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    控制器調節特性及其選擇

    fuzhika 2018-10-23 702人圍觀 ,發現0個評論 門禁系統門禁卡復制
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    控制器調節特性及其選擇

    閉環控制系統控制器(也稱調節器)的作用是把測量值和給定值進行比較,得出偏差后,根據一定的調節規律計算出輸岀信號,控制執行器對控制對象進行自動控制,實現對被控變量的調節。

    調節器雖然經過了氣動調節器、液動調節器、電動模擬調節器、數字調節器等不同的發展階段,但其基本的控制規律也在不斷地改進,但并沒有發生根本的變化。在樓宇自動化系統中的調節器,不管是開關式的位式控制器、模擬調節器還是數字化的DDC控制器,其控制規律絕大部分仍采用傳統的位置式、比例式、積分式、比例+積分式和比例+積分十微分式五種后面這四種一般簡稱為P( Proportiona)調節、I( Integral)調節、PI( Proportional+ Integral)調節和PID( Proportional+ Integral+ Differetial)調節,積分調節器單獨使用的場合很少。

    1.位置式調節

    所謂位置調節,也就是開關控制或開關調節。位置調節分雙位調節和三位調節兩種。

    1)雙位調節

    雙位調節的特性就是根據偏差值的正/負,輸出兩個不同的開關控制信號。調節器的方程如下

    控制器調節特性及其選擇(2-8)

    式中

    P:雙位調節器的輸出,取開(+1,on)、關(-1或0,of)兩種狀態;

    e:偏差值。

    其特性如圖2.14(a)所示。

    實際使用雙位調節存在滯環區,所謂滯環區是指不至于引起調節器動作的偏差的絕對值。如果被調參數對給定值的偏差不超出這個絕對值區間,調節器的輸出將保持不變,這樣就避免了偏差在“0”(臨界點)附近,調節器輸出信號頻繁變化,引起執行機構和相關設備頻繁啟停所帶來的不利影響。滯環區偏差的絕對值區間如圖2.14(b)中的厶。

    控制器調節特性及其選擇

    圖2-14雙位調節特性

    雙位調節機構簡單,動作可靠,所以在空調系統中廣泛應用。空調系統中的風機盤管溫控器就是典型的雙位調節。室內溫度由室內溫度傳感器檢測,在冬天,溫控器工作在加熱模式下,當室內溫度超過設定值時,調節器立即關閉電加熱器或熱水電動兩通閥,停止熱水供應,使室溫下降;相反,當室內溫度低于設定值時,調節器立即啟動電加熱器或打開電動兩通閥,繼續熱水供應,使室溫上升,實現室溫的自動控制。在夏天,溫控器工作在制冷模式下,當室內溫度超過設定值時,調節器立即開通冷凍水電動兩通閥,使室溫下降;當室內溫度低于設定值時,調節器立關閉電動兩通閥,停止冷凍水供應,使室溫上升,同樣達到室溫的自動控制作用。電加熱器的開關、電動兩通閥只有開/關兩種狀態,所以稱其為雙位調節。

    (2)三位調節

    三位調節的特性就是根據偏差的大小,輸出三個不同的開關狀態控制信號。調節器的方程如下

    控制器調節特性及其選擇(2-9)

    式中

    P:三位調節器的輸出,取+1、0、-1三種狀態,可認為+1、0、-1三種狀態分別對應電動機正轉、停、反轉三種工作狀態;或者對應于某系統大、中、小三種工作方式等。實際的工程含義由具體的應用確定。

    e:偏差值。

    厶:輸出P取不同值時所對應偏差值e的區間間隔,也可理解為調節器輸出對應的偏差不靈敏區。其特性如圖2.15所示。實際使用三位調節也存在滯環區(如圖2.15(b)所示),這樣就避免了偏差在輸出狀態轉換(臨界)點附近調節器輸出信號頻繁變化,從而消除設備頻繁啟停所帶來的不利影響。

    控制器調節特性及其選擇

    圖2.15雙位調節特性

    雙位式調節的動作特性是:當被調參數偏差設定在一定數值時,調節器輸出最大值或最小值,使調節器全開或全閉,雙位調節系統的調節輸出有兩種狀態:全開和全閉。三位調節系統有三種狀態:全開、中間、全閉(大、中、小或正、停、反等)。位置調節的被調參數不能穩定在不變的數值上,而是在規定范圍內波動。從調節的品質角度出發,希望波動范圍越越好,但波動范圍太小,則波動的次數愈多。位式調節在調節精度要求不高的地方比較合適,如房間溫度的調節和精度要求不高的液位控制等。

    2.比例調節(P)

    比例調節的特性:當被調參數與給定值有偏差時,調節器能按被調參數與給定值的偏差值大小和方向輸出與偏差成比例的控制信號,不同的偏差值對應不同執行機構的位置。比例調節器的方程如下

    P=Ke(2-10)

    式中

    P:調節器輸出;

    e:調節器的輸入,它就是測量值與給定值之差;

    K:比例常數,也就是調節器的比例增益。

    其調節特性如圖2.16所示。比例調節器的特點是調節速度快,穩定性大,不容易產生超調現象。但是它在調節過渡過程結束時有殘余的偏差,被調參數不能回到原來的給定值上,特別是當負荷變化幅度較大或干擾很大時,殘余偏差值會更大。

