调节器及调节作用规律

被调量静差
消失
上升时间
例： (65C 60C ) /(100C 50C ) 100% 32% (10mA 5mA) /(20mA 4mA)
当控制器的输出作100%（全行程，如阀开--关）变化时， 其输入量变化（数值上等于被控量的变化）的百分数。
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
比例带越小，比例作用越强；比例带越大，比例 作用越弱。
Company name
调节器及调节作用规律
轮机自动化教研室
DLMU
引言
r(t)
+-
e(t) 调节器
p(t)
b(t)
执行 q(t) 机构
测量 单元
f(t)
控制 y(t) 对象
DLMUBiblioteka Baidu
引言
– 系统为偏差驱动 – 调节器的输入是被控量的偏差值 – 调节器的输出是控制量 – 可看作一个对象或环节 – 调节器的作用规律：
控制对象惯性大的控制系统，可使比例带小一点， 如温度、粘度等控制系统，其控制对象惯性比较 大，可选定PB = 50％左右。反之，对于控制对 象惯性小的控制系统，比例带可适当选定大一点， 如液位控制系统，其控制对象惯性都比较小，可 选定PB = 70％～80％。
在调节器上都设有比例带调整旋钮，用来设定比 例带，一般在5％～300％之内。
DLMU
被控量在设定的上限和下限之间变化，调节器的输出只有两 个状态（0或1）。
§1-3-1双位作用规律
DLMU
被控量在设定的上限和下限之间变化，调节器的输出只有两 个状态（0或1）。
例1 浮子式锅炉水位的双位控制系统
被控量输出曲线
p(t)
被控量
开 执行机构
关
动作范围
水位与电动机通断之间的关系图
1
p(t) f [e(t)]
DLMU
引言
两种类型 调节器
正作用式
随着测量值的增 加，调节器的输 出也增加
反作用式
随着测量值的增 加，调节器的输 出减小
DLMU
引言
调节器研究的两个方面：
1. 作用规律：p(t)=f(e(t))，即传递函数的结构。 也称控制规律或调节规律。
2. 作用强度：每一种控制规律的控制强度。反映 在传递函数中，如比例系数、积分时间、微分 时间。
p测
Rd
2 微分阀 1
p出
恒气阻 放大器
气动比例微分调节器原理图
p给
气源
§1-3-3 比例微分作用规律
DLMU
pF FFl1 pG FGl3 pC FCl2
FF FG FC
只考虑变化量：
pF FFl1 pG FGl3 pC FCl2
pG 0
pF

FCl2 FF l1
emin emax e(t)
双位作用规律
§1-3-1双位作用规律
DLMU
例1： 浮子式辅锅炉水位双位调节器
如何调整水位的上下限值？ 上下限值区间的幅度太小有什么样的结果？
1-浮子室 2-浮子 3-调节板框架 4-枢轴 5-上、下限销钉 6、12-同极性永久磁铁；7-静触点 8-开关箱 9-转轴 10-转杆 11-动触点
p(t) K e(t)
e(t ) e
K—比例系数
0
t
p(t)
K 比例作用强
Ke
K 比例作用弱
0
t
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
例2：浮子式水位比例控制系统
Δμ
调节阀 进水
a
b
杠杆 支点
Δh
浮子杆
浮子 h
水柜
k a h b
p(t) a e(t) b
出水
施加外部扰动
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
如何改变比例系数？
为什会存在静态偏差？ 控制器的输出依赖于偏差的存在而存在。假设无偏差，则 阀的开度恢复平衡前的状态，平衡被打破。
静态偏差与比例系数的关系
K越大，稳态时静态偏差越小，反之亦然。 适用场合
比例调节器广泛应用于对被控量稳态精度要求不是很高的 场合
3、微分时间短，微分消失得快，微分作用弱，反之； 4、调节器最后输出与偏差成比例，即剩下比例作用 5、比例微分作用为有差控制器，适用于对静态精度要求不高
的场合。
§ 1-3-4 比例积分作用规律
DLMU
r(t)
e(t)
+-
PI
p(t)
b(t)
执行 q(t) 机构
测量 单元
f(t)
控制 y(t) 对象
§ 1-3-4 比例积分作用规律
DLMU
1、积分作用（I）：控制器的输出与输入之间呈积分关系。
x o
(t)

