3.1-调节器的调节规律
调节器的调节规律
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调节器 P P= f（e） 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。
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式中：e是被控量的变化量（偏差值）； x max 是被控量允许变化的最大范围； P是调节器输出的变化量； Pmax是调节器输出的工作范围。
R
P max x max
• R是量程系数，对于指定的调节器，R为 常数；对于单元组合仪表，因采用统一 的标准信号，R=1，则PB=1/KP×100%。 • 显然比例带PB与比例系数成反比。
二、实例分析：
• 三、特点： • 被控参数不可能稳定在某一数值， 只能在给定值上、下作小范围的等 幅振于允许被调参数以一定幅 度上、下波动，且被控对象的时间 常 数较大，滞后时间较小的场合。
§4—2 比例调节规律
• 一、概念：调节器的输出P与偏 差输入e 成正
比。P=KP×e， KP为调节器的比例系数。 • e P • t t
e
§4—1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。
4、比例带对系统过渡过程的影响：
• 四、特点：
• （1）调节及时，且调节器的调节量随 偏差增大以及比例系数增大而增大。 • （2）一般调节完毕，会有静差出现。
1080《过程控制》西南大学网教23秋季作业参考答案
108020232单项选择题1、串级控制系统的主回路是一个（），因此对于设计中的主参数的选择，可以按照单回路控制系统的设计原则进行。
.随动控制系统 . 定值控制系统. 程序控制系统 .以上都不是2、比例调节的缺点是存在静态误差，因此也称为（）。
. 误差调节 . 动态调节. 有差调节.静态调节3、实验法建模时，为了获得被控对象的（），应加入激励信号使被控对象处于被激励的状态。
. 动态特性. 静态特性. 物理属性 .化学特性4、利用阶跃响应曲线法建立被控对象的数学模型，需求取被控对象输入与输出之间的（）。
.大小关系.最大值.最小值.传递函数5、比例积分调节规律中，积分调节可以消除（）。
.振荡.比例系数.调节时间.静态误差6、比例积分微分调节的缩写为（）。
.DCS.PID.PI.PD7、若调节对象的特性是线性的，应选择具有（）流量特性的调节阀。
.双曲线.抛物线.直线.等百分比8、为了减小调节阀（）的影响，一般采用阀门定位器克服阀杆摩擦力。
.流量.重量.间隙特性.尺寸9、弹性式压力表是利用各种弹性元件，在被测介质压力作用下产生弹性变形的原理来测量压力的，服从（）。
.法拉第电磁感应定律.胡克定律.质量守恒定律.惯性定律10、变送器一般由输入转换部分、放大器和（）组成。
.控制器.反馈部分.传感器.执行单元11、关于压力检测仪表的安装，下列叙述错误的是（）。
.压力检测仪表必须经检验合格后才能安装.压力检测仪表应水平安装.取压点应能如实反映被测压力的真实情况.压力检测仪表的连接处，应选择适当的材料作为密封垫圈12、串级控制系统是把两个调节器串接在一起，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的（），共同稳定一个被控变量所组成的闭合回路。
.输入值.给定值.扰动量.以上都不是13、阶跃响应曲线法适用于处于（）的被控对象。
.C. 开环、非稳态.开环、稳态.闭环、稳态.闭环、非稳态14、调节器的调节规律是指调节器输出信号与输入信号之间随（）变化的规律。
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。
过程控制复习重点
过程控制复习重点热点偶：当两种不同的导体或半导体连接时，若两个接点温度不同，回路中会出现热电动势，并产生电流；通常将一端温度T0维持恒定，称为冷端或自由端。
