调节规律与调节控制回路
控制回路工作原理
控制回路工作原理控制回路是一种电路系统，用于实现对电子设备或系统的精确控制。
它通过采集输入信号，经过一系列的处理和放大，再输出控制信号以调节设备或系统的运行状态。
下面将详细介绍控制回路的工作原理。
控制回路通常由以下几个基本组件组成：传感器、比较器、执行器和反馈路径。
首先，传感器用于检测所要控制的对象的状态或参数，并将其转换成电信号。
这些传感器可以是温度传感器、压力传感器、光传感器等，根据具体应用的不同而变化。
接下来，传感器输出的信号进入比较器。
比较器是一个电路，它将传感器信号与设定值进行比较，以确定是否需要进行控制。
比较器的输出可以是一个简单的二进制信号，表示是否达到设定值，或者是一个连续的模拟信号，表示传感器信号与设定值之间的差异。
然后，输出信号经过放大和处理，以适应执行器的工作要求。
执行器可以是电动机、伺服系统、阀门等，根据具体控制目标的不同而选择不同的执行器。
执行器接收来自控制回路的信号，并根据信号的大小和方向来调节设备或系统的工作状态。
在控制过程中，通过反馈路径将执行器的输出信号重新引入到控制回路中。
反馈路径通常包括传感器、比较器和放大器，以保持控制的稳定性和准确性。
通过不断监测和校正实际输出与期望输出之间的差异，控制回路可以实现对设备或系统的精确控制。
总结起来，控制回路的工作原理可以简单描述为：通过传感器采集输入信号，并与设定值进行比较；通过比较器输出信号，经过放大和处理后驱动执行器；执行器的输出信号再通过反馈路径重新引入到控制回路中，形成一个闭环，实现对设备或系统的控制。
需要注意的是，在设计和应用控制回路时，需要考虑稳定性、响应速度、精确性等因素，并合理选择和调整各个组件的参数和工作方式，以满足具体的控制要求。
第三节调节器的调节规律及其实现方法
e0 te 0ut01e δ第三节 调节器的调节规律及其实现方法自动控制系统的调节质量取决于它的动态特性，即取决于组成控制系统的控制对象和调节设备的动态特性。
控制对象的动态特性一般是难以人为改变的。
所以，对于对象结构一定的控制系统，调节过程质量的好坏主要取决于控制系统的结构形式和调节器的动态特性。
调节器的动态特性也称为调节器的动作规律，是调节器的输入信号（一般为被调量的偏差信号）与输出信号（一般代表了执行机构的位置）之间的动态关系。
为了得到一个满意的调节过程，必须根据控制对象的动态特性确定控制系统的结构形式，选择调节器的动作规律，使自动控制系统有一个较好的动态特性。
一、调节器的调节规律1、比例调节规律（P ）所谓比例调节规律，是指调节器输出的控制作用u (t )与其偏差输入信号e (t )之间成比例关系，即)()(t e K t u p =（1-11）式中 K p ——比例增益。
比例调节器的传递函数：p p K s E s U s G ==)()()( （1-12）工程中，常用比例带δ来描述其控制作用的强弱，即：pK 1=δ （1-13）其物理意义是在调节机构的位移改变100%时，被调量应有的改变量，如δ=20%时，则表明调节器输出变化100%时，需要其输入信号变化20%。
比例调节器的阶跃响应曲线如图1-18所示。
比例调节器输出控制作用u (t )将与偏差e (t ) 成比例地变化，而且几乎是同时产生的。
控制作用的变化目的是调节进入对象的流入量，消除不平衡流量，使被调量回到原来的值上。
从这一点看，比例调节规律的特点之一就是调节及时、迅速。
还可看出，在∞→t时调节过程结束，但偏差信号e (t )仍存在；换言之，调节过程结束时被调量的偏差仍未完全消除。
因为采用比例调节规律的调节器，其输出的控制作用大小与偏差大小成比例关系，一定大小的控制作用是抵消扰动的影响，使系统重新稳定下来的保证。
在系统受到扰动后，被调量偏离了其给定值，而出现偏差，调节器的调节使系统再次进入稳定状态，但偏差或大或小还要存在，否则偏差为零，控制作用也随之消失，干扰信号的存在eue 0tt图1-19 积分调节器的阶跃响应曲线就不可能使系统稳定下来。
控制系统的分类
控制系统的分类控制系统的分类有三种方法：以自动控制方式分类、以参于控制方式分类、以调节规律分类。
一、以自动控制方式分类1、开环控制系统若计算机开环控制系统的输出对生产过程能行使控制，但控制结果---生产过程的状态没有影响计算机控制的系统，计算机\控制器'生产过程等环节没有构成闭合环路，则称之为计算机开环控制系统.生产过程的状态没有反馈给计算机，而是由操作人员监视生产过程的状态，决定控制方案，并告诉控制计算机使其行使控制作用。
2、闭环控制系统计算机对生产对象或过程进行控制时，生产过程状态能直接影响计算机控制的系统，称之为计算机闭环控制系统。
控制计算机在操作人员监视下，自动接受生产过程状态检测结果，计算并确定控制方案，直接指挥控制部件(器)的动作，行使控制生产过程作用。
