2 调节器和调节系统的调节过程

第二章调节器和调节系统的调节过程学习重点:1调节器的基本原理及其动态特性2典型调节器结构3如何选择调节器及其参数第一节、概述1、调节器的功用调节设备除调节对象外，还包括调节器、发信器和执行器等一般热工调节器的功用：将发信器测到的被调参数的输出实际值与要求的值进行比较，确定它们之间的相对误差，并产生一个使误差为零或为微小值的控制信号。调节器的特性——调节器的输出p与输入e的函数关系p=f(e),即调节器的控制规律。2、调节器的分类按其调节规律或控制作用特性分类，分为：①双位或继电型调节器；②比例调节器；③积分调节器；④比例积分调节器；⑤比例微分调节器；⑥比例积分微分调节器。调节器按照在工作时的动力的种类分类：直接作用式调节器、气动调节器、液动调节器、电动调节器。在制冷空调中，调节器以直接作用式、气动和电动的为最多。实际过程中应采用什么样的调节器，则必须由被调对对象的性质及包括安全、成本、可靠性及准确性等因素在内的工作条件所决定。在制冷空调系统中，对于所采用的调节器的要求：①结构简单；②运行性能稳定和良好、耐用；③维修方便；④价廉。3、调节器元件调节器可分为直接作用式和间接作用式。间接作用式调节器的优点是：调节器灵敏度高，作用距离长，输出功率大，便于集中控制及采用计算机控制等。其缺点是：常需要辅助能源，结构较复杂，价格较贵等。直接作用式调节器的优点是：结构简单、紧凑、价格便宜，密封性好，因此被广泛用于制冷、空调系统的一般控制中。但它灵敏度及精度差，因此在调节质量要求高的场合不能适用。直接作用式调节器间接作用式调节器控制规律双位控制是最简单的一种控制方式。当控制器的输入信号发生变化后，控制器的输出信号只能有两个值，即最大输出信号和最小输出信号，因此称之为双位控制。被控参数处于差动范围之内时，控制器的输出触点保持原有状态。第二节、双位调节器及其调节过程在制冷中,许多热工参数如温度\压力\湿度及液位均采用双位调节器.例子:高压控制器冰箱温度控制2、双位调节器的调节过程以冷库为例说明:通常情况下,冷库温度调节器采用双位调节器,既用类似刚才介绍的温包式温度双位调节器,通过控制制冷剂供液电磁阀的开与关,来控制进入冷库的制冷剂流量,从而控制冷库中的温度.下面我们通过分析进出冷库的热量变化来分析其中的温度变化.控制原理图:双位控制静态特性控制器输出触点“断开”与“闭合”是相对应的被控参数值茶称为控制器的差动范围Y差动，也叫不灵敏区或呆滞区。差动范围小的控制器能使被控参数的波动小，控制质量较高，但是控制器动作频繁。图1-8静态特性曲线双位控制动态特性曲线——过渡过程曲线（无迟延）双位控制器的动态特性曲线是一个不衰减的等幅振荡过程曲线。图1-9无迟延时间的双位控制过程曲线双位控制动态特性曲线——过渡过程曲线（有迟延）由于控制对象的迟延时间的影响，控制过程中被控参数的波动幅度Y波动增大，往往超过双位控制器的差动范围Y差动，迟延时间越长，越过的范围就越大。图1-10具有迟延时间的双位控制器控制过程曲线迟延时间的存在，使被控参数波动幅度增大，动态偏差增大，控制过程周期也较无迟延时间时有所增长。对这类控制系统，除了选用差动范围小于生产工艺规定的被控参数波动范围的控制器外，设计和安装时应尽量减少控制对象的迟延时间，以保证控制质量。双位控制特点①双位控制器的结构简单，价格低廉，易于调整。②执行机构的动作是间断的，只有“全开”和“全关”两个位置。属于非线性控制。③控制过程是一个周期性、不衰减的等幅振荡过程。④改变控制器的差动范围，就可以改变被控参数的波动范围。３.比例控制控制规律输出信号与输入信号成比例的控制器叫比例控制器。简称p控制器。