【文章內(nèi)容簡介】 上式表明，控制作用在積分時(shí)間越小的時(shí)候越強(qiáng)。從響應(yīng)曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時(shí)，積分作用才停止變化。這表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，被調(diào)量的偏差必然為零。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的另一特點(diǎn)就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期。不過在現(xiàn)實(shí)中，積分調(diào)節(jié)規(guī)律很少單獨(dú)使用，它總是與比例調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合成為比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，以發(fā)揚(yáng)各自的特長，彌補(bǔ)對方的不足。描述比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程是 （37）式中，為比例增益；為積分時(shí)間。比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 （38）圖32 積分作用曲線比例積分調(diào)節(jié)器的飛升特性如圖33所示。由圖可以看出，當(dāng)被調(diào)量一旦偏離給定值出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)與偏差成比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；隨著時(shí)間的增長，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來；只要偏差存在，控制作用就一直增長下去，直至消除偏差時(shí)，控制作用才停止變化。由此可見，比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時(shí)和積分作用消除偏差的優(yōu)點(diǎn)，從而克服了單純比例作用時(shí)不能消除偏差的缺點(diǎn)和單純積分作用控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。圖33 比例積分響應(yīng)曲線 微分調(diào)節(jié)對控制性能的影響 無論是比例調(diào)節(jié)規(guī)律，還是積分調(diào)節(jié)規(guī)律，一個(gè)共同特點(diǎn)就是控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才能產(chǎn)生。這對存在延遲或慣性較大的對象來說，要獲得滿意的調(diào)節(jié)效果是很困難的，這就需要引入微分調(diào)節(jié)規(guī)律。微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。對于定值控制系統(tǒng)，偏差信號的變化速度就是被調(diào)量的變化速度，即 （39）式中稱為微分時(shí)間。傳遞函數(shù)式為 （310）由于受控對象總存在一定的容量，調(diào)節(jié)器也存在一定的不靈敏區(qū)，因此使調(diào)節(jié)器動(dòng)作的偏差信號在時(shí)間上肯定落后于偏差變化速度信號，被調(diào)量變化速度（即偏差變化速度）信號又稱超前信號。被調(diào)量的變化速度往往反映了對象流入量與流出量之間的不平衡狀態(tài)，因此對慣性較大的對象，在調(diào)節(jié)器中加入微分調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，無疑將大大改善調(diào)節(jié)過程。微分調(diào)節(jié)作用的大小僅于偏差信號的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無關(guān)。因此對象在受到較小的擾動(dòng)后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很小，微分作用調(diào)節(jié)器同時(shí)由于自身動(dòng)作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動(dòng)作；這樣，經(jīng)過一段時(shí)間后，偏差將積累成一個(gè)較大的值。就是說純微分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨(dú)使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。式（39）是理論上的微分調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式，因?yàn)樵谄钭麟A躍變化時(shí)的瞬間，控制作用將為無窮大量，這是任何物理元件都不可能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的微分調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，其傳遞函數(shù)為 （311）式中——微分時(shí)間；——微分增益。由初值定理有 （312）由終值定理知 （313）由上述兩式可以得出微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，如圖24所示。 圖34 微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)由圖34可以看出，當(dāng)偏差作幅度為的階躍變化時(shí)，微分作用將立即產(chǎn)生，其值為偏差的倍。從這一點(diǎn)上與比例作用相比，調(diào)節(jié)及時(shí)且作用強(qiáng)。在時(shí)間較長后，微分作用消失，直到為零?？梢娢⒎肿饔弥饕谡{(diào)節(jié)過程的初期，和積分作用恰好相反。通過前兩節(jié)和本節(jié)對比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律和微分調(diào)節(jié)規(guī)律的分析，可以看出它們對調(diào)節(jié)過程的影響是不同的。比例調(diào)節(jié)作用是按比例反映系統(tǒng)的偏差系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例作用，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分作用使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越小，積分作用就越強(qiáng)，反之大，則積分作用就弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。