1、1第五章第五章 船舶反馈控制系统基础船舶反馈控制系统基础第九章第九章 船舶主机遥控系统船舶主机遥控系统 第八章第八章 船舶蒸汽锅炉的自动控制船舶蒸汽锅炉的自动控制第七章第七章 船舶机舱辅助控制系统船舶机舱辅助控制系统第六章第六章 船舶计算机及船舶网络基础船舶计算机及船舶网络基础第十章第十章 船舶机舱监测与报警系统船舶机舱监测与报警系统前言前言 简介简介 第十一章第十一章 船舶火灾自动报警系统船舶火灾自动报警系统本章的基本要求本章的基本要求 掌握自控系统的基本概念、系统组成和各组成环节掌握自控系统的基本概念、系统组成和各组成环节 的作用的作用, , 正确画出系统的原理方框图正确画出系统的原理方框
2、图; ;了解自控系统的分类和特点了解自控系统的分类和特点; ; 掌握负反馈在自控系统中的作用掌握负反馈在自控系统中的作用; ; 明确开明确开 环控制与闭环控制的区别；环控制与闭环控制的区别；明确对控制系统的基本要求。明确对控制系统的基本要求。第五章第五章 船舶反馈控制系统基础船舶反馈控制系统基础5-1 5-1 反馈控制系统的基本概念反馈控制系统的基本概念5-2 5-2 自动化仪表的基本知识自动化仪表的基本知识5-3 5-3 调节器及其调节作用规律调节器及其调节作用规律5-4 5-4 传感器与变送器传感器与变送器5-55-5 执行机构执行机构5-65-6 反馈控制系统的参数调整反馈控制系统的参数
3、调整第五章第五章 船舶反馈控制系统基础船舶反馈控制系统基础自动控制：自动控制：是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象是指在没有人参与的情况下利用控制器使被控对象 ( (指生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行指生产设备或生产过程）自动地按预定的规律运行。自动控制的发展：自动控制的发展：机械化机械化 电气化时代电气化时代自动化、信息化、智能化自动化、信息化、智能化一、控制理论的发展：一、控制理论的发展：( (工程控制论）工程控制论）1 1、经典控制理论、经典控制理论2 2、现代控制理论、现代控制理论 5-1 5-1 反馈控制系统的基本概念反馈控制系统的基本概念3 3 智能控制技术智能控
4、制技术 4 4 正在发展的各个领域正在发展的各个领域 二、自动控制的基本方式二、自动控制的基本方式1.1.开环控制系统开环控制系统( (open-loop)open-loop) 控制系统的输出量对系统的控制作用没有任何影响。 自动控制系统自动控制系统= =控制器控制器+ +控制对象控制对象Automatic Control Systems = Controller+plantQ1V2Q2V1HF液位控制系统示意图液位控制系统示意图1.1.开环控制系统开环控制系统( (open-loop)open-loop) 按给定值控制（测量给定值）按给定值控制（测量给定值） 需要控制的是控制对象的输出量，而
5、测量的是给定值，单向传递。当控制对象或控制器受扰动，或工作特性参数有变化，导致输出变化，无法自动补偿。按扰动补偿（测量破坏系统正常运行的扰动按扰动补偿（测量破坏系统正常运行的扰动） 需要控制的是控制对象的被控量，而测量的是扰动（多属于系统负载扰动），利用扰动产生控制作用，补偿被控量，单向传递。但对于不可测的扰动，或控制对象和内部参数变化造成的影响，无法自动补偿。 闭环系统实质：通过偏差消除偏差闭环系统实质：通过偏差消除偏差主要特点为：主要特点为： 闭环负反馈控制，即按偏差调节；闭环负反馈控制，即按偏差调节； 抗扰性好，控制精度高；抗扰性好，控制精度高； 系统参数要适当选择，否则可能不能正常工作
6、。系统参数要适当选择，否则可能不能正常工作。2.2.闭环控制系统闭环控制系统( (closed-loop)closed-loop) 指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程，指控制器与控制对象之间既有顺向作用又有反向联系的控制过程，既控制系统的输出量对系统的控制作用有影响，即反馈既控制系统的输出量对系统的控制作用有影响，即反馈( (feedback)feedback)。因因此，又称为反馈控制。此，又称为反馈控制。转换装置转换装置电动机电动机进水阀进水阀水箱水箱HrHCH减速器减速器NQ1V2Q2V1HF+E+E浮子浮子控制器控制器电动机电动机液位控制闭环系统示意图液位控制闭环系
