调节器的作用规律

调节器的作⽤规律

第3节调节器的调节规律

调节器输⼊是被控量的e ，调节器的输出是控制量P，作⽤规律为P= f（e）。

根据调节器的输出变化⽅向分类：e>0，P>0，正作⽤调节器；

e>0，P<0，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。

第3节调节器的调节规律调节器输⼊是被控量的e ，调节器的输出是控制量P，作⽤规律为P= f（e）。

根据调节器的输出变化⽅向分类：

e>0，P>0，正作⽤调节器；

e>0，P<0，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。

⼀、双位调节规律⼀、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。

1.辅锅炉浮⼦式⽔位控制系统

图1.12 浮⼦式⽔位双位调节器

画出了采⽤浮⼦式对锅炉⽔位进⾏双位控制的原理图。在锅炉外⾯的浮⼦室有⽓管和⽔管分别与锅炉的汽空间和⽔空间相通，故浮⼦室内⽔位与锅炉⽔位⼀致。浮⼦与⽔位同步变化，浮⼦杆绕枢轴4转动，通过上、下锁钉5带动调节板3转动，调节板右边磁铁也跟随着转动，当⽔位达到上限值附近时，浮⼦杆与上⾯的销钉相接触，并带动调节板及永久磁铁12绕枢轴4顺时针转动，使磁铁12转⾄与同极性永久磁铁6在同⼀直线上时，由于同极性互相排斥，永久磁铁6⽴即被向上弹开，动触头11⽴即与静触头7断开，切断电机电源，给⽔泵停转，停⽌向锅炉供⽔。由于外界负荷不断消耗蒸⽓，⽔位会不断降低，浮⼦连同浮⼦杆绕枢轴4逆时针转动，但调节板暂时不动。当⽔位下降到接近下限⽔位时，浮⼦杆与下⾯的销钉相碰，并带动调节板⼀起转动。当⽔位下降到下限值附近时，两同极性的永久磁铁12和6正好相遇并互相排斥，动触头11⽴即与静触头7相接触，接通电机电源，并带动给⽔泵向锅炉供⽔。随着⽔位的上升，浮⼦连同浮⼦杆绕枢轴4顺时针转动，调节板暂时不动，只有⽔位接近上限⽔位时，浮⼦杆才与上⾯的钉相磁，并带动调节扳转动，当⽔位上升到上限值附近时，两同极性的永久磁铁⼜相遇，动触点11⼜与静触点断开，节断电机电源，停⽌给⽔泵向锅炉供⽔。可见，只有⽔位处在上、下限值时，调节器输出出状态才改变，⽔位在上、下限之间变化时，调节器输出状态不变。

在调节板上、下位置各有三个销钉孔，调整上、下销钉5的位置，可调整⽔位的上、下限值，若把上、下销钉之间的距离调整得很⼩，此时⽔位波动范围较⼩，但电机起停频繁；若把上、下销钉之间的距离调整得很⼤，电机起停时间长，但此时⽔位波动范围较⼤。所以，⽔位上、下限的⼤⼩要根据实际情况进⾏适当的调整。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。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.YT-1226型压⼒开关图YT-1226型压⼒调节器结构原理图

YT-1226型压⼒开关属于双位式压⼒调节器，可⽤于辅锅炉蒸汽压⼒的双位控制。图画出了YT-1226型压⼒开关的结构原理图。在⽐较杠杆9上，对⽀点8作⽤三个⼒矩并互相平衡。这三个⼒矩包括由测量波纹管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Pλ达到压⼒下限值时，⽐较杠杆9处于⽔平位置。这时动触点2离开静触点1⽽紧压在静触点3上。同时，螺钉15离开幅差弹簧盘⼀段距离，幅差弹簧对杠杆9不起作⽤，当Pλ增⼤时，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被压缩，贮存弹性能。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。若杠杆9转过α⾓，Pλ达到压⼒上限值，这时，⾆簧5的下边框正好与跳簧4在同⼀平⾯，跳簧4有了释放所贮存弹性能的机会，迅速把⾆簧5弹开，使动触点2离开触点3⽽与触点1闭合。当Pλ降低时，杠杆9绕⽀点8顺时针转动，只有杠杆9转到⽔平位置，⾆簧5下边框⼜转过α⾓，与跳簧4处于同⼀平⾯，跳簧再次把⾆簧弹开，使动触点2离开触点1⽽与触点3闭合。Pλ在上、下值之间变化时，跳簧保持原状态不变，也就是调节器输出状态不变。

