第五章自动控制仪表

1、第五章第五章 自动控制仪表自动控制仪表 返回首页返回首页n 第一节第一节 概述概述n 第二节第二节 控制器的基本控制规律控制器的基本控制规律n 第三节第三节 模拟式控制器模拟式控制器n 第四节第四节 数字式控制器数字式控制器第一节第一节 概述概述n 在自动化系统中，检测仪表将被控在自动化系统中，检测仪表将被控变量转换成测量信号后，一方面送显变量转换成测量信号后，一方面送显示仪表进行显示记录。另一方面还送示仪表进行显示记录。另一方面还送到控制仪表，调节被控变量到预定的到控制仪表，调节被控变量到预定的数值上。此处的控制仪表包括调节器、数值上。此处的控制仪表包括调节器、变送器、运算器、执行器等，它的

2、发变送器、运算器、执行器等，它的发展经历了基地式控制仪表、单元组合展经历了基地式控制仪表、单元组合式控制仪表、组装式综合控制装置、式控制仪表、组装式综合控制装置、计算机控制系统等阶段。计算机控制系统等阶段。n 基地式控制仪表是以指示、记录仪基地式控制仪表是以指示、记录仪表为主体，附加控制机构所组成的装表为主体，附加控制机构所组成的装置。它的仪表结构比较简单，常用于置。它的仪表结构比较简单，常用于单机自动化系统。单机自动化系统。n 单元组合式控制仪表是将整套仪表单元组合式控制仪表是将整套仪表按照功能划分成若干独立的单元，各按照功能划分成若干独立的单元，各单元之间用统一的标准信号连接。单单元之间用

3、统一的标准信号连接。单元组合式控制仪表按照连接信号的不元组合式控制仪表按照连接信号的不同可分为气动单元组合式同可分为气动单元组合式(QDZ)(QDZ)控制控制仪表和电动单元组合式仪表和电动单元组合式(DDZ)(DDZ)控制仪控制仪表两类。表两类。 n 气动单元组合式控制仪表结构简气动单元组合式控制仪表结构简单、价格便宜、性能稳定，且在单、价格便宜、性能稳定，且在本质上是安全防爆的，特别适用本质上是安全防爆的，特别适用于易燃易爆的危险场所。但是，于易燃易爆的危险场所。但是，气动单元组合式控制仪表不便于气动单元组合式控制仪表不便于信号的远传和与计算机的联用，信号的远传和与计算机的联用，已经逐步被电

4、动单元组合式控制已经逐步被电动单元组合式控制仪表所取代。仪表所取代。 n 电动单元组合式控制仪表除了可以电动单元组合式控制仪表除了可以组合构成各种复杂的检测和控制系统组合构成各种复杂的检测和控制系统外，还具有便于信号远传以及和气动外，还具有便于信号远传以及和气动单元组合仪表、工业控制计算机联用单元组合仪表、工业控制计算机联用的优点，目前被广泛应用在石油、化的优点，目前被广泛应用在石油、化工、轻工等工业部门。电动单元组合工、轻工等工业部门。电动单元组合仪表的发展，经历了仪表的发展，经历了DDZ-DDZ-型、型、DDZDDZ型、型、DDZ-DDZ-型和型和DDZ-DDZ-型四个型四个发展阶段。本章

5、我们将重点介绍发展阶段。本章我们将重点介绍DDZ-DDZ-型和型和DDZ-DDZ-型调节器。型调节器。n 组装式综合控制装置是在单元组装式综合控制装置是在单元组合控制仪表的基础上发展起来组合控制仪表的基础上发展起来的，它最大的特点是控制和显示的，它最大的特点是控制和显示操作功能分离，结构上分为控制操作功能分离，结构上分为控制机柜和显示操作盘两大部分，可机柜和显示操作盘两大部分，可以实现对生产的集中显示和操作，以实现对生产的集中显示和操作，大大提高了人机联系。大大提高了人机联系。n 计算机控制系统是以微型计算计算机控制系统是以微型计算机为核心的一种新型控制系统，机为核心的一种新型控制系统，广义地