另外一端放在需要测温的地方，称为热端或工作端。
温度补偿:只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数;热电偶的冷端温度补偿：只有将冷端温度保持为0℃，或者进行一定的修正才能得到准确的测量结果。
热电阻：在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270～900℃范围内使用（推荐在150℃以下时选用）。
1习题1-1试述热电偶的测温原理,工业上常用的测温热电偶有哪几种什么热电偶的分度号在什么情况下要使用补偿导线答:a.当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时,若两个接点温度不同,回路中就会出现热电动势,并产生电流.b.铂极其合金,镍铬-镍硅,镍铬-康铜,铜-康铜.c.分度号是用来反应温度传感器在测量温度范围内温度变化为传感器电压或电阻值变化的标准数列.d.在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势时,自动补偿冷端温度变化,以保证测量精度,为了节约,作为热偶丝在低温区的替代品.1-2热电阻测温有什么特点为什么热电阻要用三线接法答:a.在-200到+500摄氏度范围内精度高,性能稳定可靠,不需要冷端温度补偿,测温范围比热电偶低,存在非线性.b. 在使用平衡电桥对热电阻进行测量时,由电阻引出三根导线,一根的电阻与电源E相连接,不影响电桥的平衡,另外两根接到电桥的两臂内,他们随环境温度的变化可以相互抵消.（在中、低温区，热电偶输出的热电动势很小；而在中、低温区，用热电阻比用热电偶做为测温元件时的测量精确度更高；热电阻特点：性能稳定、测量精度高，一般可在-270～900℃范围内使用（推荐在150℃以下时选用）。
）1-3说明热电偶温度变送器的基本结构.工作原理以及实现冷端温度补偿的方法.在什么情况下要做零点迁移答:a.结构:其核心是一个直流低电平电压-电流变换器,大体上都可分为输入电路.放大电路及反馈电路三部分.b.工作原理:应用温度传感器进行温度检测其温度传感器通常为热电阻,热敏电阻集成温度传感器.半导体温度传感器等,然后通过转换电路将温度传感器的信号转换为变准电流信号或标准电压信号.c.由铜丝绕制的电阻Rcu安装在热电偶的冷端接线处,当冷端温度变化时,利用铜丝电阻随温度变化的特性,向热电偶补充一个有冷端温度决定的电动势作为补偿.桥路左臂由稳压电压电源Vz(约5v)和高电阻R1(约10K欧)建立的恒值电流I2流过铜电阻Rcu,在Rcu上产生一个电压,此电压与热电动势Et串联相接.当温度补偿升高时,热电动势Et下降,但由于Rcu增值,在Rcu两端的电压增加,只要铜电阻的大小选择适当,便可得到满意的补偿.d.当变送器输出信号Ymin下限值(即标准统一信号下限值)与测量范围的下限值不相对应时要进行零点迁移.1-4什扰共模干扰为什么会影响自动化仪表的正常工作怎样才能抑制其影响么叫共模干扰和差模干扰为什么工业现场常会出现很强的共模干答:共模干扰:电热丝上的工频交流电便会向热电偶泄漏,使热电偶上出现几伏或几十伏的对地干扰电压,这种在两根信号线上共同存在的对地干扰电压称为~.差模干扰:在两根信号线之间更经常地存在电磁感应、静电耦合以及电阻泄漏引起的差模干扰.工业上会出现共模干扰是因为现场有动力电缆,形成强大的磁场.造成信号的不稳.共模干扰是同时叠加在两条被测信号线上的外界干扰信号,是被测信号的地和数字电压表的地之间不等电位,由两个地之间的电势即共模干扰源产生的.在现场中,被测信号与测量仪器间相距很远.这两个地之间的电位差会达到几十伏甚至上百伏,对测量干扰很大使仪表不能正常工作有时会损坏仪表.共模干扰在导线与地(机壳)之间传输,属于非对称性干扰,共模干扰幅度大.频率高.还可以通过导线产生辐射,所造成的干扰较大.消除共模干扰的方法包括:(1)采用屏蔽双绞线并有效接地(2)强电场的地方还要考虑采用镀锌管屏蔽(3)布线时远离高压线,更不能将高压电源线和信号线捆在一起走线(4)不要和电控锁共用同一个电源(5)采用线性稳压电源或高品质的开关电源(纹波干扰小于50mV).2.1 什么是调节器的调节规律？PID 调节器的数学表达式是怎样的？比例、积分、微分三种调节规律有何特征？为什么工程上不用数学上理想的微分算式？规律：确定调节器的动态特性称为调节器的调节规律，是调节器的输入信号与输出信号之间的动态关系。
