自动控制--第二章 调节器的调节规律
2 调节器和调节系统的调节过程
图1-13 积分控制规律
比例控制规律使控 制器反应迅速，积分 控制规律能消除系统 静态偏差。在制冷空 调系统中，较少采用 纯积分控制器；在控 制质量要求较高的场 合，选用比例控制器 或比例积分控制器。
图1-14 比例积分控制规律
控制规律
微分控制
若流入量和流出量存在着不平衡，等到在被控参 数的偏差量上充分反映出来时，实际上已落后了一 段时间。当被调对象中一旦出现流入量与流出量不 平衡时，立即就有一个与此不平衡流量成正比的被 调量偏差的变化速度出现。由于控制对象总有一定 的容量，所以此时偏差变化量尚未形成(或十分小)， 因此，被调量偏差的变化速度信号在时间上快于偏 差变化信号。如果利用被控参数的变化速度(即被控 参数对时间的导数)作为控制器的输入信号，就可克 服偏差控制作用不及时的现象。这就引入了微分控 制器。理想微分控制器的输出信号与输入信号变化 速度成正比。即
（2）电动比例调节器
电动比例积分两通调节阀
优点：
①电源问题容易解决； ②作用距离长，一般情况下不受限制； ③调节精度高的电动调节器一般容易做到； ④可实现微机化。
缺点：
①电气装置、继电器和电子元件在动作频繁的工作条 件下，只能使用一定的期限； ②电动调节器的使用和调整比较复杂，对维护技术要 求亦高； ③电器接点有火花产生，电器元件带电，不利于防火 防爆。
Байду номын сангаас
3、调节器元件
调节器可分为直接作用式和间接作用式。 间接作用式调节器的优点是：调节器灵敏 度高，作用距离长，输出功率大，便于集中控 制及采用计算机控制等。其缺点是：常需要辅 助能源，结构较复杂，价格较贵等。 直接作用式调节器的优点是：结构简单、 紧凑、价格便宜，密封性好，因此被广泛用于 制冷、空调系统的一般控制中。但它灵敏度及 精度差，因此在调节质量要求高的场合不能适 用。
自动控制原理第二章复习总结（第二版）
⾃动控制原理第⼆章复习总结（第⼆版）第⼆章过程装备控制基础本章内容：简单过程控制系统的设计复杂控制系统的结构、特点及应⽤。
第⼀节被控对象的特性⼀、被控对象的数学描述（⼀）单容液位对象1．有⾃衡特性的单容对象2．⽆⾃衡特性的单容对象（⼆）双容液位对象1．典型结构：双容⽔槽如图2-5所⽰。
图2-5 双容液位对象图2-6 ⼆阶对象特性曲线2．平衡关系：⽔槽1的动态平衡关系为：3．⼆阶被控对象：1222122221)(Q K h dt dh T T dt h d T T ?=+++式（2-18）就是描述图2-5所⽰双容⽔槽被控对象的⼆阶微分⽅程式。
称⼆阶被控对象。
⼆、被控对象的特性参数（⼀）放⼤系数K（⼜称静态增益）（⼆）时间常数T（三）滞后时间τ（1）．传递滞后τ0（或纯滞后）：（2）．容量滞后τc可知τ=τ0+τc。
三、对象特性的实验测定对象特性的求取⽅法通常有两种：1．数学⽅法2．实验测定法（⼀）响应曲线法：（⼆）脉冲响应法第⼆节单回路控制系统定义：（⼜称简单控制系统），是指由⼀个被控对象、⼀个检测元件及变送器、⼀个调节器和⼀个执⾏器所构成的闭合系统。
⼀、单回路控制系统的设计设计步骤：1．了解被控对象2．了解被控对象的动静态特性及⼯艺过程、设备等3．确定控制⽅案4．整定调节器的参数（⼀）被控变量的选择（⼆）操纵变量的选择（三）检测变送环节的影响（四）执⾏器的影响⼆、调节器的调节规律1．概念调节器的输出信号随输⼊信号变化的规律。
2．类型位式、⽐例、积分、微分。
（⼀）位式调节规律1．双位调节2．具有中间区的双位调节3．其他三位或更多位的调节。
（⼆）⽐例调节规律（P ）1．⽐例放⼤倍数（K ）2．⽐例度δ3．⽐例度对过渡过程的影响（如图2-24所⽰）4．调节作⽤⽐例调节能较为迅速地克服⼲扰的影响，使系统很快地稳定下来。
通常适⽤于⼲扰少扰动幅度⼩、符合变化不⼤、滞后较⼩或者控制精度要求不⾼的场合。
（三）⽐例积分调节规律（PI ）1．积分调节规律（I ）（1）概念：调节器输出信号的变化量与输⼊偏差的积分成正⽐==?t I t I dt t e T dt t e K t u 00)(1)()(式中：K I 为积分速度，T I 为积分时间。
