调节控制单元
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理想比例积分微分（PID）控制规律
Y ( s) 1 W ( s) K p (1 TD s) E (s) TI s
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（3）常规控制规律 ③图示法
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
串级控制系统原理图
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（1）增强型调节器
前馈加反馈控制系统原理图
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（2）改进型PID控制算法 微分先行PID控制：微分运算对设定值变化不起 作用，克服作用带来的输出突变：
13 调节控制单元
在实际工业生产应用中，调节器是构成自动控制 系统的核心仪表，它的基本功能是将来自变送器 的测量信号与给定信号相比较，并对由此所产生 的偏差进行比例、积分或微分处理后，输出调节 信号控制执行器的动作，以实现对不同被测或被 控参数如温度、压力、流量或液位等的自动调节 作用 如同其他仪表的发展过程一样，用作调节和控制 作用的调节器也经历了从模拟仪表到数模混合仪 表，最终再发展到全数字式仪表的过程。
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
第13章 调节控制单元
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
Contents
13.1 常规控制规律 13.2. 调节器控制规律的实现 13.3 常规调节器基本电路分析 13.4 可编程序调节器 13.5 先进调节器
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.3 常规调节器基本电路分析
（2）数字式调节器基本电路分析 数字式调节器设计思想： ①具有与常规模拟式调节器形同的外特征； ②保持常规模拟式调节器的操作方式； ③功能价格比较高； ④功能的模块化； ⑤具有自诊断的异常报警功能； ⑥提供通讯功能
化学工业出版社
（3）常规控制规律 ④频率特性表示法
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（4）使用PID控制规律的构成 由反馈回路PID环节构成的PID运算电路
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（4）使用PID控制规律的构成 由PD和PI串联构成的PID运算电路
（3）常规控制规律 ①微分方程表示法 比例积分（PI）控制规律 1 y K p ( dt ) TI 0 比例微分（PD）控制规律
d y K p ( TD ) dt
TI dt
理想比例积分微分（PID）控制规律 1 d y K p ( dt TD )
之间存在比
y K p
比例调节阶跃响应输出特性 曲线：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（2）基本控制规律 ②积分（I）控制规律 输出信号的变化量 y与偏差信号 例关系：
之间存在比
1 y dt T1
积分调节阶跃响应输出特性 曲线：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（1）增强型调节器 增强型调节器是数字式调节器的进一步发展，它 除能够完成调节器的常规任务外，还对调节器各 种功能的实现进行了改进和完善 增强型调节器的控制规律是在不完全微分PID基 础上，根据实际需要再做进一步的改进而得到的, 可以使实际PID控制规律所能得到的最佳过渡过 程中存在的某些缺陷得到克服或缓解，控制质量 与可靠性得到提高。
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ②比例积分电路 电路组成：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ②比例积分电路 比例积分调节规律 阶跃动态响应曲线：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（2）改进型PID控制算法 比例微分先行PID控制：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（2）改进型PID控制算法 非线性PID控制——积分分离控制：在比例和微 分不变的前提下，分段启动积分作用，以达到抗 饱和的作用。
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（2）数字式调节器控制规律的实现 数字式调节器可采用理想的PID调节算法，也可 采用实际的PID调节算法，在此分别称完全微分 型和不完全微分型。 完全微分型:
T yn K P [ n TI
TD i ( n n1 )] T i 0
（3）常规控制规律 ④频率特性表示法 比例积分（PI）控制规律
1 1 1 G( j ) K P (1 ), G( j ) K P 1 , ( )= arct an ( ) 2 jTI （TI ） TI
比例微分（PD）控制规律
2 G ( j ) K P (1 jTD ), G ( j ) K P 1 （TD ） , ( )= arct an (TD )
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.3 常规调节器基本电路分析
（2）数字式调节器基本电路分析 数字式调节器的典型电路结构：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.3 常规调节器基本电路分析
（2）数字式调节器基本电路分析 数字式调节器整体管理程序：
化学工业出版社
化学工业出版社
0
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
Hale Waihona Puke Baidu
13.1 常规控制规律
（3）常规控制规律 ②传感器函数表示法 比例积分（PI）控制规律 Y ( s) 1 W (s) K p (1 ) E (s) TI s 比例微分（PD）控制规律
Y ( s) W (s) K p (1 TD s) E (s)