调节器及其调节规律
• 三、比例微分调节规律PD： • 1、概念： • 理想的比例微分调节规律，其表达式为：
P
Kp(e
Td
de dt
)
• 式中：Kp—比例系数；Td—微分时间；
•
de/dt—偏差的变化速度；
• 比例微分调节器的输出等于比例作用的输出和 微分作用的输出之和。比例度和微分时间是比例 微分调节器的两个重要特性参数。其大小反映了 比例作用和微分作用的强弱。
•
dP dt
= KIe
• 可见，只要偏差存在，调节器的输出就会变
化，只有e=0，输出信号才不再继续变化，执
行器才停止动作，系统才能稳定不来。
2、实例分析：
• 3、特点：
• a）积分调节完毕，能消除被控参数的静差。 • b）积分调节作用比较缓慢。 • c）积分作用的引入，会降低系统的稳定 • 性，最大动态偏差较大，调节时间增加。 • d）积分调节规律，容易使调节器输出产 • 生饱和状态。 • 总之，积分调节规律动态性能差，在实际
• 当t=T，PD= A（ Kd-1）e-T/T=0.368 A（ Kd-1）
• 可见：微分作用的输出下降了63.2%所需的时间
•
为时间常数T。
•
∴微分时间Td=Kd×T
• 3、不同时间常数下的阶跃响应曲线：
T1>T2>T3
• 微分时间Td表征微分作用的强弱，当T大，Td长， 微分作用强；反之Td短，微分作用弱。
• d）只适用于惯性较大的系统。
• 二、微分器：
• 1、何为微分器：
•
即比例微分调节，比例带PB=100%。对
阶
跃输入，输出瞬时增大到某数值，然后慢慢降
到和阶跃输入相等的值。
第四节 调节器的基本调节规律
2．比例积分调节规律及积分时间
比例调节规律是输出信号与输人偏差成 比例，因此作用快，但有余差;积分调节规 律能消除余差，但作用慢;比例积分调节规 律具有以上两种调节规律的优点，是生产 上常用的一种调节规律(常用PI表示)。比例 积分调节规律可用下式表示:
由于比例积分调节器具有比例和积分
两种调节器的优点，同时比例度、积分时 间两个参数均可以调整，因此适用面比较 广，多数系统都可采用。只有在对象纯滞 后时间特别大时，调节时间较长，最大偏 差较大;在负荷变化特别强烈时，由于积分 作用迟缓，调节作用不能及时，这时可增 加微分作用。
双位调节是位式调节的最简单形式。 双位调节的动作规律是，测量值大于给定 值时，调节器的输出为最小;测量值小于给 定值时，调节器的输出为最大(也可以是相 反的情况)。因此，双位调节只有两个输出 值，相应的调节机构也只有两个极限位置， 即不是最大就是最小。没有中间位置。而 且从一个位置变到另一个位置是很快的、 如图7-14所示。
第四节 调节器的基本调节规律
调节器接受偏差信号后，其输出随输人 变化的规律，即是调节器的基本调节规律。 在工业自动调节系统中最基本的调节规律 有:位式调节、比例调节、积分调节和微分 调节四种。
各种调节规律是为了适应不同的生产要 求设计的。因此，必须根据生产的要求来 选用适当的调节规律。
一、双位调节
2.ห้องสมุดไป่ตู้例积分微分调节规律
比例微分调节的结果是存在余差的。为
了消除余差，生产上常将比例、积分、微 分三种调节规律结合起来，称例积分微分 调节，习惯上用PID表示。
PID调节器综合了各类调节器的优点， 因此具有较好的调节性能。但这并不意味 着在任何条件下采用这种调节器都是最好 的，要从生产实际和经济价值等方面来选 用调节器。
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
调节器调节规律
