自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)

自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)與應(yīng)用前言

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，自動(dòng)化是保障安全生產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量、降低成本、增加經(jīng)濟(jì)效益，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的有力措施之一。自動(dòng)控制系統(tǒng)是依靠?jī)x表與自動(dòng)控制裝置進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程控制的。它能模仿人的從復(fù)勞動(dòng)，包括體力勞動(dòng)和腦力勞動(dòng)。生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)調(diào)節(jié)，是根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，使生產(chǎn)過(guò)程中的某些工藝參數(shù)按一定規(guī)律變化的一種技術(shù)措施。自動(dòng)調(diào)節(jié)雖然是重復(fù)地自動(dòng)實(shí)現(xiàn)人工調(diào)節(jié)的既有規(guī)律，但是它在精度和快速等方面大大優(yōu)于人工調(diào)節(jié)。近來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)在工業(yè)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)已成為工業(yè)自動(dòng)控制的主體?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有計(jì)算機(jī)就不可能達(dá)到真正的自動(dòng)化。

概述

一、自動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)是從人工調(diào)節(jié)發(fā)展過(guò)來(lái)的，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，為了完成對(duì)某些工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，按照一定方式組合起來(lái)的儀表裝置和設(shè)備的整體稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或稱為自動(dòng)控制系統(tǒng)。二、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳遞方框圖執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)器變送器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)對(duì)象給定測(cè)量偏差調(diào)節(jié)信號(hào)外部擾動(dòng)被調(diào)參數(shù)

在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的傳遞方框中，每個(gè)方框就稱為一個(gè)環(huán)節(jié)，基本上包括：調(diào)節(jié)對(duì)象、變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等環(huán)節(jié)。每一個(gè)環(huán)節(jié)都接受它前一個(gè)環(huán)節(jié)的作用，同時(shí)又對(duì)后一個(gè)環(huán)節(jié)施加作用，構(gòu)成一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分別完成對(duì)信號(hào)的檢測(cè)、運(yùn)算和控制作用。自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的就在于在有擾動(dòng)存在的情況下，通過(guò)檢測(cè)調(diào)節(jié)對(duì)象的被調(diào)量信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)節(jié)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，發(fā)出控制信號(hào)去控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而改變調(diào)節(jié)對(duì)象的輸入量，此調(diào)節(jié)作用通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)象本身漸漸穩(wěn)定下來(lái)。三、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分類自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)有多種分類方法，每一種分類方法都反映了自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的某一方面的特點(diǎn)，但在分析自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)特性時(shí)，給定值的形式不同，將會(huì)涉及到不同的分析方法，所以按給定值分類有以下三種：⒈定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)它在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛，要求系統(tǒng)中的被調(diào)參數(shù)保持恒定或基本恒定。⒉隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的被調(diào)參數(shù)以一定的精度跟隨給定值變化。⒊程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)也是被調(diào)參數(shù)以一定精度跟隨給定值變化的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在這里給定值既不是固定的，也不是隨機(jī)變化的，而是按工藝過(guò)程的要求，雖時(shí)間或其他參數(shù)以一定規(guī)律而變化的。開(kāi)環(huán)控制：調(diào)節(jié)系統(tǒng)的校正作用是按著影響生產(chǎn)過(guò)程擾動(dòng)量的測(cè)量進(jìn)行的。由于開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)無(wú)反饋回路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是，當(dāng)受到外部干擾時(shí)，一旦出現(xiàn)控制誤差無(wú)法補(bǔ)償。閉環(huán)控制：由于擾動(dòng)的影響，是被調(diào)參數(shù)偏離給定值產(chǎn)生偏差信號(hào)，作用于調(diào)節(jié)器改變被調(diào)參數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)象消除或減小偏差，可見(jiàn)閉環(huán)控制具有消除干擾的能力。開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)示意圖閉環(huán)調(diào)節(jié)示意圖

