《轮机自动化》数字化教材项目一任务三

1、项目一 船舶反馈控制系统基础【项目描述】反馈控制是自动控制系统的主要形式。在船舶机舱中，运行参数的自动控制通常都采用反馈控制。反馈控制系统的基本概念是理解和熟悉轮机自动化的基础，是轮机管理人员必须掌握的基本知识。通过本项目的学习，学员应达到以下要求。一、知识要求1、 熟悉船舶反馈控制系统的组成；2、 熟悉反馈控制系统的品质指标；3、 熟悉PID调节规律及特点；4、能表述常用传感器、变送器的作用、基本原理和特点； 5、熟悉执行机构的类型、工作原理及特点；6、了解反馈控制系统参数整定的方法。二、能力要求 1、能熟练地绘制反馈控制系统的传递方框图；2、能正确表述系统动态过程品质指标的含义；3、熟悉P

2、ID调节器的使用；4、学会变送器的使用操作与调整。三、素质要求1、养成善于动脑、勤于思考、及时发现问题的学习习惯；2、提高理论联系实际的能力，培养善于分析和解决反馈控制系统实际问题的能力；3、培养理性思维能力和科学求实的精神；4、培养学习新技术的能力，增强创新意识。【项目实施】任务三 调节器及其调节作用规律一、学习目标1、理解并熟悉位式调节规律，熟悉位式调节器的工作原理及使用方法。2、理解并熟悉比例调节规律，理解比例调节器的工作原理，熟悉比例调节器的使用方法。3、理解并熟悉比例积分调节规律，理解PI调节器的工作原理，熟悉PI调节器的使用方法。4、理解并熟悉比例微分调节规律，理解PD调节器的工作

3、原理，熟悉PD调节器的使用方法。5、理解并熟悉比例积分微分调节规律，理解PID调节器的工作原理，熟悉PID调节器的使用方法。二、学习任务掌握位式、比例、比例积分、比例微分和比例积分微分调节规律的作用和特点，熟悉位式调节器的工作原理，理解气动调节器的工作原理，熟悉比例带、积分时间、微分时间的含义及对动态过程的影响。三、背景知识调节器是反馈控制系统的核心单元。调节器的输入输出关系即为调节规律，调节规律对于反馈控制系统的动态过程有着决定性的影响。在船舶机舱中，工况参数的控制系统使用了各种类型的调节器（如气动调节器、电动调节器和数字调节器等），用来实现各种调节规律。随着技术的发展，以单片微机为核心的数

4、字式调节器正得到越来越多的应用。调节器是反馈控制系统最重要的组成单元。当控制对象选定后，调节器就对控制系统的动态过程品质起着决定性的影响。调节器的作用规律是指调节器的输出信号P(t)随输入量e(t)变化的规律，即给调节器输入一个偏差信号e后，其输出量P（调节阀的开度，也就是执行机构的位置）的变化规律，可用函数关系式Pf(e)来表示。常用的调节规律主要包括：双位式调节规律、比例调节规律（P）、比例积分调节规律（PI）、比例微分调节规律（PD）、比例积分微分调节规律（PID）。一、双位式调节作用1双位式调节规律的概念双位式调节器的输出只有两个状态，它不能使被控量稳定在某一个值上而只能保持在一个范围

5、之内（上限和下限之间）。当被控量下降到下限值时，调节器的输出接通电源使电动机转动或令电磁阀通电使阀门全开；当被控量上升到上限值时，调节器动作使电动机停转或令电磁阀断电使阀门全关；当被控量在上、下限之间变化时，调节器输出状态不变，如图1-3-1所示。2YWK-50-C式压力调节器压力调节器也称为压力控制开关，YWK-50-C（原型号为YT-1226）式压力调节器的原理图如图1-3-2所示。该调节器根据力矩平衡原理工作，在比较杠杆9上，对支点8作用有三个力矩并相互平衡。这三个力矩分别是：由测量波纹管11产生的测量力矩、由给定弹簧16产生的给定力矩、由幅差弹簧13产生的幅差力矩。当输入信号P达到下限

6、值时，杠杆在三个力矩的作用下处于水平位置。此时动触点2离开静触点1而紧压在静触点3上，螺钉15离开幅差弹簧盘一段距离，幅差弹簧13对杠杆9不起作用。当输入信号P增加时，杠杆9绕支点8逆时针转动，通过拨臂使舌簧5的下边框左移，跳簧4被图1-3-1 理想的双位式调节过程压缩，储存弹性能。同时，螺钉15逐渐与幅差弹簧盘接触，杠杆9再转动时，不仅要克服给定力矩，还要克服幅差力矩。当杠杆9转过角时，输入信号P达到上限值，舌簧5的下边框正好与跳簧4在同一平面，跳簧4有了释放所储存弹性能的机会，迅速把舌簧5弹开，使动触点2离开静触点3而紧压在静触点1上。当P降低时，杠杆9绕支点8顺时针转动，只有杠杆9转到水

