§1-3__調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)作用規(guī)律

船舶電氣與自動化 DMU 1 3調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)作用規(guī)律 輪機(jī)自動化教研室 引言 系統(tǒng)為偏差驅(qū)動調(diào)節(jié)器的輸入是被控量的偏差值調(diào)節(jié)器的輸出是控制量可看作一個對象或環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律 引言 引言 引言 調(diào)節(jié)器研究的兩個方面 作用規(guī)律 p t f e t 即傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu) 也稱控制規(guī)律或調(diào)節(jié)規(guī)律 作用強(qiáng)度 每一種控制規(guī)律的控制強(qiáng)度 反映在傳遞函數(shù)中 如比例系數(shù) 積分時間 微分時間 主要內(nèi)容 1 3 1位式調(diào)節(jié)器 1 3 2比例調(diào)節(jié)器 1 3 3比例微分調(diào)節(jié)器 1 3 4比例積分調(diào)節(jié)器 1 3 5比例積分微分調(diào)節(jié)器 1 3 1雙位作用規(guī)律 1 3 1雙位作用規(guī)律 被控量在設(shè)定的上限和下限之間變化 調(diào)節(jié)器的輸出只有兩個狀態(tài) 0或1 1 3 1雙位作用規(guī)律 被控量在設(shè)定的上限和下限之間變化 調(diào)節(jié)器的輸出只有兩個狀態(tài) 0或1 例1浮子式鍋爐水位的雙位控制系統(tǒng) 被控量輸出曲線 1 浮子室2 浮子3 調(diào)節(jié)板框架4 樞軸5 上 下限銷釘6 12 同極性永久磁鐵 7 靜觸點(diǎn)8 開關(guān)箱9 轉(zhuǎn)軸10 轉(zhuǎn)桿11 動觸點(diǎn) 1 3 1雙位作用規(guī)律 例1 浮子式輔鍋爐水位雙位調(diào)節(jié)器 如何調(diào)整水位的上下限值 上下限值區(qū)間的幅度太小有什么樣的結(jié)果 1 3 1雙位作用規(guī)律 例2 雙位式壓力調(diào)節(jié)器 根據(jù)測量壓力的上限值和下限值輸出不同的開關(guān)量信號 如 鍋爐蒸汽壓力日用淡水壓力空氣瓶壓力等 給定彈簧 調(diào)整的是壓力開關(guān)的下限值幅差調(diào)整旋鈕 調(diào)整幅差 上限值 YT 1226型壓力調(diào)節(jié)器 1 3 1雙位作用規(guī)律 YT 1226型壓力調(diào)節(jié)器 PL P 0 07 0 25 0 07 X 10 調(diào)幅旋鈕標(biāo)記有10個格的刻度檔 1 3 2比例作用規(guī)律 1 3 2比例作用規(guī)律 1 比例作用規(guī)律 P 控制器的輸出變化量與輸入 偏差 變化量成比例 K 比例系數(shù) 比例作用強(qiáng) 比例作用弱 1 3 2比例作用規(guī)律 施加外部擾動 如何改變比例系數(shù) 為什會存在靜態(tài)偏差 控制器的輸出依賴于偏差的存在而存在 假設(shè)無偏差 則閥的開度恢復(fù)平衡前的狀態(tài) 平衡被打破 靜態(tài)偏差與比例系數(shù)的關(guān)系K越大 穩(wěn)態(tài)時靜態(tài)偏差越小 反之亦然 適用場合比例調(diào)節(jié)器廣泛應(yīng)用于對被控量穩(wěn)態(tài)精度要求不是很高的場合 1 3 2比例作用規(guī)律 2 比例帶 或PB 是指調(diào)節(jié)器的相對輸入量與相對輸出量之比的百分?jǐn)?shù) 例 當(dāng)控制器的輸出作100 全行程 如閥開 關(guān) 