1、第二章 自动调节系统,第二章 目 录,2-1 自动调节系统概述,2-2 调节系统的过渡过程和品质指标,2-3 调节对象的特性,2-4 调节器的特性,2-5 测量和传送装置的特性,2-6 调节器工程参数的整定,2-7 调节系统间的相互干扰,2-8 复杂调节系统,章目录,2-1 自动调节系统概述,本章教学重点及难点：自动调节系统的构成；过渡过程的品质指标；比例调节规律及特点；PI、PD、PID调节规律；测量和传送装置的特点及克服测量滞后的方法；串级调节系统及其调节过程和特点；串级调节系统的确定；比值调节系统及串级比值调节系统；分程调节系统及应用。,下一页,章目录,2-1 自动调节系统概述,下一页,
2、1 自动调节的意义,建材（陶瓷、水泥、玻璃等）生产过程是动量传送、热量传送、质量传送的过程，时刻都进行着化学反应和物理变化。由于各种干扰因素的影响，过程会出现不稳定，表现为工艺参数（T、P、Q、液位和成分）上下波动，为使生产稳定，必须对某些参数加以控制。 自动调节的作用有： （1）加快生产速度，降低生产成本，提高产品质量和产量； （2）减轻劳动强度，改善劳动条件； （3）能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的； （4）生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化水平，为逐步消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。,章目录,2-1 自动调节
3、系统概述,下一页,2 自动调节系统的构成及方框图,简单调节系统（自动）：系统由一个测量元件（热电偶等）和变送器、一个调节器、一个执行器构成。,章目录,2-1 自动调节系统概述,下一页,2 自动调节系统的构成及方框图,测量变送器：包括测量元件和变送器，其作用是：检测被调参数的变化，并将其变换成仪表的统一信号（气压或电流），送到调节器和显示仪表作为测量值。变送器把检测信号变换成电流或气压之后是比例输出的。定值器：把工艺参数的规定值变成仪表统一的信号送入比较机构作为给定值x,它与测定值z进行比较得出偏差e。定值器发出的给定值大小是由人工根据工艺规定值设定的。工艺指标不变，则无须改变给定值。调节器：是
4、判断被调参数的变化情况发出调节信号的环节，它是自动调节系统中的核心环节。偏差e是其输入信号，它按e的正负和大小以自身的调节规律发出调节信号p给执行机构。,章目录,2-1 自动调节系统概述,下一页,2 自动调节系统的构成及方框图,执行器：是执行调节命令、改变调节参数值、对对象施加较正作用的装置，它包括执行机构和调节阀。执行机构接受调节器的调节信号P，其输出去带动调节阀动作。电动执行机构是伺服电机，它和调节阀是分开的两个装置，而气动执行器是一个整体，叫做气动薄膜调节阀，膜头是执行机构，阀体是调节阀。调节对象：是被调节的生产设备和机器。如：窑炉、换热器、磨机等。,章目录,2-1 自动调节系统概述,下
5、一页,3 关于自动调节系统的几点说明,(1)开环与闭环,（2）正反馈与负反馈,如为负反馈，当炉温升高时，z为反馈信号，其值为负即：e=x-z 反馈信号定为负并与给定值相减，故其是负反馈，即得-e，系统将关小阀门，减少燃料量，炉温降低；如为正反馈，则z为正，e=x+z，系统将开大燃料阀门，炉温更加升高。所以自动调节系统一般不用正反馈。,章目录,2-1 自动调节系统概述,下一页,3 关于自动调节系统的几点说明,（3）正偏差与负偏差在调节系统中，一般规定偏差e=x-z。xz为正偏差，xx称为正偏差，zx称为负偏差。,（4）调节器的作用方向和执行器的开关形式调节器的输入e值大，输出p值也大的为正作用；
6、e大p反而小的为反作用。调节器都有正反两种作用，可供切换使用。执行器的开关形式有开式和关式两种：p大开度增大的为开式；p大开度减小的为关式。电动执行器有正转和反转两种运转方向，安装时不能装反。,章目录,2-1 自动调节系统概述,4 自动调节系统的分类,（1）定值调节系统：即给定值是恒定的。如陶瓷、水泥窑炉温度的控制等。 （2）随动调节系统：给定值是不断地、无规律地变化的，被调参数跟随给定值变化。如烧成气氛的控制。 （3）顺序调节系统：亦称程序调节系统。其给定值是按一定规律（时间程序）变化的。如电炉温度的控制等。,章目录,2-2 自动调节系统的过渡过程和品质指标,下一页,静态：当一个调节系统的输