eKpp（1—2）pepK式中：——比例控制器的输出信号——被控参数偏差值，即输入信号——比例系数比例控制图1-11浮球液位比例控制系统的液位控制示意图1一液泵2—浮球3一连杆4—杠杆5一阀杆6—调节器比例控制当系统中液位一旦产生偏差，调节机构立即有一个位移，此位移与偏差成比例，即调节阀的位移(控制器的输出信号)与液位的变化（控制器的输入信号）成比例。即mhhm（1—3）hKmp（1—4）mhpK式中：——执行机构位移，输出信号——液位高度变化，输入信号——比例系数比例控制hm（1-4）叫作比例控制器的动态方程式。比例系数Kp表示了控制器控制作用的强弱。在相同的输入信号下，Kp越大，输出信号越大，控制器的控制作用越强；Kp值越小，输出信号越小，控制器控制作用越弱。m工业生产中也常用比例带δ来表示比例控制器的控制作用。δ常以输入、输出相对值表示，即比例控制%100MH（1—5）maxminmaxmmmmmMmaxminmaxhhhhhH%100%100%100maxmaxmaxmaxhmmhmmhhMH%1001cpKKmaxmaxhmcK=比例控制pK这说明比例带与比例系数成反比。比例带这说明比例带δ与比例系数成反比。反映了比例控制器的放大能力与灵敏度。其物理意义是：控制器输出值变化100%时，所需输入变化的百分数。换言之，被控参数变化了某个百分数时，控制器输出从最小值变化到最大值，所控制的执行机构从全闭变为全开，被控参数的这个变化的百分数就是比例控制器的比例带。图1-12表示了比例带δ与控制器输入和输出的关系。与控制器输入和输出的关系。pK比例控制图1-12比例带δ与控制器输入和输出之间的关系比例控制被控参数只要在比例带内变化，控制器的输出就与输入成比例，执行机构就起控制作用；如果被控参数的变化超过了比例带δ的范围，控制器的输出就不能跟着变化，失去了比例控制作用。所以，也有把比例带称为比例界限或比例度的。比例控制静态偏差对于比例控制器所组成的控制系统，在过渡过程结束时，静态偏差是不可避免的。比例带δ越宽，控制器放大倍数Kp越小，灵敏度越低，控制过程较稳定，但控制过程的静态偏差大；比例带δ越窄，控制器放大倍数Kp越大，灵敏度越高，控制过程的静态偏差越小，但系统的稳定性差。比例控制在选择控制器时，如果比例带δ选得过小，控制器过于灵敏，被控参数有一个较小的偏差时，控制器控制执行机构动作较大，容易形成过控制，使被控参数发生振荡，严重时波动幅度会越来越大，使控制装置失去其控制作用。比例控制器的控制作用随被控参数的偏差增大而增强，能较快地克服干扰引起的被控参数的波动，但控制过程有静态偏差。如果被调对象的静态控制质量要求较高，则需采用其它控制性能更好的控制器。4、比例调节器的结构及其特点按作用原理分为：直接式，气动式和电动式三种。直接作用式比例调节器在制冷空调系统中广泛应用。如空调加热用温度调节阀、静压调节器等这是学习的重点:将在以后用重点的篇幅介绍.下面先介绍一些简单的让大家了解;（1）气动比例调节器气动调节器通常由喷嘴挡板机构、放大器、反馈机构和气容、气阻等元件气动调节器的优点①结构简单、直观、价廉；②工作可靠，牢固，耐高温乃湿性好，抗磁场干扰和放射线干扰性好；③防爆、防火、耐腐蚀性好；④执行结构推力大，动作平滑、可靠。气动薄膜调节器气动调节阀缺点：①需供给干燥清洁的空气；②作用距离不能很长（一般不宜超过300m）；③与计算机连接困难。（2）电动比例调节器电动比例积分两通调节阀优点：①电源问题容易解决；②作用距离长，一般情况下不受限制；③调节精度高的电动调节器一般容易做到；④可实现微机化。缺点：①电气装置、继电器和电子元件在动作频繁的工作条件下，只能使用一定的期限；②电动调节器的使用和调整比较复杂，对维护技术要求亦高；③电器接点有火花产生，电器元件带电，不利于防火防爆。第四节、积分调节器及微分调节器1、积分调节器比例调节器由于有:静态偏差.而改进。。。比例积分调节阀积分控制控制规律输出的变化速率与输入成正比。