第三章 船用气动仪表 第四节 气动调节器163

考点1 QTM-23J气动波纹管式比例积分微分（PID）三作用调节器是按力矩平衡原理工作的，其结构原理如图3-4-1所示。它主要由四个部分组成：比较部分、放大部分、比例积分部分和微分部分。比较部分是由测量波纹管F、给定波纹管G、负反馈波纹管E、正反馈波纹管H及挡板4、喷嘴5和具有弹性交点的杠杆6等元件组成。当测量、给定、负反馈和正反馈信号对杠杆6产生力矩的代数和等于零时，杠杆处于平衡状态，挡板的开度固定不变。放大部分由喷嘴挡板机构及其后面串联的功率放大器组成。放大器的输出 P出 是调节器的输出，送到执行机构。比例积分部分由比例加积分部分组成。比例部分由比例阀 RP（可调气阻)、恒气阻 RF和正反馈波纹管 H组成。积分部分由积分阀 Ri（可调气阻)、节流盲室J和11跟踪器12组成，积分作用是由正反馈实现的。微分部分由接受测量信号的波纹管K、接受负反馈信号波纹管L、喷嘴3，挡板2、具有弹性支点的杠杆1以及微分恒节流孔7、微分阀 Rd （可调气阻)、微分气容 Cd和弹性气容M等元件组成。由变送器送来的测量信号先引入波纹管K，经微分部分先得到一个微分输出并送入比较部分的测量波纹管F。图3-4-l QTM-23J气动PID三作用调节器的结构原理图l 、6 - 平衡杠杆；2、4 - 挡板；3、5 - 喷嘴；7、9 - 恒节流孔；8 - 放大器；10 - 膜片；11 - 喷嘴；12 - 1：1跟踪器该调节器的工作过程是：假定在初始平衡状态的基础上，被控参数升高，经变送器输出的测量信号 P测增大了 P，挡板2靠近喷嘴3，喷嘴背压瞬间增加，这个增大的信号分三路：一路直接送入比较部分的测量波纹管F，使挡板4靠近喷嘴5，喷嘴背压升高，经放大器放大，调节器输出信号瞬间增大；二路经弹性气容M挤压微分气室 Cd的空气，使波纹管L中的气压信号瞬间增加，限制挡板2继续靠近喷嘴3。当波纹管K和L中的气压信号对杠杆1 产生的力矩与系统的弹性力矩的代数和等于零时，杠杆1瞬间达到暂时的平衡。此时微分部分输出的信号最大，相应于调节器的输出信号也是最大的；三路经微分阀 Rd不断向波纹管L充气，这就破坏了杠杆1的暂时平衡使挡板2不断离开喷嘴3，测量波纹管F接受的测量信号随之减小。这就是微分输出的消失过程。当波纹管L的气压信号增加到与波纹管K相同时，杠杆l又处在新的平衡状态，其微分输出就是 P。可见微分部分是比例带为100的比例微分环节 （微分器)，它输出一个超前的控制信号。改变微分阀 Rd的开度可以调整微分时间，关小微分阀，微分时间长，微分作用强；反之，微分作用弱。测量波纹管F接受微分部分输出的超前控制信号，破坏了杠杆6的初始平衡状态，挡板4靠近喷嘴5使调节器的输出信号增大。这个增大的输出信号分四路。一路送到执行机构，控制调节阀的开度。二路直接送入负反馈波纹管E，限制挡板继续靠近喷嘴。三路经比例阀 RP、恒气阻 RF及正反馈波纹管组成的节流分压器送入正反馈波纹管H。显然调整比例阀的开度可以调整进入波纹管H的气压信号大小。当波纹管F、G、E、H所接受的信号对杠杆6产生的力矩与系统的弹性力矩的代数和等于零时，杠杆6处于暂时的平衡状态。此时调节器的输出 P出 与测量波纹管接受的气压信号 PF，成正比，这就是比例作用规律。开大比例阀 RP可加强正反馈，使比例作用强，即减少小比例带；反之比例带大。四路调节器的输出 P出 经积分阀向盲室J充气，11跟踪器膜片10上面的气压信号随时间按指数函数增加，挡板10不断靠近喷嘴11，使由气源来的气体经喷嘴11排入大气量减少， 11跟踪器经恒气阻 RF输出的信号不断增加 （11跟踪器膜片下面的压力始终跟踪膜片上面的压力变化)。因此，正反馈波纹管H在比例输出的基础上，其压力信号又逐渐增加，挡板4又逐渐靠近喷嘴，使调节器的输出 P出 又不断增加，这就是积分部分的输出。显然，改变积分阀的开度可以调整积分时间，积分阀开大积分时间短，积分作用强；反之，积分作用弱。