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。
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。
自动控制基本知识
四、典型环节的动态特性
1．比例环节
１、定义：输出能够按一定比例，无迟延、无惯性的复现输入 信号。
２、微分方程： y(t) K p x(t)
Kp—环节的传递系数或比例系数。
３、传递函数为：W
(s)
Y (s) X (s)
KP
４、阶跃响应曲线：
2、积分环节
１、定义：输出与输入的积分成比例关系。 输出的变化速度与输入成比例关系。
Y s W1 s X1 s X 2 s
X2 s W2 sY s
W总 s
Y s X1 s
W1 s 1W1 sW2
s
第三节 调节器的调节规律
一、概念： 调节器的输出信号与输入信号之间的关系。 PID调节的优点：
（1）原理简单，使用方便。 （2）适应性强。广泛应用于化工、热工、冶金、冶炼、造纸等。 （3）鲁棒性强。即控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。
（三）术语 测量变送器： 调节器： 执行器： 执行机构 调节机构 被控对象：指被控制的生产设备或生产过程。 被调量：表征生产过程是否正常而需要控制的物理量。 给定值：根据生产工艺要求，被控量应该达到的数值。 调节量：由控制作用来改变,以控制被控量的变化, 使被控量恢复为给定值的物理量。 扰动：引起被控量偏离其给定值的各种原因。 基本扰动：调节量 干扰：
b1
dx(t) dt
b0 x(t)
（n≥m）
2、传递函数 -微分运算转为代数运算，分析综合方便
定义：线性定常系统在零初始条件下，系统（或环节）输出信号的拉普拉 斯变换与输入信号的拉普拉斯变换之比。
W
(s)
Ly(t) Lx(t)
Y (s) X (s)
设线性定常系统（或环节）的微分方程如上式，在初始条件为零的情况 下，对上式进行拉普拉斯变换，得：
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（）。
自动控制及仪表复习题举例参考答案
⾃动控制及仪表复习题举例参考答案《⾃动化仪表》复习题参考答案⼀、简答题1.在线成分分析系统为什么要有采样和试样与处理装置？1. 主要⽬的是为了符合分析仪器要求的试样的技术标准，以保证测量的可靠性；2.⽓相⾊谱仪定性分析和定量分析的依据是什么？其基本环节有哪些？2. 定性分析是不同的物质在固定相和流动相所构成的体系即⾊谱柱中具有不同的分配系数，定量分析有多种⽅法，总的来讲是⾊谱波峰的⾼度或⾯积⼤⼩；3.什么是调节器的调节规律？基本控制规律有哪些？分别起什么作⽤？3. 调节规律——指调节器的输⼊信号随输⼊信号（偏差量）变化的规律；P、I、D三作⽤、双位；这样控制既及时，⼜能消除余差，还可超前调节。
4.什么是调节阀的流量特性？常⽤的流量特性有哪⼏种？由阀门的哪个部件造成？4. 调节阀的流量特性是指被控介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系。
常见的流量特性有：直线型、等百分⽐型、快开型和抛物线型。
主要由阀芯的形状造成。
5.红外线⽓体分析仪定性分析和定量分析的依据是什么？其基本环节有哪些？5. 红外线⽓体分析器定性分析——利⽤不同的⽓体对于不同波长的红外线具有选择性吸收的特性来分析的，定量分析——郎伯-贝尔定律；基本环节：预处理器、分析箱（光源、切光盘、⽓室、光检测器、前置放⼤电路等）、电器箱。
6.热导式⽓体分析仪定性分析和定量分析的依据是什么？对测量有什么要求？6. 定性分析——不同的⽓体有不同的导热系数，定量分析——某⽓体的含量与混合⽓体的导热系数成正⽐；条件：单值函数（混合⽓体中的背景组分导热率必须近似相等，并与被测组分的热导率有明显的差别）。
7.⼯业酸度计的原理是什么？其测量电极和参⽐电极分别选什么？7. 电化学分析法，玻璃电极——测量电极，⽢汞电极——参⽐电极。