6、讲，集散控制系统、可编广义地讲，集散控制系统、可编程序控制器、现场总线控制系统程序控制器、现场总线控制系统都是计算机控制系统的一种。都是计算机控制系统的一种。第二节、控制器的基本控制规律第二节、控制器的基本控制规律n 所谓控制器的控制规律是指控制所谓控制器的控制规律是指控制器输出信号器输出信号p p与输入信号与输入信号e=z-xe=z-x之间之间的函数关系，在研究控制器的控制的函数关系，在研究控制器的控制规律时，经常是假定控制器的输入规律时，经常是假定控制器的输入信号信号e e是一个阶跃信号，然后来研是一个阶跃信号，然后来研究控制器的输出信号究控制器的输出信号p p随时间的变随时间的变化规律。

7、化规律。n 控制器的基本控制规律有控制器的基本控制规律有位式控位式控制制（其中以双位控制比较常用）、（其中以双位控制比较常用）、比例控制比例控制（P P）、）、积分控制积分控制（I I）和）和微分控制微分控制（D D）。实际应用中常用）。实际应用中常用的是的是比例控制比例控制（P P）及它们的组合形）及它们的组合形式：式：比例积分控制比例积分控制（PIPI）、）、比例微比例微分控制分控制（PDPD）和）和比例积分微分比例积分微分控制控制（PIDPID）。）。选用适当的控制规律选用适当的控制规律n 控制规律如果选用不当，不但不控制规律如果选用不当，不但不能起到好的作用，反而会使控制过能起到好的作

8、用，反而会使控制过程恶化，甚至造成事故。要选用合程恶化，甚至造成事故。要选用合适的控制器，首先必须了解常用的适的控制器，首先必须了解常用的几种控制规律的特点与适用条件，几种控制规律的特点与适用条件，然后，根据过渡过程的品质指标要然后，根据过渡过程的品质指标要求，结合具体对象特性，才能作出求，结合具体对象特性，才能作出正确的选择。正确的选择。 一、双位控制一、双位控制n 双位控制的动作规律是当测量值双位控制的动作规律是当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），而当测量值小于给大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大），定值时，则输出为最小

9、（或最大），即控制器只有两个输出值，相应的即控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置，控制机构只有开和关两个极限位置，因此又称因此又称开关控制开关控制。n 理想的双位控制器其输出理想的双位控制器其输出p p与输入偏差与输入偏差e e之间的关系为：之间的关系为：n理想的双位控制特性如图理想的双位控制特性如图5 51 1所示。所示。n 图图5 52 2是一个采用双位控制的液是一个采用双位控制的液位控制系统，它利用电极式液位计位控制系统，它利用电极式液位计来控制贮糟的液位，槽内装有一根来控制贮糟的液位，槽内装有一根电极作为测量液位的装置，电极的电极作为测量液位的装置，电极的一端与继

10、电器一端与继电器J J的线圈相接，另一端的线圈相接，另一端调整在液位给定值的位置，导电的调整在液位给定值的位置，导电的流体由装有电磁阀流体由装有电磁阀V V的管线进入贮的管线进入贮槽，经下部出料管流出。槽，经下部出料管流出。 n 贮槽外壳接地，当液位低于给定值贮槽外壳接地，当液位低于给定值H H。时，流体未接触电极，继电器断路，此时，流体未接触电极，继电器断路，此时电磁阀时电磁阀V V全开，流体流入贮槽使液位全开，流体流入贮槽使液位上升，当液位上升至稍大于给定值时，上升，当液位上升至稍大于给定值时，流体与电极接触，于是继电器接通，从流体与电极接触，于是继电器接通，从而使电磁阀全关，流体不再进入

11、贮槽。而使电磁阀全关，流体不再进入贮槽。但槽内流体仍在继续往外排出，故液位但槽内流体仍在继续往外排出，故液位将要下降。当液位下降至稍小于给定值将要下降。当液位下降至稍小于给定值时，流体与电极脱离，于是电磁阀时，流体与电极脱离，于是电磁阀V V又又开启，如此反复循环，而液位被维持在开启，如此反复循环，而液位被维持在给定值上下很小一个范围内波动。给定值上下很小一个范围内波动。 n 可见控制机构的动作非常频繁，可见控制机构的动作非常频繁，这样会使系统中的运动部件（例这样会使系统中的运动部件（例如继电器、电磁阀等）因动作频如继电器、电磁阀等）因动作频繁而损坏，因此实际应用的双位繁而损坏，因此实际应用的