目前工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制絕大多數(shù)都是采用負(fù)反饋控制，這是自動(dòng)控制的最低形式，如果要使生產(chǎn)過(guò)程保持最優(yōu)狀態(tài)，就要開(kāi)發(fā)更智能、更完善和更科學(xué)的控制技術(shù)。調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象干擾調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對(duì)象給定偏差外部擾動(dòng)被調(diào)參數(shù)

最優(yōu)值自動(dòng)控制是預(yù)先將生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)方案輸入計(jì)算機(jī)，然后由各種檢測(cè)儀表將生產(chǎn)過(guò)程的各有關(guān)參數(shù)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先編好的程序，計(jì)算出當(dāng)時(shí)的最優(yōu)工作條件，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程中的有關(guān)參數(shù)，但生產(chǎn)過(guò)程中有許多干擾因素是事先無(wú)法估計(jì)的，也無(wú)法事先編入程序，于是，在最優(yōu)控制的基礎(chǔ)上又發(fā)展一種新技術(shù)，叫做自適應(yīng)控制技術(shù)。

自適應(yīng)控制生產(chǎn)時(shí)，由各種檢測(cè)儀表將生產(chǎn)過(guò)程中的各有關(guān)參數(shù)傳輸給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)當(dāng)時(shí)生產(chǎn)的各項(xiàng)工藝參數(shù)，自動(dòng)尋求最優(yōu)的生產(chǎn)工藝條件，一旦外界條件發(fā)生變化，計(jì)算機(jī)根據(jù)情況再重新尋找最優(yōu)的生產(chǎn)工藝條件，并能自動(dòng)修改，使生產(chǎn)過(guò)程始終保持在最優(yōu)狀態(tài)下進(jìn)行。自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，當(dāng)原系統(tǒng)處于相對(duì)平衡狀態(tài)，由于擾動(dòng)的影響，被調(diào)參數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，調(diào)節(jié)器等自動(dòng)化裝置就會(huì)自動(dòng)地改變被調(diào)參數(shù)以克服擾動(dòng)的影響，使系統(tǒng)又恢復(fù)平衡。從擾動(dòng)發(fā)生，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一時(shí)間內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)和參數(shù)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，把被調(diào)參數(shù)隨時(shí)間變化的過(guò)程稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，也叫做動(dòng)態(tài)過(guò)程。

對(duì)任何自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的要求都可以概括為三個(gè)方面：即穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速型。

系統(tǒng)的穩(wěn)定型是前提，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程大致有以下幾種形式。①為衰減震蕩，②為單調(diào)衰減，二者都屬于穩(wěn)定系統(tǒng)。③為發(fā)散振蕩，④為單調(diào)發(fā)散，二者都屬于不穩(wěn)定系統(tǒng)。⑤為等幅振蕩系統(tǒng)，屬于中性系統(tǒng)。衰減振蕩較為理想，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程大多數(shù)都采取這種過(guò)渡形式。①②③④⑤㈠衰減度ψ

在衰減過(guò)渡過(guò)程中，用衰減度ψ來(lái)表示被調(diào)參數(shù)衰減程度的大小。衰減度用過(guò)渡過(guò)程曲線前后峰值之差與前一峰值之比表示：ψ=(x1-x2)/x1=1-x2/x1