8.在什么情况下需要对仪表控制系统进⾏数字化离散处理？8. 如果回路控制系统中，既有连续环节，⼜有离散环节，那就要将连续环节离散化。
3.1-调节器的调节规律
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．
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
控制仪表及装置——考试复习题.
简答题5X8=40分第1章概论1. 一个简单的闭环调节系统中至少应包含哪几个环节？P1输入环节；输出环节；反馈环节等2. 过程控制仪表与装置的分类有哪几种形式？ P2按能源形式分类:可分为电动、气动、液动和机械式等。
工业上普遍使用电动和气动控制仪表；按信号类型分类:分为模拟式和数字式两大类；按结构形式分类:单元组合式控制仪表,基地式控制仪表,集散型计算机控制系统,现场总线控制系统。
3. 过程控制仪表与装置按能源形式分类可分为哪几种？目前工业上普遍使用的是哪两种？ P2过程控制仪表与装置按能源形式分类可分为电动、气动、液动和机械式等。
工业上普遍使用电动和气动控制仪表。
4.数字式控制仪表的特征有哪些？其传输信号为断续变化的数字量，可以进行各种数字运算和逻辑判断，功能完善性，能优越，能解决模拟式控制仪表难以解决的问题。
5. 变送单元的作用是什么？它能将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位等变换成相应的标准统一信号传送到接收仪表，以供指示、记录或控制。
6. 控制单元的作用是什么？将来自变送单元的测量信号与给定信号进行比较，按照偏差给出控制信号，去控制执行器的动作。
7. 执行单元的作用是什么？它按照调节器输出的控制信号或手动操作信号，操作执行元件，改变控制变量的大小。
8. 现场总线控制系统的特征？ P3其特征为：现场控制和双向数字通讯，即将传统上集中于控制室的控制功能分散到现场设备中，实现现场控制，而现场设备与控制室内的仪表或装置之间为双向数字通讯。
9. 信号制是指什么？P3-4信号制即信号标准，是指仪表之间采用的传输信号的类型和数值。
10. 制定信号制的目的是什么？P3-4达到通用性和相互兼容性的要求，以便不同系列或不同厂家生产的仪表能够共同使用在同一控制系统中，实现系统的功能。
11. 气动仪表的信号标准？P3-4现场与控制室仪表之间宜采用直流电流信号。
14. 直流电流信号有哪些优缺点？P4-5优点：a、直流比交流干扰少b、直流信号对负载的要求简单c、电流比电压更利于远传信息缺点：a、多个仪表接收同一电流信息，它们必须串联b、任何一个仪表在拆离信号回路之前首先要把该仪表的两个输入端短接，否则其它仪表将会因电流中断而失去信号c 、仪表无公共接地点，须浮空工作。
调节器的PID调节规律及其对过渡过程的影响
要说明的是，对于大多数调节器而言，都不采用比例增益Kc作为刻度，而是用比例度来刻度，即δ=1／Kc*100%. 也就是说比例度与调节器的放大倍数的倒数成比例；调节器的比例度越小，它的放大倍数越大，它把偏差放大的能力越大，反之亦然。
明白了上述关系，在参数整定中，就可知道比例度越大，调节器的放大倍数越小，被控温度曲线越平稳，比例度越小，调节器的放大倍数越大，被控温度曲线越波动。
当输入阶跃信号后，微分器一开始输出的最大变化值与微分作用消失后的输出变化的比值就是微分放大倍数Kd，即微分增益,微分增益的单位是时间，设置微分时间(或者微分增益)为零会取消微分的功能。
为了方便记住比例、积分、微分三个作用，抄录一个很流行的顺口溜如下：
[比 一个PID控制系统质量的好坏，主要是看在外界干扰产生后，被控量偏离给定值的情况，假如偏离了以后能很快的平稳的回复到给定值，就认为是好的。
四．与精确控制温度有关的一些问题
要想用PID参数精确控制温度，除做好PID参数的整定工作外，影响精确控制温度的因素还有很多。应注意以下几点:
调节器的PID调节规律及其对过渡过程的影响
一．PID各参数的作用
