浅谈自动调节器正反作用的判断方法

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【摘 要】自动调节器正反作用的确定在自动调节系统的设计和投入运行时往往需要确定一下。如果忽视此项工作，会使自动调节失灵，甚至发生生命危险。虽然调节工作并不复杂，但是调节方案五花八门，要熟练掌握，需要认真学习。以下是本人在判定调节正反作用的个人体会。

【关键词】自动调节系统；调节方案

1 调节器的正反作用

调节器输入与输出信号极性之间的相互关系是确定调节器正反作用的基本出发点和方法。

（1）调节器的正反作用是指相对与某一平衡状态下的变化量 （输出讯号）与 （输入讯号）两者讯号极性之间的相互关系。这种平衡状态是指输入信号为零（测量值与给定值相等的状态）时输出某一稳定数值Y的状态。当然这里所谈的输入与输出讯号均是指相对于某一平衡状态而言的变化量，也就是相对于平衡状态的偏差讯号。对于大多数调节器，例如气动单元调节器、电动单元调节以及组装式调节器等调节器的输入信号是指测量值与给定值之间的差值

如果给定值X不变，则

也就是输入信号是测量指相对于平衡状态的偏差。而调节器的输出讯号 则是某一时刻t时的输出数值 与平衡状态时的数值Y。之差。即：

当调节器输入讯号为正（负）极性时，即 ，若输出讯号也是正（负）极性，即 ，则称之为调节器的正作用。反之当输入讯号为正（负）极性时，而输出讯号却是负（正）极性，则称之为调节器的反作用。

这就是说，对于正作用的调节器，如果调节器平衡状态下，施加以正（负）偏差输入讯号，则任一时刻t时的输出数值Y（t）均应大（小）于其平衡状态下的数值Y。而对于反作用的调节器，则情况与之相反。据此即可以确定调节器的正反作用。由此可见，调节器的正反作用，仅由输入、输出讯号的极性所决定。它不涉及调节器的整定参数K、T、D的数值和输入讯号的大小及类型（阶跃、等速……），同样也不涉及输出变化的大小和趋势。这种根据输入、输出讯号极性之间的相互关系是确定调节器正反作用的基本出发点和方法。

（2）在正偏差输入讯号下，根据输出随偏差的增大而增大的变化情况可以判断调节器的正反作用。

一台正常工作的调节器，不管它处于正作用还是反作用的状态，也不管其整定参数K、T、D的数值如何，它的输出讯号的幅值 总是随着输入讯号幅值 的增加而增加，这是由连续的典型工业调节器的调节规律所决定的。但输出讯号的极性要取决于调节器的正反作用以及输入讯号的极性。根据前面所叙述的有关调节器正反作用的定义，在正作用的调节器中，如果在其平衡状态施加以正偏差输入信号（即 ），其输出讯号就会随着 的增加而增加，但是如果施以负偏差输入信号（即 ），则输出将随 的减小而降低。

假如给定值是固定不变的，则测量值的变化就反映了 的变化。这就是人们通常所说的：在正偏差下输出随测量值的增加而增大，而在负偏差下，输出随测量值的减小而降低则称为调节器的正作用，反之则为调节器的反作用。此说法和前面所谈的按输入、输出讯号极性之间的相互关系来确定调节器的正反作用完全是一致的。因此有时在实际调校中，若只是为了确定调节器的正反作用，方便起见并不一定要首先确定调节器平衡状态的位置，只让其处于正（负）偏差作用下，观察连续增大（减小）测量值时输出的数值是上升还是下降了就确定了调节器正反作用。

（3）在给定值固定时，不加条件地用输出随测量值的增大（减小）的变化情况来定义调节器的正反作用是不确切的。

如上所述，在给定值固定不变时，正作用调节器在正或负偏差作用下，输出随测量值的增加或减小而增加或减小。这里特别强调了在正或负偏差作用下这个条件。换句话说，在这一条件下，一台正常工作的正作用调节器，输出一定会随测量值的增加或减小而增加或减小，除非它已达到上或下限饱和数值而无法再增加或减小，除此之外不可能再有别的现象，否则调节器一定有毛病，不能投入运行。那么，不要这个条件是否也存在以上结果呢？显然，有无这个条件的区别在于：对正作用调节器而言，在负或正偏差时，输出是否一定会随所测量值的增加或减小而增加或减小。这就是回答这个问题的关键。为此下面作一些简要的分析。

对于不具积分作用的调节器（P、PD）来说，回答是肯定的，即无论是在正或是在负偏差下，正作用调节器的输出都是随测量值的增加或减小而增加或减小的。但对于具有积分作用的调节器（PI、PID）而言，却存在下述两个问题：