12、双位控制器具有一个中间区。控制器具有一个中间区。n 偏差在中间区内时，控制机构不偏差在中间区内时，控制机构不动作。当被控变量的测量值上升到动作。当被控变量的测量值上升到高于给定值某一数值（即偏差大于高于给定值某一数值（即偏差大于某一数值）后，控制器的输出变为某一数值）后，控制器的输出变为最大最大p pmaxmax，控制机构处于开（或关），控制机构处于开（或关）的位置；当被控变量的测量值下降的位置；当被控变量的测量值下降到低于给定值某一数值（即偏差小到低于给定值某一数值（即偏差小于某一数值）后，控制器的输出变于某一数值）后，控制器的输出变为最小为最小p pminmin，控制机构才处于关，控制机构

13、才处于关（或开）的位置。（或开）的位置。 n 所以实际的双位控制器的控制规所以实际的双位控制器的控制规律如图律如图5-35-3所示。将上例中的测量装所示。将上例中的测量装置及继电器线路稍加改变，便可成置及继电器线路稍加改变，便可成为一个具有中间区的双位控制器。为一个具有中间区的双位控制器。由于设置了中间区，当偏差在中间由于设置了中间区，当偏差在中间区内变化时，控制机构不会动作，区内变化时，控制机构不会动作，因此可以使控制机构开关的频繁程因此可以使控制机构开关的频繁程度大为降低，延长了控制器中运动度大为降低，延长了控制器中运动部件的使用寿命。部件的使用寿命。 n 具有中间区的双位控制过程如图具有

14、中间区的双位控制过程如图5 54 4所示。所示。当液位当液位y y低于下限值低于下限值y yL L时，电磁阀是开的，流时，电磁阀是开的，流体流入贮槽，由于流入量大于流出量，故液体流入贮槽，由于流入量大于流出量，故液位上升。当升至上限值位上升。当升至上限值y yH H时，阀关闭，流体时，阀关闭，流体停止流入，由于此时流体只出不入，故液位停止流入，由于此时流体只出不入，故液位下降。直到液位值下降至下限值下降。直到液位值下降至下限值y yL L时，电磁阀时，电磁阀重新开启，液位又开始上升。重新开启，液位又开始上升。 n 图中上面的曲线表示控制机构图中上面的曲线表示控制机构阀阀位与时间位与时间的关系，

15、下面的曲线是被的关系，下面的曲线是被控变量（液位）在中间区内随时间控变量（液位）在中间区内随时间变化的曲线，是一个等幅振荡过程。变化的曲线，是一个等幅振荡过程。n 双位控制过程中一般只采用振幅双位控制过程中一般只采用振幅和周期作为品质指标，图中振幅为和周期作为品质指标，图中振幅为y yH Hy yL L，周期为，周期为T T。n 如果工艺生产允许被控变量在一如果工艺生产允许被控变量在一个较宽的范围内波动，控制器的中个较宽的范围内波动，控制器的中间区就可以宽一些，这样振荡周期间区就可以宽一些，这样振荡周期较长，可使可动部件动作的次数减较长，可使可动部件动作的次数减少，于是减少了磨损，也就减少了少

16、，于是减少了磨损，也就减少了维修工作量，因而只要被控变量波维修工作量，因而只要被控变量波动的上、下限在允许范围内，使周动的上、下限在允许范围内，使周期长些比较有利（如水塔液位控期长些比较有利（如水塔液位控制）。制）。 n 双位控制器结构简单、成本较低、双位控制器结构简单、成本较低、易于实现，因而应用很普遍，例如易于实现，因而应用很普遍，例如仪表用压缩空气贮罐的压力控制，仪表用压缩空气贮罐的压力控制，恒温炉、管式炉的温度控制等等。恒温炉、管式炉的温度控制等等。n 除了双位控制外，还有三位（即除了双位控制外，还有三位（即具有一个中间位置）或更多位的，具有一个中间位置）或更多位的，包括双位在内，这一