比较部分最后平衡时， PH =PE =P出 ，因此经调节器的控制作用，测量值 PF必定要回到给定值 PG，即 PF=PG，可见积分作用能消除静差，实现无差控制。考点2 M58型调节器是通用型的比例积分微分发调节器，其结构原理如图3-4-2所示。在浮动环3的下面，对称放着四个波纹管，其中，给定波纹管5和测量波纹管12为一组，负反馈波纹管11和正反馈波纹管4为另一组，两组波纹管同时作用在浮动环3上。浮动环既作为力矩的比较机构，又作为挡板，浮动环3上有一比例带调带杆13，作为浮动环偏转的支点。比例带调整杆固定在比例带调整杆轴上，可以沿该轴转动以改变支点的位置，调整比例带的大小。同时，在比例带调整杆轴上装有一个圆形板，用它固定比例带调节杆轴、喷嘴及比例带盘。另外调节器下面装有放大器、积分气室和针阀、微分气室和针阀，还有正、反作用切换板，等等。如果让微分阀和积分阀均有一定开度，即可实现比例积分微分作用。这时，若测量信号 P5增大，浮动环偏转，挡板靠近喷嘴，调节器输出 P出 增大。在 P出 增大的瞬间来不及经微分阀向微分气室充气。而微分气室中的波纹管内压力会突然增大，使其伸长压缩微分气室，其压力略有增大送至负反馈波纹管11，由于P11增加量很小，它所产生的负反馈力矩，远远小于测量力矩，挡板会大大靠近喷嘴，调节器的输出 P出 会大大增大，这就是微分输出的过程。随着时间的增长，P出 经微分阀不断向微分气室充气，使之送人反馈波纹管压力 P11不断增大，其负反馈力矩不断增大，又会使挡板逐渐离开喷嘴，调节器的输出 P出 会不断下降，这是微分输出的消失过程，当微分气室中的压力，即负反馈波纹管压力 P11=P出时，调节器达到一个暂时的平衡，这时 P出 就与偏差成比例。同时微分气室输出的压力信号经积分阀9，不断向积分气室10充气，其压力不断增加，正反馈波纹管4内的压力增大，又会使挡板靠近喷嘴，使 P出 又略有些增大，以此来消除静态偏差。这一附加的正反馈实现了积分作用。可见，开大积分阀，积分时间 Ti小，积分作用强，关小积分阀，积分时间 Ti长，积分作用弱。调整微分作用强弱是通过调整微分阀7的开度来实现的。开大微分阀，微分时间 Td短，微分作用弱，关小微分阀，微分时间 Td长，微分作用强。正、反作用切换是通过切换板6实现的。对于正作用式，波纹管5接测量信号，波纹管12接调定的给定值。这时，切换板6处于B位。若把切换板6转一个90角至A位，则波纹管12接测量信号，波纹管5接调定的给定值，调节器就成为反作用式调节器。图3-4-2 M58型气动调节器结构原理图1- 放大器；2- 喷嘴；3- 浮动环；4- 正反馈波纹管；5- 测量波纹管(B)或给定波纹管(A)；6-正、反作用切换板；7- 微分阀；8- 微分气室；9- 积分阀；10- 积分气室；11- 负反馈波纹管；12- 给定波纹管(B)或测量波纹管(A)；13- 比例带调整杆；14- 比例带盘考点3 NAKAKITA型黏度调节器是按位移平衡原理工作的。能实现PID控制作用，其结构原理如图3-4-4所示。在初始平衡状态下，燃油黏度测量值与给定值相等，黑色的测量指针与红色的给定指针重合。喷嘴挡板之间的开度不变，调节器有一个稳定的输出。比例波纹管、积分波纹管、积分气室及微分气室压力都相等，并等于调节器的输出压力。图3-4-4 NAKAKITA型粘度调节器结构原理图当系统受到扰动时，燃油黏度的测量值会离开给定值出现偏差。假定燃油黏度增大，差压变送器输出一个与之成比例的增大的气压信号，并经控制板送人弹簧管，弹簧管张开，GH杆经FG杆推动向上移动。以E轴，HEN杆和HED杆均逆时针转动，它一方面使MN杆右移，使黑色测量指针绕轴Q向指示黏度增大的方向转动；另一方面，由于D点右移，使AC杆绕C轴逆时针转动。BO杆右移，OO杆以O为支点顺时针转动，挡板离开喷嘴，喷嘴背压下降，经气动功率放大器使调节器输出压力降低 （这是反作用式调节器)。这一降低的压力信号分四路。一路是送人气关式调节阀，开大蒸汽调节阀使燃油黏度降下来。二路是与微分气室中的波纹管相通，波纹管收缩，波纹管外面的气室压力略有降低，则比例波纹管的压力略有降低。