在这样的系统中，控制部件按控制机发来的控制信息对运行设备进行控制，另一方面运行设备的运行状态作为输出，由检测部件测出后，作为输入反馈给控制计算机；从而使控制计算机'控制部件' 生产过程\检测部件构成一个闭环回路。
我们将这种控制形式称之为控制计算机闭环控制。
计算机闭环控制系统，利用数学模型设置生产过程最佳值与检测结果反馈值之间的偏差，控制达到生产过程运行在最佳状态。
3、在线控制系统只要计算机对受控对象或受控生产过程，能够行使直接控制，不需要人工干预的都称之为控制计算机在线控制或称联机控制系统。
4、离线控制系统控制计算机没有直接参于控制对象或受控生产过程。
它只完成受控对象或受控过程的状态检测，并对检测的数据进行处理；而后制定出控制方案，输出控制指示，操作人员参考控制指示，人工手动操作使控制部件对受控对象或受控过程进行控制。
这种控制形式称之为计算机离线控制系统。
5、实时控制系统控制计算机实时控制系统是指受控制的对象或受控过程，每当请求处理或请求控制时，控制机能及时处理并进行控制的系统，常用在生产过程是间断进行的场合。
PID参数调节原理和整定方法(1)
PID参数调节原理和整定方法
CS3000系统PID参数整定方法
增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静 差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系 数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳 定性变坏。
增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使 系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。
因此希望优秀的工艺人员与用心的仪表人 员共同努力，共同提高我们国际化的大石 化自控率，同时也为减轻大家的劳动强度。
PID参数调节原理和整定方法
CS3000 仪表面板
位号
位号注释
功能块模式 测量值
位号标志 报警状态
设定值
输出值
输出指针 测量值棒状图
工程单位
测量值上限 报警设置 设定值指针
测量值下限
PID参数调节原理和整定方法
CS3000 仪表面板
输出值指针 设定值指针 功能块模式 报警状态 位号 位号注释 位号标志 测量值棒状图 测量值上下限 工程单位
P比例调节
P：比例调节
在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例， 即 u = Kc e （kc称为比例增益）
但在实际控制中习惯用增益的倒数表示 δ =1 / kc (δ称为比例带)
不同的DCS使用不同的参数作为P的调节参数，以CS3000 为例，选用δ 比例带为调节参数，单位％。可以理解为：
P：比例带；值越大，作用越弱。单 位：%
I：积分时间；值越大，作用越弱， 单位：分钟（m）
D：微分时间；值越大，作用越强， 单位：分钟（m）
PID参数含义均与CS3000一致，但要 注意积分和微分时间，为分钟。
手动/自动 切换
3、调节器的调节规律及其对控制过程的影响
1 K K C t lim S t T1T2 S 2 T1 T2 S 1 K P K S 1 K P K S 0
上式表明，在系统受到扰动后，调节过程结束，被调量仍存
在稳态偏差K/(1+Kp· K)，只是比无调节作用时减小。偏差大小与
+ -
调节器
执行器
变送器
图３-1
控制系统组成原理框图
实际中，在系统分析时又往往将执行器（包括调节阀）、对
象及变送器称为“广义对象”，这样就形成如图3-2所示的控制系 统组成方框图。
扰动 r +
d
调节器
广义对象
c
图3-2 控制系统等效原理框图
在上图中，基本的闭环控制系统由调节器和“广义对象” （下称对象）两部分组成；除调节阀对对象的扰动作用外，其他
比例带成正比。
第三节 积分调节规律及其对调节过程的影响
一、积分调节规律
积分调节规律:调节器输出控制作用u(t)与其偏差输入信号
e(t)随时间的积累值成正比,即：
u (t ) 1 Ti
e(t )dt
传函为：WI
S T
1
i
S
积分调节器的阶跃响应如图3－7所示:
e(t)
E
u(t)
E t Ti t
点，从而克服了单纯比例作用时不能消除偏差的缺点和单纯积分
作用时控制不及时的缺点。
四、单容对象配比例积分调节器的控制过程
R(s)
+
-
1 k p (1 ) Ti s
+
+
D(s)
K 1 T S
C(s)
图3-10
PI控制系统传递方框图
《自动化仪表与过程控制》练习题及参考答案
《⾃动化仪表与过程控制》练习题及参考答案1、过程控制系统⼀般由控制器、执⾏器、被控过程和测量变送等环节组成。
2、仪表的精度等级⼜称准确度级，通常⽤引⽤误差作为判断仪表精度等级的尺度。
3、过程控制系统动态质量指标主要有衰减⽐n 、超调量σ和过渡过程时间t s ；静态质量指标有稳态误差 e ss 。