稳态精度要求高，加积分作用；惯性较大，加微分作用。
放大环节：二级气动功率放大器反馈环节：节流分压室——做反馈回路，实现比例作用节流盲室——做反馈回路，实现积分作用比例惯性环节——做反馈回路，实现微分作用比较环节：位移平衡力平衡力矩平衡所有气动仪表的构成原理如图3-1-7所示，都是由三个基本环节（放大、反馈、比较）构成。
其中，放大环节起信号放大作用，要求它具有较高的灵敏性和足够大的功率输出；反馈环节起信号的运算作用，通常是把仪表的输出信号P 出通过反馈回路，送回到仪表的输入端与输入信号进行综合，如果放大环节放大倍数足够大，仪表的信号传递关系只决定于反馈回路的信号传递关系。
这样，可消除放大环节各种非线性因素的影响，提高仪表的精度。
同时，在调节器中，采用不同的反馈回路，可实现不同的调节作用规律；比较环节起信号比较作用，使输入信号与反馈信号在此比较，其输出信号等于各信号的代数和。
总之，只要我们掌握了放大、反馈和比较等三个基本环节，就能比较容易地分析一台仪表的工作原理及功能。
图3-1-7 气动仪表的组成原理1．气动仪表的放大环节前面介绍过，几乎所有气动仪表，在喷嘴挡板机构的输出端，都要串联一个气动功率放大器。
在结构上两者往往组成一体，称为二级气动功率放大器。
其中喷嘴挡板机构为一级放大。
图3-1-8是耗气型二级气动放大器的原理图。
这种类型的二级气动功率放大器的输入与输出之间的传递关系为：h K P B ∆⋅=∆式中，K ＝K 1·K 2是二级气动放大器的放大倍数；K 1是喷嘴挡板机构的放大倍数；K 2是耗气型气动放大器的放大倍数。
图3-1-8 耗气型二级气动放大器原理图2．气动仪表的反馈环节 基于反馈控制原理，如果仪表放大环节的放大倍数足够大，则仪表的信号传递关系只决定于反馈回路的信号传递关系。
因此，在气动仪表中，总是把输出端的输出信号引回到输入端，构成负反馈气路，但除1∶1的负反馈外，在调节器中引用不同的反馈气路，就可以实现比例、积分和微分的作用规律。
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。
热工自动控制练习题(含参考答案)
热工自动控制练习题（含参考答案）一、单选题（共40题，每题1分，共40分）1、衰减振荡过程中，到达第一个峰值，所用时间叫(____)。
A、调节时间B、超调量C、上升时间D、峰值时间正确答案：D2、(____)是描述系统控制过渡过程进行快慢的指标。
A、调整时间B、上升时间C、峰值时间D、衰减时间正确答案：A3、串级三冲量给水控制系统维持汽包水位无静态偏差是靠（）来实现的A、副回路B、副控制器C、内回路D、主控制器正确答案：D4、三冲量给水自动控制系统中，给水量的扰动属于系统的（）。
A、内扰B、控制量C、外扰D、不确定正确答案：A5、被调量变化时刻落后于扰动发生时刻的现象称为对象的（）。
A、输出迟延B、信号迟延C、传输迟延D、不确定正确答案：C6、双闭环比值控制系统两个控制器均应选（）控制规律。
A、PB、PIC、PIDD、PD正确答案：B7、输入量变化，引起环节(____)发生变化。
A、扰动B、输出量C、测量值D、被调量正确答案：B8、采用烟气挡板控制再热汽温的控制系统中，主蒸汽流量作为（）信号。
A、前馈B、反馈C、极限值D、给定值正确答案：A9、系统频率特性和传递函数的关系为(____)。
A、频率特性与传递函数没有关系B、频率特性可以用图形表示，传递函数不能用图形表示C、传递函数的复变量s用jω代替后，就是相应的频率特性D、二者完全是一样的正确答案：C10、单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现（）物料流量间的定比值控制A、多种B、三种C、两种D、以上都不对正确答案：C11、二阶欠阻尼系统的性能指标中只与阻尼比有关的是(____)。
A、调整时间B、峰值时间C、上升时间D、最大超调量正确答案：D12、电容两端电压为输入信号，电流为输出信号，则此环节为(____)环节。