17、类统称为包括双位在内，这一类统称为位式位式控制控制，它们的工作原理基本上一样。，它们的工作原理基本上一样。 2 2、比例控制、比例控制n 在双位控制系统中，被控变量在双位控制系统中，被控变量不可避免地会产生持续的等幅振不可避免地会产生持续的等幅振荡过程，这是由于双位控制器只荡过程，这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，被控制阀也只有两个极限位置，被控变量势必产生等幅振荡。变量势必产生等幅振荡。 n 为了避免这种情况，应该使控制为了避免这种情况，应该使控制阀的开度（即控制器的输出值）与阀的开度（即控制器的输出值）与被控变量的偏差成比例

18、，根据偏差被控变量的偏差成比例，根据偏差的大小，控制阀可以处于不同的位的大小，控制阀可以处于不同的位置，这样就有可能获得与对象负荷置，这样就有可能获得与对象负荷相适应的操纵变量，从而使被控变相适应的操纵变量，从而使被控变量趋于稳定，达到平衡状态。量趋于稳定，达到平衡状态。 n 如图如图5 55 5所示的液位所示的液位控制系统，当液位高于控制系统，当液位高于给定值时，控制阀就关给定值时，控制阀就关小，液位越高，阀关得小，液位越高，阀关得越小；若液位低于给定越小；若液位低于给定值，控制阀就开大，液值，控制阀就开大，液位越低，阀开得越大。位越低，阀开得越大。它相当于把位式控制的它相当于把位式控制的位

19、数增加到位数增加到无穷多位无穷多位，于是变成了连续控制系于是变成了连续控制系统。图中浮球是测量元统。图中浮球是测量元件，杠杆就是一个最简件，杠杆就是一个最简单的控制器。单的控制器。 n 图图5 55 5中，若杠杆在液位改变前的位置中，若杠杆在液位改变前的位置用实线表示，改变后的位置用虚线表示，用实线表示，改变后的位置用虚线表示，根据相似三角形原理，有：根据相似三角形原理，有：n b/a=p/e b/a=p/e 即即 p=eb/a p=eb/a n式中式中: e: e杠杆左端的位移，即液位的变杠杆左端的位移，即液位的变化量；化量；np p杠杆右端的位移，即阀杠的位移量；杠杆右端的位移，即阀杠的位

20、移量；na a，b b分别为杠杆支点与两端的距离。分别为杠杆支点与两端的距离。n 由此可见，在该控制系统中，阀门开度由此可见，在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量（液位）的偏差值成的改变量与被控变量（液位）的偏差值成比例，这就是比例，这就是比例控制规律比例控制规律。 n 对于具有比例控制规律的控制器（称对于具有比例控制规律的控制器（称为比例控制器），其输出信号（指变化为比例控制器），其输出信号（指变化量）量）p p与输入信号（指偏差，当给定值与输入信号（指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量）化量）e e之间成比例关系，即之间成比例关系，

21、即n p=Kp=KP Pe en式中式中 K KP P是一个可调的放大倍数（比例是一个可调的放大倍数（比例增益）。增益）。K KP P=b/a=b/a，改变杠杆支点的位，改变杠杆支点的位置，便可改变置，便可改变K KP P的数值。的数值。n 由上式可以看出，比例控制的由上式可以看出，比例控制的放大倍数放大倍数K KP P 是一个重要的系数，是一个重要的系数，它决定了比例控制作用的强弱。它决定了比例控制作用的强弱。K KP P越大，比例控制作用越强。在越大，比例控制作用越强。在实际的比例控制器中，习惯上使实际的比例控制器中，习惯上使用用比例度比例度而不用放大倍数而不用放大倍数K KP P来来表示

22、比例控制作用的强弱。表示比例控制作用的强弱。n 所谓所谓比例度比例度就是指控制器输入的变化相对就是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，值与相应的输出变化相对值之比的百分数，可表示为：可表示为：n式中式中 e e输入变化量；输入变化量；n p p相应的输出变化量；相应的输出变化量；n x xmaxmaxx xminmin输入的最大变化量，即仪表输入的最大变化量，即仪表的量程；的量程；n p pmaxmax-p-pminmin输出的最大变化量，即控制输出的最大变化量，即控制器输出的工作范围。器输出的工作范围。n 比例度就是使控制器的输出变比例度就是使控制器的输出变化满刻度时