7、平位置时，舌簧5下边框顺时针转过角时，使舌簧与跳簧4处于同一平面，跳簧再次把舌簧弹开，使动触点2离开静触点1而紧压在静触点3上，杠杆回到水平位置。输入信号P在上下限之间变化时，跳簧保持原状态不变，也就是调节器输出状态不变。图1-3-2 YWK-50-C式压力调节器原理图1、3-静触点；2-动触点；4-跳簧；5-舌簧片；6-跳簧支点；7-拨臂；8-支点；9-比较杠杆；10-顶杆；11-波纹管；12-测量室；13-幅差弹簧；14-幅差调整旋钮；15-作用螺钉；16-给定弹簧；17-给定值指示器；18-给定值调整螺钉扭动螺钉18可以调整给定弹簧16的预紧力，亦即调整触点动作的压力下限值PL，其大小可

8、由指示器17指示。调整旋钮14可调整幅差弹簧的预紧力，亦即调整触点动作的压力上限值PH。PPHPL称为幅差。幅差调整旋钮14有一个红色标记，在它旁边的圆柱面上有010档刻度，红色标记对准0档时，P0.07MPa；红色标记对准10挡时，P0.25MPa。红色标记对准其它不同档时，其P的计算公式为， （1-3-1）其中x表示红色标记对准的档数，压力单位都是MPa。这样，在压力的上限值、下限值及所对应的档数x三个变量中，知道其中任意两个，就可以求出第三个。二、比例调节作用(P调节作用) 比例作用规律是指调节器的输出量P（调节阀开度的变化量）随输入量e（给定值与测量值之间的偏差值）成比例关系，其输出与

9、输入之间的函数关系为： （1-3-2）其中KP称为比例调节器的放大倍数。KP值越大，说明比例作用越大；KP值越小，说明比例作用越小。比例调节器是一种只考虑“偏差大小”因素的调节器，它把测量信号与给定信号加以比较，得出偏差信号，然后发出一个与偏差信号的大小成比例的调节信号去控制执行机构。1比例调节器实例分析图1-3-3 浮子式比例控制系统1- 浮子；2-杠杆；3-可调支点；4-调节阀阀芯图1-3-3表示一个采用浮子式调节器的水位自动调节系统。水柜中的水不断地从排出管道流出，又不断地从进水管道注入，调节器的作用是把水位保持在适当的高度上。当水柜中的水位升高时，浮子随之升高，并通过杠杆的作用使阀门杆

10、向下移动，把阀门关小一些；反之，当水位降低时，浮子就把阀门杆提起来，把阀门开大些。这样就可以自动地把水位保持在适当的高度上，完成水位自动调节的任务。在图1-3-3中，水位和调节阀的开度变化分别用X0和P表示。假定杠杆处于图中实线的位置时，整个系统处于一个稳定的平衡状态，此时水位为X0，偏差e0。如果突然开大出水阀，出水流量Q0增大，由于给水量Qi暂时不变，水位和浮子、浮子杆一起下降。杠杆绕支点顺时针转动，开大给水调节阀，增大对水柜的给水流量Qi，直到QiQO。假若水位在其变化过程中降低了e，那么调节阀门就要开大P，此时，杠杆的位置如图中虚线所示，由图可见：P·eKP·e。由

11、此可知，比例调节器的输出量P和它的输入量e是成正比的。改变杠杆上可调支点的位置就可以改变KP值，若将可调支点左移，a减小，b增大，则KP值减小，调节器比例作用减弱；反之，若可调支点右移，a增大，b减小，则KP增大，调节器比例作用增强。KP值大时，只要出现一个较小的偏差e值，调节阀的开度变化就比较大，给水量流量的变化也比较大，克服扰动能力就强。反之，KP值小，克服扰动能力就较弱。比例作用规律的优点是：调节阀的开度可以及时地反映控制对象负荷的大小。负荷变化大，出现的偏差e（t）就大，调节阀开度的变化P就成比例地立即增大，对被控参数进行调节控制。基于这个原因，比例调节器的应用十分广泛。但是，比例调节

12、器也存在明显的缺点，那就是当控制对象受到扰动后，在比例调节器的控制作用下，被控量不能完全回到给定值，而只能回到给定值附近，即其稳态值和给定值之间会存在较小的静态偏差，这是比例调节器固有的、不可克服的缺点。因为，若进水量受到一个阶跃扰动后，Q0增大，为了达到平衡，进水量Qi必须增加到Q0。进水量Qi的增加意味着调节器阀门开度必须增加，才可以达到新的平衡，要使阀门开度增大，水位（被控量）必然要降低，稳态时的水位必然偏离原稳态值，这就是比例调节器存在静态偏差的根本原因。要减小静态偏差，可以增大KP值，这时，调节过程结束后，水位有较小的变化（静差），就可以使QiQ0。2比例带在实际应用时，KP并不能作

