轮机自动化 第一章 第三节 调节规律347题(1)

3000KW 及以上大管轮、轮机长、轮机自动化光盘题

第一章 第三节 调节规律347题(共计3节)

考点1 辅锅炉浮子式水位控制系统是按双位作用规律工作的，通常也简称为位式作用规律，这种作用规律的特点是，调节器只有两个输出状态，它不能使被控量稳定在某个值上。当被控量下降到下限值时，调节器的输出接通电机电源使电机转动，或令电磁阀通电使阀门全开。当被控量达到上限值时，调节器动作使电机断电停转，或电磁阀断电阀门全关。当被控量在上、下限之间变化时，调节器输出状态不变。

考点2 压力开关也叫压力调节器，属于位式作用规律，可用于辅锅炉蒸汽压力的双位控制。 现已YT-1226型压力调节器为例，调整给定弹簧的预紧力，可调整触点动作的下限压力值，用P x 表示。调整幅差弹簧的预紧力，即可调整触点动作的压力上限值，用P z 表示。ΔP ＝P z －P x 称为幅差。输入压力信号P 入的下限值是通过人工调整给定弹簧的预紧力调整的，要确定压力的上限值，只需求出幅差即可。

螺钉14有一红色标记，在它旁边的圆柱面上有0～10挡刻度。红色标记对准0挡，其ΔP ＝0.07 MPa ；红色标记对准10挡，其ΔP ＝0.25 M P a 红色标记对准不同档时，其ΔP 的计算公式为

10)07.025.0(07.0X Z X P P P ?-+=-=?

式中：X 是设定的挡数，各数值的单位均为 MPa 。这样，在压力的上限值P z 、压力的下限值P x 及所设定的挡数X 这三个变量中，知道任意中的两个，就可以求出第三个。

考点3 比例作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为

P （t ）＝K ·e （t ）

式中：K 是比例调节器的放大倍数。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，也就是调节器指挥调节阀开度的变化量大，我们就说它的比例作用强；反之，K 小，其比例作用弱。用比例作用规律制成的调节器，称为比例调节器。

比例作用规律的优点是，调节阀的开度能较及时地反映控制对象负荷的大小。负荷变化大，偏差e （t ）就大，调节阀开度会成比例变化，对被控量控制比较及时。比例作用规律存在的缺点也是明显的。当控制对象受到扰动后，在比例调节器的控制作用下，被控量不能完全回到给定值上来，只能恢复到给定值附近。被控量的稳态值与给定值之间必定存在一个较小的静态偏差，这是比例作用存在的固有的、不可克服的缺点。

比例控制系统虽然存在静态偏差，但这个偏差值是不大的，与有自平衡能力的控制对象受到扰动后，被控量自行稳定在新稳态值上的变化量相比较要小得多，动态过程进行也要快得多。因此，对被控量稳态精度要求不是很高控制系统中，采用结构比较简单的比例调节器是较为普遍的。

考点4 比例带PB 或比例度δ，是指调节器的相对输入量与相对输出量之比的百分数，即

%100%100%100//)(max max max max ?=???=??=

K R P e X P P P X e PB δ

式中：e 是被控量的变化量（偏差值），ΔX max 是被控量允许变化的最大范围，叫全量程。被控量的变化量

与全量程的比值e /ΔX max 是调节器的相对输入量；P 是调节阀开度的变化量；P max 是调节阀开度的最大变化

量，即调节阀从全关到全开或全开到全关叫全行程，调节阀开度变化量与全行程的比值P /P max 是调节器的

相对输出量。R ＝P max /ΔX max 叫量程系数，在单元组合仪表中，R ＝1。这样，

%1001?=K PB ，显然，比例带PB 与放大倍数成反比。

比例带PB 的物理意义可以这样来理解，假定调节器指挥调节阀开度变化全行程（从全关到全开或从全开到全关），需要被控量的变化量占全量程的百分数就是比例带。换句话说，控制系统受到扰动后，被控量要离开给定值出现偏差，调节器将使调节阀的开度成比例地变化。偏差越大，调节阀开度的变化量越大，当偏差大到使调节器控制调节阀开度变化全行程时，该偏差占全量程的百分数就是比例带。例如PB ＝100％，说明被控量变化全量程的100％，即变化全量程，调节器使调节阀开度变化全行程。若PB ＝50%，说明被控量变化全量程的一半，调节器就能使调节阀开度变化全行程。若PB ＝200%，说明被控量变化了全量程，调节阀的开度只变化了全行程的一半。可见，比例带PB 越小，在被控量偏差占全量程百分数相同的情况下，调节阀开度的变化量越大，克服扰动能力越强，比例作用也就越强；反之，比例带PB 越大，比例作用越弱。比例带是比例作用极为重要的参数。当组成控制系统的控制对象确定以后，比例带PB 的大小，对控制系统动态过程品质好坏起着决定性的影响。若比例带PB 选定太大，比例作用很弱，克服扰动的能力就弱；动态过程虽然很稳定，没有波动，但最大动态偏差e max 增大，过渡过程时间t s 拖得很长，稳态时静态偏差ε也比较大。若比例带PB 选定太小，比例作用很强，有一点偏差e 调节阀开度的变化量就很大，相对扰动来说，调节阀开度的变化量会过头，造成被控量的大起大落，系统的振荡倾向明显增大，降低了系统的稳定性。同时，由于被控量的振荡不息，会加长过渡过程时间t s 。这两种

