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1、材料加工测试技术,张占领 河南科技大学材料学院,第六章 温度的调节,6.1.1 自动调节系统的框图 电加热炉：热电偶信号同时作为负反馈信号，与设定温度求差，作用于控制器。,6.1 温度自动调节系统的基本概念,6.1.2 凋节系统的过渡过程 一旦设定值变更或干扰侵入，系统平衡被破坏，被调量(温度)将产小偏离。此时调节装置按一定规律发出调节指令，使被调量(温度)回到设定值，恢复平衡态。 在调节过程中被调量(温度)的变化过程称为过渡过程。 影响因素：设定的变更，干扰形式，炉子结构和大小，调节器调节方式等。 研究方法：系统受干扰后，被调量在过渡过程中是如何偏离设定值、又如何返回(或不能返回)，常在系统
2、的输入端施加各种形式的干扰来观察其响应。常见的干扰有正弦作用、单位斜坡作用、单位脉冲作用、单位阶跃作用。其中，单位阶跃是一种突如其来的变化，一经加上不再消失的干扰，是最常见和典型的，分析处理比较简便，又很容易模拟实现。 系统受阶跃干扰后，在调节器的作用下，系统的过渡过程能出现的几种基本形式。图6-4,6.1 温度自动调节系统的基本概念,a发散震荡：不稳定，不可取 b等幅震荡：不稳定，不采用 c衰减震荡：比较满意，希望出现 d非震荡过程：偏离时间长，一般不采用,6.1 温度自动调节系统的基本概念,6.1.3 自动调节系统的品质指标 调节目的、要求：调节系统在受到干扰作用后，总希望能平稳、快速、准
3、确地回复或趋近设定值。 问题：这些要求互相制约。快速系统振荡、不稳定；平稳过程迟缓、不准确。 期望：图6-5，p186。,6.1 温度自动调节系统的基本概念,品质指标： 一、衰减比n 同方向两个相邻波峰值之比，nB/B，一般取n为4 10. 二、过渡过程时间ts 系统受干扰后，被调量恢复到新的平衡态的时间。被调量进入新稳定值的5%(或2%)范围内不再越出，称过渡过程结束。反映系统抗干扰能力。 三、最大偏差A 被调量第一个波峰与设定值之差。 四、余差C 过渡过程终了时的稳态值与设定值之差。反映系统调节的准确性。,6.1 温度自动调节系统的基本概念,断续温度调节器经过不断的改进和完善，常见的有两位
4、调节器、三位调节器、时间比例调节器等多种类型。 6.2.1 两位调节器 两位调节器特性是继电特性， 只有“1”(通)和“0”(断)两种状态。,6.2 温度的断续调节,不灵敏区2，滞后时间，时间常数T。 特点：结构简单，动作可靠，维修方便，成本低，控制精度不高，被控制量波动大，温差大，易损坏，噪声大。,6.2 温度的断续调节,6.2.2 三位调节器 三位调节器也具有继电特性，其输出有3种状态：“1”、“1/2”和“0”。分别表示“通”、“部分通”和“断”。,6.2 温度的断续调节,6.2 温度的断续调节,：加热炉处于“1/2”状态，炉温就可超过R+ ：加热炉处于“1/2”状态，炉温可稳定在R+与
5、R-之间某一温度 ：加热炉处于“1/2”状态，炉温不能超过R,6.2.3 时间比例调节器 是一种断续作用的比例调节器，也是借助继电器的通断来实现的。不同的是，继电器通断时间的长短受偏差输入信号的控制。调节器的平均输出与偏差信号成比例。通断比=T1/(T1+T2).,6.2 温度的断续调节,温度断续调节虽然简单，但是调节过程常在不断的振荡中，控温精度不高，且接触器易损坏。 连续调节系统根据温度偏差按一定规律连续调节，连续改变加热炉输入功率，是一种无触点调节方法。 调节规律通常采用比例(P)、积分(I)、微分(D)等，按此构成的调节器称为PID调节器， 所组成的系统称为PID自 动调节系统。,6.