7、入不变时，整个系统处于相对平衡状态。这种参数不随时间变化的状态称为静态。静态并不是静止不动，信号为零，而是指各参数的变化率为零。此时系统中各信号保持原值，测量值等于给定值，偏差为零，调节器的输出不变，调节阀操持原开度，流过阀门的物料量无变化，被调参数稳定，生产过程正常地、平稳地进行。平衡和静态是相对的、暂时的、有条件的。因为干扰经常发生。动态：调节系统受干扰后被调参数随时间变化的状态。对自动调节系统调节质量的要求，就是对干扰后系统的动态变化和最终的稳态而提出的。,章目录,2-2 自动调节系统的过渡过程和品质指标,下一页,1 阶跃干扰与过渡过程,阶跃干扰：把从一个值突变到另一个值的干扰形式称为阶
8、跃干扰。自动调节系统中阶跃干扰是标准形式的干扰。,为什么采用阶跃干扰为标准形式？ （1）阶跃干扰来势突猛，对调节系统最不利，如果所设计的调节系统能克服阶跃形式的干扰，则对克服其他缓和形式的干扰更有余力。 （2）阶跃形式的干扰在生产过程中经常会遇到。 （3）这种形式简单，对做实验、计算、分析等工作都比较简便。所以把阶跃干扰作为判断系统抗干扰能力好坏的标准形式。,章目录,2-2 自动调节系统的过渡过程和品质指标,下一页,1 阶跃干扰与过渡过程,过渡过程：系统受干扰后，从一个平衡态过渡到另一个新的平衡态的过程。几种典型的过渡过程：,（1）发散过程 （2）等幅振荡 （3）衰减振荡 （4）非周期,章目录
9、,2-2 自动调节系统的过渡过程和品质指标,下一页,2 过渡过程的品质指标,对调节系统的品质要求主要是在抗干扰的能力上。对于定值调节系统。品质指标突出一个“稳”字。即系统受干扰后，要求被调参数能稳定住、稳得好、稳得准、稳得快。对于给定值变化的随动系统，除了能抗干扰外，要求被调对数能随时接近给定值。品质指标突出一个“跟”字。即系统受干扰后，要求被调参数能跟得上、跟得快、跟得准、跟得好。评价调节系统的品质，是在干扰f或给定值x作阶跃变化下所得的过渡过程进行分析评价的。即：系统在平衡的条件下，f或x突然作阶跃变化，并维持下去，来观察被调参数测量值z随时间的变化过程。,章目录,2-2 自动调节系统的过
10、渡过程和品质指标,下一页,2 过渡过程的品质指标,f 阶跃变化下的过渡过程,x 阶跃变化下的过渡过程,以上两图是当f和x作阶跃变化时过渡过程的典型曲线图,章目录,2-2 自动调节系统的过渡过程和品质指标,下一页,2 过渡过程的品质指标,（1）稳定过程系统受干扰后，要求被调参数能稳定下来，即参数变化是衰减振荡的过渡过程。其稳定程度用衰减比n或衰减率 来衡量。,n1或0 1o为衰减振荡过程，过程终了可达稳定。n值大，表示衰减得快；n=1或 =0为等幅振荡。n1或 为负，过程为发散振荡，系统不能稳定。n趋于无穷大或 =1为非周期过程。在定值调节系统中，一般认为n=4即 =75%为好，表示过程经二次振
11、荡基本达到稳定。在随动系统中，要求过程更稳定一些，n=10或 =90%较好，该值也适合温度及成分调节系统。,章目录,2-2 自动调节系统的过渡过程和品质指标,下一页,2 过渡过程的品质指标,（2）最大偏差在过渡过程中，被调参数是偏离给定值，如果偏差太大，则会进入危险区影响生产。最大偏差e max：对于定值调节系统，过程中被调参数与给定值的最大差值。最大偏差与干扰量f有关，f越大，A越大。设计调节系统时必须考虑到在最大干扰作用下，A仍不超出工艺要求才行。,（3）过渡时间调节系统受到干扰作用后，经过调节又回复平衡。对定值系统，从原来的平衡被破坏起，到过渡到新的平衡为止所需的时间称为过渡时间。过渡时
12、间是衡量过程反应快慢的指标，时间越短越好。,章目录,2-2 自动调节系统的过渡过程和品质指标,2 过渡过程的品质指标,（4）工作周期或频率过程曲线振荡一周的时间称为工作周期Tp，其倒数称为工作频率。在相同的衰减比下，周期与过渡时间成正比，要求周期短些好。,（5）余差过程终了时，被调参数与给定值之间可能留有的差值即为余差。一般情况下余差趆小趆好。以上五指标中前四个为动态指标，最后一个为静态指标。,章目录,2-3 调节对象的特性,下一页,调节对象的特性包括静态特性和动态特性。主要有三个方面即：放大系数K0、时间常数T和滞后时间。,1 放大系数,调节对象有两种通道：一是调节通道，即调节参数q对被调参
