调节器及调节规律的选择

15

e

0

t e0

u

0

t 01

e



图1-18 比例调节器的阶跃响应 第三节 调节器的调节规律及其实现方法

自动控制系统的调节质量取决于它的动态特性，即取决于组成控制系统的控制对象和调

节设备的动态特性。控制对象的动态特性一般是难以人为改变的。所以，对于对象结构一定

的控制系统，调节过程质量的好坏主要取决于控制系统的结构形式和调节器的动态特性。调

节器的动态特性也称为调节器的动作规律，是调节器的输入信号（一般为被调量的偏差信号）

与输出信号（一般代表了执行机构的位置）之间的动态关系。为了得到一个满意的调节过程，

必须根据控制对象的动态特性确定控制系统的结构形式，选择调节器的动作规律，使自动控

制系统有一个较好的动态特性。

一、调节器的调节规律

1、比例调节规律（P）

所谓比例调节规律，是指调节器输出的控制作用u(t)与其偏差输入信号e(t)之间成比例关

系，即

)()(teKtup

（1-11）

式中 K

p——比例增益。

比例调节器的传递函数：

ppK

sEsU

sG

)()(

)(

（1-12）

工程中，常用比例带δ来描述其控制作用的强弱，即：

pK1



（1-13）

其物理意义是在调节机构的位移改变100%时，被调量应有的改变量，如δ=20%时，则表明

调节器输出变化100%时，需要其输入信号变化20%。

比例调节器的阶跃响应曲线如图1-18所示。

比例调节器输出控制作用u(t)将与偏差e(t) 成比例

地变化，而且几乎是同时产生的。控制作用的变化目的

是调节进入对象的流入量，消除不平衡流量，使被调量

回到原来的值上。从这一点看，比例调节规律的特点之

一就是调节及时、迅速。

还可看出，在t

时调节过程结束，但偏差信号

e(t)仍存在；换言之，调节过程结束时被调量的偏差仍未

完全消除。因为采用比例调节规律的调节器，其输出的

控制作用大小与偏差大小成比例关系，一定大小的控制

作用是抵消扰动的影响，使系统重新稳定下来的保证。

PB Ti Td

惯性大系统 小 大 大

惯性小系统 大 小 小

稳态精度要求高，加积分作用；惯性较大，加微分作用。

A：测量值 A0 ：真实值 Aˊ：仪表量程

绝对误差Δ Δ= A - A0 测量值与真实值之差

相对误差δ δ=Δ/A×100%= (A - A0)/A×100% 绝对误差与测量值之比

基本误差δ0 δ0=Δmax/ Aˊ×100% 最大绝对误差与仪表量程之比

放大环节：二级气动功率放大器

反馈环节：节流分压室——做反馈回路，实现比例作用

节流盲室——做反馈回路，实现积分作用

比例惯性环节——做反馈回路，实现微分作用

比较环节：位移平衡

力平衡

力矩平衡

特性

PB 比例作用 稳定性 振荡 最大动态偏差emax

静态偏差ξ

PB大 弱 好 弱 大 大

PB小 强 差 强 小 小 所有气动仪表的构成原理如图3-1-7所示，都是由三个基本环节（放大、反馈、比较）构成。其中，放大环节起信号放大作用，要求它具有较高的灵敏性和足够大的功率输出；反馈环节起信号的运算作用，通常是把仪表的输出信号P出通过反馈回路，送回到仪表的输入端与输入信号进行综合，如果放大环节放大倍数足够大，仪表的信号传递关系只决定于反馈回路的信号传递关系。这样，可消除放大环节各种非线性因素的影响，提高仪表的精度。同时，在调节器中，采用不同的反馈回路，可实现不同的调节作用规律；比较环节起信号比较作用，使输入信号与反馈信号在此比较，其输出信号等于各信号的代数和。总之，只要我们掌握了放大、反馈和比较等三个基本环节，就能比较容易地分析一台仪表的工作原理及功能。

图3-1-7 气动仪表的组成原理

1．气动仪表的放大环节

前面介绍过，几乎所有气动仪表，在喷嘴挡板机构的输出端，都要串联一个气动功率放大器。在结构上两者往往组成一体，称为二级气动功率放大器。其中喷嘴挡板机构为一级放大。图3-1-8是耗气型二级气动放大器的原理图。这种类型的二级气动功率放大器的输入与输出之间的传递关系为：

