自动调节器典型调节规律及调节过程分析(1)
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第八章 调节器调节规律及其对过程影响
第一节 自动调节器典型调节规律及调节过程分析
调节器的基本调节规律是模拟运行人员的基本操作,是运行人员调节动作精华的总结。选择合适的调节器动作规律是热工自动人员的职责范畴,但运行人员如果能理解各种动作的调节过程,就能够使用好相应的自动调节系统。
自动调节的目的是要及时准确地进行调节,前面我们已经讲到基本环节由比例、积分、惯性、微分、迟延组成。因为惯性、迟延环节不符合及时准确的要求,所以我们可考虑的就只有比例、积分、微分这三种特性了(积分、微分调节规律一般不能单独使用)。自动调节器的典型动作规律按照环节特性可分为比例(P )、比例积分(PI )、比例微分(PD )、比例积分微分(PID )。
一、典型调节规律 1. 比例(P )调节规律
比例调节作用简称为P 作用,是所有调节器必不可少的一种典型调节作用。P 作用实质上就是典型环节中的比例作用。不过这个环节一般用电子元件构成的电路来实现,其输入输出都是电信号。
比例环节的传递函数P K W =,P K 称为比例环节的比例放大系数;而在比例(P )调节作用中,传递函数习惯上表示成δ
1
=P W , (8-1)
式中 P
K 1
=
δ——调节器的比例带(比例度),δ越大,比例作用越弱。 下面以如图8-1所示的采用浮子式比例调节器的水位调节系统为例,说明比例调节器的调节规律。该系统的被调对象是有自平衡能力的单容水箱;浮子起到检测器的作用,用于感受水位的变化;比例调节器就是杠杆本身,杠杆以O 点为支点可以顺时针或逆时针转动。给定值的大小与给定值连杆的长短有关;选择流入侧阀门作为调节阀,由调节器来控制它的开度变化。当某种扰动使水位升高时(说明此时流入量1q >流出量2q ),浮子随之升高,通过杠杆作用使阀门芯下移,关小调节阀,流入量1q 减小直至等于流出量
2q 。反之,当某种扰动使水位降低时(说明此时流入量1q <流出量2q ,浮子随之降低,通过杠杆作用使阀门芯上移,开大调节阀,流入量1q 加大直至等于流出量2q 。这样,就可以自动地把水位H 维持在某个
高度附近,完成水位的自动调节。↓↑⇒μh ,↑↓⇒μh ,动作方向始终正确,朝着减小被调量波动的方向努力。比例调节器的动画演示见光盘第八章目录下”比例调节器流出侧扰动(阶跃减少)”和“比例调节
图示中连杆长度为L ,水位如图8-1所示。假设在目前调节阀门开度μ下流入流出正好平衡,水位稳定不变。此时,将给定值连杆变短后重新装入,由于连杆变短,水位还是原数值没有变化,所以调节器杠杆右侧下降左端升高,调节阀门开度阶跃开大,使流入量1q 阶跃增加,21q q >,进而引起水位H 上升,水位上升的同时,调节杠杆右侧又不断回升,杠杆左端下移,调节阀开度不断关小,使1q 减小,当21q q =时,水位处于新的平衡状态。这个新的水位高于原来的水位,所以给定值连杆长度变短相当于给定值的增
加,给定值连杆的长度就代表给定数值的大小。
自动调节系统主体是由被调对象(单容水箱)、调节机构(流入侧阀门)、检测器(浮子)、调节器(杠杆)、执行器(阀门杆)组成,方框图如图8-2所示。
图8-2 比例调节系统方框图
图中
m
K代表检测器(浮子)传递函数,此系统
m
K=1;(为了分析方便,对调节系统进行简化,假
设检测器和执行器的传递函数都等于1(实际系统虽然不等于1但等于常数),故图8-2上省略执行器);
1
μ
K
反映流入侧阀门开度和流量之间的关系;
δ
1
为调节器传函,此系统
b
a
=
δ
1
;
As
1
反映水箱这一环节净流量
与水位的关系;
2
R代表水箱流出侧阀门阻力;λ代表流出侧阀门开度扰动;
2
μ
K反映流出侧阀门开度与流量之间的关系。
选择给定值G为输入,水位H为输出,传递函数可化简为
1
)1
(
1
)1
(
2
1
2
2
1
2
1
2
1
2
2
1
2
2
1
2
2
1
+
+
+
=
+
+
=
+
+
+
=
s
R
K
AR
R
K
R
K
R
K
s
AR
R
K
s
AR
R
K
s
AR
R
K
W
μ
μ
μ
μ
μ
μ
μ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
δ
(8-2)
是一个一阶惯性环节,稳态放大系数
2
1
2
1
R
K
R
K
K
μ
μ
δ+
=(8-3)
当给定值扰动为幅值为
x的阶跃扰动时,输出水位的稳态值为
2
1
2
1
)
(x
R
K
R
K
h
μ
μ
δ+
=
∞(8-4)
δ
δ
δ
δμ
μ
μ
μ
2
1
2
1
2
1
2
1
1
1
)
(
)
(
)
(
R
K
x
R
K
x
x
R
K
R
K
x
h
G
e
+
=
+
=
+
-
=
∞
-
=
∞
(8-5)可以看出,静态偏差与δ成正比。
如图8-2所示系统,给定值单位阶跃扰动仿真曲线如图8-3所示,从图中可知,随着δ↑,静态偏差)
(∞
e
也相应↑,但响应曲线始终体现为一阶惯性环节特性,为非周期响应,系统始终很稳定。Matlab文件见光盘第八章目录下“BiLiXT01.mdl”。