先谈谈比例作用P, 比例调节器实际上就是个放大倍数可调的放大器，即:
△P=Kce
式中:Kc---比例增益，Kc既可大于1，也可小于1；
e---调节器的输入，也就是测量值与给定值之差，又称为偏差。
自动控制系统的过渡过程
调节器及基本调节规律
1.1 比例控制（P） 它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入变化量
成比例。起数学表达式为：
C KP e
从该表达式看出：比例控制克服偏差及时、有力。要 使调节器有输出就必须要有偏差存在，因此比例控制始 终是有偏差存在的。
对控制系统性能的要求概括为三方面：稳，准，快
稳定性（稳）：控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的 动态性能（快）： 系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好 稳态性能（准）： 过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量
稳定性
系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系 统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的 数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。
性能，应用范围广。 各种化工过程常用的控制规律如下： 液位：一般控制要求不高，用P或PI控制作用。 流量：一般用PI控制作用。 压力：用P或PI控制作用。 温度：用PID控制作用。
③余差C:它是控制系统过渡过程结束时，被控变 量的新稳态值与设定值之间的偏差。
④过渡时间：指被控变量从原有稳态值到新稳态 值的±5%或±3%所需时间。
⑤振荡周期：过渡过程同向两波峰之间的时间间 隔。在衰减比相同时，周期与过渡时间成正比。
调节器及基本调节规律
调节器是自动控制系统的重要组成部分。它将生产过 程被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差，根据 偏差的正负、大小和变化趋势，按照一定的运算规律输出 控制信号，送往执行器，实现对生产过程的自动控制。
调节器及基本调节规律
1.2 积分控制（I） 它的控制规律是：调节器பைடு நூலகம்输出变化量与输入偏差
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念一、调节对象、被调参数、调节参数、调节通道。
1.什么是调节对象？在生产过程中被控制的设备或机器。
2.什么是被调参数？指调节对象中的应保持在预定化幅度内并把它进行调节的参数。
3.什么是调节参数？指作用于调节对象并使被调参数趋于稳定的参数。
4.什么是干扰？是指破坏系统平衡状态而引起被调参数变化的外界因素。
5.什么是干扰通道？是由干扰产生点到被调参数之间的所有环节称干扰通道。
二、调节规律、变送器、调节器、执行器。
1.什么是调节规律？就是指调节器的输出信号与输入信号之间随时间变化的规律。
在研究调节器的调节规律时，将调节器从系统中断开，单独研究调节器的输出信号与输入信号的关系。
在分析调节器的调节规律时，通常在调节器的输入端加入一个阶跃信号，即突然出现某一偏偏差时，输出信号随阶跃输入信号的变化规律。
调节器的调节规律实际上表征调节器的动态特性，可以用传递函数的形式来描述。
调节器的基本调节规律是比例(P)、积分(I)、微分(D)及其组合。
2.什么是变送器？变送器在自动检测和调节系统中的作用，是将各种工艺参数，如压力、差压、温度、流量、液位、成分等物理量变换成相应的统一标准信号，再传送到指示记录仪、运算器和调节器，供指示、记录、调节。
按照被测参数分类，变送器主要有：差压变送器、压力变送器、温度变送器、流量变送器等。
构成：通常由输入转换部分、放大器和反馈部分组成。