微分調(diào)節(jié)作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。綜上所述，比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，而積分和微分作用為輔助調(diào)節(jié)作用，比例作用貫穿于整個(gè)調(diào)節(jié)過程之中，積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程后期，用以消除靜態(tài)偏差，微分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的初期。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，同時(shí)設(shè)置適當(dāng)?shù)谋壤龓?，積分時(shí)間，微分時(shí)間，才能收到滿意的調(diào)節(jié)效果。對于一階慣性環(huán)節(jié)，負(fù)荷變化不大，工藝要求不高，可采用比例控制，如壓力、液位控制。對于一階慣性環(huán)節(jié)與純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的對象，負(fù)荷變化不大，控制精度要求高，可采用比例積分控制。因?yàn)闊崃痣姀S，工作環(huán)境較復(fù)雜，對于調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高，所以本文所設(shè)計(jì)的將采用調(diào)節(jié)器。4 單回路控制系統(tǒng)的介紹 單回路控制系統(tǒng)的概述單回路反饋控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，它是僅由一個(gè)測量變送器，一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器（包括調(diào)節(jié)閥），連同被控對象組成的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。其組成原理方框圖如圖41所示。單回路控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的基本單元，其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、易于調(diào)整和投運(yùn)，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求，因此在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后、慣性小、負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平緩，或是控制質(zhì)量要求不太高的場合。在熱工生產(chǎn)過程中，最基本的且應(yīng)用最多的是單回路控制系統(tǒng)。即使在高水平的自動(dòng)化控制方案中，單回路控制系統(tǒng)目前仍占控制回路的絕大多數(shù)。而且各種復(fù)雜控制系統(tǒng)都是在單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此熟練掌握了單回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法稍加拓展就可以設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)。 圖41 單回路控制系統(tǒng)組成原理方框圖 單回路控制系統(tǒng)各組成部分的選擇（1）被調(diào)量的選擇被調(diào)量是表征生產(chǎn)過程是否符合工藝要求的物理量，在熱工生產(chǎn)過程中主要是溫度、壓力、流量、化學(xué)成分等。一般情況下，欲維持的工藝參數(shù)就是系統(tǒng)的被調(diào)量，如火力發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的任務(wù)就是維持鍋爐過熱器出口蒸汽溫度，所以汽溫控制系統(tǒng)的被調(diào)量就是過熱器出口汽溫。但是生產(chǎn)過程中，有些工藝參數(shù)目前還沒有得到直接的快速測量手段，如火電廠進(jìn)入磨煤機(jī)的原煤干燥程度的測量。這種情況下往往采用間接參數(shù)作為系統(tǒng)的被調(diào)量，要求被調(diào)量與實(shí)際所需維持的工藝參數(shù)之間為單值函數(shù)關(guān)系，否則要采用相應(yīng)的補(bǔ)償措施。對于那些雖有直接測量手段，但所測得的信號過于微弱或延遲較大的情況，不如選用間接參數(shù)作為系統(tǒng)的被調(diào)量。（2）控制量的選擇選擇什么樣的控制量去克服擾動(dòng)對被調(diào)量的影響呢？原則上是選擇工藝上允許作為控制手段的變量作為控制量，一般不應(yīng)選擇工藝上的主要物料或不可控制的變量作為控制量。例如：火力發(fā)電廠的鍋爐負(fù)荷控制系統(tǒng)，其被調(diào)量是主蒸汽壓力，而影響主蒸汽壓力的主要因素是汽輪機(jī)進(jìn)汽量和鍋爐燃料量，前者是電力生產(chǎn)要求所確定的，因而不能作為控制量而只能選擇燃料量作為系統(tǒng)的控制手段。（3）控制通道和擾動(dòng)通道的選擇單回路控制系統(tǒng)傳遞方框圖如圖42所示，圖中為對象的傳遞函數(shù)，它是包括了檢測單元、測量變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥在內(nèi)的廣義對象特性；為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為擾動(dòng)信號，為被調(diào)量與擾動(dòng)信號間的傳遞函數(shù)。擾動(dòng)信號經(jīng)影響被調(diào)量的信號通道稱為擾動(dòng)通道；調(diào)節(jié)器輸出的控制信號通過影響被調(diào)量的信號通道稱為控制通道。 圖42 單回路控制系統(tǒng)的傳遞方框圖 對象特性對控制過程的影響由自動(dòng)控制理論知，控制過程的品質(zhì)指標(biāo)一般用衰減率、動(dòng)態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)偏差、過渡過程時(shí)間來衡量，它們描述了控制系統(tǒng)過渡過程的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。描述對