4、真值是指被测变量本⾝所具有的真实值，在计算误差时，⼀般⽤约定真值或相对真值来代替。
5、根据使⽤的能源不同，调节阀可分为⽓动调节阀、电动调节阀和液动调节阀三⼤类。
6、过程数学模型的求取⽅法⼀般有机理建模、试验建模和混合建模。
7、积分作⽤的优点是可消除稳态误差( 余差)，但引⼊积分作⽤会使系统稳定性下降。
单闭环⽐值控制、双闭环⽐值控制和8、在⼯业⽣产中常见的⽐值控制系统可分为变⽐值控制三种。
9、Smith 预估补偿原理是预先估计出被控过程的数学模型，然后将预估器并联在被控过程上，使其对过程中的纯滞后进⾏补偿。
10、随着控制通道的增益K0 的增加，控制作⽤增强，克服⼲扰的能⼒最⼤，系统的余差减⼩，最⼤偏差减⼩。
11、从理论上讲，⼲扰通道存在纯滞后，不影响系统的控制质量。
12、建⽴过程对象模型的⽅法有机理建模和系统辨识与参数估计。
13、控制系统对检测变送环节的基本要求是准确、迅速和可靠。
14、控制阀的选择包括结构材质的选择、⼝径的选择、流量特性的选择和正反作⽤的选择。
15、防积分饱和的措施有对控制器的输出限幅、限制控制器积分部分的输出和积分切除法。
16、如果对象扰动通道增益K f 增加，扰动作⽤增强，系统的余差增⼤，最⼤偏差增⼤。
17、在离⼼泵的控制⽅案中，机械效率最差的是通过旁路控制。
⼆、名词解释题答：衰减⽐n定义为：n B1 B2衰减⽐是衡量系统过渡过程稳定性的⼀个动态指标。
为保证系统⾜够的稳定程度，⼀般取衰减⽐为4:1～10:1。
2、⾃衡过程答：当扰动发⽣后，⽆须外加任何控制作⽤，过程能够⾃发地趋于新的平衡状态的性质称为⾃衡性。
自动调节器典型调节规律及调节过程分析
第八章 调节器调节规律及其对过程影响第一节 自动调节器典型调节规律及调节过程分析调节器的基本调节规律是模拟运行人员的基本操作，是运行人员调节动作精华的总结。
选择合适的调节器动作规律是热工自动人员的职责范畴，但运行人员如果能理解各种动作的调节过程，就能够使用好相应的自动调节系统。
自动调节的目的是要及时准确地进行调节，前面我们已经讲到基本环节由比例、积分、惯性、微分、迟延组成。
因为惯性、迟延环节不符合及时准确的要求，所以我们可考虑的就只有比例、积分、微分这三种特性了（积分、微分调节规律一般不能单独使用）。
自动调节器的典型动作规律按照环节特性可分为比例（P ）、比例积分（PI ）、比例微分（PD ）、比例积分微分（PID ）。
一、典型调节规律1. 比例（P ）调节规律比例调节作用简称为P 作用，是所有调节器必不可少的一种典型调节作用。
P 作用实质上就是典型环节中的比例作用。
不过这个环节一般用电子元件构成的电路来实现，其输入输出都是电信号。
比例环节的传递函数P K W =，P K 称为比例环节的比例放大系数；而在比例（P ）调节作用中，传递函数习惯上表示成δ1=P W ， （8-1） 式中 PK 1=δ——调节器的比例带（比例度），δ越大，比例作用越弱。
下面以如图8-1所示的采用浮子式比例调节器的水位调节系统为例，说明比例调节器的调节规律。
该系统的被调对象是有自平衡能力的单容水箱；浮子起到检测器的作用，用于感受水位的变化；比例调节器就是杠杆本身，杠杆以O 点为支点可以顺时针或逆时针转动。
给定值的大小与给定值连杆的长短有关；选择流入侧阀门作为调节阀，由调节器来控制它的开度变化。
当某种扰动使水位升高时（说明此时流入量1q ＞流出量2q ），浮子随之升高，通过杠杆作用使阀门芯下移，关小调节阀，流入量1q 减小直至等于流出量2q 。
反之，当某种扰动使水位降低时（说明此时流入量1q ＜流出量2q ，浮子随之降低，通过杠杆作用使阀门芯上移，开大调节阀，流入量1q 加大直至等于流出量2q 。
调节器的作用规律
第3节调节器的调节规律调节器输入是被控量的e ，调节器的输出是控制量P，作用规律为P= f（e）。
根据调节器的输出变化方向分类：e>0，P>0，正作用调节器；e>0，P<0，反作用调节器。
比例P三种基本调节规律积分I 组成5种实用调节规律：微分D双位调节规律、比例调节规律P、比例积分调节规律PI、比例微分调节规律PD、比例积分微分调节规律PID。
第3节调节器的调节规律•调节器输入是被控量的e ，调节器的输出是控制量P，作用规律为P= f（e）。
•根据调节器的输出变化方向分类：•e>0，P>0，正作用调节器；•e>0，P<0，反作用调节器。
•比例P•三种基本调节规律积分I 组成5种实用调节规律：•微分D•双位调节规律、比例调节规律P、比例积分调节规律PI、比例微分调节规律PD、比例积分微分调节规律PID。
一、双位调节规律•一、概念：•调节器的输出只有两个状态，它不能使被控参数稳定在某个值上。
•当被控参数下降到下限值时，调节器的输出接通电机电源使电机转动或使电磁阀通电阀门全开。
•当被控参数上升到上限值时，调节器的输出使电机断电停转或使电磁阀断电阀门全关。
•当被控参数在上、下限之间变化时，调节器的输出状态不变。