即edtKpi式中p——积分控制器的输出信号e——被控参数偏差值，即输入信号Ki——积分系数积分控制1、积分控制器的输出信号不但与被控参数偏差的大小有关，而且还与偏差存在时间有关。因此，系统中只要有偏差存在，控制器就始终动作，直至静态偏差消除，被控参数回复到给定值。特点2、从理论上讲，积分控制器可使被控参数的静态偏差为零，但积分控制器调节机构的位置是浮动的，也就是说，被控参数回到给定值，控制系统处于暂时稳定时，调节机构的位置是不固定的，调节机构的位置并不与偏差的大小一一对应。因此，稳定性很差，容易使系统波动不停，甚至失去稳定。如图1-13所示图1-13积分控制规律图1-14比例积分控制规律比例控制规律使控制器反应迅速，积分控制规律能消除系统静态偏差。在制冷空调系统中，较少采用纯积分控制器；在控制质量要求较高的场合，选用比例控制器或比例积分控制器。微分控制控制规律若流入量和流出量存在着不平衡，等到在被控参数的偏差量上充分反映出来时，实际上已落后了一段时间。当被调对象中一旦出现流入量与流出量不平衡时，立即就有一个与此不平衡流量成正比的被调量偏差的变化速度出现。由于控制对象总有一定的容量，所以此时偏差变化量尚未形成(或十分小)，因此，被调量偏差的变化速度信号在时间上快于偏差变化信号。如果利用被控参数的变化速度(即被控参数对时间的导数)作为控制器的输入信号，就可克服偏差控制作用不及时的现象。这就引入了微分控制器。理想微分控制器的输出信号与输入信号变化速度成正比。即微分控制dtdeTpd式中p——微分控制器的输出信号e——输入信号，即被控参数偏差值Td——微分时间微分控制特点1、微分控制器根据偏差的变化速度进行控制，故它的动作快于比例控制器，且比积分控制器动作更快。这种超前和加强的控制作用，使被控参数的动态偏差大为减小。2、但微分控制器是不能单独应用的。因为只要被控参数的导数等于零，控制器就不再输出控制作用，此时即使被控参数有很大的偏差，微分控制器也不产生控制作用，结果被控参数可以停留在任何一个数值上，这就不符合控制系统正常运行的要求。3、又因微分控制器存在不灵敏区（呆滞区），如果对象的流入量和流出量之间只稍有不相等，则被控参数的导数老是保持小于不灵敏区的数值，永远不能引起控制器动作，而这样很小的不平衡却会使被控参数逐渐变化，只要时间长了，就会使被控参数的偏差量超过安全许可的范围。微分控制特点微分控制图1-15微分控制器飞升特性曲线入第5节比例积分（PI）调节器及其调节过程在制冷空调中，如果条件质量要求高，常采用比例积分调节器。比例积分调节器为：比例调节器和积分调节器并联构成动态表达式为：它们分别的叠加。比例积分调节器兼有比例调节器和积分调节器的优点：既有比例调节器反应迅速，亦即输出信号瞬即反应输入信号又有积分调节器可以消除静态偏差的优点。制冷空调系统中采用的比例积分调节器有气动式和电动式两种。下面分别说明：1、气动比例积分调节器的工作原理和它的传递函数气动比例积分调节器由喷嘴、挡板、气容、气阻、负反馈波纹管和正反馈波纹管等元件组成。2、电动比例积分调节器和它的传递函数电动比例积分调节器由放大器K和反馈网络电阻和电容组成。3、积分时间常数概念和它的测定方法在气动比例积分调节器中，积分时间常数是反馈气容C和气阻R的乘积。在电动比例积分调节器中，积分时间常数是反馈电容和电阻的乘积。因此积分时间常数是与反馈通路中的容量系数和阻力系数相关的一个数值输入一阶跃信号，当积分作用部分的输出等于比例作用部分的输出时，其所经历的一段时间就是积分时间常数。在电动比例积分调节器：通过改变电阻来调整积分时间常数。与比例调节器不同：比例积分调节器属于弹性反馈调节器。比例积分调节器的优点：结合了比例、积分调节器的优点，克服了他们的缺点。5比例积分微分调节器（PID）调节器引入PID的原因：思考？构成：并联应用场合：一般用于对象时间常数大、容积迟延大、负荷变化又大又快的场合。