控制器基本控制规律
第九章 基本控制规律
第三节积分控制
二、比例积分控制
输出信号的变化速度与偏差e及KI成正比，而其控制作 用 随时间积累才逐渐增强，所以控制动作缓慢，控制不 及时，当对象惯性较大时，被控变量将出较大的超调量， 过渡时间也将延长，所以应比例的基础上加入积分作用 组成比例积分控制规律。
p
KC xmax xmin
pmax pmin
仪表量程：xmax xmin 控制器的输出范围: pmax pmin
第二节比例控制
可以从控制器表面指示看出比例度的具体意义。比例度就是使控制器的输出 变化满刻度时（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，使控制器输出变化满刻度时，输入偏 差变化对应于指示刻度的百分数。比例度越小则输入变化范围就越小。 若输出与输入都为标准， 则 1 100 %
160
140 /200 8 3/10
100
0
100 %
40%
第二节比例控制
说明
当温度变化全量程的40%时,控制器的输出从0mA变化到 10mA。在这个范围内,温度的变化和控制器的输出变化Δp 是成比例的。但是当温度变化超过全量程的40%时 (在上 例中即温度变化超过40℃时) ,控制器的输出就不能再跟着 变化了。
第二节比例控制
比例控制：具有比例控制规律的控制器称为比例控制器，
其输出信号变化量 △p 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化量） e 之间成比率关
系。 p KCe（ KC为放大系数）
比例、积分、微分控制策略
比例、积分、微分控制策略尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三个：比例(P)控制、积分(I)控制和微分(D)控制。
这几种控制规律可以单独使用，但是更多场合是组合使用。
如比例(P)控制、比例-积分(PI)控制、比例-积分-微分(PID)控制等。
比例(P)控制单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。
实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，比例度太小，控制作用太弱，不利于系统克服扰动，余差太大，控制质量差，也没有什么控制作用；比例度太大，控制作用太强，容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。
对于反应灵敏、放大能力强的被控对象，为提高系统的稳定性，应当使比例度稍小些；而对于反应迟钝，放大能力又较弱的被控对象，比例度可选大一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相应减小余差。
单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求不高，允许有一定余差存在的场合。
工业生产中比例控制规律使用较为普遍。
比例积分(PI)控制比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其最大优点就是控制及时、迅速。
只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。
但是，不能最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。
克服余差的办法是在比例控制的基础上加上积分控制作用。
积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。
这里的“积分”指的是“积累”的意思。
积分控制器的输出不仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。
只要偏差存在，输出就会不断累积(输出值越来越大或越来越小)，一直到偏差为零，累积才会停止。
所以，积分控制可以消除余差。
积分控制规律又称无差控制规律。
积分时间的大小表征了积分控制作用的强弱。
积分时间越小，控制作用越强；反之，控制作用越弱。
积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。
因为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。
控制器的作用规律全解
总结
第二章 调节器基本作用规律
第二节 比例作用规律
气动比例调节器
第二章 调节器基本作用规律
习题
1.在浮子式锅炉水位双位控制系统中，当把调节板上的上下销钉均插在离浮 子杆最近的孔中时，控制系统会使（） A.允许的上限水位 B.允许的上、下限水位差增大 C.给水泵电机起停频繁 D.降低允许的下限水位
但当偏差不再变化时，微分输出将消失，因此微分作用不 能单独使用，常与比例作用一起形成比例微分（PD）控制 器。
p(t)
Ke(t) Sd
de(t) dt
K[e(t) Td
de(t ) ] dt