13、为所有比例调节器的通用参数。这是因为：（1）大部分比例调节器的放大倍数KP是有量纲的。不同类型的比例调节器，P和e的单位均不同，所以求出的KP的单位也不统一，各种类型的比例调节器的KP就无法加以比较。 （2）放大倍数KP等于比例调节器绝对输出量与绝对输入量之比，至于输出(输入)的绝对变化值占其最大变化范围的百分比，KP是无法表达清楚的。 为了解决上述问题，通常采用比例带作为比例调节器的通用参数，它等于比例调节器的相对输入量和相对输出量之比，通常用PB或表示，即： （1-3-3）式中，是被控量的变化量（偏差值）；是被控量允许变化的最大范围（全量程）；是调节阀开度的变化量；是调节阀开度的最大变化量

14、（全行程，即由全开到全闭或由全闭到全开）；是量程系数。 在单元组合仪表中，由于仪表采用统一标准信号（如气动单元组合仪表为0.020.1MPa，电动单元组合仪表为0l0mA或420mA），因此调节器的输入、输出信号最大变化范围都是一样的，亦即常数Rl，故： （1-3-4）由上式可知，比例带与放大系数KP值成反比。比例带越大，意味着比例调节器在相同的相对输出量时，所需要的相对输入量越大，这时，输入量对输出量的控制作用越小，也就是比例调节作用越弱；相反，比例带越小，比例调节作用越强。由于比例带是比例调节器相对输入量与相对输出量之比，所以它是一个无量纲的百分数。它不仅反映出比例调节作用的对应关系，而且

15、能确切地说明每一个比例调节器的性能。比如，PB100的比例调节器，说明它的输入信号变化为全量程的100时，其输出信号变化为全行程；又如，PB50的比例调节器，说明只要输入信号为全量程的50，其输出就可达到全行程。见图1-3-4。这样，不论比例调节器结构上差别有多大，不论调节的是何种参数，只要调节器的比例带数值相同，在比例调节作用强弱这一点上都是一样的。图1-3-4 比例带大小与输入输出信号的关系3比例带大小对系统动态过程的影响当控制对象确定之后，控制对象的特性参数已经确定，比例带的大小对控制系统的动态过程品质有决定性的影响。如图1-3-5所示，若比例带太小，系统将出现不稳定的发散振荡过程（曲线

16、1）；当比例带减小到某一数值时，系统将出现等幅振荡，这时的比例带称为临界比例带（曲线2）；若比例带选得较小，比例作用很强，调节阀开度的变化量会过头，从而导致被控量的大起大落，系统的振荡倾向加剧，降低了系统的稳定性，同时使调节时间增加（曲线3）。若比例带选得很合适，则输出特性比较平稳而稳态偏差又不太大 (如曲线4)。若比例带选得太大，比例作用很弱，克服扰动能力就很弱，动态过程虽然很稳定，没有波动，但最大动态偏差增大，过渡过程时间拖得很长（曲线6）。所以要正确地选用比例带，最合理地利用比例调节作用。总之，从稳定性要求看，希望PB大一些好，但从准确性要求看，却希望PB小一些好。由此可见，自动调节系统

17、的准确性与稳定性之间存在着一定的矛盾，需在两者之间进行权衡。对于一般的调节器，比例带的选择范围约为5300。 图1-3-5 比例带大小对动态过程的影响4比例调节作用的特点通过以上的分析可以知道，比例调节规律具有以下两个特点：（1）比例调节作用具有克服干扰的立即性，而且这种克服能力会随着被控参数的偏差增大而增大。（2）比例调节结束后，被控参数将出现静态偏差，这是其不可克服的缺点。三、比例积分调节作用（PI调节作用）比例积分作用规律是指调节器的输出随输入按比例积分规律变化，这种调节器称为比例积分调节器。显然，在比例积分调节器中，既有比例调节作用又有积分调节作用。1积分调节作用（I作用）对于比例调节

18、器而言，被控量偏差越大，调节器输出的调节作用越大，调节阀(朝着消除偏差的方向)动得也越多。但是，纠正偏差依靠的是偏差本身，调节阀开度与被控量之间有着一一对应的硬性关系，因此会产生静差，这是比例调节作用不可避免的缺点。要想避免稳态误差，就必须采用积分调节规律。积分调节规律的输出P（t）与偏差输入e（t）对时间的积分成正比，其数学表达式为： （1-3-5）式中，Ki是积分速度。显然，积分调节器的输出不仅取决于偏差的大小，而且取决于偏差存在的时间长短。对式（1-3-5）两边求导后，可以得到积分调节作用规律的另一种表述方式， （1-3-6）即积分调节器输出（调节阀开度）的变化速度与输入偏差信号成正比。