13、数y的作用途径；另一是干扰通道，即干扰f对y的作用途径。调节通道的放大系数为K0，干扰通道的放大系数为Kf，两者不同。,（1）调节通道放大系数K0的意义和影响 假定某个对象原来处于平衡状态，即q不变，y也稳定不变。此时对象的工况处于静态上的某一工况点。假使在某一瞬间开始，调节参数增加了q，被调参数跟着变化y，到达新的工作点以建立了平衡，被调参数升到了y+y。y与q的比值系数称为调节通道的放大系数K0。,章目录,2-3 调节对象的特性,下一页,表示时间t=的意思。理论上过程要在时间才能真正达到新的平衡态（静态）。,例：换热器的载热体q增加了0.1t/h，出口温度上升了3则其放大系数为：K0=3
14、/0.1=30 (.h/t),从K0的定义分析得出的结论： K0是反映静态特性的参数，因为它反映了达到稳定态后的情况。 在不同的负荷下，以及在不同的被调参数数值下，对象的放大系数K0很可能不一样。对于实际的生产设备，对象的静态特性往往是非线性的，故只有在规定的工作点和小扰动的条件下，才能把K0看成是一个常数。 放大系数K0的概念，只适用于有自平衡性的对象。即具有适应外界条件能自发地趋向平衡能力的对象。,章目录,2-3 调节对象的特性,下一页,从K0对调节的影响看，应注意的事项有： K0的数值：如果工艺上允许有几种调节手段可供选择，K0值大的表示其调节作用灵敏，应选用它。K0值大小是以调节参数从
15、工作点改变相同的百分数为基础进行比较的。 K0的非线性：由于K0为非线性，就不能保证系统总的放大系数是定值，结果必然使系统的放大系数随工作点和负荷而变化，使得调节器的放大系数只对一个工作点或某一负荷适宜。(2) 干扰通道放大系数Kf的意义及影响干扰经过干扰通道对被调参数施加影响，如在开环条件下，干扰作了阶跃变化f，被调参数的最终变化量是y()，则y()与f的比值就称为干扰通道的放大系数Kf：,章目录,2-3 调节对象的特性,下一页,Kf对调节过程的影响是很明显的，在同样的f作用下，干扰通道的Kf愈大，将使被调参数偏离给定值愈远。即使构成闭环系统，最大偏差也会大些。在一个系统中，干扰因素往往不止
16、一个，从静态特性Kf看，我们应该着重注意较大的干扰，即对较大的干扰影响必须设法排除，以保证调节质量。,2 时间常数,用K0只能分析静态特性，即过程最终结果。至于运动过程的情况，须从动态特性分析，即用时间常数来描述。 （1）、时间常数的物理意义 作为TRC阻容环节分析：T是电阻R和电容C的乘积（电工学），这个阻容环节的概念不限于电的范畴，对于液位、压力等对象都可来进行类比。,章目录,2-3 调节对象的特性,下一页,作为保持初始速度下达到稳定值所需的时间来分析：在阶跃外作用下，如保持初始速度达到新稳态值所需的时间是时间常数。在工业设备上分析液位和压力对象时，可以理解为，在阶跃外作用下，参数完成全部
17、变化量的63.2%所需的时间就是时间常数。,章目录,2-3 调节对象的特性,下一页,（2）时间常数的影响 T对过渡过程的影响，从两个通道来考虑： 干扰通道Tf的影响：干扰进入系统的位置离信号输出端越远，T越大，影响越小，调节起来越容易。 调节通道时间常数T的影响：对象不包括调节阀和测量元件变送器，讨论方法与干扰通道不同，对象的时间常数的大小是相对比较的：,就不同对象来比较，一般温度对象的时间常数要比压力和流量对象的大；在同一个系统内部，对象时间常数相对测量元件和调节阀的时间常数大小而言，一般情况下，对象的时间常数比测量元件和调节阀的为大。,章目录,2-3 调节对象的特性,下一页,一般情况下，若
18、对象的时间常数T小，调节作用及时，过渡时间短，有利于克服干扰。但是T值过小，可能引起过程振荡。如果对象调节通道时间常数T比干扰通道的Tf大，克服干扰的能力就太差，所以时间常数过大过小的对象都不容易调节。,三 滞后时间,双容量和多容量对象的反应曲线，可用纯滞后0和容量滞后c来描述，两者之和称为滞后时间。对于单容量对象，只有纯滞后0。 （1）纯滞后不少对象在输入变化后，输出并不立即改变，,而是隔一段时间才变化，这个时间称为纯滞后时间。纯滞后0是表征对象动态特性的一个特定参数。,章目录,2-3 调节对象的特性,下一页,（2）容量滞后对于陶瓷工业的隔焰窑，可将窑内空间看成是一个蓄积热量的对象，燃烧室是