情况都是不利的，因此，对一个实际控制系统来说，要根据控制对象的特性，调定合适的比例带PB ，以保证一个控制系统具有最佳的动态过程。

考点5 比例积分作用规律，是指调节器的输出量随输入量做比例积分变化。按这种规律制造的调节器叫比例积分调节器，简称PI 调节器，显然，在PI 调节器中，含有积分作用。

1．积分作用规律

在手动控制中，积分作用与比例作用不同。在比例作用中，管理人员是根据偏差的大小成比例地改变调节阀的开度。在积分作用中，管理人员是根据偏差的大小来改变调节阀开度的变化速度。偏差越大，调节阀动作越快；偏差小，调节阀动作慢，只要存在偏差，调节阀就动作不息，直到消除偏差为止。积分作用规律表达式为

??=t t e S t P d )()(0

由于S 0是常数，可以提到积分号“∫”的外面。显然，积分输出取决于两个因素：一个是偏差e 的大小，

另一个是偏差存在时间的长短。换言之，积分作用的输出是与被控量的偏差值随时间的积累成比例，只要存在偏差，偏差随时间的积累就不能停止，调节器输出就有变化，直到偏差等于零，这时积累才能停止，调节阀的开度才能稳定在某一值上而不再变化。因此，控制系统采用具有积分作用规律的调节器，被控量最终必定能稳定在给定值上，消除静态偏差，使ε＝0。这是积分作用规律的突出优点。但是，与比例作用规律相比较，其缺点也是很明显的。比如，在控制系统处于初始平衡状态下，突然受到一个较大的扰动，被控量会较快的出现偏差。但由于偏差存在的时间很短，调节器输出的变化量很小，不足以克服扰动，使偏差越来越大。可见，积分作用规律对被控量的控制是很不及时的。以后由于偏差不断增大及偏差存在的时间不断增长，积分作用的输出才越来越大，致使调节阀开过头，使被控量向给定值恢复。但由于偏差的方向未变，积分作用的输出仍按原方向增大，调节阀开过头的现象越来越严重，直到被控量出现反向偏差时，积分作用的输出才向反方向积累，这就造成了被控量的大起大落，大大加剧了控制系统动态过程的振荡倾向，降低了控制系统的稳定性。

2．比例积分的作用规律

在比例积分调节器中，比例作用是主要的，它使调节阀的开度随时适应扰动的变化，取控制比较及时的优点，获得较好的动态稳定性。积分作用是辅助的，用它来消除静态偏差。比例积分的作用规律是

??+

=+=]d )(1)([d )()()(0t t e T t e K t t e S t Ke t P i

式中：K 是比例积分调节器的比例放大倍数，T i =K /S 0是积分时间。这样，衡量比例积分作用强弱的参数就有两个，即比例积分作用的比例放大倍数K 和积分时间T i 。

积分时间T i 的物理意义是，在给PI 调节器输入一个阶跃偏差信号时，积分输出等于比例输出所需的时间就是积分时间T i 。T i 越小，积分输出达到比例输出的时间越短，积分作用越强。

考点6 在比例积分调节器上通常都设有两个旋钮，一个用于整定比例带PB ，一个用于整定积分时间T i 。

希望T i 整定的合适。这样，既能保证控制系统稳定性的要求，又能在较短的时间内使系统稳定下来消除静态偏差。在整定T i 值时，切忌把T i 值整定太小，否则由于积分作用太强，系统动态过程振荡激烈，被控量长时间稳定不下来，这是很不利的。如果T i 值不能进行准确地整定，那么选取T i 值时，要宁大勿小。T i 值偏大一些，积分作用偏弱，只是消除静态偏差时间稍长一些而别无它害。积分时间T i 的整定范围是在3 s 至20 min 之内。控制对象惯性大的控制系统，选取T i 值要大一些。控制对象惯性小的控制系统，选取T i 值可小一些。

在比例积分调节器上，如果把积分时间T i 整定到∞，它相当于切除积分作用，而成为纯比例调节器。如果控制系统采用纯比例调节器，可整定一个最佳比例带PB ，使控制系统动态过程保持最佳状态。如果调节器要加进积分作用（其T i 不是∞），则此时比例带PB 要比纯比例调节器的比例带PB 大一些，以抵制由于积分作用而使系统动态过程振荡倾向的增加。比例积分调节器是在实际控制系统中，应用最广泛的一种调节器。

考点7 控制对象受到扰动大小不同，尽管在短时间内，偏差的绝对值很小，但偏差的变化速度不同。

在来势很猛的扰动瞬间，偏差虽然为零，但偏差的变化速度是很大的。可见，对控制对象施加扰动越大，在施加扰动瞬间，偏差的变化速度越大，如果调节阀的开度能与偏差的变化速度de /dt 成比例，那么这种作用就是微分作用规律，其表达式为

t t de S t P d d )()(?