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律 （1）典型控制系统 单回路典型控制系统
正作用调节器： 0, y 0 负作用调节器： 0, y 0
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（2）基本控制规律 ①比例（P）控制规律 输出信号的变化量 y与偏差信号 例关系：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（2）基本控制规律 ③微分（D）控制规律 输出信号的变化量 y与偏差信号 例关系： d y TD dt
之间存在比
微分调节阶跃响应 输出特性曲线：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 DDZ-Ⅲ型调节器的PID控制规律是利用运算放大 器电路先分别形成PD核PI控制规律，然后串联形 成PID控制规律。 由于微分控制规律只有在输入信号发生变化时才 起作用，所以运算放大电路中先进行微分调节作 用，然后再进行积分作用。
n
不完全微分型：
TD TD KD T n yn K P [ n i ( n n 1 )] yn 1 TD TD TI i 0 T T KD KD
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.3 常规调节器基本电路分析
（1）DDZ-Ⅲ型调节器基本电路分析 基型调节器基本电路由指示单元和控制单元两部 分组成，如图：
13.4 可编程序调节器
（1）可编程序调节器的工作原理 典型调节器SLPC*E，其所有功能都依靠寄存器 完成，寄存器结构图：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.4 可编程序调节器 （2）程序控制规律的构成和实现 在可编程序调节器的ROM中不仅存放有软件管理程序， 同时还存放有各种运算模块和功能模块。将这些运算模块 和功能模块通过一定的方式连接或组态起来，即可形成实 用的具有一定控制规律的用户程序。 每个模块在组态过程中都要求使用一定的代码来描述模块 间的组态关系。 一般地用于可编程序调节器的代码分两类，一类是数字式 的代码，其形式接近机器语言；另一类是类似助记符号的 英文字符串或其他符号，其形式接近汇编语言。
用户使用编程语言可进行各种功能模块的组态，指明模块之间的连接 顺序，定义输入和输出数据，以及确定模块调用的指令代码等，从而 最终形成能够完成某种调节功能的用户程序
一般地，编程语言除了进行读入和输出数据的传送语句外，还有完成 必要的运算与控制功能的语句
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.4 可编程序调节器
（1）可编程序调节器的工作原理 可编程序调节器是数字式调节器的重要应用实例之一。 在软件方面的功能，主要体现在为用户提供了将各种软件模块有机地 连接起来的途径，从而使其具备了用户程序可根据实际控制需要，由 用户自行进行编制的可能。 能够完成一定特定功能的软件段形成各种典型的通用软件模块，并定 义了相应的编程语言，这种编程语言介于高级语言与汇编语言之间， 是一种面向过程控制的专用语言。
理想比例积分微分（PID）控制规律
G( j ) K P (1 1 1 2 1 jTD ), G( j ) K P 1 （TD ） , ( )= arct an (TD ) jTI TI TI
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.3 常规调节器基本电路分析 （1）DDZ-Ⅲ型调节器基本电路分析 主要性能： 输入测量信号：1~5V DC 内给定信号：1~5V DC 外给定信号：4~20mA DC 输入阻抗影响：<=满刻度的0.1% 输出信号：4~20mA DC 负载电阻：250~750Ω 比例度：P=2%~500% 积分时间：0.01~25min 微分时间：0.04~10min 调节精度：0.5级
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（1）增强型调节器 在不完全PID控制规律基础上，可对PID参数追加 专家自整定功能，是控制规律始终采用最佳参数 值，保证控制效果良好：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（1）增强型调节器 对于具有两个以上干扰源及较大惯性滞后时间常 数的被控对象来说，可采用串级控制与前馈加反 馈控制，改善控制效果。
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ③PID控制规律传递函数 DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律是由PD环节和PI 环节串联而成，因而PID控制规律的传递函数应 是两者的乘积：
WPID (s) WPD (s) WPI (s)
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ①比例微分电路 比例微分电路构成：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ①比例微分电路 比例微分规律阶 跃动态响应曲线：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（4）使用PID控制规律的构成 由P、I、D串并联混合构成的PID运算电路
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（4）使用PID控制规律的构成 实际PID调节器的阶跃响应曲线
化学工业出版社
Y ( s) 1 W ( s) K p (1 TD s) E (s) TI s
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自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（3）常规控制规律 ③图示法
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
串级控制系统原理图
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（1）增强型调节器
前馈加反馈控制系统原理图
化学工业出版社
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13.5 先进调节器