一般取

x1/x2=n:1，此曲線叫n:1衰減曲線，經(jīng)常取n=4~10，ψ=1-1/n=0.75~0.9

衰減度ψ越小，越接近于等幅振蕩過(guò)程；衰減度ψ越大，則接近于非振蕩過(guò)程。㈡最大偏差Xmax

最大偏差Xmax是過(guò)渡過(guò)程中的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，它是指過(guò)渡過(guò)程中被調(diào)參數(shù)最大偏離給定值的大小。㈢靜差靜差屬于準(zhǔn)確性的一個(gè)重要指標(biāo)。它是指過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)，被調(diào)參數(shù)的穩(wěn)定值與給定值之差，其值可以是正，也可以是負(fù)，其數(shù)值大小由生產(chǎn)過(guò)程所要求的精度來(lái)確定，我們希望靜差越小越好。㈣過(guò)渡時(shí)間從擾動(dòng)發(fā)生起至被調(diào)參數(shù)又建立新的平衡為止，這段時(shí)間稱為過(guò)渡時(shí)間。過(guò)渡時(shí)間越短，表示過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行得越快，即使擾動(dòng)很頻繁系統(tǒng)也能適應(yīng)。㈤振蕩周期和頻率在衰減度相同的情況下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比，一般希望周期短些為好。在過(guò)渡時(shí)間不變的情況下，如果振蕩周期太短，即振蕩次數(shù)增加，使得過(guò)渡不平穩(wěn)，而且增加了調(diào)節(jié)系統(tǒng)中活動(dòng)部件的松動(dòng)和磨損。以上這些品質(zhì)指標(biāo)，在不同的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中各有其重要性，應(yīng)根據(jù)具體情況分清主次，區(qū)別輕重，對(duì)于主要指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先保證。在一既定的系統(tǒng)里，幾個(gè)動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)之間是相互聯(lián)系又相互制約的，同樣，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)和靜態(tài)品質(zhì)指標(biāo)之間也是如此。對(duì)于一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)，如果對(duì)象是一個(gè)慢速生產(chǎn)過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程較慢，因而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性要求就低，反之，對(duì)于快速過(guò)程，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性要求就高。調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

任何一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，都是由調(diào)節(jié)對(duì)象和調(diào)節(jié)裝置所組成的。在不同的生產(chǎn)工藝過(guò)程中，調(diào)節(jié)對(duì)象千差萬(wàn)別，不同的調(diào)節(jié)對(duì)象要求采用不同類型的調(diào)節(jié)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)裝置，在調(diào)節(jié)裝置投入運(yùn)行之前，必須根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的具體特性，對(duì)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)整。因此，必須了解調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，才能做到有的放矢，收到預(yù)期的效果。調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指調(diào)節(jié)對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，被調(diào)參數(shù)隨時(shí)間變化的情況。衡量動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)（以加熱爐溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)為例）⒈放大系數(shù)加熱爐在受到突然擾動(dòng)后，溫度發(fā)生變化，最后穩(wěn)定在新的數(shù)值上。我們把加熱爐看成一個(gè)環(huán)節(jié)，當(dāng)它的輸入量改變?chǔ)時(shí)，它的輸出量改變了Δy，其關(guān)系為：Δy=KΔx

K叫做放大系數(shù)，放大系數(shù)大的調(diào)節(jié)對(duì)象，調(diào)節(jié)起來(lái)比較靈敏，但穩(wěn)定性差，而放大系數(shù)小的對(duì)象調(diào)節(jié)起來(lái)不靈敏但穩(wěn)定性好。一般希望對(duì)象的放大系數(shù)K小一些。⒉時(shí)間常數(shù)

所謂時(shí)間常數(shù)，是指參數(shù)作階躍變化后，儀表指示值達(dá)到參數(shù)變化值的63.2%時(shí)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間，時(shí)間常數(shù)是表示調(diào)節(jié)對(duì)象慣性大小的一個(gè)參數(shù)。⒊滯后時(shí)間對(duì)某些調(diào)節(jié)對(duì)象，當(dāng)輸入量變化后，輸出量并不立即改變，而須等待一段時(shí)間后才變化，這些調(diào)節(jié)對(duì)象的被調(diào)參數(shù)變化落后于擾動(dòng)的現(xiàn)象，稱為調(diào)節(jié)對(duì)象的滯后現(xiàn)象。根據(jù)滯后的性質(zhì)可分為兩類：傳遞滯后和容量滯后。傳遞滯后一方面與傳遞距離有關(guān)，另一方面與介質(zhì)流動(dòng)速度有關(guān)。傳遞滯后對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程非常有害，測(cè)量裝置遲遲不能將被測(cè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)傳送給調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器不能立即發(fā)出信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。容量滯后：它幾乎與調(diào)節(jié)對(duì)象的負(fù)荷和擾動(dòng)無(wú)關(guān)。僅取決于工藝設(shè)備的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行條件。時(shí)間滯后是設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，選擇儀表必須注意的問(wèn)題。對(duì)一些環(huán)節(jié)的時(shí)間滯后可采取適當(dāng)措施來(lái)解決：例如選擇快速測(cè)量元件，科學(xué)合理的安裝位置，對(duì)執(zhí)行環(huán)節(jié)加強(qiáng)維護(hù)、潤(rùn)滑等。綜上所述，簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)對(duì)象的特性，可以全面的用放大系數(shù)，時(shí)間常數(shù)及滯后時(shí)間三個(gè)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)來(lái)表征。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)特性