1.辅锅炉浮子式水位控制系统图1.12 浮子式水位双位调节器❖❖画出了采用浮子式对锅炉水位进行双位控制的原理图。
在锅炉外面的浮子室有气管和水管分别与锅炉的汽空间和水空间相通，故浮子室内水位与锅炉水位一致。
浮子与水位同步变化，浮子杆绕枢轴4转动，通过上、下锁钉5带动调节板3转动，调节板右边磁铁也跟随着转动，当水位达到上限值附近时，浮子杆与上面的销钉相接触，并带动调节板及永久磁铁12绕枢轴4顺时针转动，使磁铁12转至与同极性永久磁铁6在同一直线上时，由于同极性互相排斥，永久磁铁6立即被向上弹开，动触头11立即与静触头7断开，切断电机电源，给水泵停转，停止向锅炉供水。
PID调节器控制规律
1. 比例作用 (P作用)
动态方程式： K pe
传递函数为：
Wp (s)
s Es
Kp
特点为：
比例作用的比例系数
（1）无惯性、无迟延、动作快,而且调节动作的方向正确, 在控 制系统中是促使控制过程稳定的因素；
（2）有差作用
一、基本调节作用
2. 积分作用(I作用)
t
动态方程式： KI
知识点一：DDZ仪表的发展历程
2、DDZ—Ⅱ型系列 六七十年代晶体管 ；0～10mA DC统一标准信 号；标准化、系列化和通用化
3、DDZ—Ⅲ型系列
七八十年代；线性集成电路；4～20mA DC(或 1—5V DC) ；24V DC电源的集中统一供电
例.典型的控制回路
前馈信号 给定值
A
f(x) ＰＩ调节器
比例增益KP和比例度
比例增益KP是比例调节器输出变化量u与偏差e之比：
u Kp e
KP越大，比例作用越强，KP越小比例作用越弱。
KP越大 越小 比例作用越强。
二、调节器的控制规律
2. 比例积分(PI)调节器
动态方程为 ： K p KI
t 0
edt
K p (e
斜坡响应曲线: de
e dt
0
e0 t
0
t
Td
Td 2
Td
0
e0
t
(a)
1
0
导前时间
Td
(b)
a
Td
t
比例微分控制作用
比例微分(PD)控制由比例和微分二种控制作用组合而成
从右图中可以看出，当输入为斜坡曲线时，微分控制起到了超前的作 用，即：调节器输出比输入超前Td时间
第3节 调节器及其调节作用规律
在调节器上有两个旋钮，一个是比例带调整旋钮，另一个
是微分时间调整旋钮。如果把微分时间旋钮调整到Td=0 ， 相当于切除微分作用，这时调节器就成为纯比例调节器。一 般来说，控制对象惯性很小的控制系统，其所采用的调节器 可不加微分作用。而控制对象惯性大的控制系统，加入微分 作用，可以有效地改善控制系统的动态过程。在调节器中， 加进微分作用后，其比例带PB可比纯比例控制时略小些。因 为微分作用能实现超前控制，具有抵制偏差出现的能力，尽
服的缺点
• 显然比例作用规律中，如果放大倍数K较大（比例作用越 强），那么稳态时只要有一个较小的静态偏差，调节阀就 会有一个较大的开度变化以适用负荷的要求。因此，K越 大，稳态时静态偏差越小，反之亦然。但不可能通过无限 制地增加比例系数的方法来达到消除静态偏差的目的，而 且当比例系数大到一定程度时将导致系统发生振荡。 • 比例控制系统虽然存在静态偏差，但这个偏差值是不大的 ，与自平衡对象受到扰动后，靠自平衡能力使被控量自行
水位才会稳定在比给定水位略低的值上。相反，若突然关小
出水阀，出水流量阶跃减少（即减少水柜的负荷），水位连 同浮子和浮子杆一起上移，通过杠杆作用使调节阀关小，减
Байду номын сангаас
少给水流量，直到为止，水位又会稳定在比给定值略高的值
上。当对水柜施加扰动（出水阀开度变化）后，水位的实际 值（浮子的位置）偏离给定水位的数值就是偏差值。
1.浮子式水位双位控制系统
在调节板上对应浮子杆的上、下限位置各有三个销钉孔， 调整上、下销钉5的位置，可调整水位的上、下限值，但如 果把上、下销钉之间的距离调整得太小，虽然可以减小水位 的波动范围，但将导致电机起停频繁，这是不利的。
2.双位式压力调节器（压力开关）
调节器及其调节规律
t
3.1.2
基本比例控制（续6）
积分控制的特点
当有偏差存在时，积分输出将随时间增长（或减小）；当偏差消 e 失时，输出能保持在某一值上。
E
t
积分作用具有保持功能，故积分 控制可以消除余差。 积分输出信号随着时间逐渐增强 ，控制动作缓慢，故积分作用不单独使 用。
y
t
3.1.2
基本比例控制（续7）
简介（续）
2．气动仪表 以 140kPa 的气压信号作为工作能源，其输入输出信号均采用 20～100kPa的标准气压信号。 3．自力式仪表
Q1
不需要专门提供工 作能源。 例：自力式液位调 节器
h Q2
3.1
3.1.1
调节规律
概述
调节器根据被调量y 与规定值r的偏差信号e (或再加上一些补充 信号)而使执行机构按一定规律(即控制规律)动作,从而引起调节机关位置 μ的变化。调节器输入量为偏差e, 输出量为调节机关位置, 动态特性是指 调节器的输出量与输入量的动态关系, 常称作调节器的控制规律。常用的 调节器按其控制规律可分为比例调节器、比例积分调节器、比例微分调 节器、比例积分微分调节器。这些调节器的控制规律都是由基本调节作 用比例、积分、微分组合而成。