调整给定弹簧16的预紧⼒，可调整触点动作的下限压⼒值，⽤PX表⽰，其数值⼤⼩由

指⽰器17来指⽰。调整螺钉14可调整幅差弹簧13的预紧⼒，即可调整触点动作的压⼒上

限值，⽤PZ表⽰。应该特别注意的是调整给定弹簧16的预紧⼒，改变下限压⼒值PX的同时，压⼒上限值也将随之改变。调整幅差弹簧13的预紧⼒，改变下限压⼒值PZ，但不会

影响下限压⼒值PX。△P=PZ–PX称为幅差。每⼀压⼒开关都⼀个的允许幅差变化范围。YT-1226型压⼒开关的幅差变化范围为0.07～0.25MPa。

输⼊压⼒信号Pλ的下限值是通过⼈⼯扭动螺钉18来调整的。要确定压⼒的上限值，只需

求出幅差即可。螺丝钉14有⼀红⾊标记，在它旁边的圆柱⾯上有0~10档刻度。红⾊标记

对准0档，幅差△P=0.07MPa；红⾊标记对准10档，幅差△P=0.25MPa。红⾊标记对准

不同档时，差△P的计算公式为：△P=PZ-PX=0.07+(0.25-0.07)

式中，X是设定的档数，各数值的单位均为MPa。这样，在压⼒的上限值、压⼒的下限值及所设定的档数X这三个变量中，知道其中任意两个，就可以求出第三个。

例如，如果要求压⼒上限值为0.75 MPa，压⼒下限值为0.64 MPa，对YT-1226型压⼒

开关进⾏初始调整？第⼀步是转动调整螺钉18,使给定指针对准所要求的下限值0.64 MPa。然后求出幅差调整螺钉应该对准的刻度X.由于△P=0.75-0.64 =0.11MPa，所以，P= 0.07+(0.25-0.07)=0.11

⼆、⽐例调节规律⼀、概念：

⽐例⽤⽤规律是指调节器的输出量P（调节阀开度的变化量）与输⼊量e（被控量的偏差值）成⽐例变化，其输出与输⼊之间的函数关系是P(t)=K·e(t)。其中，K是⽐例调节器的放⼤倍数。K⼤，在输⼊相同偏差e(t)信号时，调节器输出量P(t)⼤，我们就说它的⽐例作⽤强。反之，K⼩，其⽐例作⽤弱。

1.⽐例作⽤的控制过程图浮⼦式⽔位⽐例控制系统

图⽰出了⼀个⽔柜⽔位按⽐例作⽤规律进⾏⾃动控制的⼀个最简单的例⼦。它所揭⽰的⽐例作⽤规律和特点具有普遍意义。图中⽔柜的实际⽔位X是

被控量，其给定值是X0。给⽔阀开度是P。在初始平衡状态下，给⽔流量Q

i

与出⽔流量Q0相等，⽔位稳定在X

上，偏差e = 0。在初始平衡状态，⽔柜的

出⽔流量Q

应是额定负荷，其调节阀开度P⼀般设为全开的⼀半左右。这样，不论负荷怎样变化，调节阀开度都有变化的余地，都能对给⽔流量加以控制。如果在初始平衡状态下，突然开⼤出⽔阀，出⽔流量阶跃增⼤（增⼤⽔柜的负荷），⽔位会连同浮⼦和浮⼦杆⼀起下移，杠杆2绕⽀点3顺时针转动

，开⼤给⽔调节阀，增加对⽔柜的给⽔流量Qi ，直到Q

i

= Q

为⽌，⽔位才会

稳定在⽐给定⽔位X

略低的值上。相反，若突然关⼩出⽔阀，出⽔流量阶跃减少（降低⽔柜负荷），⽔位连同浮⼦和浮⼦杆⼀起上移，通过杠杆作⽤使

调节阀关⼩，减少给⽔流量Qi ，直到Q

i

= Q0为⽌，⽔位⼜会稳定在⽐给定值

X

略⾼的值上，当对⽔柜施加扰动（出⽔阀开度变化）后，⽔位的实际值（

浮⼦的位置）X偏离给定⽔位X

的数值就是偏差值e。

由于a和b的长度⽐P(t)和e(t)的变化量⼤很多，因此，可通过相似三⾓形求出P(t)与e(t)的关系是：P(t) = a/b·e(t) = K·e(t)