A、比例B、惯性C、微分D、积分正确答案：C13、在无自平衡的单容对象中，其特征参数是由（）决定的。
A、不确定B、自平衡率C、阻力系数D、容量系数正确答案：D14、在动态过程中，利用前馈控制有效地减少被调量的（）。
过程控制系统复习题
过程控制系统复习题一.选择题（每题2分，共10题，共20分）1.过程控制系统由几大部分组成，它们是：( C )A.传感器、变送器、执行器B.控制器、检测装置、执行机构、调节阀门C. 控制器、检测装置、执行器、被控对象D. 控制器、检测装置、执行器2. 在简单控制系统中，接受偏差信号的环节是( B )。
A .变送器 B. 控制器, C. 控制阀 D. 被控对象3. 串级控制系统主、副对象的时间常数之比，T01/T02＝( )为好，主、副回路恰能发挥其优越性，确保系统高质量的运行。
A. 3～10B. 2～8C. 1～4D. 1～24. 过渡过程品质指标中，余差表示( )。
A.新稳态值与给定值之差B.测量值与给定值之差C.调节参数与被调参数之差D.超调量与给定值之差5.PID调节器变为纯比例作用，则( )。
A. 积分时间置∞、微分时间置∞B. 积分时间置0、微分时间置∞C. 积分时间置∞，微分时间置0D. 积分时间置0，微分时间置06.( )在阀芯行程比较小时，流量就比较大，随着行程的增加，流量很快地达到最大。
A. 快开流量特性B. 线性流量特性C. 抛物线流量特性D. 等百分比流量特性7.闭环控制系统是根据( )信号进行控制的。
A.被控量B.偏差C.扰动D.给定值8.衡量控制准确性的质量指标是( )。
A.衰减比B.过渡过程时间C.最大偏差D.余差9.对象特性的实验测取常用的方法是( )。
A.阶跃响应曲线法B.频率特性法C.比例积分法D．最小二乘法10.用于迅速启闭的切断阀或两位式调节阀应选择( )的调节阀。
A.快开特性B．等百分比特性C．线性 D.抛物线特性11.调节具有腐蚀性流体，可选用( )阀。
A.单座阀B.双座阀C.蝶阀D．隔膜阀12.调节阀接受调节器发出的控制信号，把( )控制在所要求的范围内，从而达到生产过程的自动控制。
A. 操纵变量B.被控变量C. 扰动量D. 偏差13.串级调节系统主调节输出信号送给( )。
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。
调节器及调节作用规律
h TI
t
Ti 等于控制器的输出变化到与其阶跃输入量相等时所需的时间。
积分控制器的动态特性越陡，积分时间越小，表明控制器作用越快，积分作用越强，即控制作用积累到同一值 时所需时间越短。
积分时间小→积分作用强→系统稳定性差→上升时间短→振荡周期小
§1-3-4 比例积分作用规律
PI调节器的整定原则： • 在PI调节器上设有两个旋钮，分别用来整定PB、Ti 。 • 在整定 Ti 时，切忌值整定得太小，否则积分作用太强，系统稳定性差 • 如果 Ti 值不能进行准确地整定，可以采用宁大勿小的策略。因为 Ti 值略微偏大时，尽管积分作用偏弱，
如何调整水位的上下限值？ 上下限值区间的幅度太小有什么样的结果？
1-浮子室 2-浮子 3-调节板框架 4-枢轴 5-上、下限销钉 6、12-同极性永久磁铁；7-静触点 8-开关箱 9-转轴 10-转杆 11-动触点
§1-3-1双位作用规律
例2：双位式压力调节器 根据测量压力的上限值和下限值输
出不同的开关量信号，如： • 锅炉蒸汽压力 • 日用淡水压力 • 空气瓶压力等
§1-3-1双位作用规律 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
水位与电动机通断之间的关系图
动作范围
p(t) 1
emin emax e(t)
双位作用规律
§1-3-1双位作用规律
例1： 浮子式辅锅炉水位双位调节器
§1-3-2 比例作用规律
总结 1、比例作用规律实现简单，控制作用及时，是其它控制规律（双位除外）的基础； 2、比例作用强弱取决于比例带或比例系数，比例带大比例作用弱，比例系数大比例作用强； 3、比例作用控制导致系统存在静态偏差，比例作用强，静态偏差小，但无法避免。