6、3 温度的连续调节,6.3.1 调节器的基本调节规律 调节规律：调节器的输出信号随时间变化与输入信号随时间变化间存在的关系。 基本规律：比例调节(P)、积分调节(I)、微分调节(D)，组合。 一、比例调节(P) 调节器的输出信号按一定比例、无滞 后、无惯性地重现输人信号的变化规律。 y(t)Kpx(t) (6-1) 调节器的放大倍数、比例系数Kp越大， 系统静差越小，调节精度越高；但Kp过 大，会使系统产生自激振荡。,6.3 温度的连续调节,比例带P：比例系数Kp的倒数。 P越小，静差越小，调节精度越高； 但P过小，会使系统产生自激振荡。,6.3 温度的连续调节,二、积分调节(I) 输出信号与
7、“输入信号对时间的积分”成正比关系。 TI为常数，表示积分速度的大小，TI越大积分速度越慢，积分作用越弱。 调节器的输出量不仅与偏差的大小有关，而且与偏差存在的时间有关。只要偏差存在，输出就会随时间不断增加，直到偏差消失积分作用才停止。积分作用使输出停留的新位置，不存在静差。 积分作用动作缓慢，不能及时克服干扰的影响，控制作用滞后，过渡过程延长，甚至造成系统的不稳定性。积分调节很少单独使用，常与比例调节组合使用。,6.3 温度的连续调节,三、比例积分调节(PI) 两种调节作用的综合，使被调量较快地趋向稳定，存在的静差被积分作用逐渐消除，得到无差调节效果。 如果由于某原因，偏差一时无法消除，那么
8、调节器将不断积分下去，输出不断增加(或减少)直至调节器深度饱和(积分饱和)，调节器失控造成事故。比例带P和积分常数TI应选择恰当。,6.3 温度的连续调节,四、微分调节(D) 微分调节的输出信号与“输入信号的变化速率”成正比关系。 TD是微分时间。 理想的微分作用：阶跃输入信导的变化率无限大，输出也应无限大。图6-21a 实际：阶跃输入信导时，输出突跳一个较大值，然后按指数曲线衰减至零。跳跃越高，衰减得越馒，微分作用越强。图6-21b,6.3 温度的连续调节,微分作用特点： 1. 调节输出只响应偏差变化速率，即使偏差值不大，只要出现变化趋势马上就由微分作用及时产生输出，以抑制偏差连续增长，有超
9、前调节作用； 2. 输出不能响应偏差值大小，如有固定的偏差，即使数值很大也不会有微分作用产生的输出，因此也就不能消除静差； 3. 如有变化很慢的偏差，微分作用也很小，会使系统很长时间积累产生根大的静差。 所以实际系统中不会单独使用微分作用，常与比例或比例积分合成PD、PID调节器。,6.3 温度的连续调节,五、比例微分调节(PD) 调节器输出与输入的关系： 在斜坡信号作用下，相同输出下，有比例和微分作用的A点比仅有比例作用的B点要提前一个时间t2-tl，调节作用更为及时，此提前时间正是微分时间TD，故TD又称为超前时间。,6.3 温度的连续调节,6.3 温度的连续调节,六、比例积分微分调节（P
10、ID） 具有比例、积分、微分3种作用，综合了比例控制的快速有力、积分控制的消除静差以及微分控制的超前预测功能。其理想动态特性表达式为： PID调节器：P、TI、TD选择适当，可获得较高的控制质量。,6.3 温度的连续调节,6.3.2 调节器调节规律的选型 1）调节规律对不同对象的调节质量 一、当对象调节的时间常数T较大、纯滞后较小，即/T很小，引入微分作用可获得良好的效果。各种调节规律对调节质量的影响以PID作用最好，PD作用较好，P作用次之，PI作用则较差。 二、当对象调节的时间常数较小、纯滞后较大，即(T/2)时，采用微分作用对改善调节质量的效果不太大。 三、当对象调节的T较小，而负荷变化
11、很快时，引入微分作用和积分作用都会引起系统振荡，对调节质量影响很大。如果对象调节的T很小，采用反微分作用对改善调节质量效果良好。 四、当对象滞后很大，且负荷变化也很大，而调节质量要求又较高时，可以采用比例积分微分作用。 五、当负荷变化很大，对象纯滞后也较大时，采用比例积分微分作用也很难达到控制质量的要求，这时需要采用多回路调节系统和其它复杂的调节系统。,6.3 温度的连续调节,2）调节器的选型原则P197-198 先了解被控对象的特性，熟悉各种调节器的调节规律和工作性能。表6-1是各种调节器的适用情况。p198,6.3 温度的连续调节,两位调节器属于简单的调节方式，一般适用于对调节质量要求不太
12、高的场合。 P调节的适用范围很广，它对调节的作用和扰动作用的响应均迅速，调节质量在一般情况下都较高。但这种调节器存在静差，特别是当负荷变化幅度大且系统滞后较大时，静差会更大。因此，对调节要求不太高的场合，可以选用P调节。 PI调节由于积分作用的引入，能够消除静差。当对象容量较小、负荷变化又较大的场合，工艺上要求没有静差时，用PI调节可以获得较好的调节质量。但是当调节对象的滞后较大时，由于积分的积累作用，易引起大的超调，甚至出现持续振荡，反而会降低调节质量。 PD调节中引入了微分作用，它能反应偏差的速率，具有超前调节的作用。这在调节对象具有较大容量又有滞后的场合，将会大大改善调节质量。但对滞后很小，干扰作用频繁的系统，应尽量避免使用微分作用。因为，微分作用会使系统产生振荡，严重时甚至会使系统失控。 PID调节综合了各种调节器的优点，不论被调对象的特性如何，一般均能适应，具有较高的调节质量。但是，当系统滞后很大、负荷变化很大时，这种调节也难于满足要求，只有设计或选择更复杂的调节系统。,6.3 温度的连续调节,6.4 调节、控制及控制理论的发展p198-203,