=

式中：S d 是比例系数。显然，微分作用能预示控制对象受扰动的猛烈程度；同时，能在偏差出现之前，提前改变调节阀的开度。因此，微分作用有超前控制的能力，能及时克服扰动，使被控量不会出现大的偏差。或者说，微分作用有抵制偏差出现的能力。

在调节器中微分作用都是采用实际微分环节。给实际微分环节施加一个阶跃的偏差输入信号后，它先有一个较大的阶跃输出，起到超前控制作用。以后不管扰动是否克服，被控量是否回到给定值，其微分输出会逐渐消失，最后输出消失在零上。实际微分作用也不能单独制成调节器用于控制系统，它只能与比例作用，或比例积分作用合在一起，组成比例微分调节器，或比例积分微分调节器。比例微分作用是指，在比例作用的基础上，加进微分作用（实际微分作用）。其中，比例作用是主要的，它最终决定调节阀开度的变化量。微分作用是辅助的，它只起超前控制作用。比例微分作用表达式为

]

d )

()([d )()()(d t t de T t e K t t de S t Ke t P d +=+=

式中：K 是比例微分作用规律的比例放大倍数，在实际调节器中，不是用K 而是用PB 来表示比例微分调节器比例作用强弱。是微分时间。比例微分作用规律的输出特性如图1-3-14所示。给比例微分调节器施加一个阶跃的偏差输入信号后，它首先有一个阶跃的比例加微分的输出，然后微分输出逐渐消失，最后消失在比例输出上。微分时间T d 表示微分输出消失的快慢，或微分输出保留得时间长短。若T d 大，说明微分作用消失慢，或微分作用保留时间长，则微分作用强。若T d 小，说明微分作用消失得快，或微分作用保留时间短，则微分作用弱。因此，微分时间T d 的大小，是衡量微分作用强弱的参数。

图1-3-14 比例微分调节器输出特性

考点8 在比例微分调节器上通常设有两个旋钮，一个是比例带PB 调整旋钮，另一个是微分时间T d 调整旋钮。如果把微分时间旋钮调整到T d ＝0，相当于切除微分作用，这时调节器就成为纯比例调节器。一般

来说，控制对象惯性很小的控制系统，其所采用的调节器可不加微分作用，而控制对象惯性大的控制系统，调节器加进微分作用，其控制效果的改进是很明显的。在比例微分调节器中，加进微分作用后，其比例带PB 可比纯比例控制的比例带PB 小一点。由于微分作用能实现超前控制，可以改善惯性和迟延影响，具有抵制偏差出现的能力，提高系统的控制质量，尽管PB 小一些，也能保证系统动态过程的稳定性，且PB 小一些，稳态时，静态偏差会减小。由于比例微分调节器与比例调节器一样，是不能消除静态偏差的。要想实现无差控制，比需附加积分作用规律。

考点9 比例积分微分作用规律就是把比例、积分和微分作用组合在一起，常用PID 表示。在这种作用规律中，仍以比例作用为主，吸收积分作用能消除静态偏差，微分作用能实现超前控制的优点。这是目前最完善的作用规律。用这种作用规律制成的调节器，叫做比例积分微分调节器，或叫PID 调节器，或叫三作用调节器。PID 作用规律输出与输入之间关系为

)d 1

(d t de T edt T e K P i ?++=

式中：K 是比例积分微分调节器的比例作用放大倍数，在实际系统中，仍然是不用K 而是用PB 来衡量比例作用的强弱。T i 是积分时间，T d 是微分时间。

考点10 在比例积分微分调节器上通常设有三个旋钮，分别用于整定比例带PB ，积分时间T i 和微发时间

T d ，在使用中，往往把积分时间T i 整定得比微分时间T d 长，它们之间的关系大致为T i ＝（4～5）T d 。在比例积分微分调节器中，如果把积分时间整定为T i →∞；把微分时间整定为T d ＝0，则相当于切除积分和微

分作用，成为纯比例作用调节器。若调节器用于控制系统对被控量的稳态精度要求很高的情况，调节器中要加进积分作用。若控制系统中控制对象惯性较大时，调节器应加进微分作用。加进微分作用后，原

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