OO杆略有下移，使挡板稍微靠近一点喷嘴。这一负反馈很弱，不足以抵制挡板继续离开喷嘴，调节器的输出会大大降低，调节阀开度很大，这就是调节器的微分输出，三路是调节器的输出经微分阀与微分气室相通，微分气室压力经微分阀不断向压力降低的 P出 放气，其压力不断降低，比例波纹管的压力不断降低，OO杆不断下移，负反馈作用不断加强，挡板不断靠近喷嘴，调节器的输出信号不断增大。这是微分输出的消失过程，当测量信号使挡板离开喷嘴位移量与负反馈信号使挡板靠近喷嘴的位移量相平衡时，微分输出就消失在比例输出上。可见，微分作用是由弹性气室组成的比例惯性环节的负反馈实现的。四路是积分波纹管的压力不断经积分阀放气而降低，OO杆上移，使挡板又逐渐离开一点喷嘴，这一附加的正反馈使调节器输出 P出压力有所降低，再略开大一点蒸汽调节阀，用来消除静态偏差使燃油黏度恢复到给定值，最终黑、红指针再次重合。在调节器上有三个调整盘，分别用来调整比例带、积分时间和微分时间，改变积分阀和微分阀的开度可分别调整积分时间和微分时间，开大积分阀，关小微分阀，可缩短积分时间，增加微分时间，其积分作用和微分作用都加强，反之亦然。比例带调整盘是一个偏心机构，转动比例带调整盘可平行移动喷嘴挡板机构，这样挡板转动相同的角度，则喷嘴与挡板之间的开度变化量不同。调整给定值是通过转动给定值旋钮实现的。若增大给定值，可顺时针转动给定值旋钮。一方面红色指针向给定值增大的方向转动；另一方面，QS杆将绕Q轴逆时针转动，RC杆左移。这时由于黏度的测量值暂时未变，A和D点不动，故BO杆左移，挡板靠近喷嘴，调节器输出压力增大，这与黏度低于给定值的效果是一样的，经调节器PID的控制作用，关小蒸汽调节阀使燃油黏度逐渐升高并最终稳定在新的给定值上，即黑色测量指针不断向黏度增大方向转动，最后与红色给定指针重合。考点4 1经验法经验法又叫现场凑试法，即先确定一个调节器的参数值 PB和 Ti通过改变给定值对控制系统施加一个扰动，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变 PB或 Ti，再画控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的 PB和 Ti就是最佳值。如果调节器是PID三作用式的，那么要在整定好 PB和 Ti的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个 Td，值后，可把整定好的 PB和 Ti值减小一点再进行现场凑时，直到 PB、 Ti和 Td取得最佳值为止。显然用经验法整定的参数试，直到 PB、 Ti和 Td取得最佳值为止。显然用经验法整定的参数是准确的。但花时间较多。2衰减曲线法衰减曲线法是以41的衰减比作为整定要求的，先切除调节器的积分和微发作用，用凑试法整定纯比例控制作用的比例带 PB（比同时凑试两个或三个参数要简单得多） ，使之符合41衰减比的要求，记下此时的比例带 PBS，和振荡周期 Ts。如果加进积分和微分作用，可按表3-4-1给出的经验公式进行计算。若按这种方式整定的参数在运行过程中，其动态过程曲线还不够理想，再根据曲线形状，对整定的参数作适当的调整。对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时，只要被控量波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是41的衰减过程，其波动一次时间即为 Ts。表3-4-1 衰减曲线法经验公式表3临界比例带法用临界比例带法整定调节器参数时，先要切除积分和微分作用，让控制系统以较大的比例带，在纯比例控制作用下运行，然后逐渐减小 PB，每减小一次都要认真观察过程曲线，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例带 PBK；（称为临界比例带）和波动周期 TK，然后按表3-4-2给出的经验公式求出调节器的参数值：按该表算出的参数值后，要把比例带放在比计算值稍大一点的值上，把 Ti和 Td放在计算值上，进行现场运行观察，如果比例带可以减小，再将 PB放在计算值上。