（2）改进型PID控制算法 微分先行PID控制：微分运算对设定值变化不起 作用，克服作用带来的输出突变：
13 调节控制单元
在实际工业生产应用中，调节器是构成自动控制 系统的核心仪表，它的基本功能是将来自变送器 的测量信号与给定信号相比较，并对由此所产生 的偏差进行比例、积分或微分处理后，输出调节 信号控制执行器的动作，以实现对不同被测或被 控参数如温度、压力、流量或液位等的自动调节 作用 如同其他仪表的发展过程一样，用作调节和控制 作用的调节器也经历了从模拟仪表到数模混合仪 表，最终再发展到全数字式仪表的过程。
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
第13章 调节控制单元
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
Contents
13.1 常规控制规律 13.2. 调节器控制规律的实现 13.3 常规调节器基本电路分析 13.4 可编程序调节器 13.5 先进调节器
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.3 常规调节器基本电路分析
（2）数字式调节器基本电路分析 数字式调节器设计思想： ①具有与常规模拟式调节器形同的外特征； ②保持常规模拟式调节器的操作方式； ③功能价格比较高； ④功能的模块化； ⑤具有自诊断的异常报警功能； ⑥提供通讯功能
化学工业出版社
（3）常规控制规律 ④频率特性表示法
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自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
（4）使用PID控制规律的构成 由反馈回路PID环节构成的PID运算电路
化学工业出版社
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13.1 常规控制规律
（4）使用PID控制规律的构成 由PD和PI串联构成的PID运算电路
（3）常规控制规律 ①微分方程表示法 比例积分（PI）控制规律 1 y K p ( dt ) TI 0 比例微分（PD）控制规律
d y K p ( TD ) dt
TI dt
理想比例积分微分（PID）控制规律 1 d y K p ( dt TD )
之间存在比
y K p
比例调节阶跃响应输出特性 曲线：
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13.1 常规控制规律
（2）基本控制规律 ②积分（I）控制规律 输出信号的变化量 y与偏差信号 例关系：
之间存在比
1 y dt T1
积分调节阶跃响应输出特性 曲线：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（1）增强型调节器 增强型调节器是数字式调节器的进一步发展，它 除能够完成调节器的常规任务外，还对调节器各 种功能的实现进行了改进和完善 增强型调节器的控制规律是在不完全微分PID基 础上，根据实际需要再做进一步的改进而得到的, 可以使实际PID控制规律所能得到的最佳过渡过 程中存在的某些缺陷得到克服或缓解，控制质量 与可靠性得到提高。
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ②比例积分电路 电路组成：
化学工业出版社
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13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ②比例积分电路 比例积分调节规律 阶跃动态响应曲线：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（2）改进型PID控制算法 比例微分先行PID控制：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（2）改进型PID控制算法 非线性PID控制——积分分离控制：在比例和微 分不变的前提下，分段启动积分作用，以达到抗 饱和的作用。
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（2）数字式调节器控制规律的实现 数字式调节器可采用理想的PID调节算法，也可 采用实际的PID调节算法，在此分别称完全微分 型和不完全微分型。 完全微分型:
T yn K P [ n TI
TD i ( n n1 )] T i 0
（3）常规控制规律 ④频率特性表示法 比例积分（PI）控制规律
1 1 1 G( j ) K P (1 ), G( j ) K P 1 , ( )= arct an ( ) 2 jTI （TI ） TI
比例微分（PD）控制规律
2 G ( j ) K P (1 jTD ), G ( j ) K P 1 （TD ） , ( )= arct an (TD )
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13.3 常规调节器基本电路分析
（2）数字式调节器基本电路分析 数字式调节器的典型电路结构：
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自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.3 常规调节器基本电路分析
（2）数字式调节器基本电路分析 数字式调节器整体管理程序：
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0
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Hale Waihona Puke Baidu
13.1 常规控制规律
（3）常规控制规律 ②传感器函数表示法 比例积分（PI）控制规律 Y ( s) 1 W (s) K p (1 ) E (s) TI s 比例微分（PD）控制规律
Y ( s) W (s) K p (1 TD s) E (s)
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13.1 常规控制规律 （1）典型控制系统 单回路典型控制系统
正作用调节器： 0, y 0 负作用调节器： 0, y 0
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13.1 常规控制规律
