调节器的调节规律
1080《过程控制》西南大学网教23秋季作业参考答案
108020232单项选择题1、串级控制系统的主回路是一个（），因此对于设计中的主参数的选择，可以按照单回路控制系统的设计原则进行。
.随动控制系统 . 定值控制系统. 程序控制系统 .以上都不是2、比例调节的缺点是存在静态误差，因此也称为（）。
. 误差调节 . 动态调节. 有差调节.静态调节3、实验法建模时，为了获得被控对象的（），应加入激励信号使被控对象处于被激励的状态。
. 动态特性. 静态特性. 物理属性 .化学特性4、利用阶跃响应曲线法建立被控对象的数学模型，需求取被控对象输入与输出之间的（）。
.大小关系.最大值.最小值.传递函数5、比例积分调节规律中，积分调节可以消除（）。
.振荡.比例系数.调节时间.静态误差6、比例积分微分调节的缩写为（）。
.DCS.PID.PI.PD7、若调节对象的特性是线性的，应选择具有（）流量特性的调节阀。
.双曲线.抛物线.直线.等百分比8、为了减小调节阀（）的影响，一般采用阀门定位器克服阀杆摩擦力。
.流量.重量.间隙特性.尺寸9、弹性式压力表是利用各种弹性元件，在被测介质压力作用下产生弹性变形的原理来测量压力的，服从（）。
.法拉第电磁感应定律.胡克定律.质量守恒定律.惯性定律10、变送器一般由输入转换部分、放大器和（）组成。
.控制器.反馈部分.传感器.执行单元11、关于压力检测仪表的安装，下列叙述错误的是（）。
.压力检测仪表必须经检验合格后才能安装.压力检测仪表应水平安装.取压点应能如实反映被测压力的真实情况.压力检测仪表的连接处，应选择适当的材料作为密封垫圈12、串级控制系统是把两个调节器串接在一起，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的（），共同稳定一个被控变量所组成的闭合回路。
.输入值.给定值.扰动量.以上都不是13、阶跃响应曲线法适用于处于（）的被控对象。
.C. 开环、非稳态.开环、稳态.闭环、稳态.闭环、非稳态14、调节器的调节规律是指调节器输出信号与输入信号之间随（）变化的规律。
第三节调节器的调节规律及其实现方法
e0 te 0ut01e δ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)()(t e K t u p =（1-11）式中 K p ——比例增益。
比例调节器的传递函数：p p K s E s U s G ==)()()( （1-12）工程中，常用比例带δ来描述其控制作用的强弱，即：pK 1=δ （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。
在系统受到扰动后，被调量偏离了其给定值，而出现偏差，调节器的调节使系统再次进入稳定状态，但偏差或大或小还要存在，否则偏差为零，控制作用也随之消失，干扰信号的存在eue 0tt图1-19 积分调节器的阶跃响应曲线就不可能使系统稳定下来。
第四节 调节器的基本调节规律
2．比例积分调节规律及积分时间
比例调节规律是输出信号与输人偏差成 比例，因此作用快，但有余差;积分调节规 律能消除余差，但作用慢;比例积分调节规 律具有以上两种调节规律的优点，是生产 上常用的一种调节规律(常用PI表示)。比例 积分调节规律可用下式表示:
由于比例积分调节器具有比例和积分
两种调节器的优点，同时比例度、积分时 间两个参数均可以调整，因此适用面比较 广，多数系统都可采用。只有在对象纯滞 后时间特别大时，调节时间较长，最大偏 差较大;在负荷变化特别强烈时，由于积分 作用迟缓，调节作用不能及时，这时可增 加微分作用。
双位调节是位式调节的最简单形式。 双位调节的动作规律是，测量值大于给定 值时，调节器的输出为最小;测量值小于给 定值时，调节器的输出为最大(也可以是相 反的情况)。因此，双位调节只有两个输出 值，相应的调节机构也只有两个极限位置， 即不是最大就是最小。没有中间位置。而 且从一个位置变到另一个位置是很快的、 如图7-14所示。
第四节 调节器的基本调节规律
调节器接受偏差信号后，其输出随输人 变化的规律，即是调节器的基本调节规律。 在工业自动调节系统中最基本的调节规律 有:位式调节、比例调节、积分调节和微分 调节四种。
各种调节规律是为了适应不同的生产要 求设计的。因此，必须根据生产的要求来 选用适当的调节规律。
一、双位调节
2.ห้องสมุดไป่ตู้例积分微分调节规律
比例微分调节的结果是存在余差的。为
了消除余差，生产上常将比例、积分、微 分三种调节规律结合起来，称例积分微分 调节，习惯上用PID表示。
PID调节器综合了各类调节器的优点， 因此具有较好的调节性能。但这并不意味 着在任何条件下采用这种调节器都是最好 的，要从生产实际和经济价值等方面来选 用调节器。
3、调节器的调节规律及其对控制过程的影响
1 K K C t lim S t T1T2 S 2 T1 T2 S 1 K P K S 1 K P K S 0
上式表明，在系统受到扰动后，调节过程结束，被调量仍存
在稳态偏差K/(1+Kp· K)，只是比无调节作用时减小。偏差大小与
+ -
调节器
执行器
变送器
图３-1
控制系统组成原理框图
实际中，在系统分析时又往往将执行器（包括调节阀）、对
象及变送器称为“广义对象”，这样就形成如图3-2所示的控制系 统组成方框图。
扰动 r +
d
调节器
广义对象
c
图3-2 控制系统等效原理框图
在上图中，基本的闭环控制系统由调节器和“广义对象” （下称对象）两部分组成；除调节阀对对象的扰动作用外，其他
比例带成正比。
第三节 积分调节规律及其对调节过程的影响
一、积分调节规律
积分调节规律:调节器输出控制作用u(t)与其偏差输入信号
e(t)随时间的积累值成正比,即：
u (t ) 1 Ti
e(t )dt
传函为：WI
S T
1
i
S
积分调节器的阶跃响应如图3－7所示:
e(t)
E
u(t)
E t Ti t
点，从而克服了单纯比例作用时不能消除偏差的缺点和单纯积分
作用时控制不及时的缺点。
四、单容对象配比例积分调节器的控制过程
R(s)
+
-
1 k p (1 ) Ti s
+
+
D(s)
K 1 T S
C(s)
图3-10
PI控制系统传递方框图
调节器调节规律
稳态精度要求高，加积分作用；惯性较大，加微分作用。
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：h K P B ∆⋅=∆式中，K ＝K 1·K 2是二级气动放大器的放大倍数；K 1是喷嘴挡板机构的放大倍数；K 2是耗气型气动放大器的放大倍数。
