《过程控制技术》课件-第3章 控制仪表

控制仪表及位式控制规律

控制仪表又称控制器或调节器，其作用是把被控参数的测量值PV和给定SV进行比较，得出偏差后e，按一定的控制（或调节）规律进行运算，输出控制信号MV，以推动执行器动作，实现对生产过程的自动控制。控制仪表按工作能源可分为：1.电动仪表

以AC220V或DC24V作为工作能源，其输入输出信号均采用DC0～10mA/DC0～10V或DC4～20mA/DC1～5V的标准信号。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。hQ1Q2

3.自力式仪表不需要专门提供工作能源。

例如右图所示的自力式液位控制/调节器。基本控制规律及特点所谓控制规律是指控制器的输出值MV

(ManipulationValue)与输入偏差e之间的关系控制器的输入信号e是变送器送来的测量值PV（ProcessValue）和内部人工设定的或外部输入的设定值SV

(SettingValue)。设定信号和测量信号经比较环节比较后得到偏差信号e

，它是设定值SV与测量值PV

之差。

MV

=f(e)

e=PV–SVe=SV–PV或控制规律可分为断续控制和连续控制两类：①断续控制——控制器输出接点信号，如双位控制、三位控制。②连续控制——控制器输出连续信号，如比例（P）控制、比例积分控制（PI）、比例微分控制（PD）、比例积分微分控制（PID）。位式控制

双位控制双位控制器只有两个输出值，相应的执行机构只有开和关两个极限位置，因此又称开关控制。理想的双位控制器输出值MV

与输入偏差e

之间的关系：e

≥0

（或e

<0）时=MVmaxMVminMVe

≤0

（或e

>

0）时理想双位控制特性MVmaxMVmineMVMV有中间区的双位控制特性MVmaxMVmine例1：双位温度控制系统：温度低于给定值时，温控器输出高电平，继电器闭合，加热器通电加热；温度高于给定值时，温控器输出低电平，继电器断开，加热器断电。～220V进水出水温度给定值二位式控制器电路原理框图：测量信号给定信号－＋＋∞U0二位式控制是一种最简单的控制/调节器，根据被调量偏差e符号的正、负，输出MV只有两个位置，高电平或低电平，可以作为一个电气开关使用。有中间区的双位控制效果：被控温度在T0

上下振荡，不能稳定在T0

。双位控制效果：tMVTT0ttMVTT0t三位控制控制器有三个输出状态值，可以控制两个继电器。MVmaxMVmineMVe2e1测量信号给定1－＋＋∞U01－＋＋∞U02给定2三位控制器电路原理框图：例2：温度三位控制系统

温度低于T1时，温控器使继电器1、2都吸合，加热器1、2都通电加热；温度高于T1低于T2时，温控器使继电器1吸合、继电器2断开，只有加热器1通电；温度高于T2时，继电器1、2都断开。J1J2T2T112220V进水出水

温度三位控制效果温度偏差大时，升温速度快；温度偏差小时，小幅调整。要使调节过程平稳准确，必须使用控制输出值能连续变化的控制器。tMVTT2T1t2025/7/14位式控制特点：核心原理：输出为有限离散状态（如全开/全关、高/低电平），根据偏差阈值切换状态。

优点：结构简单、成本低、易实现。

缺点：被控量易波动（因状态跳跃式切换，可能引发振荡）、控制精度低。典型应用：对精度要求不高的场景（如家用温控器、水位高低位控制）。1.比例（P）控制控制器输出MV(t)

和偏差信号e(t)成比例关系Kp—比例增益

＋－Kpe被控参数测量值PV被控参数给定值SV控制器输出值MV

MV(t)=Kpe(t)

传递函数为控制器浮球为水位传感器，杠杆为控制器，活塞阀为执行器。如果某时刻Q2加大，造成水位下降，则浮球带动活塞提高，使Q1加大，才能阻止水位下降。

如果e=0，则活塞阀关闭，Q1

=0。例：自力杠杆式液位比例控制系统：

MV=p=e

比例增益Kp

代表了比例控制的强弱。但在实际工程中，习惯用比例度（也称比例带）P表示比例控制作用的强弱。所谓比例度是指纯比例控制器输入偏差的相对（变化）值与相应的输出相对（变化）值之比的百分数，

式中e(Δe)

为输入偏差(变化)值；MV(ΔMV)

为控制器输出(变化)量；(PVmax

-

PVmin)为测量输入的最大变化量，即控制器的输入量程；（MVmax

-MVmin）为输出的最大变化量，即控制器的输出量程。比例度P的工程意义：在纯比例控制下，使控制器输出变化100%时，所对应偏差e的相对量变化。例如P=50%，则表明输入偏差变化满量程的50%时，就可使控制器输出变化100%。若输入偏差变化超过此范围(50%)，则控制器输出进入饱和状态，不再符合比例关系。如左图所示。MVSV0%(4mA)100%(20mA)50%PVmaxPVminP=50%P=100%PV/SV例

某比例控制器，温度控制范围为400～800℃，输出信号范围是4～20mA。当测量指示值指针从600℃变到700℃时，控制器相应的输出从8mA变为16mA。求控制器的比例度。解:答:比例度为50%，即温度的偏差在输入量程的50％区间（即200℃）内时，e和MV（满量程相对值）是2倍的关系。MV/mAPV/℃Δe420800400P=50%ΔMV2.比例积分控制（PI）当要求定值控制系统被控参数无余差时，就需要在比例控制的基础上，增加积分控制。（1）积分（I）控制输出变值MV与输入偏差e的积分成正比当e是幅值为E的阶跃值时TI

—积分时间eEttMV0MV0

3.比例微分控制（PD）

对于惯性较大的对象，常常希望能加快控制速度，此时可增加微分控制。TD

—微分时间—偏差变化速度理想微分控制（1）微分（D）控制eEttMV

理想的比例微分控制

理想微分控制（对阶跃扰动）持续时间太短，执行器（如调节阀）来不及响应（右中图所示）。工程中一般采用实际微分控制（右下图所示）。eE/PttMVtMV

理想比例微分控制实际的比例微分控制E/P将比例、积分、微分三种控制结合在一起，只要三项控制作用配合适当，即可得即能快速控制，又能消除余差的满意控制效果。4.比例+积分+微分（PID）控制MVe0t0t积分控制部分比例控制部分微分控制部分PID控制作用E

在PID控制中，比例（P）控制是基础；微分（D）控制用于抑制偏差（增加）变化，加快系统控制速度；积分（I）控制用于在偏差e=0时，保持控制器输出MV，消除静差。2025/7/14控制类型核心作用主要优点主要缺点比例（P）直接按误差比例调节响应快速、结构简单易超调、可能存在静态误差积分（I）消除累计误差（静态误差）无静差调节响应滞后、可能积分饱和微分（D）预测误差变化趋