3.1.2 基本比例控制（续4）
比例带P的物理意义：
使控制器输出变化 100% 时，所对应的偏差变化相对量。如 P=50% 表明：
y
100%
P=50%
50%
P=100%
0
控制器输入偏差变化50% ， 就可使控制器输出变化100%， 若输入偏差变化超过此量，则 控制器输出饱和，不再符合比 例关系。
xmin
或变化的瞬间，微分立即产生强烈的调 节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态
调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制
先是比例后积分，最后再把微分加
曲线振荡很频繁，比例度盘要放大
曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳
曲线偏离回复慢，积分时间往下降
曲线波动周期长，积分时间再加长
曲线振荡频率快，先把微分降下来
动差大来波动慢。微分时间应加长
理想曲线两个波，前高后低4比1
5、PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。
化工自动化基础知识
化工自动化基础知识一、自动调节系统一个简单调节系统主要由调节对象、测量装置、调节器及调节阀组成。
比较机构比较机构是调节器内部的一个比较环节，对给定值与测量值进行比较获得一个偏差信号e, 即e = x -z o给定值x大于测量值z时称为正偏差，而给定值x小于测量值z时称为负偏差。
“反馈”是自动调节系统中的一个重要特性。
反馈是指反送的意思。
从上图中可看出，调节器一方面通过调节阀把调节作用施加到调节对象上，使被调参数回到给定值。
另一方面，调节对象又将被调参数的信号通过测量装置送回到调节器的输入端一比较机构，这个信号可以使调节器在发生调节作用后，了解调节效果，即偏差是否已减弱，直至消失，是否还需要继续调节。
将被调参数的信号反送到调节器的比较机构，这条通道就称为反馈回路，简称反馈。
它的方向与主回路信号的方向相反，这种反馈就称为“负反馈”。
调节系统的反馈都是负反馈，在调节系统中，只能采用负反馈作用才能克服干扰，使被调参数回到给定值。
二、自动调节系统的过渡过程自动系统受到干扰影响后，由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程叫做自动调节系统的过渡过程。
自动调节系统的过渡过程的衡量指标（1）最大偏差，（2）衰减比，一般衰减比取4：1较合适，通常控制在4-10之间，（3）余差，三、基本调节规律1比例调节△P=kp e（1）比例调节非常及时，只要有偏差变化信号输入，立即就有信号输出。
（2）比例调节存在余差。
2积分调节规律△P=Ki / e dt 一般用积分时间表示积分作用的强弱，Ti=1/Ki（1）积分调节能消除余差，起再调节作用•（2）调节动作是缓慢增加的过程•3微分调节规律△P=Td. de/dt微分调节规律的特点就是具有超前调节作用，抑制被调参数变化速度•四、组合式调节规律比例调节、积分调节和微分调节各有特点，在实际调节系统中选用保种调节规律往往要根据被调参数的特性和设备情况，一般采用单一调节规律，而是几种调节规律结合起来，将各种调节规律的优点综合在一起，取得满意的调节效果。
计算机控制系统作业参考答案
《计算机控制系统》作业参考答案作业一第一章1.1什么是计算机控制系统？画出典型计算机控制系统的方框图。
答：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制. 控制系统中的计算机是由硬件和软件两部分组成的.硬件部分: 计算机控制系统的硬件主要是由主机、外部设备、过程输入输出设备组成; 软件部分: 软件是各种程序的统称，通常分为系统软件和应用软件。
图1.3-2 典型的数字控制系统1.2.计算机控制系统有哪几种典型的类型？各有什么特点。
答：计算机控制系统系统一般可分为四种类型：①数据处理、操作指导控制系统；计算机对被控对象不起直接控制作用,计算机对传感器产生的参数巡回检测、处理、分析、记录和越限报警，由此可以预报控制对象的运行趋势。
②直接数字控制系统；一台计算机可以代替多台模拟调节器的功能，除了能实现PID调节规律外, 还能实现多回路串级控制、前馈控制、纯滞后补偿控制、多变量解藕控制，以及自适应、自学习,最优控制等复杂的控制。
③监督计算机控制系统；它是由两级计算机控制系统：第一级DDC计算机, 完成直接数字控制功能；第二级SCC计算机根据生产过程提供的数据和数学模型进行必要的运算，给DDC计算机提供最佳给定值和最优控制量等。
④分布式计算机控制系统。
