§1-3__调节器及调节作用规律.ppt

船舶电气与自动化 DMU 1 3调节器及调节作用规律 轮机自动化教研室 引言 系统为偏差驱动调节器的输入是被控量的偏差值调节器的输出是控制量可看作一个对象或环节调节器的作用规律 引言 引言 引言 调节器研究的两个方面 作用规律 p t f e t 即传递函数的结构 也称控制规律或调节规律 作用强度 每一种控制规律的控制强度 反映在传递函数中 如比例系数 积分时间 微分时间 主要内容 1 3 1位式调节器 1 3 2比例调节器 1 3 3比例微分调节器 1 3 4比例积分调节器 1 3 5比例积分微分调节器 1 3 1双位作用规律 1 3 1双位作用规律 被控量在设定的上限和下限之间变化 调节器的输出只有两个状态 0或1 1 3 1双位作用规律 被控量在设定的上限和下限之间变化 调节器的输出只有两个状态 0或1 例1浮子式锅炉水位的双位控制系统 被控量输出曲线 1 浮子室2 浮子3 调节板框架4 枢轴5 上 下限销钉6 12 同极性永久磁铁 7 静触点8 开关箱9 转轴10 转杆11 动触点 1 3 1双位作用规律 例1 浮子式辅锅炉水位双位调节器 如何调整水位的上下限值 上下限值区间的幅度太小有什么样的结果 1 3 1双位作用规律 例2 双位式压力调节器 根据测量压力的上限值和下限值输出不同的开关量信号 如 锅炉蒸汽压力日用淡水压力空气瓶压力等 给定弹簧 调整的是压力开关的下限值幅差调整旋钮 调整幅差 上限值 YT 1226型压力调节器 1 3 1双位作用规律 YT 1226型压力调节器 PL P 0 07 0 25 0 07 X 10 调幅旋钮标记有10个格的刻度档 1 3 2比例作用规律 1 3 2比例作用规律 1 比例作用规律 P 控制器的输出变化量与输入 偏差 变化量成比例 K 比例系数 比例作用强 比例作用弱 1 3 2比例作用规律 施加外部扰动 如何改变比例系数 为什会存在静态偏差 控制器的输出依赖于偏差的存在而存在 假设无偏差 则阀的开度恢复平衡前的状态 平衡被打破 静态偏差与比例系数的关系K越大 稳态时静态偏差越小 反之亦然 适用场合比例调节器广泛应用于对被控量稳态精度要求不是很高的场合 1 3 2比例作用规律 2 比例带 或PB 是指调节器的相对输入量与相对输出量之比的百分数 例 当控制器的输出作100 全行程 如阀开 关 变化时 其输入量变化 数值上等于被控量的变化 的百分数 1 3 2比例作用规律 R为量程系数 在单元组合仪表中 R 1 则PB 1 K 100 比例带越小 比例作用越强 比例带越大 比例作用越弱 控制对象惯性大的控制系统 可使比例带小一点 如温度 粘度等控制系统 其控制对象惯性比较大 可选定PB 50 左右 反之 对于控制对象惯性小的控制系统 比例带可适当选定大一点 如液位控制系统 其控制对象惯性都比较小 可选定PB 70 80 在调节器上都设有比例带调整旋钮 用来设定比例带 一般在5 300 之内 1 3 2比例作用规律 1 3 2比例作用规律 例3 气动比例调节器 假设给定值没有变化 即 M设 0 则 F为波纹管的截面积 两者一般相等l为力臂 一般固定不变K为负数 负作用 作用方式 1 3 2比例作用规律 如何调整比例带 比例系数 改变反馈力臂的长度 来调整比例系数 K比例带PB 实物上通过比例带旋钮可以左右移动反馈波纹管的位置来实现 左移 l3增长 负反馈增强 K减小 PB增大 比例作用减弱 反之 实际在调节器的工作过程中 杠杆上还会产生一些附加力矩 如喷嘴气流产生的反作用力矩 各个弹性部件产生的变形力矩等 但由于附加力矩很小 只要K足够大 这些可以忽略不计 因此未予考虑 1 3 2比例作用规律 总结1 比例作用规律实现简单 控制作用及时 是其它控制规律 双位除外 的基础 2 比例作用强弱取决于比例带或比例系数 比例带大比例作用弱 比例系数大比例作用强 3 比例作用控制导致系统存在静态偏差 比例作用强 静态偏差小 但无法避免 1 3 2比例作用规律 1 3 3比例微分作用规律 3 微分作用 D 控制器的微分作用是指其输出与输入的微分 即偏差变化速度成比例 实际微分作用的输出特性 Sd为微分系数 微分作用特点 1 微分作用的输出与偏差的绝对值没有关系2 根据偏差变化速度 超前控制 抵制偏差 偏差出现开始 控制作用较强当偏差值变化缓慢时 微分控制作用微弱偏差为常数时 微分控制器没有输出3 微分控制无法消除偏差 只能作为一种辅助控制作用 4 