自動(dòng)調(diào)節(jié)的基本原理是根據(jù)偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，按照人們對(duì)調(diào)節(jié)規(guī)律的要求，調(diào)節(jié)器有各種各樣的結(jié)構(gòu)形式，它們的特性可分為：位式調(diào)節(jié)、比例調(diào)節(jié)、積分調(diào)節(jié)和微分調(diào)節(jié)等。㈠位式調(diào)節(jié)規(guī)律目前所采用的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置中，最簡(jiǎn)單的是位式調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)規(guī)律以電加熱爐的位式調(diào)節(jié)來(lái)分析。⒈二位式調(diào)節(jié)二位式調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)動(dòng)作只有“通”和“斷”兩種工作狀態(tài)。二位式爐溫控制系統(tǒng)示意圖位式調(diào)節(jié)的一個(gè)突出特點(diǎn)是被調(diào)參數(shù)始終不能穩(wěn)定在給定值上，它總是在給定值上下作周期性的波動(dòng)。因此，衡量一個(gè)位式調(diào)節(jié)過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)，用振幅和周期表示。由于二位式調(diào)節(jié)的溫度波動(dòng)很大，為減小波動(dòng)，可采用三位式調(diào)節(jié)。C調(diào)節(jié)儀表~⒉三位式調(diào)節(jié)三位式調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)動(dòng)作有“通”，“部分通”和“斷”三種工作狀態(tài)。與二位式調(diào)節(jié)不同之處在于，它控制兩個(gè)接觸器，這兩個(gè)接觸器相對(duì)應(yīng)的是儀表的下限給定值和上限給定值。三位式爐溫控制系統(tǒng)示意圖C1調(diào)節(jié)儀表~C2

位式調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)規(guī)律中最簡(jiǎn)單、也是最基本的斷續(xù)調(diào)節(jié)形式。它適用于調(diào)節(jié)對(duì)象的時(shí)間常數(shù)很大，而延遲時(shí)間又很小的工況。位式調(diào)節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，成本低的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)精度低，調(diào)節(jié)器動(dòng)作頻繁，故障率高，且噪音較大。在位式調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，被調(diào)參數(shù)總是持續(xù)的等幅振蕩，使它的應(yīng)用受到很大的限制。如果能使調(diào)節(jié)器的輸出與被測(cè)參數(shù)的偏差成正比的話，那就有可能大大提高調(diào)節(jié)對(duì)象的調(diào)節(jié)品質(zhì)。比例調(diào)節(jié)器就是根據(jù)被調(diào)參數(shù)的偏差大小成比例地輸出控制信號(hào)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)的。㈡比例調(diào)節(jié)（P）以加熱爐溫度調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)明。當(dāng)爐溫低于給定值時(shí)，就應(yīng)加大煤氣的閥門開(kāi)度，使?fàn)t溫上升，但閥門要開(kāi)多大視偏差的大小而定；反之，當(dāng)爐溫高于給定值時(shí)，就應(yīng)使閥門關(guān)小，關(guān)小多少也是由偏差大小來(lái)決定。也就是說(shuō)，閥門的開(kāi)度與被測(cè)參數(shù)的偏差是按照比例變化的，這就是比例調(diào)節(jié)的基本原理。用數(shù)學(xué)式表示為Δy=KPΔx