變化時 其輸入量變化 數(shù)值上等于被控量的變化 的百分?jǐn)?shù) 1 3 2比例作用規(guī)律 R為量程系數(shù) 在單元組合儀表中 R 1 則PB 1 K 100 比例帶越小 比例作用越強(qiáng) 比例帶越大 比例作用越弱 控制對象慣性大的控制系統(tǒng) 可使比例帶小一點(diǎn) 如溫度 粘度等控制系統(tǒng) 其控制對象慣性比較大 可選定PB 50 左右 反之 對于控制對象慣性小的控制系統(tǒng) 比例帶可適當(dāng)選定大一點(diǎn) 如液位控制系統(tǒng) 其控制對象慣性都比較小 可選定PB 70 80 在調(diào)節(jié)器上都設(shè)有比例帶調(diào)整旋鈕 用來設(shè)定比例帶 一般在5 300 之內(nèi) 1 3 2比例作用規(guī)律 1 3 2比例作用規(guī)律 例3 氣動比例調(diào)節(jié)器 假設(shè)給定值沒有變化 即 M設(shè) 0 則 F為波紋管的截面積 兩者一般相等l為力臂 一般固定不變K為負(fù)數(shù) 負(fù)作用 作用方式 1 3 2比例作用規(guī)律 如何調(diào)整比例帶 比例系數(shù) 改變反饋力臂的長度 來調(diào)整比例系數(shù) K比例帶PB 實(shí)物上通過比例帶旋鈕可以左右移動反饋波紋管的位置來實(shí)現(xiàn) 左移 l3增長 負(fù)反饋增強(qiáng) K減小 PB增大 比例作用減弱 反之 實(shí)際在調(diào)節(jié)器的工作過程中 杠桿上還會產(chǎn)生一些附加力矩 如噴嘴氣流產(chǎn)生的反作用力矩 各個彈性部件產(chǎn)生的變形力矩等 但由于附加力矩很小 只要K足夠大 這些可以忽略不計(jì) 因此未予考慮 1 3 2比例作用規(guī)律 總結(jié)1 比例作用規(guī)律實(shí)現(xiàn)簡單 控制作用及時 是其它控制規(guī)律 雙位除外 的基礎(chǔ) 2 比例作用強(qiáng)弱取決于比例帶或比例系數(shù) 比例帶大比例作用弱 比例系數(shù)大比例作用強(qiáng) 3 比例作用控制導(dǎo)致系統(tǒng)存在靜態(tài)偏差 比例作用強(qiáng) 靜態(tài)偏差小 但無法避免 1 3 2比例作用規(guī)律 1 3 3比例微分作用規(guī)律 3 微分作用 D 控制器的微分作用是指其輸出與輸入的微分 即偏差變化速度成比例 實(shí)際微分作用的輸出特性 Sd為微分系數(shù) 微分作用特點(diǎn) 1 微分作用的輸出與偏差的絕對值沒有關(guān)系2 根據(jù)偏差變化速度 超前控制 抵制偏差 偏差出現(xiàn)開始 控制作用較強(qiáng)當(dāng)偏差值變化緩慢時 微分控制作用微弱偏差為常數(shù)時 微分控制器沒有輸出3 微分控制無法消除偏差 只能作為一種輔助控制作用 4 常用于控制對象慣性大 時延較明顯的對象 1 3 3比例微分作用規(guī)律 比例作用為主 決定調(diào)節(jié)器的最終輸出變化量微分作用只起超前控制的輔助作用 1 3 3比例微分作用規(guī)律 比例微分作用 PD 在比例作用的基礎(chǔ)上加入微分作用而得到的一種作用規(guī)律 稱為微分時間 K為比例系數(shù) 1 3 3比例微分作用規(guī)律 a 若輸入為階躍信號 不要求掌握 Td為帶慣性性質(zhì)的微分環(huán)節(jié)的作用下降了63 2 所需的時間 Td衡量微分消失的快慢 1 3 3比例微分作用規(guī)律 例 氣動PD調(diào)節(jié)器 微分消失的快慢取決于反饋回路中慣性環(huán)節(jié)的慣性大小 2 1 1 3 3比例微分作用規(guī)律 只考慮變化量 當(dāng)給定值pG不變時 偏差e實(shí)際上就是測量值的變化 而負(fù)反饋回路的慣性過程結(jié)束時 即 只剩比例作用 1 3 3比例微分作用規(guī)律 氣動PD調(diào)節(jié)器 