23、（也就是控制阀从全化满刻度时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的仪表关到全开或相反），相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百测量值变化占仪表测量范围的百分数。或者说，使控制器输出变分数。或者说，使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化对应化满刻度时，输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。于指示刻度的百分数。n 例如某例如某DDZ-DDZ-型比例作用控制，型比例作用控制，其温度刻度范围为其温度刻度范围为400400800800，控制器输出工作范围是控制器输出工作范围是0 010mA10mA。当指示指针从当指示指针从600600移到移到700700，此时控制器相应的输出从此时控制器相应的输出从4

24、mA4mA变为变为9mA9mA，其比例度的值为：，其比例度的值为：n 这说明对于这台控制器，温度这说明对于这台控制器，温度变化全量程的变化全量程的5050（相当于（相当于200200）时，控制器的输出就能）时，控制器的输出就能从最小变为最大，在此区间内，从最小变为最大，在此区间内，e e和和p p是成比例的。是成比例的。 n 图图5 56 6是比例是比例度的示意图。当度的示意图。当比例度为比例度为5050、100100、200200时，时，分别说明只要偏分别说明只要偏差差e e变化占仪表变化占仪表全量程的全量程的5050、100100、200200时，时，控制器的输出就控制器的输出就可以由最小

25、可以由最小p pminmin变为最大变为最大p pmaxmax。 n 联立上述两式，经整理后可得：联立上述两式，经整理后可得：n 对于一个具体的比例作用控制器，指示值的对于一个具体的比例作用控制器，指示值的刻度范围刻度范围x xmaxmaxx xminmin及输出的工作范围及输出的工作范围p pmaxmax-p-pminmin应是一定的，所以由上式可以看出，比例度应是一定的，所以由上式可以看出，比例度与放大倍数与放大倍数K KP P成反比。这就是说，控制器的比成反比。这就是说，控制器的比例度例度越小，它的放大倍数越小，它的放大倍数K KP P就越大，它将偏就越大，它将偏差（控制器输入）放大的能

26、力越强，反之亦然。差（控制器输入）放大的能力越强，反之亦然。因此比例度因此比例度和放大倍数和放大倍数K KP P都能表示比例控制都能表示比例控制器控制作用的强弱。只不过器控制作用的强弱。只不过K KP P越大，表示控制越大，表示控制作用越强，而作用越强，而越大，表示控制作用越弱。越大，表示控制作用越弱。 n 当输入和输出均采用当输入和输出均采用同一种同一种统一的标统一的标准信号时（如准信号时（如DDZDDZ型仪表为型仪表为0 010mA10mA直流电信号、直流电信号、 DDZ-DDZ-型为型为4 420mA20mA直流电信号、气动仪表为直流电信号、气动仪表为2020l00kPal00kPa气压

27、信号），即：气压信号），即： x xmaxmaxx xmin min = p pmaxmax-p-pmin min ，此时比例度，此时比例度与放大倍数与放大倍数K KP P有如下关系：有如下关系：n n 余差余差的存在是比例控制规律的必然结果。由的存在是比例控制规律的必然结果。由液位比例控制系统可知，如果原来系统处于平液位比例控制系统可知，如果原来系统处于平衡，进水量与出水量相等，此时控制阀有一固衡，进水量与出水量相等，此时控制阀有一固定的开度，比如说对应于杠杆为水平的位置。定的开度，比如说对应于杠杆为水平的位置。当当t tt t。时，。时，出水量有一阶跃增大量出水量有一阶跃增大量，于是液，于

28、是液位下降，引起进水量增加，只有当进水量增加位下降，引起进水量增加，只有当进水量增加到与出水量相等时才能重新建立平衡，而液位到与出水量相等时才能重新建立平衡，而液位也才不再变化。但是要使进水量增加，控制阀也才不再变化。但是要使进水量增加，控制阀必须开大，阀杆必须上移，而阀杆上移时浮球必须开大，阀杆必须上移，而阀杆上移时浮球必然下移。因为杠杆是一种刚性的结构，这就必然下移。因为杠杆是一种刚性的结构，这就是说达到新的平衡时浮球位置必定下移，也就是说达到新的平衡时浮球位置必定下移，也就是液位稳定在一个比原来稳态值（即给定值）是液位稳定在一个比原来稳态值（即给定值）要低的位置上，其差值就是余差。要低的