1 TI
t
e(t)dt
0
TI —积分时间。 TI ↑→积分作用↓
§ 1-3-4 比例积分作用规律
DLMU
a为比例控制过程 b是积分控制过程
积分作用特点
1、可以消除静态偏差； 2、控制作用不及时，超调严重，波动大；
略。因为 Ti 值略微偏大时，尽管积分作用偏弱，但只会 使消除静态偏差的时间稍长而别无它害。积分时间 Ti 的 整定范围一般在3s至20min之内 • 控制对象惯性大，选取 Ti 值要大一些，反之。
§1-3-4 比例积分作用规律
DLMU
积分时间TI 积分作用
小←→大 强←→弱
稳定程度
降低←→增高
短期最大偏差 小←→大
p(t)

Sd

de(t) dt
Sd为微分系数
实际微分作用的输出特性
§ 1-3-3 比例微分作用规律
DLMU
微分作用特点： 1、微分作用的输出与偏差的绝对值没有关系 2、根据偏差变化速度，超前控制，抵制偏差：
a) 偏差出现开始，控制作用较强 b) 当偏差值变化缓慢时，微分控制作用微弱 c) 偏差为常数时，微分控制器没有输出 3、微分控制无法消除偏差，只能作为一种辅助控制作用。 4、常用于控制对象惯性大，时延较明显的对象。
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
2、比例带δ（或 PB）：是指调节器的相对输入量与相对输出 量之比的百分数.
PB( ) e / X imax 100% X Omax e 100 R 100%
p / X O max
X imax p
K
R为量程系数，在单元组合仪表中，R=1，则PB=1/K×100%。
1、比例作用规律实现简单，控制作用及时，是其它 控制规律（双位除外）的基础；
2、比例作用强弱取决于比例带或比例系数，比例带 大比例作用弱，比例系数大比例作用强；
3、比例作用控制导致系统存在静态偏差，比例作用 强，静态偏差小，但无法避免。
§ 1-3-3 比例微分作用规律
DLMU
3、微分作用（D）：控制器的微分作用是指其输出与输入 的微分，即偏差变化速度成比例。

K p测
K F测 l2 F反 l3
F为波纹管的截面积，两者一般相等
l为力臂，一般固定不变
K为负数—负作用（作用方式）
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
K F测 l2 F反 l3
如何调整比例带（比例系数）？
改变反馈力臂的长度，来调整比例系数（K比例带PB）， 实物上通过比例带旋钮可以左右移动反馈波纹管的位置来实 现。
§1-3-4 比例积分作用规律
DLMU
TIB
B
TIA
A
Δh0
Δh0
若 k=1 ，输入偏差为Δh，则输出 当 t=Ti 时， Δμ= Δh

1 TI
0t
h
dt

h TI
t
Ti 等于控制器的输出变化到与其阶跃输入量相等时所需的时间。
积分控制器的动态特性越陡，积分时间越小，表明控制器作用越快，积分作用越 强，即控制作用积累到同一值时所需时间越短。
§ 1-3-3 比例微分作用规律
DLMU
比例微分作用（PD）：在比例作用的基础上加入微分作 用而得到的一种作用规律
p(t)

Ke(t)
Sd
de(t) dt

K[e(t) Td
de(t ) ] dt
Td Sd / K 称为微分时间，K为比例系数
比例作用为主，决定调节器的最终输出变化量 微分作用只起超前控制的辅助作用。
§1-3-1双位作用规律
DLMU
例2：双位式压力调节器
根据测量压力的上限值 和下限值输出不同的开 关量信号，如： • 锅炉蒸汽压力 • 日用淡水压力 • 空气瓶压力等
给定弹簧：调整的是压力开 关的下限值 幅差调整旋钮：调整幅差 （上限值）
YT-1226型压力调节器
§1-3-1双位作用规律
DLMU
Ti
Ti
Ti
Ti
• 第一项为比例输出，在阶跃输入瞬间，比例作用把输入量 放大到K
倍。由于此时时间t = 0 ，故没有积分输出；
•
第二项
是积分输出，它与时间
t
保持线性关系，其斜率为
Ke Ti
§ 1-3-4 比例积分作用规律
DLMU
当时间进行到Ti时， 输出为2Ke，
以此，积分时间的物理意义： 阶跃输入信号作用下，积分输出达 到比例输出所需的时间
3、常与比例作用（P）一起组成比例积分（PI）调节器。
§ 1-3-4 比例积分作用规律
DLMU
2、比例积分作用（PI）：在比例作用的基础上加入积分 作用而得到的作用规律。
p(t)