19、另一个具有热容量的对象，先有燃烧室的热量变化，而后与窑内空间进行热量传送，两个串联工作构成双容量对象。,（3）滞后时间的影响： 对调节通道：如果存在于调节参数方面，使其不能及时地起作用。如果存在于被调参数的测量方面，调节器就不能及时地觉察到偏差。无论是哪种情况，都使调节作用落后于被调参数的变化，易引起超调，产生振荡，不利于调节。,章目录,2-3 调节对象的特性,当T的比值大的时候，为了保证过程稳定，不得不把调节器的比例度加大，积分时间处长，这样又使调节很不得力，最大偏差上升，工作周期延长。,对干扰通道：0的影响与调节通道中不一样，等于干扰延迟了0时间才进入对象，使过渡过程推迟了0时间才开始，而
20、对其过程曲线的形状无影响。而c等于使干扰缓和，影响被调参数变化也缓和一些，这是有利的。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,调节系统的主要矛盾是干扰和调节的矛盾，干扰作用使被调参数偏离给定值，产生偏差。调节器则根据偏差大小和正负发出相应的调节信号p以克服干扰作用的影响，使被调参数保持在给定值附近。即调节器是依偏差e工作的。调节器的输出p和输入e之间的关系称为调节器的特性或调节规律。应用最多的有三种基本调节规律：比例调节规律P、积分规律I、微分规律D及其组合等。,1 双位调节（断续式）,双位调节规律是当测量值大于给定值时，调节器的输出为最大（或最小），而当测量值小于给定,值时，则输出为最小（或
21、最大），即指调节器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置，因此又称为开关调节。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,双位调节最大的缺点是调节器的输出特性是有限的。调节作用是过头的，致使被调参数不能稳定下来，而在给定值上下波动。再者，执行器动作频繁易损坏，如带动阀门，则会缩短阀门寿命，使阀门特性变坏，最终导致调节作用下降。改进办法是采用有中间区的双位调节器，如用电接点压力表构成压力双位调节系统，压力控制在中间区内就能满足工艺要求。,压力和温度的调节过程都是等幅,振荡过程。被调参数可以控制在中间区内作等幅振荡。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,2 比例调节,（1）比例调节规律
22、指的是调节器的输出与偏差成比例关系。偏差愈大，调节器输出变化愈大，调节阀开度变化也愈大。调节作用与偏差是一一对应的比例关系。,比例调节规律的数学表达式为：,式中 e:偏差值，即测量值与给定值之差； p:调节器的输出； p0:偏差值为零时调节器的输出； Kc:为比例系数，或放大系数。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,（2）比例调节特点 当受干扰作用被调参数下降时，调节器使调节参数上升，系统可达新的稳定，当干扰使液位上升时，调节阀关小减少流入量，系统亦到新稳态。因为调节器的输出是针对偏差的大小和正负而同步动作的，无时间延迟，克服干扰 影响迅速而有效，最终能使系统达到稳定。此为比例调节规律的一
23、大优点，使它成为各种规律中最基本的调节作用。 负荷变化之后，经过比例调节可达新稳定态，而被调参数却不能回到给定值。过程终了时留有余差。这是其缺点。当负荷使被调参数升高时，则新稳态值大于指定值，余差为正；当负荷使被调参数降低时，则新稳态值小于指定值，余差为负。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,2 比例调节,（2）比例调节特点 放大系数Kc对调节质量的影响至关重要。Kc，阀门开度，调节作用，到达平衡快，余差。但Kc时可能因阀门移动猛烈而出现振荡过程。,（3）比例度在工业用调节器中，并不直接使用放大系数Kc，而是用比例度来表示比例调节作用的强弱，以表示。比例度是指调节器输入变化的相对值与相应输
