《初级工》第七章 自动调节系统的基本知识及应用

2、简单水槽的阶跃反应函数和阶跃反应曲线
简单水槽的对象特性可用下式表示：
对上述方程求解得：
dh T h KQ1 dt
t T
h t KA 1 e

根据上式可以画出h～t曲线，也就是阶跃反应曲线：
=KA
阶跃作用：就是在某一瞬间t0，输入量突然阶跃式地
加到系统上，并继续保持在这个幅度。
放大系数：对象重新稳 态后，输出变化量与 输入变化量之比。 物理意义：如果有一定 的输入变化量A，通 过对象就被放大了K 倍变为输出变化量h()
h ( ) K A
a、放大系数K对控制系统的影响
对控制通道的影响： 放大系数越大，操纵变量的变化对被控变量的影响就 越大，控制作用对扰动的补偿能力强，有利于克服扰 动的影响；反之，放大系数小，控制作用的影响不显 著，对扰动的补偿能力弱。但放大系数过大，会使控 制作用对被控变量的影响过强，使系统稳定性下降。 对干扰通道的影响： 当扰动频繁出现且幅度较大时，放大系数大，被控变 量的波动就会很大，使得最大偏差增大；而放大系数 小，即使扰动较大，对被控变量仍然不会产生多大影 响。
Kp ——比例调节器的放大倍数
只需改变支点o的位置就可以改变放大倍数Kp 的大小。工业中所用的调节器都用比例度来表 示比例调节的强弱。
其中（xmax-xmin）为仪表量程，（ymax-ymin）为调 节器输出量的范围 但比例调节不能使被调量恢 复到给定值而存在余差，因而调 节准确度不高。当调节质量要求 较高时，需要加上积分调节来消 除余差。
要求水位 电位器连杆比较
〉
电机
阀门
水池
实际水位
<控制器>
浮子
2、自动调节系统中常用的名词和术语
调节对象：被调节的生产过程或生产设备称为 调节对象。 被调量：表征生产过程是否正常进行而需要加 以调节的物理量称为被调量。 给定值：被调量所应保持的希望值称为给定值 扰动：引起被调量偏离给定值的各种因素称为 扰动。 调节量：由调节机构改变的使被调量恢复到给 定值的物理量称为调节量。
四、微分调节
三、积分调节
1.积分调节作用：积分输出的变化速度与输入偏差成正比 即
X——偏差信号；y——调节器输出信号；Kt——积分速度
调节器输出信号的大小取决于偏差信号的大小和偏差存在时间 的长短。积分调节系统在最后到达稳定时，偏差为0。
在阶跃输入情况下，当积分调节器的输入偏差x是一常数A时：
积分调节器的输入是一常数A时，输出是一条直线， 斜率与Kt有关。只有当偏差延续较长时间时，才能有显著 调节作用。积分调节器不能单独使用。
1、不稳定的调节过程
（1）发散振荡过程 被控变量在给定值附近来回波功，而且振幅逐渐增大， 偏离给定值越来越远，如图（c）所示。 （2）等幅振荡过程 被控变量在给定值附近上下波动且振幅不变，最终也不 能回到给定值，如图 (d)所示。
2、稳定的调节过程
（3）衰减振荡过程 被控变量在给定值附近上下波动，但振幅逐渐减小， 最终能回到给定值，如图 (c)所示。 （2）非周期过程 被控变量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且 随时间t的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值， 如图 (d)所示。
第二节 自动调节系统的过渡过程
第二节 自动调节系统的过渡过程
一、自动控制系统的静态与动态

当自动控制系统的被控参数不随时间变化，即被控 参数变化率等于零的状态，称为系统的静态；而把 被控参数随时间变化的状态称为动态。
控制过程：动态
控 制
静态
干 扰
动态
控 制
新的静态

静态是暂时的，动态是普遍的。 干扰作用使被控变量偏离给定值，打破平衡，控制作用使 被控变量变化一段时间内重新稳定，建立新的平衡。 自动控制系统总是处于一种频繁的、不间断的动态过程中。 （扰动作用）
以上4种过程可归纳为两类：

第一类：稳定的过渡过程，如：衰减震荡过程。表明 当系统受到干扰，平衡被破坏，但经过控制器的工作， 被控变量能逐渐恢复到给定值或达到新的平衡状态， 是所希望的。
以上4种过程可归纳为两类：