調(diào)節(jié)器輸出變化量與輸入變化量的比值稱為放大系數(shù)，也可用比例帶表示，它們的關(guān)系是倒數(shù)關(guān)系，雖然它們的表示方法不同，但都是表示調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)作用強(qiáng)弱的參數(shù)。

在比例調(diào)節(jié)過(guò)程中，當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，使被調(diào)參數(shù)發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)節(jié)，逐步使被調(diào)參數(shù)出現(xiàn)新的平衡，但此時(shí)被調(diào)參數(shù)的新穩(wěn)定值與給定值不相等，他們的差值叫余差或靜差。這個(gè)靜差的大小與調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)有關(guān)，放大系數(shù)越小，比例調(diào)節(jié)作用越弱，靜差就越大；反之，調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)越大，比例調(diào)節(jié)作用越強(qiáng)，靜差就越小。比例調(diào)節(jié)會(huì)產(chǎn)生靜差，這是比例調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。對(duì)調(diào)節(jié)要求不高的場(chǎng)合，可以單獨(dú)用比例調(diào)節(jié)；而對(duì)調(diào)節(jié)要求比較高的場(chǎng)合，就必須選擇另外的調(diào)節(jié)方式?？偨Y(jié)比例調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是：⑴比例調(diào)節(jié)的輸入量和輸出量呈一一對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系。⑵比例調(diào)節(jié)反應(yīng)速度快，數(shù)出與輸入同步，沒(méi)有時(shí)間滯后，因此其動(dòng)態(tài)特性很好。⑶比例調(diào)節(jié)的結(jié)果不能使被調(diào)參數(shù)完全回到給定值，而產(chǎn)生靜差（余差），這是由比例調(diào)節(jié)特性所決定的。㈢積分調(diào)節(jié)（I）積分調(diào)節(jié)作用是調(diào)節(jié)器的輸出變化量與輸入偏差值隨時(shí)間的積分成正比。用數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Δy=∫Δxdt/TI

其中：TI為積分時(shí)間

對(duì)于積分調(diào)節(jié)器，輸出變化量的大小，不僅決定于偏差的大小，而且取決于偏差存在的時(shí)間長(zhǎng)短。積分時(shí)間越長(zhǎng)，積分作用越弱；積分時(shí)間越短，積分作用越強(qiáng)。積分作用也可用積分常數(shù)（積分速度）表示，它們的倒數(shù)叫做積分時(shí)間。都是表示積分作用強(qiáng)弱的參數(shù)。積分調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)是它的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置是“浮動(dòng)”的，也就是說(shuō)，它和被調(diào)量之間沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此這也說(shuō)明了產(chǎn)生靜差的原因。積分調(diào)節(jié)器可以消除靜差，這是積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)，但也有缺點(diǎn)，只要與比例調(diào)節(jié)器加以比較就可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于比例調(diào)節(jié)器來(lái)說(shuō)當(dāng)被調(diào)參數(shù)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)器能立即按比例輸出控制信號(hào)，但積分調(diào)節(jié)器就做不到這一點(diǎn)，它需要一定的時(shí)間才能做出反應(yīng)，因此積分調(diào)節(jié)會(huì)使調(diào)節(jié)過(guò)程非常緩慢?；谏鲜鲈颍e分調(diào)節(jié)器很少單獨(dú)采用，一般只用在最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)對(duì)象，例如時(shí)間常數(shù)很小，而自衡率很大的調(diào)節(jié)對(duì)象。由于積分調(diào)節(jié)有消除靜差的優(yōu)點(diǎn)，往往作為一種輔助調(diào)節(jié)來(lái)加以利用。㈣比例積分調(diào)節(jié)（PI）積分調(diào)節(jié)雖然能消除靜差，但有滯后現(xiàn)象，比例調(diào)節(jié)沒(méi)有滯后現(xiàn)象，但存在靜差。目前比較廣泛應(yīng)用的是積分調(diào)節(jié)與比例調(diào)節(jié)組合構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)，或稱PI調(diào)節(jié)。比例積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是具有比例調(diào)節(jié)作用反應(yīng)快、無(wú)滯后的優(yōu)點(diǎn)，因而可以加速調(diào)節(jié)作用，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，又具有積分調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，可以消除靜差。因此對(duì)于一般調(diào)節(jié)對(duì)象，除了滯后時(shí)間特別大外，均可采用比例積分調(diào)節(jié)。㈤微分調(diào)節(jié)（D）微分調(diào)節(jié)是根據(jù)偏差信號(hào)的微分，即偏差變化速度而動(dòng)作的。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)，被測(cè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，微分調(diào)節(jié)根據(jù)被調(diào)參數(shù)的變化速度和方向，立即采取措施，即提前動(dòng)作，迅速抑制被測(cè)參數(shù)的變化。