24、出变化的相对值之比的百分数。,其中：分子为e的相对值，即e与测量范围的比值；分母为P的相对值，即P与变化范围的比值。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,2 比例调节,比例度的物理意义：调节器输入即偏差变化要占全量程的百分之几，才能使调节器的输出作全量程的变化。即偏差变化要占全量程的百分之几，才能使调节阀作全量程位移。比例度与输入、输出的关系如图,比例度大，放大系数小，调节阀位移小，调节参数变化小，比例调节作用弱，余差大。同样的比例度，若被调参数指示值变化越大，则调节器输出变化也越大；在调节输出量相同时，若比例度大，则指示值变化也越大；在相同指示值变化下，若比例度小，则调节器输出变化大。,章
25、目录,2-4 调节器的特性,下一页,2 比例调节,（4）比例度对过渡过程的影响一个系统的过渡过程质量好坏，一其对象本身特性和调节仪表等自动化装置特性有关。对象特性往往受设备限制不能作太大改变。在自动化装置中测量元件、变送器和调节阀一旦选定之后。其特性亦无法变更。提高过程质量的唯一途径是选择合适的调节器参数，比例调节器的参数为。针对对象和系统特性选取合适的的工作叫调节器参数的整定。比例度大，系统较稳定，但余差大。比例度小，系统灵敏，但不易稳定。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,2 比例调节,比例调节规律适合的场所： 因负荷变化大，余差也大。故适用于负荷不大的场所。 对象的/T较大时，很不易
26、调节，需把比例度取得较大，这样会使余差增大，故比例调节适用于/T较小的对象，可把比例度整定得小些，余差不致太大。 因有余差，只适用于调节质量要求不高的场全，如不重要的蒸汽管道压力，中间贮槽的液位等。不严格要求定值调节，允许被调参数在一定范围内波动，这时选用纯比例调节简便而价廉。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,3 比例积分调节,（1）比例积分调节规律PI调节规律，在Q、P和液位调节系统系统中用得很多。它是在比例的基础上引入了偏差随时间的积累量成正比例的积分作用。P与e的关系为：,式中：Ti为积分时间,讨论PI调节规律时的条件：e作阶跃变化时，调节器是与系统断开的状态，在测试或调校中，不与
27、对象和反馈信号连接。 （2）积分时间e作阶跃变化时，它随时间的积累是等速进行的，所以PI的变化速度是恒定的。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,3 比例积分调节,又,当t=Ti时，有PIKce所以，Ti的物理意义为：在e作阶跃变化后，积分输出增长到与比例输出相等时的时间。一般工业调节器的积分时间可调范围为6s20min。Ti大积分作用弱，反之则强。 （3）比例积分调节的特点 它是调节及时的比例作用与缓慢的积分作用的组合。比例作用及时克服干扰影响，起粗调作用；积分作用渐渐累积消除余差，起了细调作用。可实现无差调节。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,3 比例积分调节,比例调节过渡过程中阀
28、门位置与偏差变量是一一对应的。而积分调节的过渡过程，阀门是依据有差则调，无差则停的规律动作的。,积分调节作用缓慢落后于偏差变化，造成被调参数振荡，工作周期和过渡时间都加长，故常与比例规律结合使用。 （4）积分时间对过度过程的影响在PI调节器中，有比例度和积分时间Ti两个参数，对过渡过程都有影响。为简便起见，现设比例度为定值，专门讨论Ti的影响。,Ti取得太小时，积分作用太强，过程出现剧烈振荡。增加Ti，振荡过程开始衰减，Ti取得合适，可得出振荡两次即达稳定的过程。,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,3 比例积分调节,Ti取得太大，积分作用太弱，消除余差太慢，过渡时间太长。Ti时，已失去积分
29、作用，只剩比例作用。故必须正确调整Ti，使能消除余差，又不振荡厉害。据经验，Ti应为工作周期的1/21，同时应将比例度较纯比例作用时加大1020%。,（5）积分饱和现象 积分饱和现象：由于积分作用而使输出p长期处于上限值或下限值的现象。产生的原因是因为e持续存在。,4 比例微分调节,（1）比例微分调节规律对于容量滞后较大的对象，在比例作用基础上引入微分作用可以改善过渡过程的质量。理想的PD特性为：,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,4 比例微分调节,实际的PD特性为： kd为微分增益（2）微分时间与微分增益 kd是微分增量，表示过程开始时，输出能跃到多少倍。 Td为微分时间，表示输出降下来
