船舶電氣與自動化DMU§1-3調整器及調整作用規(guī)律輪機自動化教研室調節(jié)器執(zhí)行機構控制對象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)引言系統(tǒng)為偏差驅動調整器的輸入是被控量的偏差值調整器的輸出是限制量可看作一個對象或環(huán)節(jié)調整器的作用規(guī)律：引言引言正作用式隨著測量值的增加，調節(jié)器的輸出也增加兩種類型調節(jié)器反作用式隨著測量值的增加，調節(jié)器的輸出減小引言調整器探討的兩個方面：作用規(guī)律：p(t)=f(e(t))，即傳遞函數的結構。也稱限制規(guī)律或調整規(guī)律。作用強度：每一種限制規(guī)律的限制強度。反映在傳遞函數中，如比例系數、積分時間、微分時間。主要內容§1-3-1位式調整器§1-3-2比例調整器§1-3-3比例微分調整器§1-3-4比例積分調整器§1-3-5比例積分微分調整器雙位執(zhí)行機構控制對象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§1-3-1雙位作用規(guī)律§1-3-1雙位作用規(guī)律被控量在設定的上限和下限之間變更，調整器的輸出只有兩個狀態(tài)（0或1）?！?-3-1雙位作用規(guī)律被控量在設定的上限和下限之間變更，調整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限制系統(tǒng)被控量輸出曲線執(zhí)行機構水位與電動機通斷之間的關系圖被控量動作范圍開關雙位作用規(guī)律1-浮子室2-浮子3-調整板框架4-樞軸5-上、下限銷釘6、12-同極性永久磁鐵；7-靜觸點8-開關箱9-轉軸10-轉桿11-動觸點§1-3-1雙位作用規(guī)律例1：浮子式輔鍋爐水位雙位調整器如何調整水位的上下限值？上下限值區(qū)間的幅度太小有什么樣的結果？§1-3-1雙位作用規(guī)律例2：雙位式壓力調整器依據測量壓力的上限值和下限值輸出不同的開關量信號，如：鍋爐蒸汽壓力日用淡水壓力空氣瓶壓力等給定彈簧：調整的是壓力開關的下限值幅差調整旋鈕：調整幅差（上限值）YT-1226型壓力調整器§1-3-1雙位作用規(guī)律YT-1226型壓力調整器PLP=0.07+(0.25-0.07)

*X/10調幅旋鈕標記有10個格的刻度檔：P執(zhí)行機構控制對象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§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）：限制器的輸出變更量與輸入（偏差）變更量成比例。K—比例系數比例作用強

比例作用弱

t0t0例2：浮子式水位比例控制系統(tǒng)調節(jié)閥

出水進水水柜h支點

浮子

浮子桿杠桿

abΔhΔμ§1-3-2比例作用規(guī)律施加外部擾動如何變更比例系數？為什會存在靜態(tài)偏差？限制器的輸出依靠于偏差的存在而存在。假設無偏差，則閥的開度復原平衡前的狀態(tài)，平衡被打破。靜態(tài)偏差與比例系數的關系K越大，穩(wěn)態(tài)時靜態(tài)偏差越小，反之亦然。適用場合比例調整器廣泛應用于對被控量穩(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δ（或PB）：是指調整器的相對輸入量與相對輸出量之比的百分數.例：當限制器的輸出作100%（全行程，如閥開--關）變更時，其輸入量變更（數值上等于被控量的變更）的百分數?！?-3-2比例作用規(guī)律R為量程系數，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；比例帶越大，比例作用越弱。限制對象慣性大的限制系統(tǒng)，可使比例帶小一點，如溫度、粘度等限制系統(tǒng)，其限制對象慣性比較大，可選定PB=50％左右。反之，對于限制對象慣性小的限制系統(tǒng)，比例帶可適當選定大一點，如液位限制系統(tǒng)，其限制對象慣性都比較小，可選定PB=70％～80％。在調整器上都設有比例帶調整旋鈕，用來設定比例帶，一般在5％～300％之內?！?-3-2比例作用規(guī)律噴嘴擋板反饋波紋管杠桿支點測量波紋管測量值輸出設定彈簧氣源放大器§1-3-2比例作用規(guī)律例3：氣動比例調整器假設給定值沒有變更，即M設=0，則：F為水紋管的截面積，兩者一般相等l為力臂，一般固定不變K為負數—負作用（作用方式）§1-3-2比例作用規(guī)律如何調整比例帶（比例系數）？變更反饋力臂的長度，來調整比例系數（K比例帶PB），實物上通過比例帶旋鈕可以左右移動反饋水紋管的位置來實現。左移→l3增長→負反饋增加→K減小→PB增大→比例作用減弱；反之。實際在調整器的工作過程中，杠桿上還會產生一些附加力矩，如噴嘴氣流產生的反作用力矩、各個彈性部件產生的變形力矩等。但由于附加力矩很小，只要K足夠大，這些可以忽視不計，因此未予考慮