常用于控制对象惯性大 时延较明显的对象 1 3 3比例微分作用规律 比例作用为主 决定调节器的最终输出变化量微分作用只起超前控制的辅助作用 1 3 3比例微分作用规律 比例微分作用 PD 在比例作用的基础上加入微分作用而得到的一种作用规律 称为微分时间 K为比例系数 1 3 3比例微分作用规律 a 若输入为阶跃信号 不要求掌握 Td为带惯性性质的微分环节的作用下降了63 2 所需的时间 Td衡量微分消失的快慢 1 3 3比例微分作用规律 例 气动PD调节器 微分消失的快慢取决于反馈回路中惯性环节的惯性大小 2 1 1 3 3比例微分作用规律 只考虑变化量 当给定值pG不变时 偏差e实际上就是测量值的变化 而负反馈回路的惯性过程结束时 即 只剩比例作用 1 3 3比例微分作用规律 气动PD调节器 微分消失的快慢取决于反馈回路中惯性环节的惯性大小 可由微分阀Rd进行调整 微分阀Rd开度越大 微分消失得越快 即微分时间Td越短 微分作用越弱 反之亦然 当微分消失后 调节器的输出大小与偏差成比例 比例作用的强弱由负反馈波纹管的位置进行调整 小结1 微分作用具有超前调节的功能 输出减小的过程即为微分消失过程 2 微分作用不能单独用作调节器 一般与比例或者比例积分一起构成PD或者PID调节器 3 微分时间短 微分消失得快 微分作用弱 反之 4 调节器最后输出与偏差成比例 即剩下比例作用5 比例微分作用为有差控制器 适用于对静态精度要求不高的场合 1 3 3比例微分作用规律 1 3 4比例积分作用规律 1 3 4比例积分作用规律 1 积分作用 I 控制器的输出与输入之间呈积分关系 TI 积分时间 TI 积分作用 积分作用特点1 可以消除静态偏差 2 控制作用不及时 超调严重 波动大 3 常与比例作用 P 一起组成比例积分 PI 调节器 1 3 4比例积分作用规律 a为比例控制过程b是积分控制过程 1 3 4比例积分作用规律 2 比例积分作用 PI 在比例作用的基础上加入积分作用而得到的作用规律 K 比例系数 S0积分系数 Ti积分时间 比例作用能使调节器的输出及时响应偏差的变化 起着主导作用 而积分作用是辅助的 用来消除静态偏差 1 3 4比例积分作用规律 若给PI调节器一个阶跃的输入偏差信号 其阶跃量为常数e 则 第一项为比例输出 在阶跃输入瞬间 比例作用把输入量放大到K倍 由于此时时间t 0 故没有积分输出 第二项是积分输出 它与时间t保持线性关系 其斜率为 1 3 4比例积分作用规律 当时间进行到Ti时 输出为2Ke 以此 积分时间的物理意义 阶跃输入信号作用下 积分输出达到比例输出所需的时间 若k 1 输入偏差为 h 则输出 当t Ti时 h Ti等于控制器的输出变化到与其阶跃输入量相等时所需的时间 h0 h0 A B TIA TIB 积分控制器的动态特性越陡 积分时间越小 表明控制器作用越快 积分作用越强 即控制作用积累到同一值时所需时间越短 积分时间小 积分作用强 系统稳定性差 上升时间短 振荡周期小 1 3 4比例积分作用规律 PI调节器的整定原则 在PI调节器上设有两个旋钮 分别用来整定PB Ti 在整定Ti时 切忌值整定得太小 否则积分作用太强 系统稳定性差如果Ti值不能进行准确地整定 可以采用宁大勿小的策略 因为Ti值略微偏大时 尽管积分作用偏弱 但只会使消除静态偏差的时间稍长而别无它害 积分时间Ti的整定范围一般在3s至20min之内控制对象惯性大 选取Ti值要大一些 反之 1 3 4比例积分作用规律 Ti对控制系统品质指标的影响 1 3 4比例积分作用规律 1 3 4比例积分作用规律 气动PI调节器 达到平衡状态时 适当调整比例带与积分时间 使 则平衡后的状态 1 3 4比例积分作用规律 若PC不等于PG 调节作用就一直存在 消除静态偏差 正作用调节器比例带调整 则比例带 比例作用 正反馈 则比例带 比例作用 正反馈 抵制负反馈积分时间调整 积分时间变长 积分作用减弱积分时间缩短 积分作用增强 1 3 4比例积分作用规律 若达到稳定状态时 测量值 给定值若测量值 给定值 PZ PF 杠杆会在积分的作用下一直顺时针旋转 输出将一直增加 直到 1 3 4比例积分作用规律 总结1 积分作用可以消除静态偏差 2 积分时间Ti长 积分作用弱 反之亦然 3 积分时间无穷大时可视为积分作用切除 4 比例积分控制器中积分时间的求法 1 3 4比例积分作用规律 3 5比例积分微分作用规律 5 比例积分微分作用 PID 以比例作用为主 