19、被控量的偏差越大，调节阀朝着消除偏差方向动得越快，偏差为零，调节阀才停止变化。积分调节器是一种考虑了“偏差是否存在”因素的自动调节器，它把测量值与给定值加以比较得出偏差值，然后发出与偏差对时间的积分成正比例的调节信号。只要偏差存在，调节器的输出P（t）就会不断变化，执行机构就会不断动作。只有当偏差消除（即e（t）0）时，输出信号才不再变化，系统才稳定下来。换言之，积分控制作用将最终导致系统的稳态偏差等于零。2积分调节器实例及特点图1-3-6 采用积分调节器的水位控制系统图1-3-6表示采用积分调节器的水位控制系统。积分调节器由浮子、杠杆和滑阀组成，属液动式调节器。当水柜内的水位等于给定值时，滑

20、阀2正好将通往伺服油缸的上下油口A、B遮住，伺服活塞不动，系统处于平衡状态。设在某一时刻，流出量突然减少Q0，水柜内水位上升，杠杆ABO以支点O为转动中心顺时针转动一个角度，同时将滑阀2向上提起，于是伺服油缸上面的油口A与进油管连通，压力油进入伺服油缸的上腔，而下腔则与回油管路接通，向外排油。这时在伺服油缸的上下腔便出现压力差，此压力差推动活塞下行，关小调节阀，减小流入量Q1，直到流入量与流出量相等，而且水位也回到起始给定值时，调节系统才重新建立平衡。水位偏离给定值越大，滑阀将上下油口开得越大，伺服油缸上、下腔的压力差也越大，则调节阀移动的速度也就越大，符合式（1-3-6）所描述的积分动作规律

21、，所以，它是一个积分调节器。不难看出，只要水位与其给定值之间还有误差存在，滑阀就不能把通往伺服油缸的上、下两个油口完全遮住，调节过程就要一直进行下去，直到水位又回到初始给定值，调节才停止，系统重新建立平衡。所以采用积分调节器可以消除被控量的稳态偏差，实现无差调节。这是积分调节器的主要特点，也是它的优点。采用积分调节器时，被控量的偏差与调节阀的位移之间没有一一对应的关系。由图1-3-6可以看到，在调节过程中，只要水位变到等于给定值(滑阀正好将A、B口遮住)，且水柜的流入水量等于流出水量时，那么不管伺服活塞处在什么位置上，调节阀都会停止不动。因此，采用积分调节时，被控量在任何负荷下的稳态值都等于它

22、的给定值。此外，从式(1-3-6)可以看出，调节阀的动作速度的大小及方向决定于偏差e的大小及正负，而不考虑偏差变化速度的大小及方向，这是积分作用在调节中造成过调现象的根本原因。如图1-3-7所示，在a、b两点上，被控量与给定值之间的偏差大小一样且都是正偏差。对应于a、b两点，调节阀的移动速度的大小及方向(关小)都一样，但a、b两点被控量变化速度的大小及方向却是不一样的。在a点，被控量处于上升变化阶段，此时流入量大于流出量，积分作用以某个速度去关小调节阀的动作是正确的；而在b点，被控量已处于下降变化阶段，此时流入量已小于流出量。调节器正确的调节作用应该是开大调节阀或暂时停止调节阀动作。然而，积分

23、作用不考虑被控量变化速度的大小及方向，只要偏差一样，它就以同样大小的速度去继续关小调节阀，这就产生了过调现象。过调的结果，扩大了流入量与流出量的差值，引起被控量的振荡，大大降低了控制系统的稳定性。这是积分作用规律的另一个特点，也是其缺点。图1-3-7 积分作用产生过调的原因积分调节器的优点是没有稳态偏差，但是由于需要一定的时间才能把调节阀开大或关小，所以它总是滞后于偏差信号的变化，从而导致调节过程比较缓慢。同时，由于调节的滞后，系统的动态过程容易发生振荡，甚至不稳定。图1-3-8给出了控制系统在相同扰动情况下，分别采用比例调节器和积分调节器的动态过程曲线。在出现偏差的初期，图1-3-8 比例控

24、制和积分控制的比较曲线b由于积分控制作用很不及时，所以最大动态偏差emax较大，后期由于积分作用越来越强，造成被控量的振荡。而曲线a，由于比例控制作用比较及时，故最大动态偏差emax较小，振荡小，但是最后存在静态偏差。由于积分作用的以上缺点，积分调节器很少单独使用，而经常作为一种辅助作用加以利用，以发挥其优点。3比例积分调节作用在PI调节器中，比例作用是主要的，它能使调节阀的开度随时适应偏差量的变化，控制比较及时，这样就具有了较好的动态特性。积分作用是辅助的，用它来消除静态偏差。PI调节器的输出和输入之间的关系为： （1-3-7）式中： KPPI调节器的放大倍数； TiPI调节器的积分时间。若