1）调节器的输出饱和问题

在测量值低于给定值时也就是负偏差时，正作用的调节器的输出不能稳定在中间某一数值而是一直降低至下限饱和值，在这种情况下，若增加测量值，当测量值仍低于给定值时，输出将继续处于下限饱和值而不发生变化，直到测量值高于给定值时（即正偏差下），输出才随测量值的增加而增加。同样，当测量值高于给定值时，降低测量值，输出也存在类似的变化。可见对于正作用的调节器，输出并不是什么时候都随测量值的增加而增加，也不是什么时候都是随测量值的减小而减小。

2）测量值的变化速度问题

在正作用调节器中，当测量值低于给定值（即负偏差下）时，若不等输出降至下限饱和值，而在下降过程中不断增加测量值，那么输出又是怎样变化的呢？不难看出，在负偏差作用下，正作用调节器的输出随测量值的增加或减小而增加或减小并不是必然会发生的，对于反作用的调节器同样有类似的分析。

因此不加条件地定义“正作用调节器就是输出随测量值的增加（减小）而增加（减小）；反作用调节器就是输出随测量值的增加（减小）而减小（增加）”是不确切的。尽管如此，在实际调校中，如果只是为了确定调节器的正反作用，也通常采用这种办法。

2 简单调节系统调节器作用方向的判别

为了使调节系统是负反馈，组成此系统的各个环节符号乘积要为负值。

变送器：输入信号增大，输出信号也增大，则为“+”，否则为“一”。

调节器：测量值增加，输出增加为“+”，否则为“一”。

调节阀：气开阀为“+”，气关阀为“一”

对象：当调节阀开大时，被调参数增大为“+”，否则为“一”。

特别要注意对象环节符号的取值。如图1、图2所示（图中调节阀采用气开阀），图1中（a）图在阀开后，压力下降，对象环节取值为“一”。而（b）图中在阀开后，压力上升，对象环节取值为“+”，显然这两个调节器的正反作用是不一样的。图2中被调参数为流量，当调节阀打开时，不管物料流向如何，流量总是增加的，所以图中图（a）和图（b）两个调节器的正反作用是一致的，都是反作用。

可见，对对象环节符号取值，只要牢牢抓住阀开大后被调参数的变化趋势，就可以概念清楚，迅速准确地判定。这种方法便于工程实用。

为了正确设置自控系统中调节器的正反作用，还应考虑以下二点：

2.1 调节阀的组合方式

气动调节阀是由气动执行机构和调节阀二部分组成，有气开式，气闭式二种组合方式，电动执行器一般由用户自配阀门，在系统安装完毕后，不外乎电开式，电闭式二种组合方式。气、电开阀是指当执行器的输入信号增大时阀门开大；气、电闭阀则相反。至于在自控系统中采用气、电开阀还是采用气、电闭阀，一般是从工艺安全方面考虑的，即当输入信号断线，或当仪表失电，断气时，阀门应处于工艺安全的位置。

2.2 工艺要求

在自控系统中，当测量值大于设定值时，调节阀应关小还是开大，要由工艺条件决定，例如一个由载热体间接加热的温度控制系统，若调节阀安装在载热体管道中，则当测量值大于设定值时，阀门应关小；若调节阀安装在冷却水管道中，则在同样情况下阀门应开大。明确了工艺要求，选择好调节阀的组合方式之后就可以确定自控系统中调节器应具有的正反作用，列表如下，供参考。

表中所列是对调节器实际正反作用的要求，至于调节器中正反开关的位置如何，尚需要进一步查清。例如：锅炉给水自控系统，因给水阀关死是危险的，故选用气、电闭阀。工艺要求是当水位高于设定值时，调节阀应关小以减少给水。从上表可知调节器应具有正作用。若采用DTL_121型调节器则其中正反开关应放到“正”。于是当水位过高时调节器的输出值增大，因阀门是气、电闭阀，故给水量减少使水位降下来。

3 结论

通过本文对正反作用的讨论及正反作用的判定方法的讨论，判定方法具有普遍性，灵活性，对控制系统的设计具有一定的价值。

参考文献

[1]纪兴权.系统中调节器正反作用判定式.化工自动化及仪表.1981（10）.

[2]浦恂如.关于变速器的正反作用.化工自动化及仪表.1981（2）.

[3]王冀程主编化工过程控制过程.北京；化学工业出版社，1981

[4]叶滋昌.调节器正反作用的判定方法.化工自动化及仪表，1991（3）.

作者简介：

潘艳，女，1981年2月出生，本科学历，工程师。2003年毕业于南京师范大学自动化专业，获学士学位，现就职于中石化南京工程有限公司从事自控工程设计工作。