§1-3-2比例作用規(guī)律總結1、比例作用規(guī)律實現簡潔，限制作用剛好，是其它限制規(guī)律（雙位除外）的基礎；2、比例作用強弱取決于比例帶或比例系數，比例帶大比例作用弱，比例系數大比例作用強；3、比例作用限制導致系統(tǒng)存在靜態(tài)偏差，比例作用強，靜態(tài)偏差小，但無法避開?！?-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）：限制器的微分作用是指其輸出與輸入的微分，即偏差變更速度成比例。實際微分作用的輸出特性Sd為微分系數微分作用特點：1、微分作用的輸出與偏差的確定值沒有關系2、依據偏差變更速度，超前限制，抵制偏差：偏差出現起先，限制作用較強當偏差值變更緩慢時，微分限制作用微弱偏差為常數時，微分限制器沒有輸出3、微分限制無法消退偏差，只能作為一種幫助限制作用。4、常用于限制對象慣性大，時延較明顯的對象?！?-3-3比例微分作用規(guī)律

比例作用為主，確定調整器的最終輸出變更量微分作用只起超前限制的幫助作用?！?-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§1-3-3比例微分作用規(guī)律

（a）若輸入為階躍信號：（不要求駕馭）Td為帶慣性性質的微分環(huán)節(jié)的作用下降了63.2%所需的時間Td衡量微分消逝的快慢氣源放大器氣動比例微分調節(jié)器原理圖微分氣室測量波紋管負反饋波紋管微分閥恒氣阻給定波紋管§1-3-3比例微分作用規(guī)律

例：氣動PD調整器微分消逝的快慢取決于反饋回路中慣性環(huán)節(jié)的慣性大小21§1-3-3比例微分作用規(guī)律

只考慮變更量：當給定值pG不變時，偏差e事實上就是測量值的變更，而負反饋回路的慣性過程結束時，即:只剩比例作用§1-3-3比例微分作用規(guī)律

氣動PD調整器微分消逝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進行調整。微分閥Rd開度越大，微分消逝得越快，即微分時間Td越短，微分作用越弱；反之亦然。當微分消逝后，調整器的輸出大小與偏差成比例，比例作用的強弱由負反饋水紋管的位置進行調整。小結1、微分作用具有超前調整的功能，輸出減小的過程即為微分消逝過程；2、微分作用不能單獨用作調整器，一般與比例或者比例積分一起構成PD或者PID調整器；3、微分時間短，微分消逝得快，微分作用弱，反之；4、調整器最終輸出與偏差成比例，即剩下比例作用5、比例微分作用為有差限制器，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

PI執(zhí)行機構控制對象測量單元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t)§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）：限制器的輸出與輸入之間呈積分關系。TI

—積分時間。TI↑→積分作用↓積分作用特點1、可以消退靜態(tài)偏差；2、限制作用不剛好，超調嚴峻，波動大；3、常與比例作用（P）一起組成比例積分（PI）調整器?！?-3-4比例積分作用規(guī)律a為比例限制過程b是積分限制過程§1-3-4比例積分作用規(guī)律2、比例積分作用（PI）：在比例作用的基礎上加入積分作用而得到的作用規(guī)律。K—比例系數，S0

積分系數，Ti

積分時間比例作用能使調整器的輸出剛好響應偏差的變更，起著主導作用，而積分作用是幫助的，用來消退靜態(tài)偏差§1-3-4比例積分作用規(guī)律若給PI調整器一個階躍的輸入偏差信號，其階躍量為常數e，則第一項為比例輸出，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；其次項是積分輸出，它與時間t保持線性關系，其斜率為§1-3-4比例積分作用規(guī)律當時間進行到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，積分輸出達到比例輸出所需的時間若k=1，輸入偏差為Δh，則輸出當t=Ti時，Δμ=