以微处理机为核心的基本控制单元，经高速数据通道与上一级监督计算机和CRT操作站相连。
1.3.计算机控制系统与连续控制系统主要区别是什么？计算机控制系统有哪些优点？答：计算机控制系统与连续控制系统主要区别：计算机控制系统又称数字控制系统,是指计算机参与控制的自动控制系统,既:用计算机代替模拟控制装置,对被控对象进行调节和控制。
与采用模拟调节器组成的控制系统相比较，计算机控制系统具有以下的优点：(1)控制规律灵活，可以在线修改。
(2)可以实现复杂的控制规律，提高系统的性能指标.(3)抗干扰能力强，稳定性好。
《过程控制与自动化仪表(第3版)》第6章 思考题与习题
第6章 思考题与习题1．基本练习题（1）与单回路控制系统相比，串级控制系统有什么结构特点？ 答：串级控制系统在结构上增加了一个测量变送器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。
由于副回路的存在，使得控制效果得到了显著的改善。
（2）前馈控制与反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈控制系统能改善控制品质？答：前馈控制的特点：开环控制、比反馈控制及时、可以作为专用调节器。
反馈控制的特点：属于闭环控制、可以抑制干扰对被控对象的影响、能够使被控参数稳定在设定值上保证系统的较高控制质量。
采用前馈－反馈控制系统能改善控制品质是因为该复合控制系统一方面利用前馈控制制及时有效的减少干扰对被控参数的影响；另一方面则利用反馈控制使参数稳定在设定值上，从而保证系统有较高的控制质量。
（3）前馈控制系统有哪些典型结构形式？什么是静态前馈和动态前馈？答：静态前馈：是指前馈补偿器的静态特性，是由干扰通道的静态放大系数和控制通道的静态放大系数的比值所决定的，它的作用是使被控参数的静态偏差接近或等于零，而不考虑其动态偏差。
动态前馈：必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性加以确定，鉴于动态补偿器的结构复杂，只有当工艺要求控制质量特别高时才需要采用动态前馈补偿控制方案。
（4）单纯前馈控制在生产过程控制中为什么很少采用？ 答：因为前馈控制做不到对干扰的完全补偿：1）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响。
对不可测的干扰则无法实现前馈控制；2）在实际生产过程中，影响被控参数变化的干扰因素是很多的，不可能对每一个干扰设计和应用一套前馈补偿器；3）前馈补偿器的数学模型是由过程的动特性()F G s 和0()G s 决定的，而()F G s 和0()G s 的精确模型是很难得到的；即使能够精确得到，由其确定的补偿器在物理上有时也是很难实现的。
（5）简述前馈控制系统的选用原则和前馈控制系统的设计。
答：1）前馈控制系统的选用原则为：a）当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可控的干扰、反馈控制又难以克服其影响、工艺生产对被控参数的要求又十分严格时，为了改善和提高系统的控制品质，可以考虑引入前馈控制。
第五章第三节 调节器及其调节作用规律
比例作用规律
气 动 比 例 调 节 器
比例作用规律
• 设定测量值变化为△P测，调节器的输出变 化为△P出，由于给定值没有变，即给定力 矩的变化为0，杠杆平衡原理有： • △P测*F测L2+△P出△F反L3=0 • F测和F反分别是测量波纹管和反馈波纹管 的横截面积， L2和L3分别是测量力臂和反 馈力臂。 • 因此有：
第三节
调节器及其调节作用规律
调节器的作用规律
• 调节器的作用规律：1、双位式作用规律。 2、比例作用规律。3、比例积分作用规律。 4、比例微分作用规律。5、比例积分微分 作用规律。
一、位式调节器
• 特点：调节器只有俩个输出状态。它不能 使被控量稳定在某个值上。但能把被控量 控制在某个范围之内。
位式作用规律
de(t ) p(t ) Sd * dt
• Sd为微分系数 • 其作用规律如图：
比例微分调节器
实际微分作用的输出特性
比例微分调节器
• 二、比例微分作用规律： • 比例微分作用规律是在比例作用规律的基础 上加入微分作用而得到的一宗作用规律：
de(t ) de(e) p(t ) Ke(t ) Sd K [e(t ) Td ] dt dt
YT-1226型压力调节器
比例作用规律(propotion)
• 调节器的作用规律：
P(t ) K * e(t )
• K为放大倍数，输入相通的偏差e(t)，放大倍数越大， 输出量越大。反之越小。 • 以下图为例讲解比例作用的调节过程
比例作用规律
比例作用规律
• 比例作用的特点：能够较及时的反应被控 制对象负荷的大小。负荷变化大，偏差大， 阀的开度就大，对被控量控制比较及时。 • 比例调节的缺点：当对象受到挠动后，被 控量不能回到给定值上来，只能回复到给 定值附近。被控量稳态值于给定值之间从 在较小的静态偏差。这是比例调节器固有 的不可克服的缺点。因为调节器的输入与 输出存在一一对应的硬性关系。