第二类：不稳定的过渡过程，如非周期发散过程 、等幅震荡过程、发散震荡过程所示。其中非周 期发散过程和发散震荡过程是被控变量随时间的 增长而无限地偏离给定值，一旦超过生产允许的 极限值就可能发生严重事故，造成不应有的损失 ，这样的过渡过程是绝对不能采用的。
简单水槽对象
液位h——被控变量
流入水槽的流量Q1——输入量
Q1
Q1
h Q2
A h Δ h(∞) t0
t
t0
t
一、描述对象特性的参数
描述对象特性的三个参数: a、放大系数K b、滞后时间τ0 c、时间常数T
a、放大系数K
由上式可得： 即：
h t KA 1 e t T h() KA
二、比例调节
比例调节：阀门开度的改变量与被调量的偏差值成 比例的 调节规律。 如使调节阀的开度与被调量的偏 差成比例，就可能获得与对象负荷相适应 的调节系统，而且被调量趋于稳定。如图， 当液面高于给定值时，调节阀门关小，液 位越高，阀门关得越小，反之，阀门开度 越大。 x表示液位的变化量（输入变化量）， y表示阀杆的位移量（输出变化量），杠 杆支点o和杆两端的距离各位a和b。则：
b、滞后时间T
滞后现象，指有的对象在受到输入作用后，被控变量不能 立即而迅速地变化的现象。
根据滞后性质的不向，又可分为传递滞后（纯滞后）和容 量滞后（过渡滞后）。
b、滞后时间T
从理论上讲，纯滞后与容量滞后有着本质 的区别，但在实际生产过程中两者往往同时存 在，有时很难区别。因此，通常用滞后时间τ 来表示纯滞后与容量滞后之和。即τ=τ0+τh。 下图为滞后时间τ示意图。 X


当t=３Ｔ时，
h(3T ) KA(1 e ) 0.95KA 0.95h()
从加入输入作用以后，经过3T时间，h已经变化了全部变 化范围的95%，这时，可近似认为动态过程基本结束。
3
c、时间常数τ对控制系统的影响
对控制通道的影响： 在相同的控制作用下，时间常数大，被控变量的变化 比较缓慢，则过程比较平稳，容易进行控制，但过渡 过程时间较长；若时间常数小，被控变量的变化速度 快，则控制过程比较灵敏，不易控制。时间常数太大 或太小，对控制都不利。
一、人工调节和自动调节
电厂在生产过程中，为了使被调量恒定或按预定规 律变化，采用一整套自动调节装置来代替运行人员 的操作，这种用自动控制仪表进行的操作称为自动 调节。
一、人工调节和自动调节
（续上）在此：浮子测水位，由连杆和电位器进行比 较：浮子低则电位器上得到正电压，经放大后使电机 向进水阀门开大的方向旋转；反之，当浮子高时，电 位器上得到负电压，电机向阀门关小的方向旋转；若 水位正好，则电位器上电压为零，电机不转，阀门不 动。 出水量
2.比例积分调节规律及积分时间
比例调节规律可用下式表达：
比例积分调节器的特性就是比例调节器和积 分调节器两者特性的叠加。 由式 分析比例调节器的特性可知
t=0时，比例调节作用，输出幅值为KPA; t>0时，积分调节作用，输出值为KPAt/T1; t=T时，输出为2KPA 积分时间↓，积分速度↑，积分作用↑
图7-15 典型的双位调节系统。 利用电极式水位计来调节盐液 箱的液位。
ห้องสมุดไป่ตู้
但实际的双位调节都有一个中间区，被调量必须 在其高与测量值的某一数值后，阀门才关闭；低于给 定值的某一数值后，阀门才开启；测量值在中间区域， 阀门是不动作的。减少了调节机构的开闭次数，保证 了可靠性。一般用振幅与周期作为品质指标。
三、调节系统的品质指标

控制精确度是衡量自动控制系统技术性能的重要尺度。 一个高品质的控制系统，在整个运行过程中，被控变 量对给定值的偏差应该是很小的。 考虑到自控系统的动态过程在不同阶段中的特点，工 程上常从“稳”、“准”、“快”三个主要方面来要 求。