25、给比例积分调节器施加一个阶跃的偏差信号（在实际系统中，偏差信号是不会阶跃变化的，但在开环实验中人为地给PI调节器施加一个阶跃信号是容易实现的），则有： （1-3-8）图1-3-9 比例积分调节器的输出特性PI调节器的输出分为两个部分，第一项是比例输出，在阶跃输入瞬间，比例作用把输入量e放大KP倍后阶跃输出；第二项是积分输出，该输出跟时间t保持线性关系，其斜率为KP/Ti。从图1-3-9中可以看出，积分输出取决于偏差和时间两个因素。当时间t0时，不论偏差多大，积分输出为零，以后随着时间的增长，积分输出随时间呈线性关系上升。当tTi时，P（Ti）2KP·e，即比例输出等于积分输出，调节器

26、的输出是比例输出的两倍，BCAB。由此可以看出，积分时间的物理意义是：在给PI调节器输入一个阶跃信号情况下，积分输出等于比例输出所需要的时间就是积分时间Ti。积分时间越小，积分输出上升到比例输出所花时间就越短，积分作用就越强。4积分时间对调节过程的影响 图1-3-10所示为同一比例带PB下不同Ti值对调节过程曲线的影响。图（a）表示Ti太小，积分作用很强，消除静差的能力很强，同时动态偏差也较小，但振荡过程加剧，稳定性降低。曲线（b）表示Ti合适，经23个波过程就结束。曲线（c）表示Ti太大，积分作用减弱，消除稳态偏差的能力变弱，调节过程时间变长，同时动态偏差也增大，但振荡减少、稳定性提高。曲线

27、(d)表示Ti，即没有积分作用，这时调节器只剩下比例作用，被控量有静差。图1-3-10 积分时间大小对动态过程的影响由于比例积分调节器具有比例调节反应快、无滞后的优点，又具有积分调节可以消除稳态偏差的优点，因此适用面比较广泛，多数系统都可以采用。在PI调节器上设有两个旋钮，一个用于调整比例带PB，另一个用于调整积分时间Ti。Ti被调整为合适的值时，既能保证控制系统稳定性的要求又能在较短的时间内使系统消除静态偏差值。在调整Ti时，切忌把Ti值整定得太小，否则由于积分作用过于强烈将导致系统的激烈振荡，调节时间大大增加，这是对控制不利的。如果Ti不能准确地确定，那么在选取Ti值时，要宁大勿小，这只是

28、增加了系统消除稳态偏差的时间而没有其它影响。对控制对象惯性大的控制系统，选取Ti值要大一点；控制对象惯性较小，则选取Ti值可以小一点。当Ti时，就相当于切除积分调节作用，而成为纯比例调节器。四、比例微分调节作用（PD调节作用） 1微分调节作用（D作用）由上面分析可知，比例作用对系统的控制比较及时，调节阀的开度能适应负荷的变化，但这是相对的。在控制对象受到很大扰动时，特别是在控制对象惯性比较大的情况下，在短时间内，被控量不会出现较大的偏差e。比例调节作用的输出是与偏差大小成正比的，因此，在短时间内，调节阀的开度P是不可能适应扰动的要求。这样，被控量就会出现较大的偏差。在这种情况下，比例控制规律就

29、显得不够及时了。控制对象惯性越大，这种现象越严重。如果在控制对象受到扰动的瞬间，调节器的输出P与偏差的变化速度de(t)/dt成比例，那么这种调节器就被称之为微分调节器，其作用规律为： （1-3-9）式中，Kd是微分系数。显然，微分作用的输出与偏差的绝对值大小没有关系，而是根据偏差的变化速度形成控制量输出。只要偏差的变化速度足够大，哪怕此时偏差绝对值很小，调节器的输出也会很大。因此，微分作用可以对系统受到的扰动实现超前调节，从而克服扰动，使被控量不会出现大的偏差。换言之，微分作用有抵制偏差出现的能力。理想微分作用的调节器在实际系统中是不能直接使用的。因为，如果在t0时刻对微分调节器输入一个阶跃

30、的偏差信号e，e是常数，即dee，此时dt0，所以调节器的输出P；然后在极短的时间内，dt0，而de0，则调节器的输出Pde/dt，迅速减小为零，即对微分调节器输入阶跃的偏差信号后，调节器指挥调节阀马上从原来位置达到全开，接着又立即回到原位置。这种作用规律在工程上是不可实现的，就是实现也没有实用价值。所以在实际系统中，一般采用实际微分作用。给实际微分调节器施加一个阶跃的偏差输入信号后，它先有一个较大的阶跃输出，然后微分输出按负的指数规律逐渐衰减，最后消失在零上，如图1-3-11所示。图1-3-11 实际微分作用的输出特性对于微分控制来说，在被控参数偏差存在但是不变化时，微分作用是没有输出的。也