30、（至原来的63.2%）需要多长时间。 kd和Td都是表示微分强弱的参数。跃得越高，降得越慢，表示微分作用越强。 kd对各种类型调节器有不同数值，都是制造时确定下来的固定值。 有时称微分作用为超前作用，这是相对比例作用而言的：当偏差作阶跃变化时，P会出现飞跃，加大kd倍调节作用。故要达到同样调节效果，所需时间缩短。,Td为微分时间,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,4 比例微分调节,（3）微分时间对过渡过程的影响PD规律的调节器中，有和Td两个参数影响过渡过程。设为这定值，讨论Td的影响。一般来讲，引入微分作用可减少最大偏差，加快调节动作，缩短过渡时间。 Td取得恰当，可提高稳定度。如果保持
31、原来纯比例作用时的衰减比，一般要减小值20%，同时还会减少余差。 如果Td取得不恰当，Td太大会引起振荡。（因为稍有偏差时，由于微分作用太强，调节阀位移大，调节过了头而引起振荡。）,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,4 比例微分调节,如Td取得太小，微分作用太弱，过程终了余差大。Td0时无微分作用，只剩下纯比例作用。Td的可调范围由几秒到几分钟。恰当的引入微分作用，能获得改善质量的效果。,使用时的注意点： 微分作用对偏差的突变非常敏感，在投入运行时，最好在工况比较稳定的情况下才把微分作用切入。在定值调节系统中，需要改变给定值时，操作时要缓慢、均匀地拨动给定值旋钮，切忌大幅度快速操作，否则调
32、节器的输出一下跃到极限值，并长期处于极限值，使过渡过程产生严重超调。为了避免受给定值突变的影响，可把PD接在变送器之后，而不放在调节器之后，避免了给定值突变的影响。这样的连接法使,章目录,2-4 调节器的特性,下一页,4 比例微分调节,过程平稳，而且对测量信号的滞后有所补偿，适用于随动调节、程序调节和定值调节系统。微分作用的超前特性只对容量滞后有效，对很大的纯滞后无效，需另设方案来解决。,5 比例积分微分调节,PID调节规律是当偏差作阶跃变化时，PID调节器的输出p先作飞跃，这是微分作用，然后逐渐下降到比例作用，接着又逐渐上升，这是积分作用。微分在过程前期起主要作用，积分在后期起主要作用，比例
33、规律是基本的调节作用。其特性方程为：,章目录,2-4 调节器的特性,5 比例积分微分调节,从其作用看，三种调节作用是叠加的，在克服干扰使过程达到稳定的基础上再加上超前作用和消除余差的能力，故三作用调节规律较为完美，它广泛用于温度和成分调节系统中，以克服容量滞后，得到较好的品质指标。在具体调节器结构中，不是PID的叠加，而往往是PD单元和PI单元的串联形式。,采用该结构的目的主要是为了减轻积分饱和的程度，有利于提高调节品质。,章目录,2-5 测量变送装置的特性,下一页,1 静态特性,测量元件和信号传送装置是调节系统的感觉器官，调节器是根据测量值与给定值的偏差工作的。如果测量元件不能及时、准确地发
34、出信号，调节器可能发生误动作，导致自动调节系统失调而不能正常工作。,（1）选测量点应有代表性 （2）检测元件应安装正确 （3）连接导线和管线情况,2 动态特性,（1）纯滞后调节通道中只要有一个环节存在纯滞后，将使整个调节动作不灵，造成纯滞后的多是温度和物性的测量。正确选取测量点和取样点可减小纯滞后。,章目录,2-5 测量变送装置的特性,下一页,2 动态特性,（2）测量滞后：是测量元件本身特性所引起的动态误差，它决定于元件的时间常数，接触式测温元件和成分分析装置都有不同的测量滞后，热电偶插入工质时，由于传热有阻力，元件本身有热容，可将它们看成是一个阻容环节，具一定的时间常数Tm，无保护套管的热电
