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第五章 自动控制仪表 第一节 概述 自动控制仪表： 在自动控制系统中，它将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制仪表根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对于被控变量的自动控制。 自动控制仪表的作用 将被控变量的测量值与给定值相比较，产生一定的偏差，控制仪表根据该偏差进行一定的数学运算，并将运算结果一定的心好形式送往执行器，以实现对于被控变量的自动控制。 控制仪表的三个发展阶段 基地式控制仪表 这类仪表与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内，同时具有检测、控制与显示的功能。 单元组合式仪表中的控制单元 单元组合式仪表示将仪表按其功能的不同分成若干单元，每个单元只完成其中的一种功能。 以微处理器为基元的控制装置 灵敏、可靠、价廉、性能好，应用广泛。 第二节 基本控制规律及其对系统过渡过程的影响 研究控制器的控制规律时是把控制器和系统断开的，即只在开环时单独研究控制器本身的特性。 所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入信号之间的关系。 控制器的输入信号是经比较后的偏差信号e，它是给定信号x与变送器送来的测量值信号z之差。 什么是控制规律？ 在分析自动化系统时，偏差采用e=x-z，但在单独分析控制仪表时，习惯上采用测量值减去给定值作为偏差。 控制器的输出信号就是控制器送往执行器（常用气动执行器）的信号p。 所谓控制器的控制规律就是指p与e之间的函数关系，即 控制器的基本控制规律 位式控制（双位控制） 比例控制（P） 积分控制（I） 微分控制（D） P、I和D的组合形式：PI、PD和PID 一、双位控制 双位控制的动作规律是当测量值大于给定值时，控制器的输出为最大（或最小），而当测量值小于给定值时，则输出为最小（或最大）。 控制器只有两个输出值，相应的控制机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。 理想的双位控制器其输出p与输入偏差e之间的关系为： 采用双位控制的液位控制系统 具有中间区的双位控制器 二、比例控制 比例度 比例度就是指控制器输入的变化相对值与相应的输出变化相对值之比的百分数，用公式表示为： 比例度就是使控制器的输出变化满刻度时（也就是控制阀从全关到全开或相反），相应的仪表测量值变化占仪表测量范围的百分数。或者说，使控制器输出变化满刻度时，输入偏差变化对应于指示刻度的百分数。 比例控制会有余差 为什么会有余差？ 我们一起讨论一下图5-5的系统从一个稳态过渡到另外一个稳态的过程。 存在余差是比例控制的缺点。 比例控制的优点是反应快，控制及时。 有偏差信号输入时，输出立刻与它成比例地变化，偏差越大，输出控制作用越强。 比例度与余差、过渡过程的关系 增大Kp（即减小比例度δ），可以减小余差，但这样会使系统稳定性变差。 三、积分控制 积分控制作用的输出变量p与输入偏差e的积分成正比， 比例积分控制器 如图所示，当有偏差存在时，输出信号将随时间增长（或减少）。当偏差为零时，输出才停止变化而稳定在某一值上，因而用积分控制器组成控制系统可以达到无余差。 由于积分控制动作缓慢，一般与比例控制组合使用，这样既能及时控制，又能消除余差。 积分时间对过渡过程的影响 实测 和 。 积分时间 对过渡过程的影响，如右图所示。 四、微分控制 对于惯性较大的对象，常常希望能根据被控变量变化的快慢来控制。 微分控制规律：就是控制器的输出信号与偏差信号的变化速度成正比， 微分控制的优缺点 超前控制：即使偏差很小，只要出现变化趋势，马上就进行控制。 但它的输出不能反映偏差的大小，假如偏差固定，即使数值很大，微分作用也没有输出，因而控制结果不能消除偏差，所以不能单独使用这种控制器，它常与比例或比例积分组合构成比例微分或三作用控制器。 微分时间对过渡过程的影响 微分作用的强弱用微分时间来衡量。 几种调节方法的比较 §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。 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