调节对象特性与传输系数的重要性

图15-64 静态特性曲线绘制

对于调节重要的是准确地认识如直流发电机等的调节对象的特性。

静态特性：在改变了调节参数y后，能把调节量x调到多大的新值。

动态特性：在改变了调节参数y后，调节量x当如何变化。

15.4.2.1 调节对象的静态特性

（1）具有平衡的调节对象 如图15-64a所示，把如一台直流发电机的电流I（干扰量z）保持为常数，然后改变励磁电流I_e（调节量y）使之在某一时间后把电压U（调节量x）调整到一个新的常数值。把此常数值（x）代入特性曲线U=f（I_e）（通常：x=f（y）），于是便得到图15-64b所示的调节对象静态特性曲线。

对于有如温度调节量x的调节对象在改变了如电流的调节参数y后又得到一个常数值，这种调节对象称为具有平衡的调节对象。

现在把干扰量z调整到一个另外的常数值，如对直流发电机调到I=0A或I=10A，然后再改变调节参数y（I_e）便得到如图15-65所示的特性曲线族。

调节对象的静态特性是通过传输系数K_s来描述的。如图15-66所示，调节对象的传输系数是时性曲线的斜率。

图15-65 直流发电机静态特性曲线族

图15-66 调节对象传输系数的确定

传输系数用于评价调节回路的稳定性。

因为具有补偿的调节对象的调节量的变化与调节参数变化成比例，所以也称之为比例对象或P调节对象。

传输系数：

式中 K_S——调节对象传输系数；

Δx——调节量变化量；

Δy——调节参数变化量。

计算例题：

一台电加热炉把其供电（调节参数y）从5A调到7A，由此其温度（调节量x）从80℃计到100℃，请计算调节对象的传输系数K_S。

解：

（2）无平衡的调节对象 图15-67所示为液体容器的调节对象，在调节参数变化后不是处于新的静止状态，这种调节对象称为无平衡调节对象。使排出量（干扰量z）保持不变，然后增大流入阀开度（调节参数y），这时未调整新静止状态，而是液位不断地升高并直至溢出。阀门开度越大，则液位升高越快，在液位与阀门开度之间不存在关连，而是阀门开度与液位提升速度之间存在关连。无平衡调节对象是通过图15-68所示的传输系数K_IS来描述的。

图15-67 无平衡调节对象

图15-68 无平衡调节对象的特性曲线族与传输系数

K_IS—传输系数 Δx—调节量变化量 Δy—调节参数变化量 Δt—调节量变化持续时间

15.4.2.2 调节对象的动态特性

调节对象的动态特性指的是在改变调节参数y时调节量x当时的变化，并以此研究调节对象的阶跃响应特性，如图15-69所示对此跳跃地变化调节对象输入的调节参数y并观察调节对象输出的调节量x。调节对象被调节器隔开，因此调节器不影响调节量x。在一般情况下由于调节量x与调节参数成比例，所以在改变了调节参数后只须观察调节量就足够了，因此，在图15-70a所示的阶跃响应特性曲线中，调节量x和调节参数y在始点均为零。

图15-69 无延迟调节对象的变化曲线

图15-70 无延迟调节对象的阶跃响应特性、传输系数与符号

（1）无延迟P调节对象（PT₀对象） 把一个晶体管视为调节对象，其集电极电流I_C作为调节量x，而基极电流I_B作为调节参数y，在调节参数y（I_B）阶跃变化时，则有图15-69所示的调节量x（I_C）的变化曲线。调节量x（I_C）紧随无延迟的与成比例的调节参数y（I_B）之后。调节量在变化了调节参数后占有一个新的稳定值，并作为一个具有平衡的调节对象来对待。具有图15-70a所示的变化曲线的调节对象称为PT₀对象。

由图15-70a所示的特性曲线可以计算调节对象的传输系数K_S。图15-70b所示为PT₀调节对象符号。

由阶跃响应特性可以确定调节对象的时间特性和传输系数K_S。

流量作为调节量、阀门开度作为调节参数的管路是无延迟调节对象的另一个范例，在此调节对象中，流量是无延迟跟随在阀门开度之后。

（2）具有延迟的P调节对象（PT₁调节对象）

例题1：在汽锅中的液体要保持一个规定的温度，对此是蒸气通过阀门流进液体中。如果液体散发出的热量与蒸气输给的热量一样多，则温度变化不大。跳跃地打开图15-71所示汽锅流入量处的阀门，很热的蒸气便可以流入液体并在汽锅中不是迅猛地而是缓慢地如图15-72a所示加热液体。液体温度变化跟随一个具有时间常数T_S的e函数，这就是说液体有时间常数T_S。图15-72b表示出PT₁调节对象的符号。(https://www.xing528.com)

