件，畫出根據(jù)給定的輸入信號和條件，畫出PD調節(jié)器的輸出信號波形。調節(jié)器的輸出信號波形。 PB=100%，TD=2min，KD=5分析：階躍響應波形分析：階躍響應波形xy11449yxKPKDxKPxKPKDxKPx50六、相互干擾系數(shù)六、相互干擾系數(shù)F )dtdxTxdtT1x(KpyDI比例增益比例增益微分時間微分時間積分時間積分時間比例積分微分調節(jié)器是比例作用、積分作比例積分微分調節(jié)器是比例作用、積分作用和微分作用的疊加用和微分作用的疊加51 輸入階躍信號，則輸出信號的變化規(guī)律輸入階躍信號，則輸出信號的變化規(guī)律是：是： 為理想的為理想的PID調節(jié)調

20、節(jié) 器器 為實際的為實際的PID調節(jié)調節(jié) 器器 ttxy實際的實際的PID調節(jié)器是調節(jié)器是微分和積分都有飽微分和積分都有飽和特性，關鍵在于和特性，關鍵在于KD和和KI均為有限值。均為有限值。52 PID調節(jié)器整定的參數(shù)是調節(jié)器整定的參數(shù)是PB、TI、TD。三三個參數(shù)在整定時相互之間有影響。用相互干個參數(shù)在整定時相互之間有影響。用相互干擾系數(shù)擾系數(shù)F來描述它們之間相互影響的程度。來描述它們之間相互影響的程度。BBPPF刻實TTFD刻D實ITTF刻I實1DITFT 53PID調節(jié)器的特點調節(jié)器的特點 反應迅速（反應迅速（P），）， 消除余差（消除余差（I），）， 超前動作（超前動作（D），54練習

21、八練習八一臺一臺ICE調節(jié)器，調節(jié)器，TI=2min，TD=0.5min，F(xiàn)=1+TD/TI ，若測量信號的指針由，若測量信號的指針由50%下降下降到到25%時，其純比例輸出信號由時，其純比例輸出信號由12mADC下降到下降到8mADC，該調節(jié)器的該調節(jié)器的實際比例帶實際比例帶為為多少？，該調節(jié)器的作用方向是正還是負？多少？，該調節(jié)器的作用方向是正還是負？分析：比例帶、相互干擾系數(shù)、正反作用分析：比例帶、相互干擾系數(shù)、正反作用55答：m a xm inm a xm in1 0 0 %1 0 0 %iiBXXXxPYyYY%10041/414mA20mA8mA12mA0%100%25%50%PB

22、F=1+TD/TI=1+0.5/2=1.25PB實際實際= PB刻度刻度/F=100%/1.25=80%正作用給定信號=056練習九練習九根據(jù)給定的階躍輸入信號，畫出調節(jié)器的根據(jù)給定的階躍輸入信號，畫出調節(jié)器的輸出信號波形圖。輸出信號波形圖。P調節(jié)器，調節(jié)器，PB=50%;PI調節(jié)器，調節(jié)器， PB=100%，TI=3min；PD調節(jié)器，調節(jié)器， PB=100%，TD=3min，KD=3。分析：階躍響應波形分析：階躍響應波形xt3129181-157作業(yè)：作業(yè)：1-6、某調節(jié)器的測量信號的指針由、某調節(jié)器的測量信號的指針由50%下下降到降到25%時，若該調節(jié)器的比例輸出信號時，若該調節(jié)器的比例

23、輸出信號由由12mADC下降到下降到8mADC，則調節(jié)器的實則調節(jié)器的實際比例帶為多少？該調節(jié)器的作用方向是際比例帶為多少？該調節(jié)器的作用方向是正還是負？正還是負？1-7、某比例積分調節(jié)器，正作用，、某比例積分調節(jié)器，正作用，PB=50%，TI=1min。開始時，測量、給定。開始時，測量、給定和輸出均為和輸出均為50%，當測量信號變化到，當測量信號變化到55%時，輸出信號變化到多少時，輸出信號變化到多少?1min后有變化到后有變化到多少多少?581-8、一臺比例微分調節(jié)器，一臺比例微分調節(jié)器，PB=100%，KD=5，TD=2min，若給它輸入一個圖示的，若給它輸入一個圖示的階躍信號，畫出它的

24、輸出響應曲線。階躍信號，畫出它的輸出響應曲線。Iit591-11、根據(jù)給定的輸出信號波形和條件畫出調節(jié)根據(jù)給定的輸出信號波形和條件畫出調節(jié)器的輸入信號的波形圖，見下圖。條件器的輸入信號的波形圖，見下圖。條件:PB=100%，TI=1.5min1-14、微分作用是（）調節(jié)作用，其實質是阻止、微分作用是（）調節(jié)作用，其實質是阻止（）的變化，以提高（）的穩(wěn)定性，使過程衰減（）的變化，以提高（）的穩(wěn)定性，使過程衰減得更厲害。得更厲害。TD越大，則微分作用（），越大，則微分作用（），KD越小，越小，則微分作用（）。則微分作用（）。1-15、一臺、一臺DTL121調節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時測量信號、給調節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時測量信號、給定信號、輸出信號均為定信號、輸出信號均為5mA，當測量信號階躍變，當測量信號階躍變化化1mA時，輸出信號立刻變成時，輸出信號立刻變成6mA，然后隨時間，然后隨時間均勻上升，當輸入信號到達均勻上升，當輸入信號到達7mA時所用的時間為時