7、统示意图fig.1-2 液位控制闭环系统示意图液位控制闭环系统示意图转换装置转换装置电动机电动机进水阀进水阀水箱水箱HrHCH减速器减速器N3.3.复合复合( (compound)compound)控制系统控制系统 为了提高系统的快速性和精度，除了主反馈回路以外设置前置滤波或扰动补偿装置，这种开环与闭环结合的系统称为复合控制系统。 开环控制粗调 闭环控制细调复合控制系统结构方框图控制装置执行机构控制对象反馈装置被控量给定信号+-前馈装置扰动补偿外部扰动三、反馈控制系统的概念三、反馈控制系统的概念1.1. 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成2.2. 反馈控制系统的结构方框图反馈控制系统的结构方
8、框图3.3. 反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类 控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出就是控制对象：被控制的设备或过程（冷却器）。系统的输出就是指被控对象的输出（或称被控量）。指被控对象的输出（或称被控量）。 控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，控制器（或称调节器）：根据偏差按一定规律输出控制量，送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输入。送至执行机构。它有两个输入，即设定值输入和测量值输入。 偏差偏差 = = 设定值设定值 测量值测量值 执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调执行器（执行机构）：接受控制器送来的控制信号，驱动调节机构，作
9、用于被控对象。节机构，作用于被控对象。 测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即被测量变送器（测量单元）：将被控对象的物理输出量，即被控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节器，作控量转换为标准信号输出（也称测量输出），送到调节器，作为反馈信号。为反馈信号。1. 反馈控制系统的组成反馈控制系统的组成2. 反馈控制系统的结构框反馈控制系统的结构框图图特点特点: :信号传递单向性信号传递单向性 ；闭合回路（闭环系统）；闭合回路（闭环系统）； 负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。负反馈：反馈通道的信号与前向通道的信号相减。 反之，则为正反馈反之，则为正反馈。控制单元根据偏差
10、进行控制，因此又称偏差驱动。控制单元根据偏差进行控制，因此又称偏差驱动。 若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，则称为基地若控制单元、测量单元和执行单元合为一体，则称为基地式控制仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪表。式控制仪表；若三者分开，则称为组合式控制仪表。 f 自动控制系统结构方框图控制单元执行单元控制对象测量单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-e(t)偏差信号 e(t)=r(t)-b(t)y(t)被控量p(t)控制量f(t)扰动量f(t)3. 反馈控制系统的分类反馈控制系统的分类 按结构分按结构分: （a）开环控制；（开环控制；（b）闭环控制；（闭环控制；（c）
11、复合控复合控制。制。 按给定值的性质：按给定值的性质： （a）定值控制；（定值控制；（b）程序控制；（程序控制；（c）随动控制。随动控制。 按动作方式：按动作方式： （a）连续控制；（连续控制；（b）断续控制（双位控制或多位控制）断续控制（双位控制或多位控制） 按控制精度：按控制精度： （a）有差调节；（有差调节；（b）无差调节无差调节四、自动控制系统的性能要求四、自动控制系统的性能要求1.1.自动控制系统的稳态与动态自动控制系统的稳态与动态稳态稳态Static Static ：被控量不随时间变化的平衡状态。（静态）（静态）动态动态dynamicdynamic：被控量随时间变化的不平衡状态。（
12、瞬态）（瞬态） 自动控制过程：自动控制过程：新的稳态（平衡）新的稳态（平衡）动态过程动态过程稳态（平衡）稳态（平衡）扰动变化扰动变化控制作用控制作用平衡破坏平衡破坏克服扰动影响克服扰动影响研究自控系统应以受控的动态过程为主，即研究扰动研究自控系统应以受控的动态过程为主，即研究扰动(或给定或给定)和控制这一和控制这一对矛盾的相互作用而产生的被控量的变化过程，以评定一个自控系统的动对矛盾的相互作用而产生的被控量的变化过程，以评定一个自控系统的动态与稳态品质指标是否符合生产过程的要求。态与稳态品质指标是否符合生产过程的要求。柴油机气缸冷却水温度自动控制过程 冷却器冷却器三通阀三通阀淡水泵淡水泵主机主