29、位置上，其差值就是余差。存在余差是存在余差是比例控制的缺点比例控制的缺点。 n 比例控制的优点是反比例控制的优点是反应快，控制及时。有偏应快，控制及时。有偏差信号输入时，输出立差信号输入时，输出立刻与它成比例地变化，刻与它成比例地变化，偏差越大，输出的控制偏差越大，输出的控制作用越强。作用越强。n 为了减小余差，就要为了减小余差，就要增大增大K KP P（即减小比例（即减小比例度），但这会使系统稳度），但这会使系统稳定性变差。比例度对控定性变差。比例度对控制过程的影响如图制过程的影响如图5 58 8所示。所示。 n 由图可见，比例度越大（即由图可见，比例度越大（即K KP P越越小），过渡过程

30、曲线越平稳，但余小），过渡过程曲线越平稳，但余差也越大。差也越大。比例度越小，则过渡过比例度越小，则过渡过程曲线越振荡。比例度过小时就可程曲线越振荡。比例度过小时就可能出现发散振荡。当比例度大时即能出现发散振荡。当比例度大时即放大倍数放大倍数K KP P小，在干扰产生后，控小，在干扰产生后，控制器的输出变化较小，控制阀开度制器的输出变化较小，控制阀开度改变较小，被控变量的变化就很缓改变较小，被控变量的变化就很缓慢（曲线慢（曲线6 6）。）。 n 当比例度减小时，当比例度减小时，K KP P增大，在同样的偏差增大，在同样的偏差下，控制器输出较大，控制阀开度改变较大，下，控制器输出较大，控制阀开度

31、改变较大，被控变量变化也比较灵敏，开始有些振荡，被控变量变化也比较灵敏，开始有些振荡，余差不大（曲线余差不大（曲线5 5、4 4）。比例度再减小，）。比例度再减小，控制阀开度改变更大，大到有点过分时，被控制阀开度改变更大，大到有点过分时，被控变量也就跟着过分地变化，再拉回来时又控变量也就跟着过分地变化，再拉回来时又拉过头，结果会出现激烈的振荡（曲线拉过头，结果会出现激烈的振荡（曲线3 3）。）。当比例度继续减小到某一数值时系统出现等当比例度继续减小到某一数值时系统出现等幅振荡，这时的比例度称为幅振荡，这时的比例度称为临界比例度临界比例度k k （曲线（曲线2 2）。）。 n 一般除反应很快的流

32、量及管道压力等系统一般除反应很快的流量及管道压力等系统外，这种情况大多出现在外，这种情况大多出现在2020时，当比时，当比例度小于例度小于k k时，在干扰产生后将出现发散振时，在干扰产生后将出现发散振荡（曲线荡（曲线1 1），这是很危险的。工艺生产通常），这是很危险的。工艺生产通常要求比较平稳而余差又不太大的控制过程，要求比较平稳而余差又不太大的控制过程，例如曲线例如曲线4 4，一般地说，若对象的滞后较小、，一般地说，若对象的滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器时间常数较大以及放大倍数较小时，控制器的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏的比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反

33、应快些，从而过渡过程曲线的形状度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。 3 3、积分控制、积分控制n 当对控制质量有更高要求时，就需要在比当对控制质量有更高要求时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。积分控制作用的输出变化量控制作用。积分控制作用的输出变化量p p与与输入偏差输入偏差e e的积分成正比，的积分成正比，n n式中式中K KI I代表代表积分速度积分速度。当输入偏差是常数。当输入偏差是常数A A时，上式成为时，上式成为 n即输出是一直线（图即输出