P(s) KE(s) Sd sE(s) K[1Td s]E(s)
Td ——微分时间
Td↑→微分作用↑
被控量
开 执行机构
关
波动范围
水位与电动机通断之间的关系图
第二章 调节器基本作用规律
第一节 双位作用规律
二．双位式压力调节器
下限值（PL）：由给定值弹簧设定 上限值（PH）：由幅差弹簧设定 PH= PL+ΔP
第二章 调节器基本作用规律
第一节 双位作用规律
二．双位式压力调节器
若压力整定范围0~0.8Mpa，幅差ΔP可调范围为0.07~0.25Mpa，要求压力 波动范围为0.64~0.75Mpa，则调整方法为：
习题
5、
6、在船上（）控制系统不适合采用PID调节器。 A．气缸冷却水温度 B．燃油黏度 C．锅炉蒸汽压力 D．日用油柜的油位
一．比例积分微分（PID）作用规律
PID调节 规律开环 特性曲线
第二章 调节器基本作用规律
第五节 比例积分微分作用规律
1、被控量的稳态精度要求较高，则调节器中应加入积分作 用； 2、被控系统中被控对象惯性较大，则调节器应加入微分作 用； 3、被控对象惯性较大且要求较高的静态指标，则应加入微 分和积分作用。 4、往往把积分时间Ti整定得比微分时间Td长，大致为 Ti=4Td~5Td； 5、加入微分作用后，原来整定得比例带PB和积分时间Ti都 可以减小一点，可减小最大动态偏差，保证系统的稳定性， 加快系统的反应速度，过度过程缩短。
过程控制系统与仪表习题答案---第三章
第3章习题(xítí)与思考题3-1 什么(shén me)是控制器的控制规律？控制器有哪些基本控制规律？解答(jiědá)：1）控制(kòngzhì)规律：是指控制器的输出(shūchū)信号与输入偏差信号之间的关系。
2）基本控制规律：位式控制、比例控制、比例积分控制、比例微分控制和比例积分微分控制。
3-2 双位控制规律是怎样的？有何优缺点？解答：1）双位控制的输出规律是根据输入偏差的正负，控制器的输出为最大或最小。
2）缺点：在位式控制模式下，被控变量持续地在设定值上下作等幅振荡，无法稳定在设定值上。
这是由于双位控制器只有两个特定的输出值，相应的控制阀也只有两个极限位置，总是过量调节所致。
3）优点：偏差在中间区内时，控制机构不动作，可以降低控制机构开关的频繁程度，延长控制器中运动部件的使用寿命。
3-3 比例控制为什么会产生余差？解答：产生余差的原因：比例控制器的输出信号y与输入偏差e之间成比例关系：为了克服扰动的影响，控制器必须要有控制作用，即其输出要有变化量，而对于比例控制来讲，只有在偏差不为零时，控制器的输出变化量才不为零，这说明比例控制会永远存在余差。
3-4 试写出积分控制规律的数学表达式。
为什么积分控制能消除余差？解答：1）积分控制作用的输出变化量y 是输入偏差e 的积分：2）当有偏差存在(c únz ài)时，输出信号将随时间增大（或减小）。
当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
因而积分控制器组成控制系统可以到达无余差。
3-5 什么是积分(j īf ēn)时间？试述积分时间对控制过程的影响。
解答(ji ěd á)：1）⎰=edt T y 11 积分时间是控制器消除偏差的调整时间，只要有偏差存在，输出信号将随时间增大（或减小）。
只有(zh ǐy ǒu)当偏差为零时，输出停止变化，保持在某一值上。
PID控制规律
项都不起作用，为比例控制。 若 TD 为0，微分项不起作用，为比 例积分控制。 若 TI 为 ，积分项不起作用，则为 比例微分控制
控制器运算规律通常用增量形式表示，若用 实际值表示，则为：
1 de( t ) u( t ) KC [ e( t ) e( t )dt TD ] u( 0 ) (7-3) TI dt
e( t )
t
0
u p
0
t
u I
0
t1
t2
t
图7－5 积分作用的落后性
在第一个前半周期内，测量值一直低于设定 值，出现负偏差，所以按同一方向累积。从t1 到t2时间段，偏差还是为负，但数值在减小， 因此，积分输出仍然在增加，但增加的量在减 小。显然，在这个时间段，积分输出增加是不 合理的，因为偏差已经在减小。这就暴露了积 分控制的弱点：控制作用的落后性。这往往会 导致超调，并引起被控变量波动厉害。 工业上常将比例作用与积分作用组合成比例 积分控制规律。
(3)、比例度对系统过渡过程影响
（a）在扰动（或负荷）变化及设定值变化 时有余差存在。因为在这几种情况下，控制 器必有输出 u 以改变阀门开度，力图使过 程的物料和能量能够达到新的平衡。但 u又 正比于偏差 e，因此此时控制器的输入信号 必然不是0。 当比例度较小时，对应同样的 u变化的e较 小；因此余差小。
(7-10)
在阶跃偏差作用下，比例积分控制器的 开环输出如图7－6所示。 在偏差幅度为A的 阶跃作用下，比例输出立即跳变到KCA，然 后积分输出随时间线性增加。在KC和A确定 时，直线的斜率取决于积分时间TI的大小。 TI越大，直线越平坦，积分作用越弱。 TI越小，直线越陡，表示积分作用越强 TI趋向无穷大时，比例积分控制器蜕变为 比例控制器。