13、机手手海水入口海水入口海水出口海水出口自动控制过程自动控制过程温度变送器温度变送器调节器调节器执行机构执行机构温度传感器温度传感器transient：指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。指自动控制系统在动态中被控量随时间的变化过程。或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。或者说是从一个平衡态过渡到另一个平衡态的过程。yt平衡状态过渡过程平衡状态自动控制系统过渡过程曲线过渡过程过渡过程:2自动控制系统的典型输入信号自动控制系统的典型输入信号 为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号：为便于系统分析，定义几种常见的系统输入信号： （1）阶跃输入：）阶跃输入： （2）速度输入速度输
14、入 ： （3）加速度输入：加速度输入： （4）脉冲输入：脉冲输入： （5）正弦输入：正弦输入： 其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。其中，阶跃输入对系统的工作最为不利。)0( 0)0( )(ttRtr)0( 0)0( )(ttRttr)0( 0)0( 21)(2ttRttr), 0( 0)0( 1)(htththtr( )sin r tAttr(t)0Rtr(t)0Rttr(t)0 Rt2tr(t)0fig.1-13r(t)01/hhh0时，称为理想的单位脉冲函数，记作(t)。r(t)0r(t)tth0根据过渡过程的特点，控制系统可分为：根据过渡过程的特点，控制系统可分为： （1）发散过程）发
15、散过程 （2）等幅振荡过程）等幅振荡过程 （3）衰减过程衰减过程 （4）非周期过程）非周期过程 其中，其中， （1）、（）、（2）称为不稳定过程；（）称为不稳定过程；（3）、（）、（4）称）称为稳定过程。为稳定过程。3 3.自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程(a)(b)(c)(d)过程曲线基本类型(a)(b)(c)(d)4自动控制系统过渡过程的性能要求自动控制系统过渡过程的性能要求 方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系方法：给系统施加阶跃输入，得到系统过渡过程曲线，分析系统过渡过程的各项性能指标。统过渡过程的各项性能指标。 采用阶跃输入的原因：采用阶跃输入的原因：
16、（1）信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似的阶跃变化）；）信号的阶跃变化在实际中比较常见（近似的阶跃变化）； （2）阶跃信号的数学处理比较简单；）阶跃信号的数学处理比较简单； （3）阶跃输入对系统的工作最为不利。）阶跃输入对系统的工作最为不利。 评定系统过渡过程性能指标的三个方面：评定系统过渡过程性能指标的三个方面： （1）稳定性；（）稳定性；（2）准确性；（）准确性；（3）快速性。）快速性。 4自动控制系统过渡过程的性能要求自动控制系统过渡过程的性能要求（a）定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化；定值控制系统：给定值不变，外部扰动发生阶跃变化； （b）随动控制系统：假定外部扰动不变
17、，给定值阶跃变化。随动控制系统：假定外部扰动不变，给定值阶跃变化。 1）过渡过程评定指标）过渡过程评定指标 （1）稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实）稳定性：系统受到扰动之后能够恢复到稳定状态的能力。实际控制系统，至少要求是衰减过程或非周期过程，以际控制系统，至少要求是衰减过程或非周期过程，以衰减衰减为佳。为佳。评定指标：衰减率评定指标：衰减率 ，衰减比衰减比N，振荡次数，超调量，振荡次数，超调量闭环系闭环系统稳定统稳定是前提是前提自动控制系统过渡过程曲线131311yyyyytt0根据衰减率 的大小可以判定过渡过程的性质： 0，为发散振荡过程 =0，为等幅振荡过程0 S大量
