第五章 自动控制仪表
§ 5.1 概述一、控制系统按被调参数的变化规律分类：
定值调节系统：给定值为常数；
随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化；
程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。
二、控制目的的实现：
通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输出 ——简单；
将设定值与实测值进行比较，以其差值大小控制调节器动作，直至差值达到允许的误差范围。
第五章 自动控制仪表
§ 5.1 概述三、控制仪表的分类：
基地式控制仪表
– 检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。
单元组合式控制仪表
– 在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出相应的控制信号。
计算机控制系统
– 以计算机为中心控制单元,以测试仪表、执行机构等单元为外围设备的系统。
§ 5.2 基本控制规律
控制规律：控制系统输入与输出之间的关系。
按控制目标分类：
– 限位控制：在输出超出设定的上下限时控制器改变输出状态；
– 连续控制：根据测量值与设定值的差异（差值）连续调整输出（控制参数）。
一、限位控制
控制规律
– AB断开，低位，开启阀门；
– AC导通，高位，关闭阀门。
控
导通导通
ACp
ABpp
m i n
m a x
控制结果：
将液位限制在 BC之间。A
B
C
限位控制的过渡曲线
p
t
y
t
yH
yL
限位控制器电路举例
24V DC 0
A
B
C
控
A
B
C
AB断开 ——阀门开启 ； AC接通 ——阀门关闭
C
B
电磁阀二、连续控制 ——PID控制
根据 输入量与设定值差异 的大小 连续 调整输出量的大小。
分类：
– P控制 ——比例控制
– PI控制 ——比例积分控制
– PD控制 ——比例微分控制
– PID控制 ——比例微分积分控制
1,P调节
输出量与被控量的差值成正比。
P= KP ·e
放大倍数 KP,输出量与被控量的差值的比例系数。
比例度?：控制器输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。
放大倍数 KP与比例度?成反比
KP（? ）值的影响
KP值过大（?值过小）
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。
KP值过小（?值过大）
– 系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。
KP值（?值）适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
有一定的余差。
2,PI调节
加入积分调节的目的：缩短大偏差的调节时间，消除余差。
积分调节方法：输出量与输入偏差对时间的积分成正比。
对于较大的偏差，容易导致调节时间过长，调节量过大而出现超调。因而通常与比例调节共同使用。
e d t
T
eKp p
1
1
积分时间 Ti的影响
Ti值过小
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。
Ti值过大
– 积分作用不明显，调节时间长，余差大。
Ti值适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
无余差。
3,PD调节
加入微分调节的目的：防止出现超调现象。
积分调节方法：输出量与输入偏差对时间的微分成正比。 ——根据被控参数变化的快慢进行调节，属超前控制。
对于固定的偏差，没有输出。因而不能消除余差，通常与比例调节共同使用。
dt
deTeKp
dp
微分时间 TD的影响
TD值过大
– 系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡。
TD值过小
– 积分作用不明显，超调量大 。
TD值适中
– 经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。
特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显 。
4,PID调节
同时采用比例、积分、微分调节方法。
通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等三个参数的大小，确定各种调节作用的强弱。
采用比例积分微分（ PID） 调节，既能快速进行控制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行有效的控制，因而具有较好的控制性能。
PID控制方法是目前参数连续控制系统中普遍采用的控制方法。
几种调节方法的比较
P调节
PI调节
PD调节
PID调节
pKm?