智能控制器基本控制规律论文
试析智能控制器的基本控制规律随着微电子技术的不断发展，集成了cpu、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至a／d、d／a转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即单片机)出现了。
以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能控制器。
智能控制器工作原理。
传感器拾取被测参量的信息并转换成电信号，经滤波去除干扰后送入多路模拟开关；由单片机逐路选通模拟开关将各输入通道的信号逐一送入程控增益放大器，放大后的信号经a／d转换器转换成相应的脉冲信号后送入单片机中；单片机根据仪器所设定的初值进行相应的数据运算和处理(如非线性校正等)；运算的结果被转换为相应的数据进行显示和打印；同时单片机把运算结果与存储于片内flashrom(闪速存储器)或e2prom(电可擦除存贮器)内的设定参数进行运算比较后，根据运算结果和控制要求，输出相应的控制信号(如报警装置触发、继电器触点等)。
此外，智能控制器还可以与pc机组成分布式测控系统，由单片机作为下位机采集各种测量信号与数据，通过串行通信将信息传输给上位机，由pc机进行全局管理。
智能控制器基本构成1、硬件部分（1）主机电路主要由微处理器cpu、只读存储器rom和eprom、随机存储器ram、定时/计数器ctc以及输入/输出接口等组成，它是数字控制器的核心，用于数据运算处理和各组成部分的管理。
（2）过程输入通道包括模拟量输入通道和开关量输入通道两部分，其中模拟量输入通道主要由多路模拟开关、采样/保持器和a/d转换器等组成，其作用是将模拟量输入信号转换为相应的数字量；而开关量输入通道则将多个开关输入信号通过输入缓冲器将其转换为能被计算机识别的数字信号。
（3）过程输出通道主要包括模拟量输出通道和开关量输出通道两部分，其中模拟量输出通道由d/a转换器、多路模拟开关输出保持器和v/i转换器等组成，其作用是将数字信号转换为1～5v模拟电压或4～20ma模拟电流信号。
第四章 (1)基本控制规律
PID控制规律对控制过程的影响
比例积分微分控制规律
PID控制规律吸取了比例控制的快速反应功能、
积分控制的消除余差功能和微分控制的预测功
能，从控制效果看，是比较理想的一种控制规 律。阶跃响应特性可以看作是 PI 阶跃响应曲线 PD阶跃响应曲线的叠加。 PID三作用控制器虽然性能效果比较理想，需 要整定比例度、积分时间和微分时间三个变量 到最佳值。
比例度和放大倍数的关系
＝
可知：
e xmax xmin p pmax pmin
100%
e p
(
pmax pmin xmax xmin
) 100%
p Kc e
＝ 100%
k Kc
(
pmax pmin xmax xmin
＝K)
单元组合仪表中，变送器和控制器的信号都是标准信号，是统一的，此时K=1. 对于一个具体的比例作用控制器，比例度与放大倍数成反比。这就是说， 控制器的比例度越小，它的放大倍数就越大，它将偏差(控制器输入)放大的 能力越强，反之亦然。因此比例度和放大倍数都能表示比例控制器控制作 用的强弱。只不过放大倍数越大，表示控制作用越强，而比例度越大，表 示控制作用越弱。
KC TI
At
(TI
1 KI
)
当t TI时，p p p p I 2 K C A 2 p p
由此可确定积分时间和放大倍数。
积分时间TI的物理意义：在阶跃信号作用下，控制器积分作用的输出等于 比例作用的输出所经历的时间。 积分时间越小，积分比例系数越大，积分作用越大，反之，积分作用越小。
e
比例控制的输出与输入的关系为
p KC e
t
单元二(任务二)DDZ-Ⅲ型电动调节器的组成和使用
上海石化工业学校
SPA
1
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SPA
三、控制仪表经历三个发展阶段
（一）基地式控制仪表：以指示、记录仪表为主体。 （二）单元组合式仪表中的控制单元：各单元不同
组合，构成复杂程度各异的自动检测和控制系统。
（三）以微处理器为基元的控制装置
四、控制仪表的分类：
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一、按信号形式分：模拟式控制仪表，数字式控制仪表 1.模拟式控制仪表（使用模拟信号进行工作） （1）按能源形式分类：气动式、电动式、液动式。
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五、 控制仪表（调节器）的特点
1. 作用：对检测仪表的测量信号进行控制，以便控制 生产过程的自动地正常进行，使被控变量达到预期的 要求。
2.发展趋势：
与计算机技术相结合，数字化、集成化、模块化、
表格化、通信功能和自诊断功能，方便控制大规模连
续自动化生产。
六、模拟式控制器