18、程仪表的大量程仪表的S S 具有均匀刻度的仪表：具有均匀刻度的仪表：S=S=常数常数 具有不均匀刻度的仪表：具有不均匀刻度的仪表：SS常数常数6 6、仪表的不灵敏区、灵敏限和变差、仪表的不灵敏区、灵敏限和变差 （1 1）由于仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件滞后现象的存）由于仪表活动部件的摩擦、间隙、弹性元件滞后现象的存在，当输入信号有一微小变化时，输出不变。在，当输入信号有一微小变化时，输出不变。 即不灵敏区即不灵敏区 （2 2）灵敏限）灵敏限引起仪表输出发生微小变化量，所需输入量的最引起仪表输出发生微小变化量，所需输入量的最小变化值。一般认为灵敏限小变化值。一般认为灵敏限=1/2=1/2不
19、灵敏区不灵敏区 （3 3 ）变差）变差仪表在同一测量点，其正反行程指示值之差。仪表在同一测量点，其正反行程指示值之差。 可见：不灵敏区以输入量的变化来表示可见：不灵敏区以输入量的变化来表示 变差以输出量的变化来表示变差以输出量的变化来表示都是仪表结构不完善程度都是仪表结构不完善程度1bar=100KPa=0.1MPa 1bar就是一个大气压 1 1、气动仪表的基本元件、气动仪表的基本元件 包括：包括：弹性元件、节流元件、气室、喷咀档板机构和功率放大器弹性元件、节流元件、气室、喷咀档板机构和功率放大器 （1 1）弹性元件）弹性元件 分两类：分两类：弹性敏感元件弹性敏感元件 将所受的压力或轴向推力
20、转变成位移信号。将所受的压力或轴向推力转变成位移信号。 包括波纹管、金属膜片和膜盒、弹簧管、橡胶膜片等包括波纹管、金属膜片和膜盒、弹簧管、橡胶膜片等 弹性支承元件弹性支承元件 用于增加弹性敏感元件的刚度，确定弹性敏感元件的初用于增加弹性敏感元件的刚度，确定弹性敏感元件的初始位置及仪表调零等。始位置及仪表调零等。包括螺旋弹簧、片簧等包括螺旋弹簧、片簧等二、气动仪表的元部件及组成原理 弹性支承元件弹性支承元件 螺旋弹簧、片簧。螺旋弹簧、片簧。 作用：支承、平衡、增强作用：支承、平衡、增强弹性敏感元件的刚度。弹性敏感元件的刚度。 2）弹性敏感元）弹性敏感元件件 波纹管、金属波纹管、金属膜片、橡胶膜片
21、膜片、橡胶膜片、弹簧管、金属、弹簧管、金属膜盒。膜盒。 作用：将压力作用：将压力或推力转变成位或推力转变成位移信号。移信号。 刚度和灵敏度刚度和灵敏度 刚度刚度E E弹性元件产生单位位移变形所需的轴向力，表弹性元件产生单位位移变形所需的轴向力，表示弹性元件的软硬程度。示弹性元件的软硬程度。 E=N/SE=N/S 灵敏度灵敏度单位外力作用下，弹性元件所产生的位移单位外力作用下，弹性元件所产生的位移变形，即：变形，即： =1/E=1/E 弹性元件的刚度弹性元件的刚度EE灵敏度灵敏度 在气动仪表工作范围内，弹簧管、波纹管、金属膜片或在气动仪表工作范围内，弹簧管、波纹管、金属膜片或膜盒的位移与推力近似
22、为线性关系，即膜盒的位移与推力近似为线性关系，即E=E=常数，而橡胶膜片在小常数，而橡胶膜片在小的工作范围时，的工作范围时，E0E0。弹性灵敏元件的有效面积弹性灵敏元件的有效面积F Fe e N=PN=PF Fe e F Fe e 有效面积有效面积 一般一般F Fe e几何面积几何面积DD2 2/4/4，通常通常F Fe e 几何面积几何面积 在弹性元件的弹性范围内，通常在弹性元件的弹性范围内，通常F Fe e = =常数，实际应用中常数，实际应用中对弹性元件的处理：对弹性元件的处理： 在安装波纹时，采用预压缩方法在安装波纹时，采用预压缩方法 金属膜片制成波纹状；金属膜片制成波纹状； 采用多圈
23、弹簧管。采用多圈弹簧管。 橡胶膜片制成波纹状，中间加硬芯橡胶膜片制成波纹状，中间加硬芯增大刚度增大刚度 橡胶膜片多用于有无气压信号的瞬间动作橡胶膜片多用于有无气压信号的瞬间动作可增大可增大线性使线性使用范围用范围（2 2）、节流元件）、节流元件 节流元件节流元件用以阻碍气体流动，产生压力降或改变用以阻碍气体流动，产生压力降或改变空气流量空气流量 表示节流元件特性的参数：表示节流元件特性的参数： 气阻气阻R R气体在节流元件两端产生的压降与气体流量气体在节流元件两端产生的压降与气体流量间的关系。表示节流元件对气体流动阻碍能力的大小。间的关系。表示节流元件对气体流动阻碍能力的大小。 若节流孔中为层
24、流流动，则：若节流孔中为层流流动，则： R=P/G R=P/G 或或 P=GP=GR R 节流元件的种类节流元件的种类恒节流孔和变节流孔恒节流孔和变节流孔1 1）恒节流孔）恒节流孔恒气阻或固定气阻恒气阻或固定气阻 毛细管式毛细管式d=0.180.3mmd=0.180.3mm的不锈钢或玻璃钢管的不锈钢或玻璃钢管 小孔式小孔式长长4 4mmmm，孔径有孔径有0.250.25、0.30.3、0.50.5几种规格。几种规格。 2 2）变节流孔）变节流孔流通面积（气阻流通面积（气阻R R）可调整。可调整。 圆锥圆锥圆锥型圆锥型 常见形式常见形式 圆柱圆柱圆锥型圆锥型 圆球圆球圆锥型圆锥型 用途：用变节流
