第3章控制仪表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。Q1hQ22.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。控制仪表的发展大致经历了三个阶段：1、基地式仪表将检测、
控制、显示功能设计在一个整体内，直接安装在需要控制的现场设备上。安装简单、使用方便。但通用性差，一般只适用于小规模的简单控制系统。
现在仍在单体过程设备控制中使用。2、单元式组合仪表单元组合式仪表是将仪表按其功能不同，划分成若干单元（例变送单元、给定单元、控制单
元、显示单元等），每个单元只完成其中的一种功能。其中的控制单元接受测量值PV与给定值SV信号，然后根据它们的偏差进行控制运算，运算
结果作为控制信号MV输出。各个单元之间以统一的标准信号相互联系。DDZ-Ⅱ电动仪表QDZ-Ⅱ气动仪表DDZ－Ⅲ电动调节器DDZ-S
单回路调节器DDZ-S单回路调节器DDZ－Ⅲ组装仪表3、以微处理器为中心的控制仪表（装置）内设微处理器，控制功能丰富，容易构成
各种复杂控制系统。在自动控制系统中广泛应用的有：单回路数字控制器（SLPC）工业控制计算机（DDC）集散控制装置（DCS）现场
总线控制装置（FCS）可编程逻辑控制器（PLC）YS80单回路控制器HTBJ-211单回路智能控制器YS100单回路控制器C
ENTUM-XL集散控制系统（DCS）3.1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(ManipulationVa
lue)与输入偏差e之间的关系MV=f(e)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。e=SV–PVe=PV–SV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）。3.1.1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。MVmaxe≥0（或e<0）时=MVMVmine≤0（或e>0）时MVMVMVmaxMVmax
eeMVminMVmin理想双位控制特性有中间区的双位控制特性理想的双位控制器输出值MV与输入偏差e之间的关系：进水出水22
0V～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。温度给定值∞测量信号－＋给定信号＋U0二位式控制器电路原理框图：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。MVMVttTTT0T0tt有中间区的
双位控制效果：双位控制效果：被控温度在T0上下振荡，不能稳定在T0。MV∞∞MVmax－－＋＋＋＋ee1e2给定1U01MVm
in测量信号给定2U02三位控制控制器有三个输出状态值，可以控制两个继电器。三位控制器电路原理框图：T1进水T2出水J1J2212
20V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。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。MVtTT2T1t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。控制器输出值MVe被控参数给
定值SVKp＋－被控参数测量值PV3.1.2比例（P）控制控制器输出MV(t)和偏差信号e(t)成比例关系MV(t)
=Kpe(t)Kp—比例增益传递函数为控制器例：自力杠杆式液位比例控制系统：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。?MV=p=e如果e=
0，则活塞阀关闭，Q1=0。?Q20thh0tee0tpp0t?Q10t比例控制过程原来系统处于平衡状态，进水量Q1与出水量
Q2相等，此时进水阀有一开度，液位h稳定。t=0时，出水量阶跃增加ΔQ2，引起液位下降（e增大），浮球下移带动活塞阀开大（
p增大），加大进水量Q1。只要Q1最大值不小于Q2最大值，该系统总能使进水Q1与出水量Q2相等，液位不再变化，系统重新进入平衡状
态。比例控制的特点控制及时只要有偏差，输出立刻成比例地变化，偏差越大，输出的控制作用越强。控制结果存在静差上例中，对引起液
位h偏离稳态平衡的扰动ΔQ2的补偿(平衡)作用，是通过对液位偏差e进行比例运算并控制Q1实现。如果被控参数偏差e为0，控制器输出
也为0（MV=KPe），不能对扰动（ΔQ2）进行补偿，e为0不能保持（除非Q2≡0！）。因此，比例控制系统保持稳态平衡的前
提是e≠0，不可能做到无静差控制。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。MVMVmaxMVminPV/SVPVmaxPVminS
V如果控制器输入、输出量程相等，则:比例度除了表示控制器输入和输出增益的倒数外，还表明比例作用的有效区间（由于e计算方式不同
，e变化对应MV的变化方向不同。一般工程上用正百分数（绝对值）表示P值）。MV100%(20mA)P=50%50%P=100%0
%(4mA)PVminSVPVmax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。PV/SVMV/mA20P=50%4ΔePV/℃800400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1
6mA。求控制器的比例度。解:ΔMV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。eE0tMVMV0t3.1.3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TI—积分时间当e是幅值为E的阶跃值时eEtM
Vt积分控制的特点当偏差存在（e≠0）时，积分控制输出将随时间增大（或减小）；当偏差等于0时，积分输出MV能保持在某一值上，故积分
控制具有MV保持功能，因此积分控制能实现无静差控制。积分控制随着时间逐渐变化（增加或减小），积分控制动作缓慢，故积分控制很少单独
