调节器及其调节规律.ppt

第三节 调节器及其调节的调节规律,e 调节器 P P=f（e）e0，P0，正作用调节器；e0，P0，反作用调节器。比例P三种基本调节规律 积分I 组成5种实用调节规律：微分D 双位调节规律、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。,3.1双位调节器,一、概念：调节器的输出只有两个状态，它不能使被控参数稳定在某个值上。当被控参数下降到下限值时，调节器的输出接通电机电源使电机转动或使 电磁阀通电阀门全开。当被控参数上升到上限值时，调节器的输出使电机断电停转或使电磁阀断电阀门全关。当被控参数在上、下限之间变化时，调节器的输出状态不变。,二、实例分析：,1.浮子式双位控制系统,三、特点：被控参数不可能稳定在某一数值，只能在给定值上、下作小范围的等幅振荡。四、适用范围：只适用于允许被调参数以一定幅度上、下波动，且被控对象的时间常 数较大，滞后时间较小的场合。,2.双位式压力调节器,图5-25 YT-1226型压力调节器结构原理,3.2 比例调节器,一、概念：调节器的输出P与偏 差输入e 成正比。P=KPe，KP为调节器的比例系数。e P t t KP，P，则KP大比例作用强。当输入e不变 KP，P，则KP小比例作用弱。,二、实例分析：,三、比例带及对系统过渡过程的影响：,1、引入比例带的原因2、何为比例带PB（比例度）：比例带PB是调节器的相对输入量与相对输出量之比的百分数。式中：e是被控量的变化量（偏差值）；是被控量允许变化的最大范围；P是调节器输出的变化量；Pmax是调节器输出的工作范围。,R是量程系数，对于指定的调节器，R为常数；对于单元组合仪表，因采用统一的标准信号，R=1，则PB=1/KP100%。显然比例带PB与比例系数成反比。,3、比例带的物理意义：比例带实际上就是使调节器输出变化全范围时，被控参数变化量占满量程的百分数。若 PB=50%，被控参数只要变化全量程的一半，调节器就能使调节阀的开度变化全行程；若 PB=100%，被控参数变化全量程的百分之百，调节器才能指挥调节阀的开度变化全行程；若 PB=200%，被控参数已变化了全量程的百分之百，调节器才使调节阀的开度变化全行程的一半。可见，比例带越小，在被控量偏差值占全量程百分数相同情况下，调节阀开度的变化量越大，比例作用越强；反之比例带越大，比例作用越弱。,4、比例带对系统过渡过程的影响：,四、特点：（1）调节及时，且调节器的调节量随偏差增大以及比例系数增大而增大。（2）一般调节完毕，会有静差出现。五、适用范围：适用于干扰较小，对象滞后较小，时间常数较大的调节对象，此时选PB小些，使静态偏差不致太大，同时又能保证控制过程有足够的稳定性。,3.3 比例微分作用规律,ST,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。,这样，微分作用可以在偏差变化较快时起到超前控制的作用。但当偏差不再变化时，微分输出将消失，因此微分作用常与比例作用一起形成比例微分（PD）控制器。,或,一、微分调节规律D：1、为何引入微分作用规律：为了克服对象惯性滞后和容量滞后对系统过 渡过程的影响，引入具有超前调节作用的微分 调节规律。2、何为微分调节规律：a）理想的微分调节规律：调节器的输出与被控参数偏差的变化速度成正比。,；Td为微分时间。设 e=A，当 t=0，则 当t0，则=0,b）实际的微分调节规律：,3、微分作用的特点：a）具有超前调节的特点；b）具有抑制振荡的效果，有助于提高系统的稳定性。C）最大动态偏差小，调节过程结束得快。d）只适用于惯性较大的系统。,二、微分器：1、何为微分器：即比例微分调节，比例带PB=100%。对阶跃输入，输出瞬时增大到某数值，然后慢慢降到和阶跃输入相等的值。P=X+X（Kd-1）e-（Kd/Td）t=Pp+PD式中：P微分器的输出；X微分器阶跃输入 Td微分时间；Kd微分放大倍数。当t=0，P=KdX；当t=，P=X。故 Kd=Pt=0/Pt=,2、微分器的微分时间Td测定法：微分器在阶跃输入信号X=A的作用下，其输出随时间的变化为：P=X+X（Kd-1）e-（Kd/Td）t 令时间常数T=Td/Kd P=A+A（Kd-1）e-t/T=Pp+PD 当t=0，PD=A（Kd-1）当t=T，PD=A（Kd-1）e-T/T=0.368 A（Kd-1）可见：微分作用的输出下降了63.2%所需的时间 为时间常数T。微分时间Td=KdT,3、不同时间常数下的阶跃响应曲线：T1T2T3微分时间Td表征微分作用的强弱，当T大，Td长，微分作用强；反之Td短，微分作用弱。,三、比例微分调节规律PD：1、概念：理想的比例微分调节规律，其表达式为：式中：Kp比例系数；Td微分时间；de/dt偏差的变化速度；比例微分调节器的输出等于比例作用的输出和微分作用的输出之和。比例度和微分时间是比例微分调节器的两个重要特性参数。