    比例調節的主要缺點是有殘余偏差。適用于調節精度要求不高、允許有殘余偏差的場合,如一般液位調節、壓力調節等。

    3.積分調節(I)

    積分調節是當被調參數與其給定值存在偏差時,調節器對偏差進行積分并輸岀相應的控制信號,控制執行器動作,一直到被調參數與其給定值的偏差消失為止,因而在調節過程結束時,被調參數能回到給定值,其靜態誤差(殘余偏差)為零。積分調節方程如下:

    控制器調節特性及其選擇(2-11)

    P:調節器輸出

    K:放大倍數,調節器的積分增益;

    e:調節器的輸入,就是測量值與給定值之差;

    T:積分時間。

    積分調節特性如圖217所示。積分調節只能用于具有自衡特性的被控對象,自衡能力愈大,調節效果愈好。缺點是調節時間長,對變化快的干擾,調節效果差,極少單獨使用

    控制器調節特性及其選擇

    圖2.16比例調節特性

    控制器調節特性及其選擇

    圖2.17積分調節特性

    4.比例積分調節(PI)

    比例積分調節的特點是當被調參數與其給定值發生偏差時,調節器的輸出信號不僅與輸入偏差保持比例關系,同時還與偏差存在的時間長短(偏差的積分)有關。比例積分調節器綜合了比例、積分兩種調節器的優點。在偏差岀現時,調節過程開始以比例調節器的特性進行調節,接著又疊加了積分調節的特性進行調節,并消除偏差。比例積分調節的方程如下

    控制器調節特性及其選擇(2-12)

    式中

    P:調節器輸出;

    K:比例常數,也就是調節器的比例增益;

    e:調節器的輸入,它就是測量值與給定值之差;

    T:積分時間。

    其調節特性如圖2.18所示。

    由于積分的作用,在偏差等于零時,輸出可以是任意一個數值(在調節器的工作范圍內),比例積分調節器能消除殘余偏差,使被調參數恢復到給定值就是由這一特性所決定的。當負荷變化較大,被調參數不允許與給定值有偏差時,采用比例積分調節是最適宜的。比例積分調節是最常用的調節規律之一。

    5.比例微分調節(PD)

    比例微調節的特點是當被調參數與其給定值發生偏差時,調節器的輸出信號不僅與輸入偏差有比例關系,同時還與偏差的變化速度有關。其方程表示如下

    控制器調節特性及其選擇(2-13)

    P:調節器輸出;

    K:比例常數,也就是調節器的比例增益;

    e:調節器的輸入,也就是測量值與給定值之差;

    7:微分時間。

    控制器調節特性及其選擇

    圖2.18比例積分調節特性

    控制器調節特性及其選擇

    圖2.19比例微分調節特性

    其調節特性如圖2.19所示(由于使用環境中都存在高頻干擾,實際應用中一般采用不完全微分代替理想的微分運算,圖中所示的響應曲線為實際使用的不完全微分的響應)。增加微分作用,可以增進調節系統的穩定度,使系統比例増益κ増大而加快調節過程,減小動態偏差和靜態偏差。引入微分作用,在慣性滯后較大的場合下將會大大改善調節品質。因為微分作用主要是希望在過渡過程前期起作用,若微分時間選擇恰當,由于調節作用的超前,將會減少超調和過渡時間。缺點是不能消除靜差。微分作用過強,會使過渡過程的后期振蕩加劇,從而拖長整個調節時間。微分作用對克服純滯后顯示不出好的效果。因為在純滯后階段內,速度為零,微分不起作用。系統中存在高頻干擾時,若T太大,系統對高頻干擾特別敏感,系統可能無法正常工作。所以在存在高頻干擾或周期性干擾的場合應避免使用微分調節。

    6.比例、積分、微分式調節(PID)

    比例、積分、微分調節器的動作特性是:當被調參數與其給定值發生偏差時,調節器的輸出信號不僅與輸入偏差及偏差存在的時間長短有關,而且還與偏差變化的速度(快、慢)有關。其方程表示如下

    控制器調節特性及其選擇(2-14)

    式中

    調節器輸出;

    K:比例常數,也就是調節器的比例增益。

    e:調節器的輸入,也就是測量值與給定值之差;

    T:積分時間;

    T:微分時間。

    其調節特性如圖2.20所示。

    比例、積分、微分式調節是常規調節中最好的一種調節規律。它綜合了各種調節規律的優點,所以有吏高的調節質量,不管對象特性存在純滯后還是容量滯后,負荷變化幅度比較大,干擾頻繁等情況,均有比較好的調節效果,是適應性最好的單回路調節規律,在實際工程中得到廣泛的應用。

    控制器調節特性及其選擇

    圖2.20比例積分微分調節特性

    7.復雜調節系統

    對于對象滯后很大,負荷變換很大的調節系統,前面介紹的調節規律無法滿足要求,必須設計更復雜的調節系統。在2.2.1節中所討論的(多回路)串級調節系統、比值調節系統、復合調節(反饋+前饋)系統都是針對復雜特殊對象的調節系統。由于現代樓宇控制所涉及到的絕大部分都屬于簡單調節系統,本書對復雜調節系統這一部分內容不作深入的討論。如果有興趣或遇到具體的應用問題,可參考過程控制以及高等先進過程控制專著或教材。


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