31、就是说，微分控制对恒定不变的偏差是没有克服能力的。因此微分调节规律不能单独使用，而只作为一种辅助调节规律，与比例或比例积分作用联合使用。2比例微分调节作用比例微分调节作用规律是指调节器的输出包括比例作用和微分作用。其中，比例作用是主要的作用，它最终决定了调节阀开度的变化量；微分作用是辅助的，它只起到超前调节的作用。比例微分作用规律可以表述为： （1-3-10）式中，Td是PD调节器的微分时间。由上式可以看出，放大倍数KP不仅影响比例部分，同样也影响微分部分。就是说，KP不仅将偏差的放大倍数增大了，同样也把偏差的变化速度放大了。给比例微分调节器施加一个阶跃的偏差输入信号后，它首先有一个阶跃的比例

32、加微分的输出，然后微分输出部分逐渐消失，最后消失在比例输出上。如图1-3-12所示。微分时间Td表示微分输出消失的时间。Td较大，则微分输出保留的时间比较长，说明微分作用较强；反之，则说明微分作用比较弱。因此微分时间Td的大小是衡量微分作用强弱的参数。微分作用不能太强，即Td过大的话，将会使调节器的输出剧烈变化，不但不能提高系统的稳定性，反而会引起被控参数剧烈振荡。微分作用也不能太弱，如果Td太小的话，对系统的动态品质改善不显著。当Td0时，P（t）KPe（t），即此时只剩下了比例作用。图1-3-12 比例微分调节器的输出特性在PD调节器上有两个旋钮，一个是比例带PB调整旋钮，另一个是微分时间

33、Td调整旋钮。一般来说，对于控制对象惯性比较小的控制系统，其采用的调节器可以不加入微分作用。而控制对象惯性较大的控制系统（如温度控制系统），调节器加入微分作用，其控制效果的改进是十分显著的。在PD调节器中，如果已加入微分作用，比例带PB的值可以比纯比例控制时的值调得小一些。因为微分作用可以实现超前调节，具有抵制偏差出现的能力，所以尽管PB比较小，即比例作用比较强，也能够保证系统动态过程的稳定性，且PB较小时，稳态偏差的值也会小一点。五、比例积分微分调节作用（PID调节作用） 1. 比例积分微分（PID）作用比例积分微分调节器是把比例、积分、微分三种调节作用结合起来组成的调节器，也称三作用调节器

34、，或简称PID调节器。在这种作用规律中，仍然以比例作用为主，积分调节作用规律主要是用于消除静态偏差，而微分作用用来实现超前调节，因而是一种功能最完善的经典调节规律。PID调节作用规律可以表述为： （1-3-11）调节器输出的调节信号等于比例作用、积分作用和微分作用三部分输出变化之和。当给PID调节器输入一个阶跃的偏差信号时，调节器的输出的变化如图1-3-13所示。图1-3-13 PID调节器输出特性开始时，微分作用变化得最快，它使输出信号发生突然的大幅度的变化，产生一个强烈的超前调节作用，这种控制作用可以看成是“预调”。然后微分作用又慢慢地下降直到消失，而随着时间的积累，积分作用就越来越大地起

35、了主导作用。只要偏差信号不消失，e0，积分输出（）就不等于零，积分作用就不断增加，直至调节器的输出达到饱和；只有偏差完全消失，积分作用才会停止，这种控制作用可以看成是“细调”。而在调节的整个过程中，比例作用一直是与偏差成正比关系的，它是整个调节器中最主要的调节作用。在PID调节器中，如果把三个参数，即比例带PB、积分时间Ti和微分时间Td整定适当，控制系统就可以获得最佳的动态过程品质指标，取得满意的调节效果。由于比例作用使调节阀的开度与偏差值成正比，因此比例作用可以根据偏差的大小决定调节阀的最终开度，实现及时的调节。积分作用可以使稳态偏差等于零，即最终使得被控量回到给定值。微分作用有超前控制能

36、力，即抵制出现偏差的能力，因此可以减小系统的最大动态偏差emax，减少振荡、提高系统的稳定性，使被控量波动23次就可以稳定下来。可见，PID调节器是控制系统理想的调节单元，使用得当可以取得满意的调节效果。但是，PID调节器结构比较复杂，从节省投资和便于维修的角度考虑，在能满足调节要求的前提下，应选用最简单的调节器。此外，PID调节器对干扰信号非常敏感。比如机舱中的液位系统，由于船舶周期性的稳性变化（摇摆），将导致PID调节器中的微分作用发出较大的阶跃信号，使调节阀开度突然变化很大。也就是本来不需要调节的系统，由于微分作用的超前调节，使阀门开度忽而大开、忽而大关，破坏了系统的平衡。所以对于液位控