25、孔组成变节流阀用途：用变节流孔组成变节流阀 用于调整比例带，积分时间和微分时间用于调整比例带，积分时间和微分时间附：变节流孔附：变节流孔流通面积（气阻流通面积（气阻R R）可调整。可调整。 圆球圆球圆柱型圆柱型 圆锥圆锥圆柱型圆柱型用途：用变节流孔组成变节流阀用途：用变节流孔组成变节流阀 用于调整比例带，积分时间和微分时间用于调整比例带，积分时间和微分时间（3 3）气体容室（气容）气体容室（气容） 作用：作用：在气路中能贮存或放出气体在气路中能贮存或放出气体 对压力变化起惯性作用。对压力变化起惯性作用。 种类：种类：定容气容定容气容气室容积是固定的。气室容积是固定的。 弹性气容弹性气容气室容积
26、随压力而变。气室容积随压力而变。 气容气容C C：气体容室内每升高单位压力所需增加的空气量，表示气容气体容室内每升高单位压力所需增加的空气量，表示气容 贮存空气能力大小。贮存空气能力大小。 C=dm/dPC=dm/dP 气容气容C C的大小取决于气容的体积的大小取决于气容的体积V V，VV升高单位压力所需的升高单位压力所需的空气量空气量贮存空气能力贮存空气能力气容气容CC 对于定容气室：对于定容气室：C=C=常数；常数； 对于弹性气室：对于弹性气室：V V可变，可变，CC常数。常数。 ppmm气体容室储蓄特性气体容室储蓄特性 由：由： 所以：所以：则传递函数为：则传递函数为： CGdtdmCd
27、tdP1质量流量dtdmGtGdtCP01CSSGSPSW1)()()(（4 4）、喷咀档板机构）、喷咀档板机构组成组成恒气阻恒气阻( (横节流孔横节流孔1 1）+ +背压室背压室2+2+喷咀档板（喷嘴喷咀档板（喷嘴3+3+挡板挡板4 4）串联而成）串联而成 作用作用将档板相对于喷咀的微小位移转换成相应的气将档板相对于喷咀的微小位移转换成相应的气压信号，相当于变气阻单元。压信号，相当于变气阻单元。 是气动仪表最基本最精密的元件是气动仪表最基本最精密的元件 是一放大系数很大的放大环节。是一放大系数很大的放大环节。喷咀档板机构静特性喷咀档板机构静特性 在稳定工况时背压室的输出压力在稳定工况时背压室
28、的输出压力P P与档板位移与档板位移h h之间的关系之间的关系 当档板盖住喷咀时（当档板盖住喷咀时（h=0h=0），），理论上应有理论上应有P=PP=P0 0=0.14MPa=0.14MPa。实际上由于加工精度实际上由于加工精度限制（漏气）使限制（漏气）使P P略略低于低于P P0 0 当档板离开喷咀一定距离时，当档板离开喷咀一定距离时，h h的变化将不再引起压力的变化将不再引起压力P P的变的变化。档板与喷咀间形成的气流出口是一小圆柱侧面的形状，当其化。档板与喷咀间形成的气流出口是一小圆柱侧面的形状，当其面积面积dd2 2h=h=咀孔流通面积咀孔流通面积dd2 22 2/4/4时，档板不再起
29、节流作用这时时，档板不再起节流作用这时h=dh=d2 2/4/4 当当hdhd2 2/4/4时，理论上时，理论上P=PP=Pb b（大气压力），但实际上由于气流大气压力），但实际上由于气流对档板的冲量作用，使对档板的冲量作用，使P P偏高于大气压力偏高于大气压力 当当h=0h=0d d2 2/4./4.时，时，hPhP，呈非线性关系，但在喷咀呈非线性关系，但在喷咀档板机构的工作范围（档板机构的工作范围（P=0.02 P=0.02 0.1MPa0.1MPa）内，即内，即a ab b段可近似段可近似当成线性关系，这样有：当成线性关系，这样有： P=KP=K1 1h h 是一比例环节。是一比例环节。
30、 K K1 1 abab段的平均斜率。段的平均斜率。 （5 5）、气动功率放大器）、气动功率放大器 喷咀档板机构中，恒节流孔径很小（喷咀档板机构中，恒节流孔径很小（d d1 1 =0.15 =0.150.3mm0.3mm），），工作时输出气量少，不能直接推动执行机构（也工作时输出气量少，不能直接推动执行机构（也很难远距离传送），所以在喷咀档板机构后要加一功率放很难远距离传送），所以在喷咀档板机构后要加一功率放大器（进行流量或流量压力放大），两者一起又称二级功大器（进行流量或流量压力放大），两者一起又称二级功率放大。率放大。 耗气型气动功率放大器耗气型气动功率放大器 起流量和压力放大作用。起流量