第3章 调节器的控制规律和单回路控制系统
能源与动力工程学院
二、调节器的控制规律
调节器根据被调量y与给定值r之间的偏差e（输入量）,
输出调节机构控制信号（输出量）,从而引起调节机构位置μ 的变化，使被调量最终等于给定值。调节器的输出量与输入 量之间的动态关系, 称作调节器的控制规律。调节器和被控 对象组成的一个闭合控制回路如下图所示： λ
能源与动力工程学院
e Δe0 o μ t o μ
2
e0
e
de a dt
e Δe0 t
a T d KD 1 e0 a Td
o μ
KD 1 0.632 e0
e0
t
1
o
(a)Leabharlann toTd (b)
t
o
TD
t
(c)
比例微分（PD）调节器响应曲线
能源与动力工程学院 上图中（c）所示为实际比例微分（PD）调节器的阶跃响应 曲线，其动态方程为：
确定调节器正、反作用的次序一般为：首先根据生产过程 安全等原则确定调节阀的形式、测量变送单元的正反特性，然 后确定被控对象的正反特性，最后确定调节器的正反作用。 确定调节器正、反作用的原则：组成系统的各环节静态放 大系数极性相乘必须为负值（构成负反馈的条件）。
能源与动力工程学院
单回路系统注意事项：
在。因此比例微分调节器不能消除被调量的稳态偏差,是
一种有差调节器。
能源与动力工程学院
对下图所示单回路系统，保持控制对象不变化，当调节器 分别采用P、PD控制时，若保证稳定性相同（ψp= ψ PD=0.75）
r + e WT (s)
调节器
VT
W0 (s)
*
Vm
试分析比例带δp 、δ PD ，静态偏差eP(∞)、 ePD(∞)，动态偏 差eP(m)、 ePD(m)的大小。
调节器及调节作用规律
引言
两种类型 调节器
正作用式
随着测量值的增加， 调节器的输出也增加
反作用式
随着测量值的增加， 调节器的输出减小
DLMU
引言
调节器研究的两个方面：
1. 作用规律：p(t)=f(e(t))，即传递函数的结构。也称控制规律或调节规律。 2. 作用强度：每一种控制规律的控制强度。反映在传递函数中，如比例系数、积分时间、
DLMU 例3： 气动比例调节器
§1-3-2 比例作用规律
喷嘴挡板
反馈波纹管
M设M测M反
杠杆
设定 弹簧
气源 放大器
支点
测量值
输出
测量波纹管
§1-3-2 比例作用规律 DLMU 假设给定值没有变化，即M设=0 ，则：
p 测 F 测 l2 p 出 F 反 l3 0
p出p测 F反 F 测 l3l2 Kp测
§1-3-1双位作用规律 DLMU 被控量在设定的上限和下限之间变化，调节器的输出只有两个状态（0或1）。
例1 浮子式锅炉水位的双位控制系统 被控量输出曲线
被控量
开 执行机构
关
动作范围
水位与电动机通断之间的关系图
p (t)
1
e m in e m ax e ( t )
双位作用规律
§1-3-1双位作用规律
p /X O m a x
X im a x p
K
R为量程系数，在单元组合仪表中，R=1，则PB=1/K×100%。
例： (65C 60C ) /(100C 50C ) 100% 32% (10mA 5mA) /(20mA 4mA)
当控制器的输出作100%（全行程，如阀开--关）变化时，其输入量变化（数值上等于被控量的 变化）的百分数。
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(2)、采样控制系统
采样控制属离散控制，其测量和控制作用是通过采样开关每隔一定时间进行一次，这种断续的控制方法称为采样控制。由于采样控制中调节器的输出是断续的，为了在采样开关断开以后，调节阀仍能继续保持它的采样时刻的位置不变，因而须设置零阶保持器，以保持调节器的输出不变，采样控制系统方框图如下图所示：
采用非线性调节器可以较好地解决这一问题。非线性调节器是在基型调节器的基础上增加了一个非线性单元，其输出特性如图b:
-
-
-
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
-
-
由图b可见，在控点r点附近的一个区域内，比例增益大幅度降低，这个区域称为不灵敏区，在不灵敏区内，比例增益的衰减系数增大，在不灵敏区外，比例增益恢复原值。由此可见，采用非线性调节器后，可使组合后的开环特性基本接近线性，或使组合后的开环特性在pH为4—10的区段内较为平缓，可大大改善pH控制系统的调节品质。
微分调节依据“偏差变化速度”来动作，它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象有很好的效果。它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小（但不能消除）。它用微分时间Td来表示其作用的强弱，Td大，作用强，但Td太大，也会引起振荡。