三、调节系统的品质指标
（1）稳 ——指动态过程的稳定性。 若控制过程中出现被控变量围绕给定值摆动或振荡， 震荡应该逐渐减弱； 振幅和频率不能过大应有所限制。 （2）准 ——指动态过程的准确性。 指系统进入平衡状态后，被控变量对给定值所达到 的控制的 精确度。准-——误差小，精确度高。他 反映了系统后期稳态的性能。 可用被调量的动态偏差和稳态偏差表示。
对干扰通道的影响： 对于扰动通道，时间常数大，被控变量的变化也比较 平稳，过程较易控制。
第四节 调节器的基本调节规律
四种最基本的调节规律
位式调节
比例调节
积分调节
微分调节
一、位式调节 双位调节——结构简单，成 本较低。
位式调节
三位调节
多位调节
双位调节
双位调节只有两个输出值， 即不是最大就是最小，没有中 间位置，变化也是瞬时的。如 图7-14为理想的双位调节特性。
三、调节系统的品质指标
（3）快 指动态过程的快速性。 过程的总体建立的时间应有所限制，应尽快进入 稳态。 可用过渡时间、自然震荡频率或周期表示。
第三节 调节对象的特性
1、被控对象特性
在电厂化学自动调节系统中，有许多的调节 对象，但因为参数的不同，其操作就会受到影响。 因此我们要设计出合理的调节系统，必须对调节 对象的特性、内在规律有充分的了解。 指被控对象输入量发生变化时，对糊一，看阶 可逆象输出量的变化规律。简称为对象特性

二、自动控制系统的组成
自动控制的任务——利用控制器操纵受控对象，
使其被控量按技术要求变化。 为了能更清楚表示一个自动调节系统各个组成 环节之间的相互影响和信号联系，我们用方框图来
表示调节系统，软化水补水自动调节系统的组成如
图所示。
二、自动调节系统的组成

自动调节装置：变送器（测量）、调节器（运 算）和执行器（执行）
c、时间常数τ
h t KA 1 e
t T

h(T ) KA(1 e1 ) 0.632KA 0.632h()
时间常数：当对象受到阶跃输入后，被控变量达到
新的稳态值的63.2%所需的时间。
c、时间常数τ的物理意义 h t KA 1 e t T
第七章
《自动控制系统基本知识》
1.自动调节系统及其组成
目 录
2.自动调节系统的过渡过程 3.调节对象的特性 4.调节器的基本调节规律 5.锅炉给水加氨自动调节系统
第一节 自动调节系统及其组成
一、人工调节和自动调节
所谓人工调节，是指运行人员根据对参数变化原因的分 析，人工操作某一阀门或挡板的开度．改变流入量或流 出量，使参数恢复到给定值。
t Y
O
τ
0
t
h
τ
τ
b、滞后时间对控制系统的影响
对控制通道的影响： 由于存在滞后，使控制作用不能及时克服干扰作用对 控制变量的影响，从而使被控变量的偏差增大，控制 质量下降。滞后时间越大，控制质量越差。 对干扰通道的影响： 对于扰动通道，如果存在纯滞后，相当于扰动延 迟了一段时间才进入系统，而扰动在什么时间出现， 本来就是无从预知的，因此，并不影响控制系统的品 质。扰动通道中存在容量滞后，可使阶跃扰动的影响 趋于缓和，对控制系统是有利的。
mD—扰动作用；μ—执行机构位移；D—软化水流量； W—生水流量；h—软化水箱水位；h0—水位给定值； i1—水位偏差信号；i2—调节信号
三、自动调节系统的特征分类
1、按给定值信号的特征分类
①定值调节系统
②随动调节系统
③程序调节系统
2、按工作原理分类 ①反馈调节系统 ②前馈调节系统
③前馈-反馈调节系统


对上式求导：
当t=0时，
h
dh KA t T e dt T dh KA h() dt T T
当对象受到阶跃输入作用 后，被控变量如果保持初 始速度变化，达到新的稳 态值所需要的时间就是时 间常数。
h(∞)
0.632h(∞)
0
T
t
c、时间常数τ的物理意义 h t KA 1 e t T

二、 自动控制系统的过渡过程 自动控制系统在动态过程中被控量是不断变化的， 这种随时间而变化的过程，称为自动控制系统的 过渡过程，也就是系统由一个平衡状态过渡到另 一个平衡状态的全过程，或者说是自动控制系统 的控制作用不断克服干扰影响的全过程。
生产过程总是希望被控参数保持不变，然而这时很难 办到的。原因是干扰的客观存在，系统送到干扰后， 被控参数就要变化