35、偶时间常数较小，有保护套管的热电偶时间常数较大。,(1)y作阶跃变化 (2)y作递增变化 (3)y作周期变化,章目录,2-5 测量变送装置的特性,下一页,2 动态特性,测量滞后对调节质量的影响： y作阶跃变化时，测量值将慢慢靠拢，前段时间相差很大。 y作递增变化时，测量值将一直落后始终跟不上。 y作周期波动时，测量值将衰减缩小。故测量元件的时间常数太大时，无论被调参数作何种形式的变化，测量滞后都给系统带来动态误差，降低调节质量，甚至不能正常工作。,克服测量滞后的方法： 选择快速的测量元件，一般情况下，选取测量元件的时间常数在对象的时间常数的 1/10以下为宜。 选择合适的安装位置。 引入微分环
36、节，且连接在调节器的前面而不能连接其后，如能,章目录,2-5 测量变送装置的特性,下一页,2 动态特性,将Td整定到等于测量元件的时间常数Tm，可达完全补偿测量滞后造成的动态误差。,（3）传送滞后采用集中控制时，测量信号和调节信号的远距离传送产生传送滞后。对于电信号传送可不计滞后，对于气信号则视具体情况处理。由于传送滞后的存在，使调节器接受到的测量信号和发出去的调节信号都迟缓了，对调节不利。,克服传送滞后的方法：传送距离较远时，尽量采用电测法的测量元件，电动调节器和电动执行器，如一定需用气动调节阀时，电动调节器的输出经过一个电-气转换器或电-气阀门定位器，将电信号转换成气压信号,章目录,2-5
37、 测量变送装置的特性,2 动态特性,送入气动调节阀。有时也用气-电转换器将气动变送器的输出变成电信号送到电动调节器，以减小测量信号的传送滞后。必须采用气动调节器和气动调节阀时，亦可采用继动器或阀门定位器，安装在调节阀上，由调节器来的信号先经过它们之一再进入膜头，使阀的时间常数减小，改善动态特性。（气压管线超过60 M时应采用此措施）,章目录,2-6 调节器参数的工程整定,下一页,一个调节系统的过渡过程与对象的特性、干扰形式和大小、调节方案的确定以及调节器的参数整定有密切关系。对象特性和干扰情况是受工艺操作和设备特性限制的。在确定方案时只能做到尽量合理设计，并不能任意改变它。一旦方案确定后，对象
38、各通道的特性已成定局。这时调节系统的调节质量只取决于调节器参数的整定。 调节器参数的整定：指的是求取最好过程中调节器的三个参数值，即求、Ti、Td具体数值的工作。 整定调节器的方法主要有两大类：一是理论计算整定方法，如反应曲线法、频率特性法、根轨迹法等，这些方法都要先获得对象的动态特性而后计算出参数值。 二是工程整定的方法，所得调节器参数值不一定是最佳值，但是相当实用。常用的工程整定法有：,章目录,2-6 调节器参数的工程整定,下一页,1 经验凑试法,是目前应用最广泛的方法，即根据不同的调节系统的特点，将、Ti、Td三参数先放在基本合理的数值上，直接在闭合调节系统中改变给定值以施加干扰，在记录
39、仪表上看过程曲线形状，通过、Ti、Td对过渡过程的影响为指导，按照规定的顺序对三个参数逐个凑试，直到过程曲线满意为止。,章目录,2-6 调节器参数的工程整定,下一页,1 经验凑试法,凑试的方法有两种： 1、以比例作用为基本的调节作用，先把比例度凑试好，过程已基本稳定，加入积分作用是为了消除余差，加入微分作用是为了提高质量。在未加积分作用之前整定好一个比例度，在加入积分作用之后可将加大20%。 2、其出发点是比例度和积分时间可在一定范围内匹配，所得过程衰减情况一样，即减小，可用增加Ti来补偿。故先根据经验数据给Ti一个数值。整定凑试到满意的过程为止，如需引入微分作用，可根据Td=1/31/4Ti
40、算出Td值。,章目录,2-6 调节器参数的工程整定,下一页,2 临界比例度法,此法是先求临界k和临界周期Tk，根据经验总结出来的关系求出各参数。先将Ti打到Ti，Td0，调节器只剩纯比例作用，在干扰作用下整定一个，使被调参数产生振荡为止，记下此时即为k，并由过程曲线上取Tk值，然后根据经验关系计算出各参数的整定值。,章目录,2-6 调节器参数的工程整定,下一页,3 衰减曲线法,将Ti打在Ti，Td0，使调节器在纯比例作用下，稳定操作一段时间。通过改变给定值或负来荷施加干扰，并调整得到4:1衰减的过渡过程，记下此时的比例度s值和Ts值，再根据经验关系算出、Ti、Td。 对温度等时间常数较大的调节