微分消失的快慢取決于反饋回路中慣性環(huán)節(jié)的慣性大小 可由微分閥Rd進(jìn)行調(diào)整 微分閥Rd開度越大 微分消失得越快 即微分時間Td越短 微分作用越弱 反之亦然 當(dāng)微分消失后 調(diào)節(jié)器的輸出大小與偏差成比例 比例作用的強(qiáng)弱由負(fù)反饋波紋管的位置進(jìn)行調(diào)整 小結(jié)1 微分作用具有超前調(diào)節(jié)的功能 輸出減小的過程即為微分消失過程 2 微分作用不能單獨(dú)用作調(diào)節(jié)器 一般與比例或者比例積分一起構(gòu)成PD或者PID調(diào)節(jié)器 3 微分時間短 微分消失得快 微分作用弱 反之 4 調(diào)節(jié)器最后輸出與偏差成比例 即剩下比例作用5 比例微分作用為有差控制器 適用于對靜態(tài)精度要求不高的場合 1 3 3比例微分作用規(guī)律 1 3 4比例積分作用規(guī)律 1 3 4比例積分作用規(guī)律 1 積分作用 I 控制器的輸出與輸入之間呈積分關(guān)系 TI 積分時間 TI 積分作用 積分作用特點(diǎn)1 可以消除靜態(tài)偏差 2 控制作用不及時 超調(diào)嚴(yán)重 波動大 3 常與比例作用 P 一起組成比例積分 PI 調(diào)節(jié)器 1 3 4比例積分作用規(guī)律 a為比例控制過程b是積分控制過程 1 3 4比例積分作用規(guī)律 2 比例積分作用 PI 在比例作用的基礎(chǔ)上加入積分作用而得到的作用規(guī)律 K 比例系數(shù) S0積分系數(shù) Ti積分時間 比例作用能使調(diào)節(jié)器的輸出及時響應(yīng)偏差的變化 起著主導(dǎo)作用 而積分作用是輔助的 用來消除靜態(tài)偏差 1 3 4比例積分作用規(guī)律 若給PI調(diào)節(jié)器一個階躍的輸入偏差信號 其階躍量為常數(shù)e 則 第一項(xiàng)為比例輸出 在階躍輸入瞬間 比例作用把輸入量放大到K倍 由于此時時間t 0 故沒有積分輸出 第二項(xiàng)是積分輸出 它與時間t保持線性關(guān)系 其斜率為 1 3 4比例積分作用規(guī)律 當(dāng)時間進(jìn)行到Ti時 輸出為2Ke 以此 積分時間的物理意義 階躍輸入信號作用下 積分輸出達(dá)到比例輸出所需的時間 若k 1 輸入偏差為 h 則輸出 當(dāng)t Ti時 h Ti等于控制器的輸出變化到與其階躍輸入量相等時所需的時間 h0 h0 A B TIA TIB 積分控制器的動態(tài)特性越陡 積分時間越小 表明控制器作用越快 積分作用越強(qiáng) 即控制作用積累到同一值時所需時間越短 積分時間小 積分作用強(qiáng) 系統(tǒng)穩(wěn)定性差 上升時間短 振蕩周期小 1 3 4比例積分作用規(guī)律 PI調(diào)節(jié)器的整定原則 在PI調(diào)節(jié)器上設(shè)有兩個旋鈕 分別用來整定PB Ti 在整定Ti時 切忌值整定得太小 否則積分作用太強(qiáng) 系統(tǒng)穩(wěn)定性差如果Ti值不能進(jìn)行準(zhǔn)確地整定 可以采用寧大勿小的策略 因?yàn)門i值略微偏大時 盡管積分作用偏弱 但只會使消除靜態(tài)偏差的時間稍長而別無它害 積分時間Ti的整定范圍一般在3s至20min之內(nèi)控制對象慣性大 選取Ti值要大一些 反之 1 3 4比例積分作用規(guī)律 Ti對控制系統(tǒng)品質(zhì)指標(biāo)的影響 1 3 4比例積分作用規(guī)律 1 3 4比例積分作用規(guī)律 氣動PI調(diào)節(jié)器 達(dá)到平衡狀態(tài)時 適當(dāng)調(diào)整比例帶與積分時間 使 則平衡后的狀態(tài) 1 3 4比例積分作用規(guī)律 若PC不等于PG 調(diào)節(jié)作用就一直存在 消除靜態(tài)偏差 