吸收积分作用能消除静态偏差以及微分作用能实现超前控制的优点 功能最为完善 3 5比例积分微分作用规律 比例 比例微分积分 积分 微分 比例积分微分控制器的阶跃响应 PID调节器的实现方法 1 三种反馈并行地叠加在一起形成调节器内部的综合反馈 2 在比例积分调节器前串联一个微分器来实现 如 后文的QTM气动PID调节器 PID调节器的功能变化 积分时间Ti为无穷大时 则相当于切除积分作用 变为PD 微分时间Td为0时 则相当于切除微风作用 变为PI 同时使Td为0且Ti为无穷大 则调节器变为纯比例P 3 5比例积分微分作用规律 PID作用选取原则若被控量的稳态精度要较高 则调节器中应加入 若控制对象惯性较大 则调节器应加入 若控制对象惯性较大且要求较高的静态指标 则应加入 如 锅炉水位等液位控制系统 不宜采用包含D的调节器 这是因为D作用对干扰信号比较敏感 随船舶的摇摆 会使给水调节阀的开度忽大小 造成水位的大起大落 阀泵等频繁启动 3 5比例积分微分作用规律 I D ID 各种控制过程常用的控制规律如下 液位 滞后不大 一般控制要求不高用P或PI控制规律 流量 滞后很小 时间常数小 测量信号中杂有噪音用PI控制压力 介质为液体的滞后较小 介质为气体时的滞后中等 用P或PI控制规律 温度 容量滞后较大 时间常数大 常用PID控制规律 3 5比例积分微分作用规律 NAKAKITA气动PID调节器 其三种作用规律通过内部综合反馈实现常用于冷却水温度控制系统和燃油粘度控制系统 3 5比例积分微分作用规律 3 5比例积分微分作用规律 2 3 4 负作用式 NAKAKITA气动PID调节器 在调节器上有三个调整盘 分别用来调整比例带PB 积分时间和微分时间比例带调整盘是一个偏心机构 可使喷嘴和挡板一起沿着比例杆上下移动 上移时传动杆BO 左右移动相同的距离 即输入偏差相同的情况下 挡板开度变化要大 比例作用增强 比例带减小给定值由给定旋钮确定 给定旋钮的角度变化通过连接杆件一方面改变给定指针 红色 的偏转角度 指示当前给定值的大小 另一方面 通过连接杆件带动比例杆OO 绕O点左右偏转 引起调节器输出变化 3 5比例积分微分作用规律 据实际需要 该调节器还可以工作在正作用方式 此时 喷嘴挡板机构在比例杆上的相对位置如图所示 区别在于喷嘴背压的变化将与测量值的变化方向相一致 而不是相反 当应用于燃油粘度控制系统时 一般应采用反作用方式 3 5比例积分微分作用规律 正作用式切换 电动PID调节器 在船舶机舱中 有些控制系统是采用电动的方式实现调节器一般做成电路板的形式 其内部电路多数以运算放大器 电阻和电容等元器件组成给定值由给定旋钮确定 给定旋钮的角度变化通过连接杆件一方面改变给定指针 红色 的偏转角度 指示当前给定值 另一方面 通过连接杆件带动比例杆OO 绕O点左右偏转 引起调节器输出变化 3 5比例积分微分作用规律 3 5比例积分微分作用规律 由运算放大器组成的PID调节器 偏差信号e 3 5比例积分微分作用规律 3 5比例积分微分作用规律 电动PID调节器 在船舶机舱中 有些控制调整R4 R2和R5的阻值可以分别调整比例 积分和微分的作用强度从电路设计的角度 往往还会加上一些抗干扰措施 3 5比例积分微分作用规律 数字PID调节器 在计算机控制系统中 调节器的作用规律是采用软件编程来实现的 称为调节器作用规律的数字实现 采用了单片机系统A D转换电路键盘与显示装置进行数字设定控制算法程序D A转换电路执行机构被控对象 3 5比例积分微分作用规律 3 5比例积分微分作用规律 计算机执行上述控制过程并不是像模拟仪表那样连续进行的 而是每隔一定的周期 称为采样周期 用T表示 进行一次测量采样和控制量输出 a 位置式PID控制算法 3 5比例积分微分作用规律 在采样时刻t kT T为采样周期 只要采样周期T选择合适 这种数值逼近所实现的控制过程与连续控制十分接近 称为 准连续控制 uk实际上代表的是执行机构的位置 例如阀门的开度 所以称为位置式PID控制算法 b 增量式PID控制算法 uk uk 3 5比例积分微分作用规律 t KT t K 1 T 3 5比例积分微分作用规律 位置式PID算法需要保留当前时刻及其之前所有时刻的偏差值 而增量式PID算法则只需保留当前时刻及其之前两个时刻的偏差值 增量式算法有利于简化编程和避免累计误差 在实际中应用更为广泛 增量式PID控制算法的特点 3 5比例积分微分作用规律 增量式PID控制算法的子程序