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。
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3.1-调节器的调节规律
第3章 调节器 Controller
调节器的作用是把测量值和给定值进行比较，得出 被调量的偏差之后，根据一定的调节规律产生控制信 号，推动执行机构，对生产过程对象进行自动调节。
TN 2
TN 20
TN 16
微分调节-开环阶跃响应特性
理想微分作用：在阶跃 输入的瞬间，输出突然升 到无穷大。 实际上的工业控制器采用的 都是采用一种近似的微分作 用：在阶跃输入的瞬间，输 出突然升到一个较大的值， 然后按指数规律衰减至零。
TN 17
比例积分微分(PID)调节器
3.1.2.5 比例积分微分(PID)调节器
将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，只要三项 作用的强度配合适当，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准 确，可得到满意的调节效果。 1 dx (t ) 理想PID时域模型: y (t ) k c ( x (t ) x (t )dt Td ) Ti dt
传递函数：
G ( s)
Y ( s) 1 k c (1 Td s) X ( s) Ti s
在PID调节器中，微分作用主要用来加快系统的动作速度，
减小超调，克服振荡；积分作用主要用以消除静差。
TN 18
实际PID-开环阶跃响应特性
TN
19
PID调节器-特点
比例积分微分控制是由三种作用的输出特性叠加而成。 由于在 PID 控制器中，比例度δ、积分时间 Ti ，和微分时 间 TD 三个参数都是可调的，所以，只要这三个参数选择的 合适，就可以获得良好的控制质量。 PID控制选用通用的控制器，可实现三作用控制规律。 若将微分时间调至零，就成一台比例积分控制器； 若将积分时间调至最大，就成一台比例微分控制器； 若将微分时间至零，积分时间至无穷大，就是一台比例控制 器．
TN
位式磁 浮子液 位传感 器 yH yL
6
两位式调节-特点
优点：
结构简单，成本较低，且易于实现。
缺点：
执行部件的动作频繁，系统运动部件（继电器、电磁阀）易 于损坏，降低了控制 系统的可靠性。 被控变量处在震荡过程，控制质量低。
应用：
• 适用于某些对控制质量要求不高的应用场合。如：空气压缩 机贮罐的压力控制、恒温箱、电烘箱的温度控制等。 • 要获得平稳的连续变化的调节，必须采用别的调节器。
TN 12
比例积分(PI)调节器
3.1.2.3 比例积分(PI)调节器
同时使用上面的两种调节规律，把比例作用的及时性与积 分作用消除静差的优点结合起来，组成“比例+积分”作用的 调节器。 1 y (t ) k c ( x (t ) x (t )dt ) 理想PI时域模型: Ti
Y ( s) 1 传递函数： G ( s) k c (1 ) X ( s) Ti s
控制精确度要求不高的场合。 例: 电动比例控制器水加热器温度控制系统
TN
10
组合仪表符号
TN
11 11
积分(I)调节器
3.1.2.2 积分(I)调节器
调节器输出随输入信号的积分成比例变化: 理想I时域模型:
1 y (t ) Ti
x(t )dt
传递函数： G ( s) Y ( s) 1 X ( s) Ti s 控制作用随误差积累而增大，只要有足够的时间，积分作 用将能完全消除误差; 单纯的积分调节的动作过于迟缓，因而在改善静态准确度 的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间延长， 一般不单独使用。
Y ( s) G ( s) Kc X ( s)