正作用調(diào)節(jié)器比例帶調(diào)整 則比例帶 比例作用 正反饋 則比例帶 比例作用 正反饋 抵制負(fù)反饋積分時間調(diào)整 積分時間變長 積分作用減弱積分時間縮短 積分作用增強(qiáng) 1 3 4比例積分作用規(guī)律 若達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時 測量值 給定值若測量值 給定值 PZ PF 杠桿會在積分的作用下一直順時針旋轉(zhuǎn) 輸出將一直增加 直到 1 3 4比例積分作用規(guī)律 總結(jié)1 積分作用可以消除靜態(tài)偏差 2 積分時間Ti長 積分作用弱 反之亦然 3 積分時間無窮大時可視為積分作用切除 4 比例積分控制器中積分時間的求法 1 3 4比例積分作用規(guī)律 3 5比例積分微分作用規(guī)律 5 比例積分微分作用 PID 以比例作用為主 吸收積分作用能消除靜態(tài)偏差以及微分作用能實(shí)現(xiàn)超前控制的優(yōu)點(diǎn) 功能最為完善 3 5比例積分微分作用規(guī)律 比例 比例微分積分 積分 微分 比例積分微分控制器的階躍響應(yīng) PID調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)方法 1 三種反饋并行地疊加在一起形成調(diào)節(jié)器內(nèi)部的綜合反饋 2 在比例積分調(diào)節(jié)器前串聯(lián)一個微分器來實(shí)現(xiàn) 如 后文的QTM氣動PID調(diào)節(jié)器 PID調(diào)節(jié)器的功能變化 積分時間Ti為無窮大時 則相當(dāng)于切除積分作用 變?yōu)镻D 微分時間Td為0時 則相當(dāng)于切除微風(fēng)作用 變?yōu)镻I 同時使Td為0且Ti為無窮大 則調(diào)節(jié)器變?yōu)榧儽壤齈 3 5比例積分微分作用規(guī)律 PID作用選取原則若被控量的穩(wěn)態(tài)精度要較高 則調(diào)節(jié)器中應(yīng)加入 若控制對象慣性較大 則調(diào)節(jié)器應(yīng)加入 若控制對象慣性較大且要求較高的靜態(tài)指標(biāo) 則應(yīng)加入 如 鍋爐水位等液位控制系統(tǒng) 不宜采用包含D的調(diào)節(jié)器 這是因?yàn)镈作用對干擾信號比較敏感 隨船舶的搖擺 會使給水調(diào)節(jié)閥的開度忽大小 造成水位的大起大落 閥泵等頻繁啟動 3 5比例積分微分作用規(guī)律 I D ID 各種控制過程常用的控制規(guī)律如下 液位 滯后不大 一般控制要求不高用P或PI控制規(guī)律 流量 滯后很小 時間常數(shù)小 測量信號中雜有噪音用PI控制壓力 介質(zhì)為液體的滯后較小 介質(zhì)為氣體時的滯后中等 用P或PI控制規(guī)律 溫度 容量滯后較大 時間常數(shù)大 常用PID控制規(guī)律 3 5比例積分微分作用規(guī)律 NAKAKITA氣動PID調(diào)節(jié)器 其三種作用規(guī)律通過內(nèi)部綜合反饋實(shí)現(xiàn)常用于冷卻水溫度控制系統(tǒng)和燃油粘度控制系統(tǒng) 3 5比例積分微分作用規(guī)律 3 5比例積分微分作用規(guī)律 2 3 4 負(fù)作用式 NAKAKITA氣動PID調(diào)節(jié)器 在調(diào)節(jié)器上有三個調(diào)整盤 分別用來調(diào)整比例帶PB 積分時間和微分時間比例帶調(diào)整盤是一個偏心機(jī)構(gòu) 可使噴嘴和擋板一起沿著比例桿上下移動 上移時傳動桿BO 左右移動相同的距離 即輸入偏差相同的情況下 擋板開度變化要大 比例作用增強(qiáng) 比例帶減小給定值由給定旋鈕確定 給定旋鈕的角度變化通過連接桿件一方面改變給定指針 紅色 的偏轉(zhuǎn)角度 