37、制系统，调节器不能加入微分作用，只能选择双位式调节规律、比例调节规律或比例积分调节规律。2. 气动PID调节器1）QTM-23J型气动PID调节器（1)调节器的基本组成QTM-23J型气动三作用（PID）调节器按力矩平衡原理工作，其结构原理如图1-3-14所示。它主要由四部分组成：比较部分、放大部分、比例积分部分和微分部分。比较部分包括测量波纹管F、给定波纹管G、负反馈波纹管E、正反馈波纹管H及具有弹性支点的比较杠杆6。测量信号与反馈信号以力矩形式在杠杆6上进行比较。1、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跟踪器图1-3-

38、14 QTM-23J型气动PID调节器原理图CD气源P测PGRDRPP出RFRIJ6123456789101112MKHFLEG放大部分由挡板4、喷嘴5和恒节流孔9组成的喷嘴挡板机构及后面串联的耗气型气动功率放大器8组成。二级功率放大器的输出即为调节器的输出，送到执行机构。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1：1跟踪器组成，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、接受负反馈信号的波纹管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

39、组成。由变送器送来的测量信号先引入波纹管K，经微分部分先产生一个微分输出并送入比较部分的测量波纹管F。（2）调节器的工作原理假定在初始平衡状态下系统受到扰动，使被控量的测量值大于给定值，则挡板2靠近喷嘴3，喷嘴背压瞬间增加。这个增大的信号分三路：第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；第二路经弹性气容M挤压微分气室CD，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。此时微分部分的输出信号最大，相应于调节器输出信号也是最大的；第三路经微分阀RD不断向波纹管L充气，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

40、之逐渐减小，亦即微分输出逐渐衰减。当波纹管L的气压信号增加到与波纹管K相同时，微分输出消失。不难看出，微分部分是比例带为100%的比例微分环节（微分器）。测量波纹管F接受微分部分输出的超前控制信号，打破杠杆6的初始平衡状态，使挡板4靠近喷嘴5，调节器的输出信号增大。增大的输出信号分四路：第一路送到执行机构，改变调节阀的开度以适应负荷的要求。第二路直接送入负反馈波纹管E，限制挡板继续靠近喷嘴，构成100的负反馈。第三路经过比例阀RP（可调气阻）、恒气阻RF和正反馈波纹管H组成的节流分压器进入正反馈波纹管H，产生正反馈力矩。进入波纹管H的气压信号是由比例阀RP和气阻RF分压得到的。在P出增大的瞬间

41、，积分气室的压力PI尚未变化，则此时正反馈波纹管H的压力为： （1-3-12）显然，正反馈波纹管H的气压信号PH小于调节器的输出，而负反馈波纹管E的气压信号PE就是调节器的输出信号P出。因此，正、负反馈的综合效果为负反馈。这一负反馈使杠杆达到一个暂时的平衡状态。这是一个比例输出的过程，调节阀开度基本适应负荷的要求，但是由于PEPH，必然有PFPG，即P测P出，被控量不能恢复到给定值，也就是说比例调节是存在静态偏差的。调节器输出的第四路经积分阀RI（可调气阻）不断向积分气室J充气，积分气室的压力PI按指数曲线逐渐升高，使正反馈波纹管H中的压力逐渐升高，这个附加的正反馈使挡板又靠近喷嘴，调节器的输

42、出略有增大，通过调节阀开度的变化来消除被控量的静态偏差。正反馈波纹管H的气压信号PH、调节器的输出信号P出、积分气室气压信号（等于1：1跟踪器的输出）PI之间的关系为： （1-3-13）当最终达到平衡状态时，PI=P出。此时PH = P出=PE，则必有PF=PG，即被控量的测量值等于给定值。可见，积分作用可以消除静态偏差，实现无差调节。1：1跟踪器由壳体、喷嘴11、具有硬芯的膜片10、恒节流孔等构成，其输出信号（膜片下室压力）始终跟踪输入信号（膜片上室压力，也就是积分气室J的压力）变化。跟踪器按力平衡原理工作，当输入信号增大时，膜片靠近喷嘴10，气室的放气量减少，其输出压力升高。当膜片下室压力

43、升高到与输入压力相等时，膜片不再下移，气室的压力也不再变化。1：1跟踪器为节流通室提供节流通道，同时又起抗干扰作用，使调节器的输出比较稳定。（3）参数调整调节器的比例作用是以综合负反馈来实现的，其强弱取决于正反馈的大小，由比例阀RP的开度来调定。开大比例阀，正反馈增强，综合负反馈作用减弱，比例带PB变小，比例作用增强。反之，关小比例阀，比例带PB变大，比例作用减弱。全开比例阀，比例带为5%，全关比例阀，比例带为300%。调整积分阀RI的开度可改变积分时间Ti。开大积分阀，积分气室充气快，积分时间Ti短，附加正反馈作用强，即积分作用强。反之，关小积分阀，积分时间Ti长，积分作用弱。调整微分阀RD