31、和压力放大作用。组成：组成：放大气路放大气路两变节流阀两变节流阀球阀：球阀：控制来自气源的进气量（较小位移时，控制来自气源的进气量（较小位移时，G G变变化大，满足大流量的要求）。化大，满足大流量的要求）。锥阀：锥阀：控制排气量控制排气量 弹性元件弹性元件金属膜片金属膜片+ +弹簧片使阀杆产生位移弹簧片使阀杆产生位移 当当PP阀杆下移阀杆下移开大球阀关小锥阀，开大球阀关小锥阀， 流量放大（进气量流量放大（进气量 排气量）排气量）P Poutout。可见：阀杆位移的大小决定输出压力大小可见：阀杆位移的大小决定输出压力大小 设输入压力为设输入压力为P Pi i ，金属膜片面积为金属膜片面积为F F
32、，推力推力P Pi iF F与位移与位移S S的关的关系分三个阶段系分三个阶段 SS00P0FPaFPiF第二阶段：第二阶段：当当P Pi i P P0 0 时，由于时，由于P Pi i FFP Pa aF F后，阀杆开始有位后，阀杆开始有位移。移。 SS00P0FPaFPiF 第一阶段：第一阶段：P Pi i = =大气压力时，膜片大气压力时，膜片与阀杆端有一定间隙与阀杆端有一定间隙S S0 0 ，当当P Pi i 时，使时，使S S0 0。当当P Pi i = P = P0 0 时，时，S S0 0=0=0（膜片正好与阀杆接触），这一段膜片正好与阀杆接触），这一段阀杆无位移阀杆无位移P P
33、a a放大器起步压力（放大器起步压力（27.3327.33KpaKpa） 换用不同刚度膜片和弹簧片可调整换用不同刚度膜片和弹簧片可调整P Pa a 当当PP阀杆位移阀杆位移SS与与PPi i成正比成正比称为放大称为放大器的工作段。器的工作段。此段内：输出压力增量此段内：输出压力增量PP出出= =K K2 2PPi i比例环节比例环节。 K K2 2放大器放大倍数（取决于膜片有效放大器放大倍数（取决于膜片有效面积面积F F及弹性组件刚度）及弹性组件刚度）2 2、气动仪表的基本环节、气动仪表的基本环节 气动仪表的三个基本组成环节气动仪表的三个基本组成环节 放大环节放大环节 反馈环节反馈环节 比较环
34、节比较环节放大放大环节环节反馈反馈环节环节输入信号输入信号反馈信号反馈信号比较信号比较信号输出信号输出信号+-（1 1）、气动仪表的放大器）、气动仪表的放大器二级气动功率放大器。二级气动功率放大器。 在喷嘴挡板机构中的输出端，串联一个气动功率放大器，称在喷嘴挡板机构中的输出端，串联一个气动功率放大器，称为二级气动功率放大器。为二级气动功率放大器。 喷嘴挡板是一级放大。下图是其原理图。喷嘴挡板是一级放大。下图是其原理图。 输入与输出之间的关系输入与输出之间的关系PB=K h（K=K1 K2） K K1 1是喷嘴挡板机构的放大倍数是喷嘴挡板机构的放大倍数 K K2 2是耗气型气动放大器的放大倍数是
35、耗气型气动放大器的放大倍数 （1 1）、气动仪表的放大器）、气动仪表的放大器二级气动功率放大器。二级气动功率放大器。 一般输出一般输出P PB B=0.020.1MPa=0.020.1MPa，P=0.08MPaP=0.08MPa 假设功率放大器的压力放大系数为假设功率放大器的压力放大系数为1010，则喷咀，则喷咀档 板 机 械 的 输 出 压 力 的 最 大 变 化 范 围 为档 板 机 械 的 输 出 压 力 的 最 大 变 化 范 围 为0.08/10=0.0080.08/10=0.008，它只占喷咀档板机构的静特性曲线，它只占喷咀档板机构的静特性曲线很小的一段很小的一段abab P Pb
36、 b起步压力。起步压力。如起步压力如起步压力P Pb b调整适当，放大器工作特性曲调整适当，放大器工作特性曲线最徒，最接近于直线的部分线最徒，最接近于直线的部分abab，使仪表具有较高的灵敏度、精使仪表具有较高的灵敏度、精度和工作稳定性度和工作稳定性 如如P Pb b调整过高或过低，则放大器工作在调整过高或过低，则放大器工作在abab或或abab段，各段，各点斜率不同。点斜率不同。hh变化大，灵敏度变化大，灵敏度，稳定性，稳定性 调整起步压力调整起步压力P Pb b的方法：调换刚度不同的金属膜片或改变的方法：调换刚度不同的金属膜片或改变弹簧片预紧力弹簧片预紧力（2 2）、气动仪表的反馈环节）、
37、气动仪表的反馈环节1 1）节流分压室（节流通室）节流分压室（节流通室） 由可调气阻由可调气阻R RF F、流通气室、流通气室p p1 1及节流孔及节流孔R R串联而成串联而成。两两个气阻都工作于层流，流通气室面积很小，可不计它对个气阻都工作于层流，流通气室面积很小，可不计它对压力变化的惯性影响。压力变化的惯性影响。 1 1）节流分压室（节流通室）节流分压室（节流通室） 流通气室压力流通气室压力p p1 1（输出量）与控制信号压力（输出量）与控制信号压力p p0 0和和p p2 2（节流分（节流分压器的输入量）间的关系分析（一般压器的输入量）间的关系分析（一般p p2 2是大气压力）：是大气压力