理想微分調(diào)節(jié)的輸出變化量與輸入偏差變化速度成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

Δy=TDdΔXU/dt微分調(diào)節(jié)的輸出變化量只與偏差的變化速度有關(guān)，只要偏差ΔXU一有變化，微分作用立即動(dòng)作，調(diào)節(jié)輸出就有變化，偏差ΔXU變化速度越大，微分作用輸出越大。微分調(diào)節(jié)只對(duì)變化的偏差起調(diào)節(jié)作用，偏差存在，但變化速度為零，微分調(diào)節(jié)不起作用。顯然微分調(diào)節(jié)是不能單獨(dú)使用的，它總是依附于比例調(diào)節(jié)或比例積分調(diào)節(jié)。微分作用的強(qiáng)弱用微分時(shí)間來(lái)衡量，微分時(shí)間TD越大，微分作用越強(qiáng)，即超前時(shí)間越大。微分調(diào)節(jié)主要用于克服調(diào)節(jié)對(duì)象有較大的傳遞滯后和容量滯后。㈥比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）在自動(dòng)調(diào)節(jié)中，經(jīng)常將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)作用結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)，或稱PID調(diào)節(jié)，其輸出與輸入的關(guān)系可用數(shù)學(xué)式表示為

Δy=KP（Δx+∫t0Δxdt／TI+TDdΔx/dt）在一個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，當(dāng)擾動(dòng)一出現(xiàn)，即輸入一個(gè)階躍偏差Δx時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)等于比例作用、積分作用和微分作用三部分輸出之和。首先，微分作用立即動(dòng)作，使調(diào)節(jié)器輸出突然大幅度變化，然后就慢慢下降，比例作用也同時(shí)動(dòng)作，偏差減小，接著積分作用動(dòng)作，隨著時(shí)間增加，積分作用越來(lái)越起主導(dǎo)作用，最后慢慢的消除靜差。綜上所述，比例調(diào)節(jié)作用的輸出與輸入偏差大小成正比；積分調(diào)節(jié)作用的輸出與輸入偏差和積分速度成正比；微分調(diào)節(jié)作用的輸出與輸入偏差的變化速度成正比。調(diào)節(jié)器的正、反作用的確定在控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的正、反作用確定法：先做兩條規(guī)定：⑴氣開(kāi)調(diào)節(jié)閥為+A，氣關(guān)調(diào)節(jié)閥為－A；⑵調(diào)節(jié)閥開(kāi)大，被調(diào)參數(shù)上升為+B，下降為－B。則