ΔhTi等于限制器的輸出變更到與其階躍輸入量相等時所需的時間。Δh0Δh0ABTIATIB積分限制器的動態(tài)特性越陡，積分時間越小，表明限制器作用越快，積分作用越強，即限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→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調整器的整定原則：在PI調整器上設有兩個旋鈕，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，系統(tǒng)穩(wěn)定性差假如Ti值不能進行精確地整定，可以接受寧大勿小的策略。因為Ti值略微偏大時，盡管積分作用偏弱，但只會使消退靜態(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之內限制對象慣性大，選取Ti值要大一些，反之?！?-3-4比例積分作用規(guī)律積分時間TI小←→大積分作用強←→弱穩(wěn)定程度降低←→增高短期最大偏差小←→大被調量靜差消失上升時間短←→長振蕩周期小←→大Ti對限制系統(tǒng)品質指標的影響§1-3-4比例積分作用規(guī)律§1-3-4比例積分作用規(guī)律ZCGF測量給定1:1跟隨器氣動放大器積分氣容氣源噴嘴擋板支點杠桿1234氣動PI調整器達到平衡狀態(tài)時：適當調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，調整作用就始終存在，消退靜態(tài)偏差正作用調整器比例帶調整：則比例帶↑，比例作用↓，正反饋↓則比例帶↓，比例作用↑，正反饋↑，抵制負反饋積分時間調整：積分時間變長，積分作用減弱積分時間縮短，積分作用增加§1-3-4比例積分作用規(guī)律若達到穩(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始終順時針旋轉，輸出將始終增加，直到……?！?-3-4比例積分作用規(guī)律總結1、積分作用可以消退靜態(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、比例積分限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，吸取積分作用能消退靜態(tài)偏差以及微分作用能實現超前限制的優(yōu)點，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限制器的階躍響應PID調整器的實現方法：1、三種反饋并行地疊加在一起形成調整器內部的綜合反饋；2、在比例積分調整器前串聯一個微分器來實現（如，后文的QTM氣動PID調整器）。PID調整器的功能變更：積分時間Ti為無窮大時，則相當于切除積分作用，變?yōu)镻D；微分時間Td為0時，則相當于切除微風作用，變?yōu)镻I；同時使Td為0且Ti為無窮大，則調整器變?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，則調整器中應加入?若限制對象慣性較大，則調整器應加入?若限制對象慣性較大且要求較高的靜態(tài)指標，則應加入?如：鍋爐水位等液位限制系統(tǒng)，不宜接受包含D的調整器。這是因為D作用對干擾信號比較敏感，隨船舶的搖擺，會使給水調整閥的開度忽大小，造成水位的大起大落，閥泵等頻繁啟動?！?-5比例積分微分作用規(guī)律IDID各種限制過程常用的限制規(guī)律如下：液位：滯后不大，一般限制要求不高用P或PI限制規(guī)律。流量：滯后很小，時間常數小，測量信號中雜有噪音用PI限制壓力：介質為液體的滯后較小，介質為氣體時的滯后中等。用P或PI限制規(guī)律。溫度：容量滯后較大，時間常數大。常用PID限制規(guī)律。§3-5比例積分微分作用規(guī)律NAKAKITA氣動PID調整器：其三種作用規(guī)律通過內部綜合反饋實現常用于冷卻水溫度限制系統(tǒng)和燃油粘度限制系統(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234負作用式↑↓↓↑↑↑NAKAKITA氣動PID調整器：在調整器上有三個調整盤，分別用來調整比例帶PB、積分時間和微分時間比例帶調整盤是一個偏心機構，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，即輸入偏差相同的狀況下，擋板開度變更要大，比例作用增加，比例帶減小給定值由給定旋鈕確定，給定旋鈕的角度變更通過連接桿件一方面變更給定指針（紅色）的偏轉角度，指示當前給定值的大?。涣硪环矫?，通過連接桿件帶動比例桿OO’繞O點左右偏轉，引起調整器輸出變更§3-5比例積分微分作用規(guī)律據實際須要，該調整器還可以工作在正作用方式。此時，噴嘴擋板機構在比例桿上的相對位置如圖所示：區(qū)分在于噴嘴背壓的變更將與測量值的變更方向相一樣，而不是相反。當應用于燃油粘度限制系統(tǒng)時，一般應接受反作用方式?！?-5比例積分微分作用規(guī)律正作用式切換電動PID調整器：在船舶機艙中，有些限制系統(tǒng)是接受電動的方式實現調整器一般做成電路板的形式，其內部電路多數以運算放大器、電阻和電容等元器件組成給定值由給定旋鈕確定，給定旋鈕的角度變更通過連接桿件一方面變更給定指針（紅色）的偏轉角度，指示當前給定值；另一方面，通過連接桿件帶動比例桿OO’繞O點左右偏轉，引起調整器輸出變更§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)律由運算放大器組成的PID調整器偏差信號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調整器：在船舶機艙中，有些限制調整R4、R2和R5的阻值可以分別調整比例、積分和微分的作用強度從電路設計的角度，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)律數字PID調整器：在計算機限制系統(tǒng)中，調整器的作用規(guī)律是接受軟件編程來實現的，稱為調整器作用規(guī)律的數字實現。接受了單片機系統(tǒng)A/D轉換電路鍵盤與顯示裝置進行數字設定限制算法程序D/A轉換電路執(zhí)行機構被控對象§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)律計算機執(zhí)行上述限制過程并不是像模擬儀表那樣連續(xù)進行的，而是每隔確定的周期（稱為采樣周期，用T表示）進行一次