式中，K= a/b，是⽐例调节器放⼤倍数。改变杠杆长度⽐a/b，可改变K值。右移可调⽀点，a增⼤，b减⼩，K增⼤，系统出现⼀个较⼩的偏差e(t)，调节器（杠杆）就能使调节阀开度P(t)有⼀个较⼤的变化，给⽔流量的变化量也⽐较⼤，克服扰动的能⼒强，其⽐例作⽤强。反之，左移可调⽀点，a减⼩，b增⼤，则K减⼩，⽐例作⽤减弱，即被控量出现较⼤偏差e(t)时，调节器指挥调节阀开度变化不⼤，克服扰动的能⼒弱。

⽐例调节规律的特点1.调节作⽤及时

⽐例调节器的输出能较及时地反应被控量偏差的变化。只要有⼀个输⼊偏差，调节器就⽴即按⽐例有⼀个输出。在实例中，由于浮⼦、杠杆及调节阀之间是刚性连接，因此，只要出现⼀个⽔位偏差，调节阀就⽴即有⼀个开度变化，在时间上没有滞后，⽽且阀门变化量与⽔位偏差成⽐例。⽐例调节

是最基本和最简单的调节，正是由于它拥有调节作⽤及时这⼀优点，使它成为各种调节规律中最重

要的调节，后⾯将要讲到积分和微分调节都只能起到辅助调节作⽤，需要以⽐例调节作为基础。2.存在静态偏差

在⽐例控制系统中，被控量在调节过程结束后不能回到原来的给定值，即存在静态偏差。⽆论是何

种控制系统，只要具有纯⽐例调节作⽤，调节过程结束后，⼀定会存在静态偏差，这是⽐例作⽤存

在的固有的、不可克服的缺点。为什么⽐例作⽤会存在静态偏差呢？这是因为⽐例调节器的输出与

输⼊偏差之间成硬性的⼀⼀对应关系。参看图，在初始平衡状态（⽔位稳定在X

上）下，如果对⽔

柜施加⼀个阶跃扰动，例如突然开⼤出⽔阀，出⽔流量Q

会阶跃增⼤，⽔位逐渐降低，在杠杆（调

节器）的作⽤下，使给⽔阀的开度逐渐增⼤，其给⽔流量Qi

也会逐渐增⼤，这就限制了⽔位的降低，

并使⽔位达到新的平衡状态。但是，被控量不可能完全回到X0，只能⽐X

低⼀点，即存在静态偏差，

才能使调节阀的开度⽐原来⼤⼀点。这样才能保证给⽔流量的增⼤，以适应⽔柜受到扰动后Q

的增

加，使Qi =Q

，系统达到新的平衡。若在初始平衡状态下，突然关⼩出⽔阀，⽔位会升⾼，⽔位的新

稳态值也必定⽐X0略⾼⼀点，只有这样调节阀开度会略⼩⼀点，使给⽔流量Q

i

的减⼩适应负荷减⼩

由上述可见，⽐例作⽤的结果必定使被控量的新稳态值与给定值之间存在⼀个静态偏差。实际上，⽐例控制系统正是靠静态偏差来适应不同负荷的要求。

由上述可知，⽐例调节⼀定会存在静态偏差。参看图，如果杠杆⽀点3右移，在相同外部扰动量（流出阀开度变化量）的情况下，⽔位下移较⼩的量，

就能使调节阀的开度满⾜Qi =Q

，即静态偏差减⼩。因为杠杆⽀点3右移，a

增⼤，b减⼩，所以，K增⼤。这样我们就可以得出⼀个很重要的结论，且具有普遍意义，即增⼤⽐例调节器的放⼤系数K,即⽐例作⽤增强，能减⼩被控量的静态偏差。值得注意的是，增⼤放⼤系数K，可减⼩静态偏差，但K不能随意增⼤，K太⼤将导致控制系统稳定性的降低，因此，在实际应⽤中，应合理选择K的⼤⼩。