输入转换部分包括敏感元件，他的作用是感测被测参数，并把被测参数转换成某一中间模拟量。
中间量可以是电压、电流、位移和作用力等物理量。
反馈部分把变送器的输出信号转换成反馈信号。
放大器把中间模拟量和反馈量的差值放大，并转换成标准输出信号。
3.什么是调节器？调节器通常是对输入信号与给定信号之偏差进行PID运算，并把运算结果以统一信号送到执行器，实现自动调节。
调节器必须有检测偏差和进行PID运算的两个关键部分。
偏差检测电路一般称为输入电路。
偏差信号通常采用电压形式，所以输入信号和给定信号在输入电路内都以电压形式进行比较。
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。
过程装备控制技术课后习题及参考答案
过程装备控制技术课后习题及参考答案第一章控制系统的基本概念1.什么叫生产过程自动化？生产过程自动化主要包含了哪些内容？答：利用自动化装置来管理生产过程的方法称为生产过程自动化。
主要包含：①自动检测系统②信号联锁系统③自动操纵系统④自动控制系统。
2.自动控制系统主要由哪几个环节组成？自动控制系统常用的术语有哪些？答：自动控制系统主要有被控对象,测量元件和变送器，调节器，执行器等环节组成。
自动控制系统常用的术语有：被控变量y；给定值y s；测量值y m；操纵变量m；干扰f；偏差信号（e）；控制信号u3.什么是自动控制系统的方框图？它与工艺流程图有什么不同？答：自动控制系统的方框图上是由传递方块、信号线（带有箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。
其中每一个分块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。
采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。
而工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。
4.在自动控制系统中，什么是干扰作用？什么是控制作用？两者有什么关系？答：干扰作用是指除操纵变量以外的各种因素引起被控变量偏离给定值的作用；控制作用是通过对被控变量的测量得到测量值，使其与给定值比较，得出偏差信号。
这个信号按一定规律计算出控制信号来改变操纵变变量克服干扰作用。
两者关系是控制作用的一部分职能就是减小或消除干扰对被控变量的影响。
5.什么是闭环控制？什么是开环控制？定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统？答：闭环控制是控制系统的输出信号的改变回返回影响操纵变量的控制方式。
开环控制是控制系统的输出信号不会影响操纵变量的控制方式。
自动控制原理简介
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反馈控制原理
给定值
偏差 控制/调节 器器
执行器
被控对象
被调参数
检测仪表
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2.2.1 闭环控制/调节系统的组成
当要求不允许存在偏差时,采用比例积分调节是 最适宜,是最常用的调节规律之一。
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在模拟电子控制技术中， 可用运算放大器来实现 + PI调节器，其线路如图所示。
C1 R1 R0
Uin
A
+
+
Uex
Rbal
图1-38 比例积分（PI）调节器
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阶跃输入时
突加输入信号时，由于电容C1两端电压不能 突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反 馈回路中只剩下电阻R1，电路等效于一个放大 系数为 Kpi 的比例调节器，在输出端立即呈 现电压 Kpi Uin ，实现快速控制，发挥了比例 控制的优点.