38、）： 根据气体流动的连续性原理，在稳定情况下通过可调气阻根据气体流动的连续性原理，在稳定情况下通过可调气阻R RF F的流量的流量G G1 1必定等于通过恒节流孔必定等于通过恒节流孔R R的气体流量的气体流量G G2 2，如果气体密度，如果气体密度在节流前后保持不变，则：在节流前后保持不变，则：RPPGRPPGF212101如果如果P P2 2通大气，即通大气，即P P2 2=0=0，则：则：K=R/K=R/（R RF F+R+R），），R RF F不变时，不变时，K=K=常数，常数，P P1 1与与P P0 0成正比。成正比。 变节流阀全开，变节流阀全开，R RF F=0=0，P P1 1=
39、P=P0 0 变节流阀全关，变节流阀全关，R RF F=，P P1 1=0 =0 改变改变R RF F，可使可使K=0K=01 1。 应用：应用：节流分压器与节流分压器与1 1：1 1跟踪器配合使用，可用来调整跟踪器配合使用，可用来调整比例带比例带 001KPPRRRPF2 2）节流盲室）节流盲室 节流盲室是在节流元件（可调气阻或恒气阻）之后串节流盲室是在节流元件（可调气阻或恒气阻）之后串联一个定容气室（盲室）构成。如图所示。联一个定容气室（盲室）构成。如图所示。 P Pi i是节流盲室的输入量是节流盲室的输入量 P PO O是输出量是输出量 R R表示节流元件气阻表示节流元件气阻 pip0R
40、2 2）节流盲室）节流盲室经过气室的气流量等于进入盲室的空气量，即：经过气室的气流量等于进入盲室的空气量，即：dm=Cdm=CdPdPo o dm/dt=G dm/dt=G是进入盲室的空气流量，这个空气流量就等于流经气是进入盲室的空气流量，这个空气流量就等于流经气阻的流量（阻的流量（P Pi i-P-P0 0）/R/R，T=RCT=RC。 可见，节流盲室是一个惯性环节，可见，节流盲室是一个惯性环节，T T是该环节的时间常数。是该环节的时间常数。RPPdtdmdtdPCi0000PPdtdPTipip0R传递函数：传递函数：这是一个一阶惯性环节。如果这是一个一阶惯性环节。如果P Pi i是一阶跃
41、变化，则：是一阶跃变化，则： 变化速度取决于时间常数变化速度取决于时间常数T=RCT=RC，其中其中C C为常数，故改变气阻为常数，故改变气阻R R即即可调整可调整T T，TPTP0 0变化越慢。变化越慢。 在实际应用中，常将节流在实际应用中，常将节流盲室置于调节器的盲室置于调节器的正反馈回路中，正反馈回路中，得到积分作用，得到积分作用，此时改变气阻值此时改变气阻值就可调整积分时间。就可调整积分时间。11)()()(TSSPSPSWio)1 (0TtiePPPsrE/Psc3 3）比例惯性环节）比例惯性环节 组成：弹性气室（波纹管组成：弹性气室（波纹管E E与壳体之间的腔室）、波纹管与壳体之间
42、的腔室）、波纹管E E/ /、可调气阻可调气阻R R及连接管路。及连接管路。PsrPsr是输入量，是输入量，PscPsc是输出量。是输出量。其工作情况与节流盲室相近，不同的是：其工作情况与节流盲室相近，不同的是：节流盲室节流盲室EE的容积是变化的，的容积是变化的，PsrPsr的变化会引起波纹管的变化会引起波纹管E E的伸缩，的伸缩，盲室的容积随之变化，盲室的容积随之变化，CC常数常数作用于节流盲室作用于节流盲室EE的气路有两条通道：的气路有两条通道： 一条是一条是PsrPsr经过可调气阻经过可调气阻R R对盲室充放气；对盲室充放气； 另一条是波纹管另一条是波纹管E E伸缩造成挤排作用对弹性气室
43、形成的通道。伸缩造成挤排作用对弹性气室形成的通道。 特性曲线特性曲线 P Psrsr 首先挤压气室首先挤压气室E E，使使P Pscsc突增突增比例作用比例作用 P Psrsr经经R R不断向不断向P Pscsc充气，充气，P Pscsc，而而E E逐渐收缩，直逐渐收缩，直到到P Pscsc=P=Psrsr为止为止惯性充气环节惯性充气环节 气动调节器中，常用比例惯性环节作气动调节器中，常用比例惯性环节作负反馈，实负反馈，实现实际比例微分作用。现实际比例微分作用。（3 3）、气动仪表的比较环节）、气动仪表的比较环节 按线性叠加原理工作。比较环节的输出等于各输入信号按线性叠加原理工作。比较环节的输
