自动调节器典型调节规律及调节过程分析

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）；

1μK 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 =δ1；As 1

反映水箱这一环节净流量

与水位的关系；2R 代表水箱流出侧阀门阻力；λ代表流出侧阀门开度扰动；2μK 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

12212

12

122

122

122

1+++=

++=

++

+=

s R K AR R K R K R K s AR R K s AR R K s AR R K W μμμμμμμδδδδδδδ （8-2）

是一个一阶惯性环节，稳态放大系数2

12

1R K R K K μμδ+=

（8-3）

当给定值扰动为幅值为0x 的阶跃扰动时，输出水位的稳态值为

02

12

1)(x R K R K h μμδ+=

∞ （8-4）

δ

δδδμμμμ2

10

2

1002

12

1011)(

)()(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 ”。

10;1,121===A R K μ

图8-3 给定值单位阶跃响应

给定值G 不变，流出侧阶跃扰动时，H 的仿真曲线如图8-4所示，从曲线上可以看出，流出侧阀门开大时（λ↑），水位H ↓，且随着δ↑，静差e(∞)↑，响应曲线为非周期响应。Matlab 文件见光盘第八章目录下“BiLiXT02.mdl ”。

8-5所示，

e m μ调节器采用比例（P ）调节器，δ

1

=

c W ； （8-7）

被调对象为有自平衡多容对象，调节通道等效传函表示为1

)

1(n o o o s T K W +=μμμ （8-8）

干扰通道等效传函表示为2

)

1(n o o o s T K W +=

λλ

λ （8-9） 给定值G 加入单位阶跃扰动的双容对象调节系统仿真曲线如图8-6所示，从图上可以看出，随着比例带δ的增大，响应曲线振荡程度逐渐减小，系统稳定性提高，但静态偏差也逐渐加大。动画演示见光盘第八章目录下“比例调节器配双容水箱”。Matlab 文件见光盘第八章目录下“BiLiXT03.mdl ”。