一般的自动控制系统由被控对象、检测仪 表、调节器/控制器和执行器几个基本的部 分组成。检测仪表对被控参数进行测量， 调节器根据给定值与测量值的偏差并按照 一定的调节规律发出调节命令，控制执行 器对被控对象的被控参数进行控制，使被 控参数满足要求。这类控制系统就是闭环 控制系统，也称为调节系统。
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2.2 自动控制基本原理与系统组成
所谓自动控制即：在没有人直接参与的情况下，利用外加的 设备或装置（控制装置或控制器），使机器、设备或生产过 程的某个工作状态或参数（即被控量）自动的按照预定的规 律运行。 自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学,最基础 的控制理论是反馈控制理论
仪表及自动控制基础知识
第一节 仪表的基本概念
3. 控制系统的分类 按控制系统的基本结构分类，可以分为闭环控
制系统和开环控制系统。
（1）闭环控制系统：系统的输出信号返回到系统 的输入端（反馈），对系统起控制作用，整个系 统构成了一个闭合的反馈回路，也称为反馈控制 系统。
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第一节 仪表的基本概念
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第一节 仪表的基本概念
（2）过渡过程的质量指标包括衰减比（B/B′)、 余差(C)、最大偏差(A)、过渡过程时间和振荡周期
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第一节 仪表的基本概念△
①衰减比（n）：它是衡量系统稳定程度的指标。 有n>1;n=1和n<1三种情况。一般希望n在4-10范 围内较为理想。 ②最大偏差A：它是描述被控变量偏离设定值最大 程度的指标。 ③余差C:它是控制系统过渡过程结束时，被控变 量的新稳态值与设定值之间的偏差。 ④过渡时间：指被控变量从原有稳态值到新稳态 值的±5%或±3%所需时间。 ⑤振荡周期：过渡过程同向两波峰之间的时间间 隔。在衰减比相同时，周期与过渡时间成正比。
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第三节 执行器—气动薄膜调节阀
图1-7 调节阀气开、气关组合方式图 武汉分公司教育培训中心
第三节 执行器—气动薄膜调节阀
1.3 调节阀的气开、气关形式的选择。 气动薄膜调节阀有气开和气关两种形式。选择
气开或气关，主要是从工艺生产的安全要求出发， 其选择可以依据四条原则： （1）首先从生产安全出发。当控制信号消失， 阀位的自然位置应能够保证生产人员和工艺设备 的安全不致于发生事故。 （2）从保证产品质量出发，不发生或尽量少发 生产品质量事故。（精馏塔回流控制阀）
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每 经 过 一 个 时 间 间 隔 Ti， 输出便增长一个KP vi（t），即 增长一个比例作用的效果。
（1）比例度（比例带，比例带宽度）
比例增益
C K I
的大小反映了比例调节作用
C P
M
的强弱，工程上习惯使用它的倒数作为整定参数，
称为比例度P。为输入量的相对变化值（相对于满量
程）与有比例作用产生的输出量的相对变化值之比
② 积分（I）调节器
Y(s) 1 G(s)
X (s) Ti s
（2-2 ）
只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随 时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消 除以后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的 位置而不回复原位，因而能保持静差为零。
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，甚至造成系统不稳定。
若A（s）为运放的传 函 ， Gi（s）、Gf（s） 为 其输入及反馈网络的传函 ，则闭环传函为
Y (s)
A( s )
G(s) X (s) 1 A(s)G f (s)Gi (s)
（2-6 ）
若IC的增益A足够大时，A（s）Gf（s）1，则
上式可近似为
G(s) Y (s) Gi (s) X(s) Gf (s)
V /V
CV
P i iM 100% M OM 100%
V /V
CV
O
OM
I
iM
（2-9 ）
在单元组合仪表中，输入量与输出量都是统一标准信
号，VOM = ViM
则
P CM 100% 1 100%