34、是一直线（图5 59 9）。）。 n 由图可见，当有由图可见，当有偏差存在时，输出偏差存在时，输出信号将随时间增长信号将随时间增长（或减小）。当偏（或减小）。当偏差为零时，输出才差为零时，输出才停止变化而稳定在停止变化而稳定在某一值上，因而用某一值上，因而用积分控制器组成控积分控制器组成控制系统可以达到无制系统可以达到无余差。余差。 n 输出信号的变化速度与偏差输出信号的变化速度与偏差e e及及K KI I成正比，而其控制作用是随着时间成正比，而其控制作用是随着时间积累才逐渐增强的，所以控制动作积累才逐渐增强的，所以控制动作缓慢，会出现控制不及时，当对象缓慢，会出现控制不及时，当对象惯性较大时

35、，被控变量将出现大的惯性较大时，被控变量将出现大的超调量，过渡时间也将延长，因此超调量，过渡时间也将延长，因此常常把比例与积分组合起来，这样常常把比例与积分组合起来，这样控制既及时，又能消除余差控制既及时，又能消除余差 。n比例积分控制规律可用下式表示比例积分控制规律可用下式表示 n经常采用积分时间经常采用积分时间T TI I来代替来代替 K KI I，T TI I=1/K=1/KI I，所，所以上式常写为以上式常写为n n若偏差是幅值为若偏差是幅值为A A的阶跃干扰，代入可得的阶跃干扰，代入可得n n这一关系示于图这一关系示于图5 51010中中 n 输出中垂直上升部分输出中垂直上升部分K

36、KP PA A是比例作用造成的，慢慢是比例作用造成的，慢慢上升部分上升部分K KP PAt/TAt/TI I是积分作是积分作用造成的。当用造成的。当t=Tt=TI I时，输时，输出为出为2K2KP PA A。应用这个关系，。应用这个关系，可以可以实测实测K KP P及及T TI I，对控制，对控制器输入一个幅值为器输入一个幅值为A A的阶的阶跃变化，立即记下输出的跃变化，立即记下输出的跃变值并开动秒表计时，跃变值并开动秒表计时，当输出达到跃变值的两倍当输出达到跃变值的两倍时，此时间就是时，此时间就是T TI I，跃变，跃变值值K KP PA A除以阶跃输入幅值除以阶跃输入幅值A A就是就是K

37、KP P。 n 积分时间积分时间T TI I越短，积分速越短，积分速度度K KI I越大，积分作用越强。越大，积分作用越强。反之，积分时间越长，积分反之，积分时间越长，积分作用越弱。若积分时间为无作用越弱。若积分时间为无穷大，就没有积分作用，成穷大，就没有积分作用，成为纯比例控制器了。为纯比例控制器了。 n 图图5 51111表示在同表示在同样比例度下积分时样比例度下积分时间间T TI I对过渡过程的对过渡过程的影响。影响。T TI I过大，积过大，积分作用不明显，余分作用不明显，余差消除很慢（曲线差消除很慢（曲线3 3）；）；T TI I小，易于消小，易于消除余差，但系统振除余差，但系统振荡

38、加剧，曲线荡加剧，曲线2 2适宜，适宜，曲线曲线1 1就振荡太剧烈就振荡太剧烈了。了。 n 比例积分控制器对于多数系统都比例积分控制器对于多数系统都可采用，比例度和积分时间两个参可采用，比例度和积分时间两个参数均可调整。当对象滞后很大时，数均可调整。当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较可能控制时间较长、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积大；负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用。此时可增加微分作用。 4 4、微分控制、微分控制n 对于惯性较大的对象，常常希望能根对于惯性较大的对象，常常希望能根据被控变量变化的

39、快慢来控制。在人工据被控变量变化的快慢来控制。在人工控制时，虽然偏差可能还小，但看到参控制时，虽然偏差可能还小，但看到参数变化很快，估计到很快就会有更大偏数变化很快，估计到很快就会有更大偏差，此时会过分地改变阀门开度以克服差，此时会过分地改变阀门开度以克服干扰影响，这就是按干扰影响，这就是按偏差变化速度偏差变化速度进行进行控制。在自动控制时，这就要求控制器控制。在自动控制时，这就要求控制器具有微分控制规律，就是具有微分控制规律，就是控制器的输出控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比信号与偏差信号的变化速度成正比 。n 即：即：n式中式中T TD D为为微分时间微分时间，de/dtde/dt