7-8 在某生产过程中，通过加热炉对冷物料加热，根据工艺要求，需对热物料出口温度进行严格控制。对系统分析发现，主要扰动为燃料压力波动。故设计如图7-43所示的控制系统。要求：

（1）画出控制系统框图；

（2）为保证设备安全，炉温不能过高。确定调节阀的气开、气关形式。

（3）确定两个调节器的正反作用。

解答：

（1）控制系统框图如图所示。

（2）气开式。

（3）副调节器：反作用；

主调节器：反作用。

7-14 图7-44为一单回路水位控制系统。如果蒸气用量经常发生变化，为了改善控制质量，将单回路控制系统改为前馈-反馈复合控制系统，画出控制系统工艺流程图和框图，并对新增回路的功能进行简单说明。

解答：

1）控制系统工艺流程图如图所示。

控制系统框图如图所示。

2）新增回路功能说明： 7-22 画出图7-45所示比值控制系统框图。该系统的总流量是否恒定？如果总流量不恒定，要作什么改动才能实现总流量恒定？

解答：

1）系统框图如图所示：图7-21a）。

2）是单闭环比值控制系统，总流量不能恒定。

3）采用双闭环比值控制系统，如图所示：图7-22。

7-28 在某化学反应器内进行气相反应，调节阀A、B分别用来控制进料流量和反应生成物的初料流量。为了控制反应器内压力，设计图7-46所示的分程控制系统。试画出其框图，并确定调节阀的气开、气关形式和调节器的正、反作用方式。

解答：

1）框图如图所示：

2）调节阀：A：气开；B：气关。

3）调节器：反作用。

6-22 如图6-30所示热交换器，将进入其中的冷却物料加热到设定温度。工艺要求热物料温度的CT1，而且不能发生过热情况，以免造成生产事故。试设计一个简单控制系统，实现热物料的温度控制，并确定调节阀的气开、气关方式，调节器的正反作用方式，以及调节器的调节规律。

解答：

1）被控参数选择： 热交换器出口温度。

2）控制参数选择：

载热介质流量。

《热力过程自动化》第八章 调节器调节规律 第 151 页 共287 页

第151 页 第八章 调节器调节规律及其对过程影响

第一节 自动调节器典型调节规律及调节过程分析

调节器的基本调节规律是模拟运行人员的基本操作，是运行人员调节动作精华的总结。选择合适的调节器动作规律是热工自动人员的职责范畴，但运行人员如果能理解各种动作的调节过程，就能够使用好相应的自动调节系统。

自动调节的目的是要及时准确地进行调节，前面我们已经讲到基本环节由比例、积分、惯性、微分、迟延组成。因为惯性、迟延环节不符合及时准确的要求，所以我们可考虑的就只有比例、积分、微分这三种特性了（积分、微分调节规律一般不能单独使用）。自动调节器的典型动作规律按照环节特性可分为比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例积分微分（PID）。

一、典型调节规律

1. 比例（P）调节规律

比例调节作用简称为P作用，是所有调节器必不可少的一种典型调节作用。P作用实质上就是典型环节中的比例作用。不过这个环节一般用电子元件构成的电路来实现，其输入输出都是电信号。

比例环节的传递函数PKW，PK称为比例环节的比例放大系数；而在比例（P）调节作用中，传递函数习惯上表示成1PW， （8-1）

式中

PK1——调节器的比例带（比例度），越大，比例作用越弱。

下面以如图8-1所示的采用浮子式比例调节器的水位调节系统为例，说明比例调节器的调节规律。该系统的被调对象是有自平衡能力的单容水箱；浮子起到检测器的作用，用于感受水位的变化；比例调节器就是杠杆本身，杠杆以O点为支点可以顺时针或逆时针转动。给定值的大小与给定值连杆的长短有关；选择流入侧阀门作为调节阀，由调节器来控制它的开度变化。当某种扰动使水位升高时（说明此时流入量1q＞流出量2q），浮子随之升高，通过杠杆作用使阀门芯下移，关小调节阀，流入量1q减小直至等于流出量2q。反之，当某种扰动使水位降低时（说明此时流入量1q＜流出量2q，浮子随之降低，通过杠杆作用使阀门芯上移，开大调节阀，流入量1q加大直至等于流出量2q。这样，就可以自动地把水位H维持在某个高度附近，完成水位的自动调节。h，h，动作方向始终正确，朝着减小被调量波动的方向努力。比例调节器的动画演示见光盘第八章目录下”比例调节器流出侧扰动(阶跃减少)”和“比例调节器流出侧扰动(阶跃增加)”