能迅速反映误差，从而减小误差，但不能消除稳态误差； Kc大，稳态误差小，但影响系统的动态特性，使稳定性下降。
TN 8
比例(P)调节器- Kc
Kc 对动态特性的影响 在干扰作用下的闭环响应：
TN
9
比例(P)调节器-应用
适用于干扰较小、不频繁，对象滞后较小而时间常数较大，
3.1 调节器的调节规律
基本调节规律(控制规律)
最简单的调节律：位式调节
二位调节和多位调节。 连续变化调节律:PID调节律 比例调节（P），积分调节（I），微分调节（D）.1.1 两位式调节器
一种最简单的调节器，根据被调量偏差符号的正、负， 输出为只有两种：100%、0，或最大输出量、最小输入量。
PI 控制规律结合了比例控制与积分控制的优点，既能快速 响应，克服干扰；又能消除系统的稳态误差。
TN 13
比例积分-开环阶跃响应特性
当输入是单位阶跃时，理 想比例积分控制器的输出。
y(0) k c
1 y (Ti ) k c (1 Ti k c (1 1) 2k c
Ti
调节器输出 100% 调节器输出
umax
umin
0 两位式调节的特性 偏差信号
0
两位式调节的特性
偏差信号
使用这种调节器的执行器仅有两种状态。例如，控制电能 的电磁开关，控制流量的电磁阀。
TN 4
储槽液位控制
槽内装有电极，作为液位的 测量装置。电极的一端与继电 器的线圈 J 相接；另一端正好 处于液位给定值的位置。 导电流体经装有电磁阀 V的 管线进入贮槽，再由出料管流 出。
0
dt )
TN
14
积分时间Ti对过渡过程的影响
积分时间Ti 过大，积分作 用太弱，消除余差的过程很 慢（见曲线 b ) ； 只有当 Ti 适当时，过渡过 程能较快地衰减，而且没有 余差（见曲线c）； 积分时间Ti 太小，控制器 的输出变化太快，使过渡过 程振荡太剧烈，系统的稳定 性大大下降（见曲线 d ) 。
TN 15
微分(D)调节器
3.1.2.4 微分(D)调节器
调节器输出随输入信号的微分成比例变化: 理想D时域模型:
dx (t ) y (t ) Td dt
传递函数： G ( s) Y ( s) Td s X ( s)
依据偏差的变化速率进行控制，在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变 化的趋势，产生调节作用，力图抑制被控量的变化。 偏差变化速度越大，调节器输出越大。对固定不变的偏差，调节器输出为零。 可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，还能加快系统的动态响应 速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 对静态偏差毫无抑制能力，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规 律结合起来，组成PD调节器或PID调节器。
电极
导电流体
双位控制律：
当液位低于给定，电极与流体不接触，继电器J断开，电 磁阀V全开，流体流入贮槽，H上升。 当液位高于给定，电极与流体接触，继电器J接通，电磁 阀V全关，流体不再进入贮槽，H下降。 如此反复循环。
TN 5
储槽液位控制-具有中间区
具有中间区的双位控制律：
当液位低于给定yL，下磁浮 子闭合，继电器J断开，电磁阀 V全开，流体流入贮槽，H上升。 但是注意：当液位高于yL，电 磁阀V继续全开。 当液体高于给定yH ，上磁浮 子闭合，继电器J接通，电磁阀 V全关，流体不再进入贮槽，H 下降。但是注意：当液位低于 yH，电磁阀V继续全关。 如此反复循环。
TN 7
3.1.2 PID调节器
(Proportional Integral Derivative Controllers )
使输出值能连续变化的调节器，通过采用比例，微分、积 分等算法提高调节质量。它的结构简单，参数易于调整，是 控制系统中经常采用的控制算法。
3.1.2.1 比例(P)调节器
调节器输出随输入信号x(t)成比例变化: y(t) = Kc x(t) 传递函数：