CI
KP
比例度的含义是，使调节器输出信号变化100%
，所需输入信号的百分数。
（2）实际PI调节器的阶跃响应 式（2-8）是在A（s）→∞时导出的，实际上A （s）为有限值，这时
别的调节器。
（2） 连续变化调节器 要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连 续变化的调节器，并通过采用比例，微分、积分等 算法提高调节质量。
① 比例（P）调节器
是最简单的一种，其输出y（t）随输入信号x（t ）成比例变化，若以G（s）表示这种调节器的传递 函数，则可表示为：
G(s)
Y (s) X (s)
立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏
差尽快地消除于萌芽状态之中。
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。
Y (s)
1
G(s) X (s) KC (1 Ti s Td s)
（2-5 ）
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。
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。
2.2 PID运算电路
调节器是对偏差信号进行比例、积分、微分等运 运算的装置，因而是一种具有特定传递函数的装置。 要达到这样的目的，最方便的方法时使用高增益的IC ，借助于深度负反馈来实现。结构图如图2-1所示。
第2章 调节器
2.1 调节器的调节规律பைடு நூலகம்
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输 出信号，推动执行机构，对生产过程进行自动调节。 对于调节器，最首要的问题是弄清楚它具有什么样的 调节规律，即它的输出量与输入量（偏差值）之间有 什么样的函数关系。
（1） 两位式调节器
KC
常数Kc，是比例调节器的比例增益
（2-1 ）
只要被调量偏离其给定值，调节器便会产生与 偏差成正比的输出信号，通过执行器使偏差减小。 这种按比例动作的调节器对干扰有及时而有力的抑 制作用。
存在静态误差，一旦被调量偏差不存在，调节 器的输出也就为零，即调节作用是以偏差存在为前 提条件，不可能做到无静差调节。
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。
G(s)
Y (s) X (s)
KC
(1
1) Ti s
④ 微分（D）调节器
（2-3 ）
G(s)
Y (s) X (s)
Td s
（2-4 ）
微分调节器能在偏差信号出现或变化的瞬间，
调节器输出
100%
是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，0或100%，输出 量与输入量之间的关系如图所示
0
偏差信号
两位式调节的特性
。 使用这种调节器的执行器仅有两种状态，被调
参数有周期性起伏，例如，控制电能的电磁开关，
控制流量的电磁阀，因此，广泛用于要求不高的控
制场合。要获得平稳的连续变化的调节，必须采用
阶跃响应
11
V (s) G(s)V (s) K (1 )
O
i
P Ts s
i
则
v
(t)
K
(t)
K P
t (t)
O
P
T
i
如图2-4中的虚线所示。当vi（t） =ε（t）时，在t
= 0+时,立即有体现比例动作的跃变
vo（t） = -KPε（t）
此后，vo（t）将随时间线 增 长 ， 体 现 了 对 vi（t） 的 积 分 作用。其增长率为：
1 [Vi (s) V (s)][CI s RI ] [V (s) VO (s)]CM s
VO
(
s)
A( s )V
(
s)
V
(
s)
VO (s) A( s )
解得
G(s) VO (s) Vi (s)
1 1
CI CM 1
（2-7）
这个闭环系统的传递函数完全由输入和反馈回
路的内容决定，而与IC的参数无关。由于输入和反 馈电路由R、C等无源元件组成，故闭环传函可以做 得十分稳定和精确，目前使用的调节器，都采用这
种方法构成。
2.2.1 PI电路
如图2-2所示，图中VB为 基准电压，IC的输入共模信号 有一定的范围，为了使其处在 共模电压范围之内，需将输入 电压从基准电压起计算偏差， 称为“电平转移”。
传函为 ：
V (s)
i C s V (s) C s V (s)
R
I
i
M
O
I
V (s) C
G(s) O ( I
V (s) C
i
M
1 )
RC s IM
C I
C
(1
1 RC
) s
M
II
则 这里
1
K P
G(s) K (1 )
P Ts
i
C I
—比例增益
T RC
C M；
i
II
（2-8 ） —时间常数