其大小反映了比例作用和微分作用的强弱。,2、微分时间Td的物理意义：设输入偏差为等速信号：e=V0t；V0为常数。=Kp（V0t+Td V0）=KpV0t+KpTd V0=Pp+PD 当t=Td，Pp=PD，P=2 KpV0 Td微分时间Td的物理意义：在等速偏差输入信号的 作用下，比例微分调节 器的比例部分的输出变 化量增加到等于微分部 分的输出变化量时，所 需要的时间即为微分时间Td。,e V0t t P P=Pp+PD Pp PD t,3、微分时间对系统过渡过程的影响：由于微分调节规律具有超前调节的作用，能有效地克服干扰引起的被控参数变化趋势，抑制系统发生振荡。故微分作用的适当引入可增加系统的稳定性，最大动态偏差变小，过渡过程时间缩短，在保证同样稳定性前提下，可适当减小比例带，静态偏差也相应减小。若Td过小，微分作用弱，系统质量改善不显著。若Td过大，微分作用强，反而引起小幅度振荡。若Td为零，无微分作用，只有比例作用。,3.4 比例积分调节规律,一、积分调节规律I：1、概念：调节器的输出P与偏差输入e 对时间的积分成正比。P=KIedt KI 为积分速度。从上式可看出，调节器输出信号的大小不仅取决于偏差输入信号的大小，而且主要取决于偏差存在的时间长短。只要有偏差，尽管偏差可能很小，但它存在的时间越长，输出信号就越大。,当调节器的偏差输入e为常数A时：P=KIedt=KI A t e P t t只要偏差存在，积分调节器的输出是随着时不断增大，直到最大值，即输出信号产生饱和。=KIe 可见，只要偏差存在，调节器的输出就会变化，只有e=0，输出信号才不再继续变化，执行器才停止动作，系统才能稳定不来。,2、实例分析：,3、特点：a）积分调节完毕，能消除被控参数的静差。b）积分调节作用比较缓慢。c）积分作用的引入，会降低系统的稳定 性，最大动态偏差较大，调节时间增加。d）积分调节规律，容易使调节器输出产 生饱和状态。总之，积分调节规律动态性能差，在实际系统中极少单独使用，主要被用来作为辅助调节规律，以消除静态偏差。,二、比例积分调节规律PI：1、概念：即具有调节及时的比例调节规律，又 具有消除静差的积分调节规律。P=Kp(e+KI KP 为PI的比例系数；Ti=1/KI 为积分时间。若输入幅值为A的阶跃偏差信号，e=A，则：P=KpA+At=Pp+PI e P t t,2、积分时间Ti：P=KpA+At，当 t=Ti，Pp=PI 积分时间的物理意义：给比例积分调节器输入 一个阶跃偏差信号，当 积分部分的输出等于比 例部分的输出时，所经 历的时间就是积分时间。Ti越短，积分作用越强；Ti越长，积分作用越弱。若Ti为无穷大，则表示无积分作用，调节器变为纯比例调节器。,3、积分时间对系统过渡过程的影响：,4、特点：即具有克服干扰的立即性，又具有消除静差的能力。但由于引入积分调节作用，会一定程度降低系统的稳定性，延长过渡过程时间。,3.5 比例积分微分调节规律：,一、概念：把比例、积分和微分调节规律组合在一起，可构成比例积分微分调节规律PID。其数学表达式为：=Pp+PI+PD 式中：Kp、Ti、Td分别为PID的比例系数、积分时间和微分时间。PID调节规律仍以比例调节规律为主，吸取积分调节规律能消除余差，微分调节规律能实现超前控制的特点，是当前最完善的调节规律。,二、PID调节器的输出特性：,三、PID调节器的特点：综合了各类调节器的优点，因此具有较好的控制性能四、PID调节器的适用范围：适用于对象容量滞后和惯性滞后较大，负荷变化较快，不允许有余差的情况。,三、NAKAKITA型PID调节器,位移平衡,收缩,靠近,位移平衡,测量作用=比例微分负反馈作用,积分作用消除差测量值=给定值,微分阀开度小，气阻大，微分时间长，微分作用强,积分阀开度大，气阻小，积分时间短，积分作用强,偏心比例带调节盘上移 开度变化大 比例带小 下移 开度变化小 比例带大,给定值增大分析,四、通用型比例积分微分调节器,结构比较部分放大部分反馈部分,四、通用型比例积分微分调节器,四、通用型比例积分微分调节器,四、通用型比例积分微分调节器,总 结一、比例、积分、微分三种基本调节规律：比例 积分 微分比例调节器，积分调节器，说起微分器，象个放大器。累积有本事。胆小有脾气。若有偏差来，只要偏差在，偏差变化快，放大送出去。累积不停止。输出跳上去。放大是多少，积累快与慢，下降快与慢，旋钮看仔细。旋钮看仔细。旋钮看仔细。比例度调大，积分时间长，微分时间长，放大倍数低。积累速度低。下降慢慢的。,二、同一对象在各种调节规律作用下的调节过程的比较：,第4-6 自动控制系统的参数整定 一、理论计算整定法：二、工程整定法：1、经验法：2、衰减曲线法：3、临界比例带法：4、反应曲线法：,课 堂 作 业,一、如何测定比例积分调节器的积分时 间？二、为什么微分作用能改善系统的动态 特性？何类被控对象不适于加入微 分作用。三、闭环系统中比例调节无法消差，而 积分作用可消差，但稳定性下降，为什么？,