dtKKm Ip
dt
dTKKm
Dpp
)1( dtdTdtTKmmmm D
I
PDIP
I 调节
P 调节
PI 调节
PID 调节
PD 调节
X
X 0
§ 5.2 模拟量 PID控制器一、基本构成
比较环节
– 将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减），
产生偏差信号。
放大器
– 将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。
反馈环节
– 将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，
以实现比例、积分、微分等控制规律。
给定信号 比较环节测量信号偏差 放大器 输出信号反馈环节-
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
1,仪表的特点
采用国际电工委员会（ IEC） 推荐的统一标准信号：
– 4~20mA DC 或 1~5V DC,信号电流与电压的转换电阻为 250?。
高度集成化，可靠性高，维修量少。
全系统统一采用 24V DC电源供电，单元仪表无须单独设置电源。
功能齐全，结构合理。
具有 本安 （本质安全）性能。
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
2,基本功能
控制功能
– 自动控制：针对偏差，按 PID规律自动调整输出。
– 手动控制：由人工直接设定输出值 ——遥控执行器。
软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。
硬手动：瞬间直接改变输出值。
显示功能
– 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、
（输出）限位报警。
调整功能
– 给定输入调整：
– 控制参数整定：
无干扰切换
在不同的控制方式相互切换过程中，输出参数和系统状态不发生突变。
无干扰切换的实现：
– 在切换前，调节手动输出参数或设定值，使输出值与自动输出值保持一致。
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
3,结构原理输入电路
PD
电路
PI
电路输出电路软手动电路硬手动电路显示电路内给定电路给定显示外给定值测量信号 输出信号二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
4,外形结构
仪表整体为长方体，伸入控制箱（盘）内部
PID参数设定位于仪表内部，
拉开整个仪表，
可用螺丝刀调整变阻器。
炉温控制
§ 5.3 数字量控制器
通过 A/D,D/A转换，可以实现模拟量与数字量之间的相互转化。
数字量控制器的基本结构原理为：
A/D
AIO
DIO
I/O
模拟量信号模拟量信号
CPU
计算电路
D/A
AIO
DIO
I/O
模拟量信号模拟量信号数字量控制器的分类
单回路数字控制器
– 为适应 DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的简易计算机控制系统。
PLC控制器
– 具有大量 I/O接口的专用计算机系统，通常使用专门的编程语言。
商用计算机
– 基于高性能商用 CPU的计算机系统，可使用多种高级语言，具有普通家用计算机的全部功能。
本章作业
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§ 5.1 概述一、控制系统按被调参数的变化规律分类：
定值调节系统：给定值为常数；
随动调节系统：给定值为变数，要求跟随变化；
程序控制调节系统：按预定时间顺序控制参数。
二、控制目的的实现：
通过人为设定或计算机程序直接给出一定的输出 ——简单；
将设定值与实测值进行比较，以其差值大小控制调节器动作，直至差值达到允许的误差范围。
第五章 自动控制仪表
§ 5.1 概述三、控制仪表的分类：
基地式控制仪表
– 检测、控制、显示组合在一起的一类仪表。
单元组合式控制仪表
– 在系统规定的统一的通讯方式下，按要求给出相应的控制信号。
计算机控制系统
– 以计算机为中心控制单元,以测试仪表、执行机构等单元为外围设备的系统。
§ 5.2 基本控制规律
控制规律：控制系统输入与输出之间的关系。
按控制目标分类：
– 限位控制：在输出超出设定的上下限时控制器改变输出状态；
– 连续控制：根据测量值与设定值的差异（差值）连续调整输出（控制参数）。
一、限位控制
控制规律
– AB断开，低位，开启阀门；
– AC导通，高位，关闭阀门。
控
导通导通
ACp
ABpp
m i n
m a x
控制结果：
将液位限制在 BC之间。A
B
C
限位控制的过渡曲线
p
t
y
t
yH
yL
限位控制器电路举例
24V DC 0
A
B
C
控
A
B
C
AB断开 ——阀门开启 ； AC接通 ——阀门关闭
C
B
电磁阀二、连续控制 ——PID控制
根据 输入量与设定值差异 的大小 连续 调整输出量的大小。
分类：
– P控制 ——比例控制
– PI控制 ——比例积分控制
– PD控制 ——比例微分控制
– PID控制 ——比例微分积分控制
1,P调节
输出量与被控量的差值成正比。