44、出等于各输入信号的代数和，各信号的变化调整互不影响的代数和，各信号的变化调整互不影响 按平衡原理有三种形式：按平衡原理有三种形式：1 1）位移平衡式）位移平衡式 反馈信号产生的档板位移与输入信号产生的档板位移相平反馈信号产生的档板位移与输入信号产生的档板位移相平衡（先大后小，有一微小变化，可不计）衡（先大后小，有一微小变化，可不计）2 2）力平衡式）力平衡式 反馈信号产生的力与输入信号产生的力相平衡。（比较环反馈信号产生的力与输入信号产生的力相平衡。（比较环节几乎无位移）误差小节几乎无位移）误差小3 3）力矩平衡式）力矩平衡式 反馈信号产生的力矩与输入信号产生的力矩相平衡，精度高反馈信号产生的
45、力矩与输入信号产生的力矩相平衡，精度高小结：小结：节流分压器节流分压器/ /室：室：比例作用；调节气阻可调节其比例带，负反馈比例作用；调节气阻可调节其比例带，负反馈节流盲室：节流盲室：是一个惯性环节，作正反馈环节实现积分作用改变气阻是一个惯性环节，作正反馈环节实现积分作用改变气阻改变积分时间改变积分时间比例惯性环节（弹性气室）：比例惯性环节（弹性气室）：作为负反馈可实现比例微分作用，改作为负反馈可实现比例微分作用，改变气阻改变微分时间变气阻改变微分时间pip0RPsrE/Psc第三节：调节器及其调节作用规律第三节：调节器及其调节作用规律两位控制器两位控制器( (双位作用）双位作用）比例控制（比
46、例控制（P)P)积分控制规律积分控制规律(I)(I)比例积分控制作用规律比例积分控制作用规律(PI)(PI)比例微分控制作用规律比例微分控制作用规律(PD)(PD)比例积分微分控制作用规律比例积分微分控制作用规律(PID)(PID)引言引言调节器研究的两个方面：调节器研究的两个方面：1. 作用规律作用规律：p(t)=f(e(t)，即传递函数的结构。，即传递函数的结构。也称控制规律或调节规律。归纳基本的控制规也称控制规律或调节规律。归纳基本的控制规律有：双位、比例、积分、微分四种。律有：双位、比例、积分、微分四种。2. 作用强度作用强度：每一种控制规律的控制强度。反映：每一种控制规律的控制强度。
47、反映在传递函数中，如比例系数、积分时间、微分在传递函数中，如比例系数、积分时间、微分时间时间。就是其分子和分母中的各项系数。就是其分子和分母中的各项系数。主要内容位式位式调节调节器器比例比例调节调节器器比例微分比例微分调节调节器器比例比例积积分分调节调节器器比例比例积积分微分分微分调节调节器器双位双位执行执行机构机构控制控制对象对象测量测量单元单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t) 1-3-1双双位作用位作用规规律律 1-3-1双双位作用位作用规规律律被控量在设定的上限和下限之间变化，调节器的输出只有两个状态（0或1）。例1 浮子式锅炉水位的双位控制系统被控量输出曲线
48、执行机构水位与电动机通断之间的关系图被 控量动作范围开关( )p t1minemaxe( )e t双位作用规律一、位式一、位式调节调节器器1-浮子室 2-浮子 3-调节板框架 4-枢轴 5-上、下限销钉6、12-同极性同极性永久磁铁；7-静触点 8-开关箱 9-转轴 10-转杆 11-动触点例例1： 浮子式辅锅炉水位双位调节器浮子式辅锅炉水位双位调节器如何调整水位的上下限值？上下限值区间的幅度太小有什么样的结果？当当hh浮子浮子浮子浮子杆碰到扇形框架上的杆碰到扇形框架上的上限销钉上限销钉使调节板使调节板框架绕轴顺时针转动框架绕轴顺时针转动磁铁磁铁11与同极性的与同极性的 磁铁磁铁2 2相遇相遇
49、因同性相斥磁铁因同性相斥磁铁22动触头与静触头断开动触头与静触头断开水泵电源断开水泵电源断开给水泵停止向锅炉供水。给水泵停止向锅炉供水。例例2：双位式压力：双位式压力调节器调节器 根据测量压力的上限值根据测量压力的上限值和下限值输出不同的开和下限值输出不同的开关量信号，关量信号，如：如：锅炉蒸汽压力锅炉蒸汽压力日用淡水压力日用淡水压力空气瓶压力空气瓶压力等等给定弹簧给定弹簧：调整的是压力开关的下限值幅差调整旋钮幅差调整旋钮：调整幅差（上限值）YT-1226型压力调节器2.双位式压力调节器双位式压力调节器P=0.07+ (0.25-0.07) *X/10调幅旋钮标记有10个格的刻度档：YT-12
50、26型压力调节器PLP执行执行机构机构控制控制对象对象测量测量单元单元p(t)q(t)y(t)b(t)r(t)e(t)+-f(t) 二、比例二、比例调节调节器器1、比例作用规律（、比例作用规律（P）：控制器的输出变化量与输入（偏差） 变化量成比例。K比例系数K 比例作用强 K 比例作用弱 t0t( )e t( )p t0Kee( )( )p tK e t例2：浮子式水位比例控制系统调节阀 出水 进水 水柜 h支点 浮子 浮子杆 杠杆 abh施加外部扰动akhb( )( )ap te tb 如何改变比例系数？如何改变比例系数？ 为什会存在静态偏差？为什会存在静态偏差？ 控制器的输出依赖于偏差的存