Ke(t)

S0 e(t)dt

K[e(t)

1 Ti
e(t)dt]
K—比例系数，S0 积分系数，Ti 积分时间
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
例3： 气动比例调节器
M设 M测 M反
喷嘴挡板
反馈波纹管
杠杆
设定 气源
弹簧
放大器
支点
测量值
输出
测量波纹管
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
假设给定值没有变化，即M设=0 ，则：
p测 F测 l2 p出 F反 l3 0
p出
p测 F测 l2 F反 l3
主要内容
DLMU
§1-3-1 位式调节器 §1-3-2比例调节器 §1-3-3比例微分调节器 §1-3-4比例积分调节器 §1-3-5比例积分微分调节器
§1-3-1双位作用规律
DLMU
r(t)
e(t) +-
双位
p(t)
b(t)
执行 q(t) 机构
测量 单元
f(t)
控制 y(t) 对象
§1-3-1双位作用规律
pC

l2 l1
pC
当给定值pG不变时，偏差e实际上就是测量值的变化pC ， 而负反馈回路的惯性过程结束时，pF p出 即:
p出

l2 l1
e
只剩比例作用
§1-3-3 比例微分作用规律
DLMU
气动PD调节器
微分消失的快慢取决于反馈回路中惯性环节的惯性大小， 可由微分阀Rd进行调整。
积分时间小→积分作用强→系统稳定性差→上升时间短→振荡周期小
§1-3-4 比例积分作用规律
DLMU
PI调节器的整定原则： • 在PI调节器上设有两个旋钮，分别用来整定PB、Ti 。 • 在整定 Ti 时，切忌值整定得太小，否则积分作用太强，
系统稳定性差 • 如果 Ti 值不能进行准确地整定，可以采用宁大勿小的策
§1-3-3 比例微分作用规律
DLMU
（a）若输入为阶跃信号：（不要求掌握）
Td为带惯性性质的微 分环节的作用下降了 63.2%所需的时间
Td衡量微分消失的快慢
§1-3-3 比例微分作用规律
DLMU
例：气动PD调节器
负反
馈波纹管 F
l1 l2
l3
测量 波纹管
C
给定 G
波纹管
Cd
微分气室
微分消失的快慢取决于反馈回 路中惯性环节的惯性大小
PL
调幅旋钮标记 有10个格的刻 度档：
P=0.07+ (0.25-0.07) *X/10
YT-1226型压力调节器
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
r(t)
e(t)
+-
P
p(t)
b(t)
执行 q(t) 机构
测量 单元
f(t)
控制 y(t) 对象
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
1、比例作用规律（P）：控制器的输出变化量与输入（偏差） 变化量成比例。
比例作用能使调节器的输出及时响应偏差的变化，起着主 导作用，而积分作用是辅助的，用来消除静态偏差
§ 1-3-4 比例积分作用规律
DLMU
若给PI调节器一个阶跃的输入偏差信号，其阶跃量为常数 e，则
p(t) K(e 1 edt) K(e e dt) Ke(1 t ) Ke Ke t
左移→ l3增长→负反馈增强→ K减小→ PB增大→比例作用减弱；反之。
实际在调节器的工作过程中，杠杆上还会产生一些附加力 矩，如喷嘴气流产生的反作用力矩、各个弹性部件产生的 变形力矩等。但由于附加力矩很小，只要K足够大，这些可 以忽略不计，因此未予考虑
§1-3-2 比例作用规律
DLMU
总结
微分阀Rd开度越大，微分消失得越快，即微分时间Td 越 短，微分作用越弱；反之亦然。
当微分消失后，调节器的输出大小与偏差成比例，比例 作用的强弱由负反馈波纹管的位置进行调整。
§1-3-3 比例微分作用规律
DLMU
小结
1、微分作用具有超前调节的功能，输出减小的过程即为微分 消失过程；
2、微分作用不能单独用作调节器，一般与比例或者比例积分 一起构成PD或者PID调节器；