A×B=“+”調(diào)節(jié)閥選反作用；

A×B=“－”調(diào)節(jié)閥選正作用。如：閥為氣開(kāi)+A，閥開(kāi)大，液位下降－B，則有：

（+A）×（－B）=“－”調(diào)節(jié)器選正作用。

調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定

在整定PID參數(shù)時(shí)應(yīng)充分熟悉它們的特性，以便在調(diào)試時(shí)抓住主要矛盾。

PID參數(shù)究竟需要多大，取決于調(diào)節(jié)對(duì)象和控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性。對(duì)于同一對(duì)象，不同的工藝控制參數(shù)，其PID參數(shù)也有所差異。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中，整定PID參數(shù)的原則是：①要使控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程盡量短；②最大偏差和超調(diào)量要?。虎蹟_動(dòng)作用后，減幅振蕩的次數(shù)盡可能少；④穩(wěn)定曲線要求盡可能平直；⑤靜差要?。徽ǖ姆椒ㄖ饕校孩崩碚撜ǚㄋ^理論整定法是從PID調(diào)節(jié)規(guī)律的概念出發(fā)，根據(jù)對(duì)象的特性和控制精度的要求從理論上得出各參數(shù)的整定數(shù)據(jù)。從PID的理論概念分析可知：①要使過(guò)渡過(guò)程盡可能短，應(yīng)選較強(qiáng)的比例作用、較強(qiáng)的積分作用和適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?。②要使超調(diào)量盡量小，使系統(tǒng)減幅振蕩，應(yīng)選較弱的比例作用、較弱的積分作用和較短的微分時(shí)間。整定時(shí)既要滿足前者，有不可忽視后者。從優(yōu)選法的觀點(diǎn)出發(fā)考慮到PID參數(shù)的折衷選取，故將比例和積分整定到中間值，而微分的參數(shù)應(yīng)視對(duì)象的具體特性來(lái)定，若在系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程中不會(huì)有過(guò)大的擾動(dòng)出現(xiàn)，微分作用應(yīng)盡可能小，甚至不用。反之，應(yīng)選取適當(dāng)?shù)闹?，一般情況不宜過(guò)大。⒉經(jīng)驗(yàn)法經(jīng)驗(yàn)法師實(shí)際工作者從豐富的實(shí)踐中根據(jù)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律和對(duì)象的特性總結(jié)出來(lái)的方法，也是目前應(yīng)用最廣泛的方法。經(jīng)驗(yàn)法實(shí)際上是一種試湊法，即先將調(diào)節(jié)器的參數(shù)放在某一數(shù)值上，將系統(tǒng)閉合起來(lái)，然后觀察調(diào)節(jié)過(guò)程曲線狀況，如果曲線不夠理想，則按某種程序?qū)?shù)反復(fù)試湊，直到調(diào)節(jié)質(zhì)量合格為止。

PID參數(shù)預(yù)先放在哪里以及反復(fù)試湊的程序是經(jīng)驗(yàn)法的核心。整定參數(shù)預(yù)先放置的位置要根據(jù)對(duì)象特性及參考儀表的量程而定。試湊程序可先用P，再加

I，最后再加D。調(diào)試時(shí)，首先將PID參數(shù)置于影響最小的位置，即P最大、I最大、D最小。按純比例系統(tǒng)整定比例度，使其得到比較理想的調(diào)節(jié)過(guò)程曲線，然后再把比例度放大1.2倍左右，將積分時(shí)間從大到小改變，同時(shí)注意觀察調(diào)節(jié)過(guò)程曲線，根據(jù)調(diào)節(jié)過(guò)程的實(shí)際狀況修改比例度和積分時(shí)間，這樣經(jīng)過(guò)多次的反復(fù)就可以得到合適的比例度和積分時(shí)間，如果在擾動(dòng)的作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不夠好，可以把比例度和積分時(shí)間適當(dāng)增加一些，使系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性。在調(diào)試中可以發(fā)現(xiàn)，如果比例度過(guò)小、積分時(shí)間過(guò)短和微分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都會(huì)產(chǎn)生周期性的激烈振蕩。但可以看出，積分時(shí)間引起的振蕩，其周期較長(zhǎng)；而比例度過(guò)小所引起的振蕩，周期較短；微分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起的振蕩，周期最短。如何正確判斷比例度過(guò)大或積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)？一般說(shuō)來(lái)，比例度過(guò)大，曲線不規(guī)則且較大的偏離給定值；如果曲線變化是非周期性的，慢慢的回復(fù)到給定值，就說(shuō)明積分時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。⑶衰減法即曲線衰減法，一般按1/4~1/10衰減。對(duì)于干擾較小的對(duì)象可用1/4衰減法。在進(jìn)行整定時(shí)，可先置比例度P和積分時(shí)間I最大、微分時(shí)間D最小，待穩(wěn)定后，逐步減小P值，再突變給定值，觀察振蕩情況，根據(jù)實(shí)際需要修改P值，直至呈現(xiàn)1/4衰減，此時(shí)記錄下比例度PS和衰減周期TS，然后再按“衰減法整定參數(shù)參考表”表初選PID參數(shù)，觀察曲線，若調(diào)節(jié)過(guò)程曲線不理想，可適當(dāng)調(diào)整。