图15-71 用蒸气加热液体的汽锅

图15-72 PT₁调节对象的阶跃响应特性、传输系数与符号

调节对象的时间常数称为延迟。

如果输入的热量又等于液体所散发出去的热量，则达到最终温度。如图15-72a所示，时间常数T_S可以由靠在调节量特性曲线起始值的切线读出。

对于全部具有平衡的调节对象（P-调节对象）可以由调节量变化量Δx和所属调节参数变化量的终态确定调节对象的传输系数K_S。

例题2：把一个线圈看成一个PT₁调节对象。改变线圈的冲击电压，则电流按一个e函数变化。

PT₁调节对象是通过传输系数K_S和时间常数T_S标注。

图15-73 具有流进、流出的发热体

图15-74 PT₂调节对象

（3）具有双延迟的P调节对象（PT₂调节对象）

例题1：如图15-73所示，把一个发热体的温度保持恒定，为此在发热体的输入管上安装了一个阀门。对于此调节对象，当其输入热量等于发热体散发出的热量时便达到了最终温度。以冲击的方式改变阀门的开度，如图15-74a所示调整温度变化曲线。开始时温度升高缓慢并在过拐点后达到一个终值。如图15-74a所示在拐点处作一条切线，便可读出延迟时间T_u和平衡时间T_g。PT₂控制对象的两个时间常数是重叠的。在例题1中有用于发热体中水加热时间常数和通过水加热发热体的时间常数。

PT₂调节对象是通过传输系数K_S和时间常数T_u和T_g来标注。

例题2：一台具有永磁铁的他激直流电动机，其转速是通过改变电枢电流进行调节的。这种电动机是一个PT₂调节对象，并有两个时间常数，其中一个用于电枢绕组，另一个则用于电枢的加速。

（4）具有几个延迟的P调节对象（PT_n调节对象） 具有几个延迟的调节对象称为高阶调节对象或有几个延迟的PT_n调节对象。高阶调节对象类似于一个PT₂调节对象，因此仍然如图15-75所示是一条长的从始点就是水平的调节量曲线。

例题1：一个电加热可移动式油散热器是一种高价调节对象。此调节对象是由加热绕组、绕组陶瓷绝缘与钢护套、油、发热体和温度传感器组成。所有这6个组件都有一个延迟，由此构成了一个PT₆调节对象。

ⓘ自PT₂起的调节对象的可调性：

图15-75 PT_n调节对象的阶跃响应特性

例题2：

一个电螺旋灯丝的电流从I=2A提高到I=3A时温度从100℃升高到135℃，并有图15-75所示的阶跃响应特性，请确定以下问题：

a）可调性。

b）调节对象的比例系数K_S。

解：

a）

b）

（5）具有延迟时间PT_T段的调节对象 作为具有延迟时间调节对象的典型范例为图15-76所示的传送带。传送带以恒定转速驱动并传送松散物料。若闸门提升Δy，则在传送带上有多的物料被传送。在带端的传送量却首先在图15-77所示的延迟时间T_T后才发生变化。延迟时间总是在物料经过一段较长的传送或调整参数变化与在测量点采集的调节量变化之间的时间差的地方出现。

图15-76 传送带

极高阶调节对象的阶跃响应特性与具有延迟时间调节对象的阶跃响应特性相同，具有延迟时间的调节对象调节较困难。

（6）具有有和无延迟的I调节对象 容器液位的调节应为无平衡调节并称之为I调节对象。在相同不变的排量时改变输入量，得到如图15-78a所示的阶跃响应特性，图15-78b所示为无延迟I调节对象符号。

图15-77 有延迟时间的调节对象

图15-78 无延迟的I调节对象

由图15-78a所示的阶跃响应特性可以确定调节对象的传输系数K_iS。

表15-12 调节对象