表3-4-2 临界比例带法经验公式表这种方法简单，应用比较广泛。但对 PBK很小的控制系统不适用，对被控参数不允许震荡的系统也不适用。4反应曲线法前三种整定调节器参数的方法，都是在预先不知道控制对象特性的情况下进行的。如果知道控制对象的特性参数，即时间常数 T、时间迟延 和放大系数K，则可按表3-4-3给出的经验公式计算出调节器的参数。利用这种方法整定的结果可达到衰减率 =0.75的要求。表中公式只适用于有自平衡能力的控制对象。表3-4-3 反应曲线法经验公式表D1. 减小调节器的 PB和 Ti，错误的理解是（ ） 。A控制作用增强B过程稳定性下降 C最大动态偏差减小 D控制作用减弱D2. 在QTM-23J型调节器中，节流分压器和节流盲室的反馈性质分别是（ ） 。A正反馈，负反馈 B负反馈，正反馈 C负反馈，负反馈 D正反馈，正反馈C3. 由比例调节器组成的定值控制系统，在保证正常工作的前提下， PB越大，其给定值的可调范围（ ） 。A不受影响 B在量程范围内均可C变大 D变小 A4. QTM-23J调节器构成的反馈控制系统中，受扰动后测量指针绕给定指针长时间波动，应当（ ） 。A PB, Ti, Td B PB, Ti, Td C PB, Ti, Td D PB, Ti, TdA5. 在柴油机冷却水温度控制系统中，调节器为 PID型，通常比例带为（ ） 。A2060% B3070%C40100% D2080% A6. 气动仪表中整定 PB, Ti, Td的节流阀采用非刚性连接的目的是（ ） 。A保持阀特性 B便于拆装C使用方便 D动作灵活 B7. QTM-23J调节器设置11 跟踪器的目的不在于（ ） 。A信号隔离 B功率放大 C提供分压通道 D防止调节器产生振荡D8. QTM-23J调节器设置11 跟踪器的目的是（ ） 。A功率放大 B提高 PB和 Ti的范围 C为节流盲室提供负反馈 D防止调节器产生振荡 A9. 在PID控制系统中，不能克服的变化量为（ ） 。A干扰量B输出量C输入量D扰动量 C10. 调节器的参数整定应根据被控对象特性而定，一般的选择是（ ） 。A对象时间常数小，比例带宜小，积分时间宜大，需加微分作用B对象时间常数大，比例带宜大，积分时间宜小，不需加微分作用C对象时间常数小，比例带宜大，积分时间宜小，不需加微分作用D对象时间常数大，比例带宜小，积分时间宜大，不需加微分作用C11. 用PI调节其组成的控制系统中，多容控制对象比单容控制对象的控制系统其 PB和 Ti整定在（ ） 。A PB, Ti B PB, TiC PB, Ti D PB, TiA12. 增大调节器的 PB和 Ti对控制过程的影响，错误认识是（ ） 。A控制作用增强B控制过程稳定 C控制作用减弱 D最大动态偏差增大 D13. 整定调节器的 PB和 Ti，错误的认识是（ ） 。A PB和 Ti增大都意味着控制作用减弱B PB和 Ti减小都意味着控制作用增强C PB影响比 Ti大， PB整定准确一些 D Ti影响比 PB大， Ti整定准确一些B14. 采用PID调节器的温度控制系统，选用的 Ti和 Td时间范围是：A0.11和0.53 min B310和0.53 min C0.42和0.53 min D13和0.10.5 minD15. 调整 PB， Ti和 Td的节流阀通常采用： A针阀结构 B球阀结构C蝶阀结构 DABC16. 在QTM-23J型气动调节器中 ,若负反馈波纹管接头漏气,则调节器将（ ） 。A切除比例作用B比例带 PB会大大增大 C比例带会大大减小 D积分作用会大大加强 C17. 在QTM-23J型气动调节器组成的控制系统中 ,若积分阀堵塞,则系统（ ） 。A动态过程振荡激烈 B最大动态偏差明显增大C受到扰动后,稳态时存在静态偏差 D振荡次数会增加 D18. 在QTM-23J型气动调节器中 ,其比例积分作用实现方法是（ ） 。A节流通