图3-1-8 耗气型二级气动放大器原理图2．气动仪表的反馈环节 基于反馈控制原理，如果仪表放大环节的放大倍数足够大，则仪表的信号传递关系只决定于反馈回路的信号传递关系。
因此，在气动仪表中，总是把输出端的输出信号引回到输入端，构成负反馈气路，但除1∶1的负反馈外，在调节器中引用不同的反馈气路，就可以实现比例、积分和微分的作用规律。
第3节 调节器及其调节作用规律
调节器，称为比例调节器。
1.比例控制实例
浮子式水位比例控制系统示意图
a p (t ) e(t ) K e(t ) b
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（即增大水柜的负荷）。由于给水流量暂时未变，水
位会连同浮子和浮子杆一起下移，带动杠杆绕支点顺时针转 动，开大给水调节阀，增加对水柜的给水流量，直到为止，
量按何种方式进行变化。
3.根据调节器输出的变化方向，调节器有两种类型，一是随着测量 值的增加，调节器的输出也增加，称为正作用式调节器；另一是随
着测量值增加，调节器的输出减小，称为反作用式调节器。
调节器作用规律简介
4、船舶机舱常用的调节器作用规律： 双位作用规律、比例(P)作用规律、比例积分(PI)作用规律、
在比例作用规律中调节器输出的变化和偏差是同步的或者说是及时的而在积分作用规律中即使偏差很大在刚开始的时候由于时间很短调节器的输出也很小只有随着偏差存在的时间不断增长积分作用的输出才越来越大导致调节器对被控量的控制不及时
第五章 船舶反馈控制系统基础
第三节 调节器及其调节作用规律
调节器作用规律简介
1.在反馈控制系统中，调节器是最重要的组成单元。当控制对象确 定后，反映控制对象特性的各种参数也是既定的，因此调节器就对 控制系统的动态过程品质起着决定性的影响。 2.调节器的输入是被控量的偏差值e(t),调节器的输出是控制量p(t)， 用于改变执行机构的位置（如调节阀的开度），最终作用于控制对 象。调节器的作用规律是指输出量p(t)与输入量e(t)之间的函数关系 ，即p(t)=f[e(t)]，也就是说给调节器施加一个输入信号后，其输出
时间 。
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，以保证一个控制系统具有最佳的动态 过程。在一般情况下，控制对象惯性大的控制系统，可使比 例带小一点，如温度、粘度等控制系统，其控制对象惯性比
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。
第3节 调节器及其调节作用规律
在调节器上有两个旋钮，一个是比例带调整旋钮，另一个
是微分时间调整旋钮。如果把微分时间旋钮调整到Td=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，加入微分 作用，可以有效地改善控制系统的动态过程。在调节器中， 加进微分作用后，其比例带PB可比纯比例控制时略小些。因 为微分作用能实现超前控制，具有抵制偏差出现的能力，尽
服的缺点
• 显然比例作用规律中，如果放大倍数K较大（比例作用越 强），那么稳态时只要有一个较小的静态偏差，调节阀就 会有一个较大的开度变化以适用负荷的要求。因此，K越 大，稳态时静态偏差越小，反之亦然。但不可能通过无限 制地增加比例系数的方法来达到消除静态偏差的目的，而 且当比例系数大到一定程度时将导致系统发生振荡。 • 比例控制系统虽然存在静态偏差，但这个偏差值是不大的 ，与自平衡对象受到扰动后，靠自平衡能力使被控量自行
水位才会稳定在比给定水位略低的值上。相反，若突然关小
出水阀，出水流量阶跃减少（即减少水柜的负荷），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
Байду номын сангаас
少给水流量，直到为止，水位又会稳定在比给定值略高的值
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）偏离给定水位的数值就是偏差值。
1.浮子式水位双位控制系统
在调节板上对应浮子杆的上、下限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，但如 果把上、下销钉之间的距离调整得太小，虽然可以减小水位 的波动范围，但将导致电机起停频繁，这是不利的。
2.双位式压力调节器（压力开关）
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调节器 P P= f（e） 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。
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式中：e是被控量的变化量（偏差值）； x max 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
P max x max
• 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/KP×100%。 • 显然比例带PB与比例系数成反比。
二、实例分析：
• 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。
§4—2 比例调节规律
• 一、概念：调节器的输出P与偏 差输入e 成正
比。P=KP×e， KP为调节器的比例系数。 • e P • t t
e
§4—1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。
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、比例带的物理意义：
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• • • •
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。
• 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δ）： • 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。
x max P max e R PB eP//P 100 % 100 % % max x max P Kp 100