P= KP ·e
放大倍数 KP,输出量与被控量的差值的比例系数。
比例度?：控制器输入变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数。
放大倍数 KP与比例度?成反比
KP（? ）值的影响
KP值过大（?值过小）
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。
KP值过小（?值过大）
– 系统反应过于迟钝，调节时间长，余差大。
KP值（?值）适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
有一定的余差。
2,PI调节
加入积分调节的目的：缩短大偏差的调节时间，消除余差。
积分调节方法：输出量与输入偏差对时间的积分成正比。
对于较大的偏差，容易导致调节时间过长，调节量过大而出现超调。因而通常与比例调节共同使用。
e d t
T
eKp p
1
1
积分时间 Ti的影响
Ti值过小
– 系统反应过于灵敏，容易造成过度调节，产生大幅振荡。
Ti值过大
– 积分作用不明显，调节时间长，余差大。
Ti值适中
– 经过少数几个减幅振荡后，逐渐趋于稳定，
无余差。
3,PD调节
加入微分调节的目的：防止出现超调现象。
积分调节方法：输出量与输入偏差对时间的微分成正比。 ——根据被控参数变化的快慢进行调节，属超前控制。
对于固定的偏差，没有输出。因而不能消除余差，通常与比例调节共同使用。
dt
deTeKp
dp
微分时间 TD的影响
TD值过大
– 系统反应过于灵敏，调节时间长，余差大，有时甚至会出现大幅振荡。
TD值过小
– 积分作用不明显，超调量大 。
TD值适中
– 经过少数几个明显减幅振荡后，逐渐趋于稳定。
特别是对有较大滞后的系统作用尤为明显 。
4,PID调节
同时采用比例、积分、微分调节方法。
通过适当调整比例常数、积分时间、微分时间等三个参数的大小，确定各种调节作用的强弱。
采用比例积分微分（ PID） 调节，既能快速进行控制，又能消除余差，对反应较慢的系统也能进行有效的控制，因而具有较好的控制性能。
PID控制方法是目前参数连续控制系统中普遍采用的控制方法。
几种调节方法的比较
P调节
PI调节
PD调节
PID调节
pKm?
dtKKm Ip
dt
dTKKm
Dpp
)1( dtdTdtTKmmmm D
I
PDIP
I 调节
P 调节
PI 调节
PID 调节
PD 调节
X
X 0
§ 5.2 模拟量 PID控制器一、基本构成
比较环节
– 将测量值与设定值进行比较（电流、电压、气压相减），
产生偏差信号。
放大器
– 将偏差信号、反馈信号、载波信号叠加后进行放大。
反馈环节
– 将输出信号通过一定的运算关系反馈到放大器的输入端，
以实现比例、积分、微分等控制规律。
给定信号 比较环节测量信号偏差 放大器 输出信号反馈环节-
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
1,仪表的特点
采用国际电工委员会（ IEC） 推荐的统一标准信号：
– 4~20mA DC 或 1~5V DC,信号电流与电压的转换电阻为 250?。
高度集成化，可靠性高，维修量少。
全系统统一采用 24V DC电源供电，单元仪表无须单独设置电源。
功能齐全，结构合理。
具有 本安 （本质安全）性能。
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
2,基本功能
控制功能
– 自动控制：针对偏差，按 PID规律自动调整输出。
– 手动控制：由人工直接设定输出值 ——遥控执行器。
软手动：输出随时间按一定的速度增加或减小。
硬手动：瞬间直接改变输出值。
显示功能
– 输入显示、设定值显示、手动给定显示、输出显示、
（输出）限位报警。
调整功能
– 给定输入调整：
– 控制参数整定：
无干扰切换
在不同的控制方式相互切换过程中，输出参数和系统状态不发生突变。
无干扰切换的实现：
– 在切换前，调节手动输出参数或设定值，使输出值与自动输出值保持一致。
二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
3,结构原理输入电路
PD
电路
PI
电路输出电路软手动电路硬手动电路显示电路内给定电路给定显示外给定值测量信号 输出信号二,DDZ—Ⅲ 电动控制器
4,外形结构
仪表整体为长方体，伸入控制箱（盘）内部
PID参数设定位于仪表内部，
拉开整个仪表，
可用螺丝刀调整变阻器。
炉温控制
§ 5.3 数字量控制器
通过 A/D,D/A转换，可以实现模拟量与数字量之间的相互转化。
数字量控制器的基本结构原理为：
A/D
AIO
DIO
I/O
模拟量信号模拟量信号
CPU
计算电路
D/A
AIO
DIO
I/O
模拟量信号模拟量信号数字量控制器的分类
单回路数字控制器
– 为适应 DDZ系列单元模式（功能、外形）而设计的简易计算机控制系统。
PLC控制器
– 具有大量 I/O接口的专用计算机系统，通常使用专门的编程语言。
商用计算机
– 基于高性能商用 CPU的计算机系统，可使用多种高级语言，具有普通家用计算机的全部功能。
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