指示當(dāng)前給定值的大小 另一方面 通過連接桿件帶動比例桿OO 繞O點(diǎn)左右偏轉(zhuǎn) 引起調(diào)節(jié)器輸出變化 3 5比例積分微分作用規(guī)律 據(jù)實(shí)際需要 該調(diào)節(jié)器還可以工作在正作用方式 此時 噴嘴擋板機(jī)構(gòu)在比例桿上的相對位置如圖所示 區(qū)別在于噴嘴背壓的變化將與測量值的變化方向相一致 而不是相反 當(dāng)應(yīng)用于燃油粘度控制系統(tǒng)時 一般應(yīng)采用反作用方式 3 5比例積分微分作用規(guī)律 正作用式切換 電動PID調(diào)節(jié)器 在船舶機(jī)艙中 有些控制系統(tǒng)是采用電動的方式實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器一般做成電路板的形式 其內(nèi)部電路多數(shù)以運(yùn)算放大器 電阻和電容等元器件組成給定值由給定旋鈕確定 給定旋鈕的角度變化通過連接桿件一方面改變給定指針 紅色 的偏轉(zhuǎn)角度 指示當(dāng)前給定值 另一方面 通過連接桿件帶動比例桿OO 繞O點(diǎn)左右偏轉(zhuǎn) 引起調(diào)節(jié)器輸出變化 3 5比例積分微分作用規(guī)律 3 5比例積分微分作用規(guī)律 由運(yùn)算放大器組成的PID調(diào)節(jié)器 偏差信號e 3 5比例積分微分作用規(guī)律 3 5比例積分微分作用規(guī)律 電動PID調(diào)節(jié)器 在船舶機(jī)艙中 有些控制調(diào)整R4 R2和R5的阻值可以分別調(diào)整比例 積分和微分的作用強(qiáng)度從電路設(shè)計(jì)的角度 往往還會加上一些抗干擾措施 3 5比例積分微分作用規(guī)律 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中 調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律是采用軟件編程來實(shí)現(xiàn)的 稱為調(diào)節(jié)器作用規(guī)律的數(shù)字實(shí)現(xiàn) 采用了單片機(jī)系統(tǒng)A D轉(zhuǎn)換電路鍵盤與顯示裝置進(jìn)行數(shù)字設(shè)定控制算法程序D A轉(zhuǎn)換電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象 3 5比例積分微分作用規(guī)律 3 5比例積分微分作用規(guī)律 計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述控制過程并不是像模擬儀表那樣連續(xù)進(jìn)行的 而是每隔一定的周期 稱為采樣周期 用T表示 進(jìn)行一次測量采樣和控制量輸出 a 位置式PID控制算法 3 5比例積分微分作用規(guī)律 在采樣時刻t kT T為采樣周期 只要采樣周期T選擇合適 這種數(shù)值逼近所實(shí)現(xiàn)的控制過程與連續(xù)控制十分接近 稱為 準(zhǔn)連續(xù)控制 uk實(shí)際上代表的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置 例如閥門的開度 所以稱為位置式PID控制算法 b 增量式PID控制算法 uk uk 3 5比例積分微分作用規(guī)律 t KT t K 1 T 3 5比例積分微分作用規(guī)律 位置式PID算法需要保留當(dāng)前時刻及其之前所有時刻的偏差值 而增量式PID算法則只需保留當(dāng)前時刻及其之前兩個時刻的偏差值 增量式算法有利于簡化編程和避免累計(jì)誤差 在實(shí)際中應(yīng)用更為廣泛 增量式PID控制算法的特點(diǎn) 3 5比例積分微分作用規(guī)律 增量式PID控制算法的子程序