（2）基本控制规律 ①比例（P）控制规律 输出信号的变化量 y与偏差信号 例关系：
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13.1 常规控制规律
（2）基本控制规律 ③微分（D）控制规律 输出信号的变化量 y与偏差信号 例关系： d y TD dt
之间存在比
微分调节阶跃响应 输出特性曲线：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.1 常规控制规律
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 DDZ-Ⅲ型调节器的PID控制规律是利用运算放大 器电路先分别形成PD核PI控制规律，然后串联形 成PID控制规律。 由于微分控制规律只有在输入信号发生变化时才 起作用，所以运算放大电路中先进行微分调节作 用，然后再进行积分作用。
n
不完全微分型：
TD TD KD T n yn K P [ n i ( n n 1 )] yn 1 TD TD TI i 0 T T KD KD
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13.3 常规调节器基本电路分析
（1）DDZ-Ⅲ型调节器基本电路分析 基型调节器基本电路由指示单元和控制单元两部 分组成，如图：
13.4 可编程序调节器
（1）可编程序调节器的工作原理 典型调节器SLPC*E，其所有功能都依靠寄存器 完成，寄存器结构图：
化学工业出版社
自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.4 可编程序调节器 （2）程序控制规律的构成和实现 在可编程序调节器的ROM中不仅存放有软件管理程序， 同时还存放有各种运算模块和功能模块。将这些运算模块 和功能模块通过一定的方式连接或组态起来，即可形成实 用的具有一定控制规律的用户程序。 每个模块在组态过程中都要求使用一定的代码来描述模块 间的组态关系。 一般地用于可编程序调节器的代码分两类，一类是数字式 的代码，其形式接近机器语言；另一类是类似助记符号的 英文字符串或其他符号，其形式接近汇编语言。
用户使用编程语言可进行各种功能模块的组态，指明模块之间的连接 顺序，定义输入和输出数据，以及确定模块调用的指令代码等，从而 最终形成能够完成某种调节功能的用户程序
一般地，编程语言除了进行读入和输出数据的传送语句外，还有完成 必要的运算与控制功能的语句
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自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.4 可编程序调节器
（1）可编程序调节器的工作原理 可编程序调节器是数字式调节器的重要应用实例之一。 在软件方面的功能，主要体现在为用户提供了将各种软件模块有机地 连接起来的途径，从而使其具备了用户程序可根据实际控制需要，由 用户自行进行编制的可能。 能够完成一定特定功能的软件段形成各种典型的通用软件模块，并定 义了相应的编程语言，这种编程语言介于高级语言与汇编语言之间， 是一种面向过程控制的专用语言。
理想比例积分微分（PID）控制规律
G( j ) K P (1 1 1 2 1 jTD ), G( j ) K P 1 （TD ） , ( )= arct an (TD ) jTI TI TI
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13.1 常规控制规律
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13.3 常规调节器基本电路分析 （1）DDZ-Ⅲ型调节器基本电路分析 主要性能： 输入测量信号：1~5V DC 内给定信号：1~5V DC 外给定信号：4~20mA DC 输入阻抗影响：<=满刻度的0.1% 输出信号：4~20mA DC 负载电阻：250~750Ω 比例度：P=2%~500% 积分时间：0.01~25min 微分时间：0.04~10min 调节精度：0.5级
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13.5 先进调节器
（1）增强型调节器 在不完全PID控制规律基础上，可对PID参数追加 专家自整定功能，是控制规律始终采用最佳参数 值，保证控制效果良好：
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自动检测技术及仪表控制系统 第二版
13.5 先进调节器
（1）增强型调节器 对于具有两个以上干扰源及较大惯性滞后时间常 数的被控对象来说，可采用串级控制与前馈加反 馈控制，改善控制效果。
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13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ③PID控制规律传递函数 DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律是由PD环节和PI 环节串联而成，因而PID控制规律的传递函数应 是两者的乘积：
WPID (s) WPD (s) WPI (s)
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13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ①比例微分电路 比例微分电路构成：
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13.2 调节器控制规律的实现
（1）DDZ-Ⅲ型调节器PID控制规律的实现 ①比例微分电路 比例微分规律阶 跃动态响应曲线：
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13.1 常规控制规律
（4）使用PID控制规律的构成 由P、I、D串并联混合构成的PID运算电路
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13.1 常规控制规律
（4）使用PID控制规律的构成 实际PID调节器的阶跃响应曲线
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