衰減法整定參數(shù)參考表⒋臨界比例度法臨界比例度法是根據(jù)控制過(guò)程中臨界振蕩時(shí)的比例度和振蕩周期來(lái)整定PID參數(shù)的方法。如果一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在外界干擾作用下不能回復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài)，也不發(fā)散，而是產(chǎn)生一個(gè)等幅的不衰減振蕩，這樣的調(diào)節(jié)過(guò)程稱為臨界振蕩過(guò)程。被調(diào)參數(shù)處于臨界振蕩過(guò)程時(shí)，調(diào)節(jié)器的比例度稱為臨界比例

P（%）I（min）D（min）PI1.2PS0.5TSPID0.8PS0.3TS0.1TS調(diào)節(jié)規(guī)律參數(shù)度。臨界比例度法整定PID參數(shù)是在純P作用下，在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中從大到小逐步改變調(diào)節(jié)器的比例度，以得到臨界振蕩過(guò)程，如圖所示。從而確定臨界比例度PK和臨界周期TK的數(shù)值，再根據(jù)表“臨界比例度法整定參數(shù)參考表”所示的計(jì)算公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器PID參數(shù)的具體數(shù)值，即為所整定的PID參數(shù)。臨界比例度法整定參數(shù)參考表P（%）I（min）D（min）PI2.2PK0.85TKPID1.7PK0.57TK0.125TK調(diào)節(jié)規(guī)律參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由很多自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它們?cè)诎踩?yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗等方面起著重要作用，其中應(yīng)用最廣泛的有單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、多沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。㈠單回路自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)單回路自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)也稱為單參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)或簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)。它由一個(gè)測(cè)量對(duì)象、一個(gè)測(cè)量元件、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。它是最基本最簡(jiǎn)單的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其它復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是為之適應(yīng)新的要求而在簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。⒈典型的單參數(shù)調(diào)節(jié)為了對(duì)典型自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)有一個(gè)清晰、完整和正確的認(rèn)識(shí)，根據(jù)被調(diào)參數(shù)的性質(zhì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐一分析。⑴流量調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)是被調(diào)節(jié)參數(shù)和調(diào)節(jié)量都是流量。流量?jī)x表感受被調(diào)流量參數(shù)大小，并將信號(hào)送到調(diào)節(jié)器與給定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差大小和正負(fù)，向執(zhí)行器發(fā)出調(diào)節(jié)指令。調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，被調(diào)節(jié)流量也發(fā)生變化，直到測(cè)量值與給定值相一致。在被調(diào)節(jié)流量的管線上安裝調(diào)節(jié)閥，用節(jié)流方式調(diào)節(jié)是最常用的方法。但是在低流量時(shí)，會(huì)造成較大的能量損失。為了節(jié)約能源，目前也有用變頻器等裝置改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，以改變泵的出口流量。由于流體的流動(dòng)狀態(tài)和泵的振動(dòng)等原因，總存在高頻噪音干擾，所以在流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中一般不使用微分動(dòng)作。同時(shí)考慮到流量調(diào)節(jié)的快速性，選用儀表應(yīng)注意動(dòng)態(tài)匹配。即便如此，流量?jī)x表和調(diào)節(jié)閥在同一管線上，也存在低幅度振蕩。⑵液位調(diào)節(jié)容器液位的高低，是跟流入量與流出量之差的累積有關(guān)。流入量和流出量中，若一個(gè)量與生產(chǎn)工藝負(fù)載有關(guān)，則另一個(gè)量就可以選作調(diào)節(jié)量。所以液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)量雖是液位，調(diào)節(jié)量則是流