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（1） DDZ-Ⅲ型仪表的特点
①采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一标准信号。 输出信号为4-20mA DC,控制室联络信号为1-5V DC,信号 电压和电流间转换电阻为250欧。 ②广泛采用集成电路，可靠性提高，维修工作量减少。 ③Ⅲ型仪表统一由电源箱供给24V DC电源，并有蓄电池作 为备用电源。 ④整套仪表可构成安全火花型防爆系统。 ⑤自动和手动的切换以双向无扰动的方式进行的。
SPA
在模拟式控制器中，所传送的信号形式为连续的模拟信 号。目前应用的模拟式控制器主要是电动控制器。
（一）基本构成原理及部件
1.比较环节
将给定信号与测量信号 进行比较，产生一个与它们 的偏差成比例的偏差信号。
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•t4时刻 回到初始水位 流入量大于流出量
积分调节特点
• 可以消除被调量的静态偏差。 • 过程中容易出现过调，引起被调量反复振荡，稳定性下降。
• Ti越小，积分作用越强，稳定性越差，动态偏差越大。 • 如果Ti过小，系统响应迟缓，调节时间加大。
• 积分调节不能单独使用，而是与比例调节配合使用，构成PI调节。
0.5,Ti
1,Wo
1 20s 1
P、I、PI效果比较（G单位阶跃扰动）
3
微分调节
微分调节：
动态方程：
Kd
de dt
传递函数： WD TDs
式中：TD为微分时间；
• TD越大，微分作用越强。 • 微分调节规律的输出与误差的变化速度成正比。
• t1时刻 流入量等于流出量 到达最高水位
• t1~t2 H>G，e<0，水位下降； 流入侧小于流出侧； 积分输出持续减小； 关小流入侧阀门；
•t2时刻 回到初始水位 流入量小于流出量
• t2~t3 H<G，e>0，水位下
降； 流入侧小于流出侧； 积分输出持续增大； 开大流入侧阀门；
• t3时刻 流入量等于流出量 到达最低水位
K1 1, R2 1; A 10 给定值单位阶跃响应
KC↑ δ↓
衰减率ψ ↓ 稳态误差ess↓ 超调量σ ↑ 振荡频率ω ↑
比例调节特点： • 动作迅速且始终方向正确。 • 比例带σ的大小影响着系统的稳定性和准确性。
• σ越大，静态偏差越大，准确性越差。 • σ越小，稳定性越差。
• 缺点：稳定后存在稳态偏差。
——控制器基本控制规律
C 目录 ontent 1 比例调节 3 微分调节
2 积分调节 4 课程小结
• 典型环节：比例、积分、惯性、微分、迟延、振荡。 • 典型调节规律：比例（P）、比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积
分微分(PID)
统计表明生产过程80%的控制可以用PID控制器构
成单回路反馈控制系统进行控制（简单控制系统）。
e
• 不能单独使用的原因：
0 • 只要被调量误差变化率为零，调
节器就不动作。
Td
• 当被调量变化以微小的速度变化
时，微分调节器不动作。
0
e0 t
t
4
课程小结
总结:
比例作用能单独地执行调节任务,并能使控 制过程趋于稳定,但使被调量产生静态偏差。
积分作用只有极少的情况(对象自平衡能力 大,惯性和迟延很小等)才能单独应用,会使控 制过程变成振荡甚至不稳定 , 但能使被调量 消除静态偏差。
微分作用不能单独使用,但能提高控制系统 的稳定性,有效地减少被调量的动态偏差。
PID控制是比例积分微分控制的简称。 是一种负反
馈控制。即控制器与广义被控对象构成的系统为闭环负
反馈系统。其作用是对输入偏差进行调节，从而缓解系
统的不平衡，使系统输出稳定。
控制器包括求偏差
控制器
和控对象 被调量y
1
比例调节
比例调节（P）： • 输出变化量与输入变化量成正比的调节器。 • 实质是典型环节的比例作用。
2
积分调节
积分调节：
动态方程： 1 edt
Ti
传递函数：
WI
1 Ti s
式中： Ti ——积分时间常数
• 只有当误差为0，调节器开度才能够保持不变。
• Ti 越小，输出的变化作用越快，积分作用越强。
• t0~t1 H>G，e<0，水位上升； 流入量大于流出量； 积分输出持续减小； 关小流入侧阀门；
• 特点： • 微分作用具有超前调节的特点 • 能提高控制过程的稳定性（减小了动态偏差） • 同样存在静态偏差 • 不能单独使用，而是和P调节配合使用，构成 PD调节。
PID调节特点分析
• P调节器输出与偏差成正比，目 的是减小偏差；I调节器的输出 与偏差的正负有关，目的是消 除偏差；D调节器输出与偏差的 变化速度有关，目的是减小流 入流出量差值，减小动态偏差。
• 传递函数
令
Kp
1
Wp
1
——调节器比例带
W Kp
比例带越大， 调节作用越弱
δ的物理意义：使调节阀开度改变100%（即从全关到全开）所需要的被调量的变化范围。
• 组成：
• 被调对象：单容水 箱
• 调节机构：流入侧 阀门
• 检测器：浮子 • 调节器：杠杆 • 执行器：阀门杆
被调量：水位H 调节量：流入量q1