2、比例（P）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID）调节规律的适用场合？
(2)、根据下表所示经验公式求出调节器的各参数。
参数
调节规律
比例度
（%）
积分时间
（min）
微分时间
(min)
P
2δk
PI
2.2δk
0.85 Tk
PID
1.7δk
0.5 Tk
0.125 Tk
3）、在调节器上，取稍大于求得的比例度值，再依次调整所需的积分时间和微分时间，最后把比例度值放到求得的值上。如果记录曲线不委理想时，再适当调整调节器的各参数。
流量与液体压力
气体压力
液位
温度与蒸汽压力
成分
纯滞后
没有
没有
大部分没有
随流量而变
固定不变
容量
多容、时间常数小
单容
单容或双容
多容
多容—几十分
几分—几十分
对象增益
线性、非线性
线性
线性
非线性
线性、非线性
测量噪声
有
无
有
无
有时有
选用调节器
PI
PI或P
PI或P
PID
PID
选用调节阀
直线、等百分比
直线
直线
等百分比
等百分比
6、具有比例（P）+积分（I）+微分（D）【简称PID】调节器的调节系统，如何进行参数整定？
具有PID调节器的调节系统，采用临界比例度法进行参数整定，整定步骤如下:
(1)、调节系统稳定后，将积分时间放到最大，微分时间放到零，然后逐步将调节器比例度减小，观察在给定量提升或干扰量改变时的过渡过程情况。如果调节过程是衰减性振荡，则应把比例度继续放小；如果调节过程是发散，振荡加剧，则应把比例度放大，直到持续四、五次等幅振荡为止。记下此时的临界周期Tk。
(3)、非线性控制系统
非线性控制是一种比例增益可变的控制作用，常用于具有严重非线特性的工艺对象，如pH值的控制等。
化工生产中经常碰到pH值的控制问题，如用pH值控制某个化学反应的终点，用pH值控制废水的中和过程等。PH对象具有严重的非线性。酸碱浓度差与pH值的对应关系如图a：
10
6
2
0
0.005 0 -0.005
对于压力、流量等被调参数来说，对象调节通道时间常数T0较小，而负荷又变化较快，这时微分作用和积分作用都要引起振荡，对调节质量影响很大，故不采用微分调节规律。
而对于温度、成分等测量通道和调节通道的时间常数较大的系统来说，采用微分规律这种超前作用能够收到较好的效果。
5、各类常见调节系统的特点
调节系统
特点
采样开关
给定RP
+ e m
-测量C
采样控制系统的方框图
采样控制用于下述两类场合：一类是被控变量的测量信息本身是断续的，如工业色谱仪输出的分析测量数据，或用计算机进行直接数字控制（DDC）时，计算机输入的被控变量信息等；另一类是具有特大纯滞后的工艺对象。
采样控制的工作原理：采样调节器原采样周期为T，采样开关接通的时间为Δt，则零阶保持器的保持时间为T-Δt。调节器控制作用为比例积分，则采样调节器只有在Δt时间内才起比例积分控制作用。
7、几种重要的非常规调节系统
非常重要的非常规调节系统有:
(1)、分程调节系统
分程调节系统就是一个调节器同时控制两个或两个以上的调节阀，每一个调节阀根据工艺的要求在调节器输出的一段信号范围内动作。设置分程调节系统的主要目的是扩大可调范围，有以下特点：
a、改善调节品质，改善调节阀的工作条件
b、满足开停车时小流量和正常生产时的大流量的要求
3、微分（D）调节规律的作用?
由于微分（D）调节规律有超前作用，因此调节器加入微分作用可以：克服调节对象的惯性滞后（时间常数T）、容量滞后（τc）；但微分作用不能克服调节对象的纯滞后τ0，因为在τ0时间内，被调参数的变化速度为零。
4、压力、流量的调节为何不选用微分调节？而温度、成分调节多采用微分调节？
比例（P）调节规律适用于负荷变化较小，纯滞后不太大而工艺要求不高又允许有余差的调节系统。
比例积分（PI）调节规律适用于对象调节通道时间常数较小，系统负荷变化较大（需要消除干扰引起的余差）、纯滞后不大（时间常数不是太大）而被调参数不允许与给定值有偏差的调节系统。
比例积分微分（PID）调节规律适用于容量滞后较大，纯滞后不太大，不允许有余差的对象。
（over）
2006.09.06
调节规律与调节控制回路
1、在自动调节控制回路中比例（P）、积分（I）、微分（D）各起什么作用？
比例调节器依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。比例调节及时、有力，但有余差。它用比例度δ来表示其作用的强弱，δ愈小，调节作用愈强，比例作用太强时，会引起振荡。
积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止，其作用是消除余差。但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。它用积分时间T来表示其作用的强弱，T愈小，积分作用愈强，但积分作用太强时，也会引起振荡。