41、系统，取10:1的衰减过程，记下 和上升时间T升，再根据经验关系算出调器的三个参数。,4:1曲线,10:1曲线,章目录,2-6 调节器参数的工程整定,下一页,4 三种调节器参数工程整定法比例,1、经验凑试法： 方法简单，适用于各种调节系统。特别是外界干扰作用频繁，记录曲线不规则的调节系统，采用此法最为适合。但此法是靠经验，对同一条件曲线各人看法不同，无客观标准，对系统熟悉的人能很快凑试出合适的参数，而不熟悉的人要凑到一条满意的曲线，可能要花几天或更长时间。此法对PID三作用调节器的三个参数，不易找到好的数值。 2、临界比例度法： 比较方便简单，易掌握判断，适用于一般流量、压力、液位、温度调节系
42、统。对k很小的系统不适用。 3、衰减曲线法： 适用于一般情况下各种工艺参数的调节系统，但对干扰频繁、,章目录,2-6 调节器参数的工程整定,4 三种调节器参数工程整定法比例,记录曲线不规则而呈锯齿形的调节系统不适用。（因不能得到正确的s、Ts即T升）。,工艺操作条件改变、负荷有很大变化时，调节器的特性就改变了，调节器参数必须重新整定。,章目录,2-7 调节系统之间的相互影响,下一页,在生产过程自动控制中，调节系统不止一个，系统之间彼此存在不同程度的相互关联，相互关联影响性质也不尽相同，有时会使设计完善的调节系统不能投入运行，但有的关联性质有助于改善调节质量，掌握相关性质和对象特性，有可能充分利
43、用它为提高调节质量。,1 改进工艺设备消除相关影响,该图为陶瓷隧道窑燃烧系统，其燃料油总管压力P0基本上是稳定的，各燃烧室分别设置几套温度调节系统，调节参数是燃料量。各支管压力相互关联、相互影响。,章目录,2-7 调节系统之间的相互影响,2 以调节器参数的整定来削弱相关影响,在硅酸盐工业中，常见的有压力和流量调节系统的相互关联，其相关影响性质是相加的。流量和压力对象的动态特性相近，反应较快，为能各自独立运行，需削弱其动态联系，就是要把二个系统的工作频率拉开使一个工作周期长，一个工作周期短，具体措施是通过调节器参数整定来实现的。假定压力调节是主要的，流量调节是次要的，那末就可以将流量调节器的和T
44、i适当增加，使流量调节过程缓慢些，为使压力系统保持较好的调节质量，使调节过程快一些。,章目录,2-8 复杂调节系统,下一页,复杂调节系统所用调节仪表和装置的数目不限于各一个，控制的被调参数也不止一个，构成的方框图的环节较多，各环节、各参数之间的关系复杂，需要考虑的问题较多。 串级调节系统 1 基本概念,陶瓷隧道窑烧成带温度的控制。烧成带的温度为隧道窑操作的直接控制指标，为被调参数。影响烧成带温度的因素有：进车速度、制品原料成分、燃料热值、燃料流量、排烟机抽力和冷却带压力等。其中可控因素燃料流量通常作为炉温调节系统的调节参数。,章目录,2-8 复杂调节系统,下一页,串级调节系统其优点是把所有影响
45、成温度变化的干扰因素，都包含在系统中，由温度调节器克服，对象的调节通道包括了燃烧室和烧成带。,调节通道长，对象时间常数大，有容量滞后。因此调节作用不及时，系统克服干扰能力差，致使窑温超调量大，对烧结范围窄的制品不利，达不到工艺要求，需改方案。,章目录,2-8 复杂调节系统,下一页,串级调节系统假设燃料成分改变引起了热值变化和燃料管道压力波动引起的流量波动合为干扰f3，助燃空气的变化为干扰f2，已知此二干扰是系统的主要干扰，并且都首先影响到燃烧室的温度t2，然后才影响到烧成带的温度t1。由于燃烧室的热惯性小，只要f2或f3一有变化，燃料流到喷咀后，便能即刻改变燃烧情况，t2立刻变化。据此设计一个
46、以燃烧室温度t2为被调参数的温度调节系统，它对及时克服f2和f3是有益的。此系统只能克服f2和f3的影响，至于影响烧成带温度的其他因素f1不包括在系统内，即对f1无克服能力。（见下图）,章目录,2-8 复杂调节系统,下一页,串级调节系统,串级调节系统：凡是采用两个调节器串联工作，主调节器的输出为副调节器的给定值。通过副调节器去,操纵执行器，达到控制一个被调参数稳定的系统。,章目录,2-8 复杂调节系统,下一页,串级调节系统,主调节器：按主参数测量与工艺给定值的偏差工作，其输出作为副调节器的给定值，在串级调节系统中是起主导作用的调节器。副调节器：按副参数测量值与主调节器输出值的偏差工作，其输出控制执行器动作。主回路：是由主测量变送器、主调节器、副调节器、执行器、副对象、主对象构成的外回路。,主参数：是工艺控制指标，在串级调节系统中是起主导作用的被调参数。副参数：为了稳定参数或因某种需要而引入的辅助参数 主对象：为主参数所在的那部分工艺设备。副对象：为副参数所在的那部分工艺设备。,