44、的开度可改变微分作用的强弱，关小微分阀，微分时间Td变长，微分作用存在的时间长，微分作用强。反之，开大微分阀，微分时间Td短，微分作用存在的时间短，微分作用弱。全开微分阀，Td=0，相当于切除了微分作用。2）NAKAKITA型气动PID调节器（1）结构与工作原理图1-3-15 NAKAKITA型黏度调节器结构原理图NAKAKITA型PID调节器按位移平衡原理工作，其结构原理如图1-3-15所示。调节器有两个指针，即红色给定指针与黑色测量指针。在初始平衡状态下，被控量的测量值与给定值相等，黑、红指针重合。这时喷嘴挡板之间开度不变，调节器有一个稳定的输出。比例波纹管、积分波纹管、微分气室及积分气室

45、压力相等，都等于调节器的输出压力。当系统受到扰动时，被控量的测量值离开给定值出现偏差。假定测量值增大，经控制板送入弹簧管，使弹簧管张开，其自由端F产生一个向上的位移量，带动FG杆上移，FG杆推动GH杆上移。使HEN杆和HED杆均以E为轴逆时针转动。它一方面使MN杆右移，黑色测量指针将绕轴Q向指示粘度增大的方向转动。另一方面D点右移，带动AC杆绕轴C逆时针转动，BO杆右移，OO杆以O为支点顺时针转动，固定于OO杆上的销钉上移，推动控制挡板开度的调节杆上移，这一动作使挡板离开喷嘴，喷嘴背压下降，经气动功率放大器使调节器的输出压力降低（反作用式）。这一降低的压力信号送到执行机构来开大调节阀（应配合使

46、用气关式调节阀），使测量值降低。同时，这一降低的输出信号又分三路作为调节器的反馈信号。第一路与微分气室中的波纹管相通，波纹管收缩，波纹管外面气室压力略有降低，则比例波纹管压力略有降低，OO杆略有下降使挡板略微靠近喷嘴，这一负反馈很弱，不足以抵制挡板继续离开喷嘴，挡板离开喷嘴的位移量比较大，使调节器的输出压力大大降低，调节阀开度变化量很大，这就是调节器的微分输出，以实现超前控制，抑制偏差的出现。第二路是微分气室压力经微分阀与调节器的输出相通，其压力不断下降，负反馈作用不断增强，挡板逐渐靠近喷嘴，调节器的输出压力信号不断增大，这是微分输出消失的过程。当测量信号使挡板离开喷嘴的位移量与负反馈信号使挡

47、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。第三路是积分波纹管压力经积分阀不断放气而降低，使挡板又离开一点喷嘴，调节器的输出压力信号又有所下降，这一附加的正反馈用来消除静态偏差，最终使测量值等于给定值，黑色测量指针与红色给定指针重合。当被控量的测量值减小时，调节器的动作原理与此相同，只是动作方向相反。（2）调节器的调整给定值的调整是通过转动给定值旋钮来实现的。若增大给定值，可顺时针转动给定值旋钮。一方面红色给定指针向指示值增大的方向转动，另一方面QS绕Q轴逆时针转动，RC杆左移。这时因被控量的测量值暂时未变，A和D点不动，所以BO左移，挡板靠近喷嘴，调节器的输出压力增大，这与被控量

48、的测量值降低小于给定值的效果是一样的。于是经过调节器的调节作用，使测量值逐渐向给定值靠近，最终达到相等，黑色指针与红色指针又重合。若减小给定值，可逆时针转动给定值旋钮。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Ti和微分时间Td，并有相应的刻度指示。调整积分时间Ti和微分时间Td实际上是改变积分阀、微分阀的开度。比例带调整盘是一个偏心机构。转动比例带调整盘可使喷嘴和挡板一起平行地移动，并且挡板调节杆的倾斜度发生变化。这样，挡板转动相同的角度，销钉上下移动相同的距离，调节杆上下移动的位移量不同，使喷嘴与挡板的开度变化量不同。，NAKAKITA型调节器积分时间Ti的调整范围为200.

49、1min，微分时间Td的调整范围为100.05min，比例带PB的调整范围为10250%。图1-3-16 NAKATITA型调节器的作用方式根据船舶机舱自动控制系统的控制要求，NAKAKITA型调节器也可以采用正作用式。正反作用切换是通过转动比例带调整盘来实现的。图1-3-16所示为正、反作用工作方式时的比例带调整盘及喷嘴和挡板的状态。左图为反作用工作方式，右图为正作用工作方式。在反作用工作方式时，把比例带调整盘顺时针转过3/4圈即转换成正作用工作方式。此时，挡板调节杆转到了OO杆上销钉的下方，当测量信号增大时，OO杆顺时针转动，销钉上移，调节杆在挡板调节机构弹簧力的作用下上移，这一动作是使挡板靠近喷嘴，喷嘴背压升高。3. 数字PID调节器除了气动和常规电动控制系统之外，船舶机舱中越来越多的参数控制系统都采用微型计算机进行控制。在计算机控制系统中，调节器的作用规律通过软件编程来实现，故被称为数字调节