40、为偏差信号变化速为偏差信号变化速度。此式表示理想微分度。此式表示理想微分控制器的特性，若在控制器的特性，若在t=tt=t。时输入一个阶跃信号，时输入一个阶跃信号，则在则在t=tt=t。时控制器输出。时控制器输出将为无穷大，其余时间将为无穷大，其余时间输出为零（图输出为零（图5 51212）。）。 n 这种控制器用在系统中，即使偏这种控制器用在系统中，即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制，故有超前控制之称，就进行控制，故有超前控制之称，这是它的优点。但它的输出不能反这是它的优点。但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即映偏差的大小，假如偏差固定，即使

41、数值很大，微分作用也没有输出，使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。或三作用控制器。n比例微分控制规律（图比例微分控制规律（图5 51313）为）为n微分作用按偏差的变化微分作用按偏差的变化速度进行控制，其作用速度进行控制，其作用比比例作用快，因而对比比例作用快，因而对惯性大的对象用比例微惯性大的对象用比例微分可以改善控制质量，分可以改善控制质量，减小最大偏差，节省控减小最大偏差，节省控制时间。制时间。 n

42、 微分作用力图阻微分作用力图阻止被控变量的变化，止被控变量的变化，有抑制振荡的效果，有抑制振荡的效果，但如果加得过大，但如果加得过大，由于控制作用过强，由于控制作用过强，反而会引起被控变反而会引起被控变量 大 幅 度 的 振 荡量 大 幅 度 的 振 荡（图（图5 51414）。微分）。微分作用的强弱用微分作用的强弱用微分时间来衡量。时间来衡量。 n比例积分微分（比例积分微分（PIDPID）控制规律为控制规律为n当有阶跃信号输入时，当有阶跃信号输入时，输出为比例、积分和微输出为比例、积分和微分三部分输出之和，如分三部分输出之和，如图图5-155-15所示。这种控制所示。这种控制器既能快速进行控

43、制，器既能快速进行控制，又能消除余差，具有较又能消除余差，具有较好的控制性能。好的控制性能。 第三节第三节 模拟式控制器模拟式控制器n模拟式控制器的作用模拟式控制器的作用：将被控变量的测量：将被控变量的测量值与给定值比较，将比较后的偏差进行比值与给定值比较，将比较后的偏差进行比例、积分、微分等运算，然后将运算结果例、积分、微分等运算，然后将运算结果以连续的模拟信号形式送往执行器。以连续的模拟信号形式送往执行器。n 根据所用的能源不同，主要有气动和电根据所用的能源不同，主要有气动和电动两类。在电动控制器中，目前用的最多动两类。在电动控制器中，目前用的最多的是的是DDZDDZ型和型和 DDZ-DD

44、Z-型。下面我们型。下面我们把这两种仪表作一比较：把这两种仪表作一比较：n DDZ DDZ型和型和 DDZ-DDZ-型仪表的品种型仪表的品种及在系统中的作用基本相同。但它们在及在系统中的作用基本相同。但它们在仪表结构和功能、供电、信号制和传输仪表结构和功能、供电、信号制和传输方式、防爆型式等方面都有较大的区别。方式、防爆型式等方面都有较大的区别。n l l仪表结构和功能仪表结构和功能n DDZDDZ型调节器虽具有硬手操和软型调节器虽具有硬手操和软手操两种方式，但无保持电路，且手动手操两种方式，但无保持电路，且手动- -自动的切换须事先平衡。自动的切换须事先平衡。 n DDZ- DDZ-型的基型调节器有全刻度型的基型调节器有全刻度指示式和偏差指示式两种，软手动指示式和偏差指示式两种，软手动- -自动可直接切换，具有保持电路，自动可直接切换，具有保持电路，而且，而且，DDZ-DDZ-型还有各种适应特殊型还有各种适应特殊控制需要的特种调节器，设有各种控制需要的特种调节器，设有各种附加单元（如输入报警、偏差报警、附加单元（如输入报警、偏差报警、输出限幅等）。输出限幅等）。n 相对于相对于 DDZDDZ型仪表而言，型仪表而言，DDZ-DDZ-型仪表的品种齐全，