使用。若将比例与积分控制组合起来，P能及时控制，I能消除余差。（2）比例积分（PI）控制eEtMV若偏差e是幅值为E的阶跃值
时teEtMVt3.1.4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。（1）微分（
D）控制理想微分控制TD—微分时间—偏差变化速度eEtMVt微分控制的特点微分控制能够依据偏差的微分（先于偏差值变化）
及时控制。在偏差变化的瞬间，微分控制即产生控制作用，抑制偏差(增加)变化，加快控制过程。微分控制对静态（不变）偏差毫无控制能力。
当偏差存在但不变化时，其微分为0，微分控制不起作用。因此微分控制很少单独使用，实际工程中常与P或PI结合，构成PD控制或PID控制
。MVt（2）比例微分控制（PD）理想的比例微分控制etE/P理想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）。MVE/Pt实际的比例微分控制3.1.5比例+积
分+微分（PID）控制将比例、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。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。eEt0MVPID控制作用微分控制部分积分控制部分比例控制部分t03.2模拟式控制器
电动式模拟控制器用模拟电路实现控制运算功能。其发展经历了Ⅰ型（采用电子管）、Ⅱ型（采用晶体管）和Ⅲ型（采用集成电路）几个阶段。3
.2.1DDZ-Ⅲ型仪表的特点1）采用统一标准信号用DC4~20mA和DC1～5V进行信号传输。这种信号标准电气零点不为
0，容易识别断电、断线故障；最小信号电流不为0，可为现场仪表提供能源，实现两线制接线。2）采用集成电路仪表电路简化、运算精度和仪
表可靠性提高、维修工作量减少。3）仪表功耗小可构成适用于爆炸危险现场的安全火花防爆系统。3.2.2DDZ-Ⅲ型控制器的功
能、指示与操作1-双针垂直指示表（SV、PV）2-外给定指示标志灯3-内给定设定轮4-自动(A)—软手动(M)—硬手动(H)
切换键5-硬手动操作板键6-输出值（MV）指示表7-软手动操作板键3.2.3全刻度指示控制器的线路实例注：1.电路中所有运放都采用
24V单电源供电；2.基准电平VB=10V，通过对24V电源稳压获得.给定/测量值指示电路内给定电路输出指示内给定S6S1A外给
定输入电路输出电路PD运算电路PI运算电路测量信号MH测量值指示软手动电路硬手动电路图3.11DDZ-Ⅲ型控制器功能结构方框图
上图是DDZ-Ⅲ基型控制器电路，按照功能划分为以下电路模块：输入电路、给定电路、PID运算电路、自动与手动（硬手动和软手动）切换
电路、输出电路及指示电路（上图电路用对应色彩标出）。3.2.3.1输入运算电路输入电路的首要任务是求偏差e：Vo1=k(V
给定－V测量)VP由于测量信号VP和给定信号VS分别通过双臂电阻差模输入到运放A1同相和反VP相输入端。可列写出输入节点V
+、V-的电流方程：得而V+≈V-则Vo1=-2（VP-VS）VP输入电路的功能①输入阻抗高采用差动输入电路，输入阻抗
很高，从信号VP、VS取用电流极小，DC1～5V的测量信号不会衰减。②求偏差计算偏差：e=VS–VP。切换S7，可改变e
的正负。③将偏差放大为了提高控制器对偏差的灵敏度，输入电路将偏差放大两倍。Vo1=-2（VP-VS）④消除传输线
上压降的影响DDZ-Ⅲ采用共用电源，VP、VS传输线上可能包括其它仪表的电流，导线电阻压降影响有时不可忽略。差动输入可以消除了
导线电阻的影响。VP⑤实现电平移动VP、VS都是以大地为基准的电压信号，运放器件（A1）采用DC+24V单电源供电时，其正常
输入、输出信号电压范围应在2～19V。为使运算信号符合要求，必须将基准电压从0V抬高到VB=10V，实现电平移动。VP由于V
S=1～5V，VCM1=VCM2=0～1V如果VB=0则显然，运放A1不能正常（放大）工作。VB=10V
时，V+=V-=3.7～5.7V这样，A1共摸电压在允许范围之内能正常（放大）工作。V-V+而且VB=0时，Vo1
=-2（VP-VS）=-8～+8V也不在后面PID电路IC（运放）的正常工作电压范围。VB=10时：Vo1=-2（VP
-VS）=2～18V使后面PID运放器件（IC）工作在正常电压范围之内。VP＋－3.2.3.2PID模拟运算电路PID运
算电路由PI和PD两个运算电路串联而成，如下图所示，在输入电路中已实现电平移动，因此这里各信号电压都是以VB=10V为基准进行运算
。PI运算PD运算图3-13PID运算电路1.PD模拟运算电路分析PD运算电路以A2为核心组成。微分作用可选择用与不用。开
关S8打向“断”时，构成P运算电路；开关S8打向“通”时，构成PD运算电路。IDPD运算电路传递（运算）关系由上式可得ID又因
可得实际微分因子式中TD=nRDCDTD为微分时间常数Vo2αV0163%αV01/n0tTD/nPD运算电路阶跃响应
当V01为阶跃信号（幅度为V01）时，V02(t)的阶跃响应为由右图可见，此电路的实现了实际需要的微分（控制）运算。图3
-14PD电路阶跃响应无扰切换当S8置于“断”时，微分被切除，A2只作比例运算。有这时微分电容（与R1串联后）由开
关S8并接在9.1K分压电阻两端，使CD右端始终跟随电压V01/n。当开关S8切换到“通”时，保证切换对V02无扰动。2、PI运
算电路分析PI运算电路以A3为核心，开关S3为积分时间倍乘开关。当S3打向×1档时，1K电阻被悬空，不起分压作用；当S3打向×1
0档时，1K电阻接到基准线，V02被分压后输入A3。由于CM=10μF电容积分需要较大电流，在A3输出端加一功放三极管，以满足CM
的充电需要。PI运算电路传递（运算）关系A3负输入端节点V-电流方程（如图S3置于×10）由上式可得：TI=mRICI，
称为积分时间常数。当S3置于×1档时，m=1，则积分时间常数TI=RICI。-Vo3V03t-(CI/CM)Vo2
t(CI/CM)Vo2PI运算电路阶跃响应当Vo2(t)阶跃变化（幅值为Vo2）时，Vo3(t)的阶跃响应为实际电路阶跃响应
理想电路阶跃响应3、PID运算电路的传递函数Vo1=－2(VP－VS)输入电路求偏差运算：PD运算电路传递函数：PI运算电路传
递函数：将上述三个运算电路串联，即可实现模拟电路运算的PID控制。PID控制运算模拟电路总传递函数令干扰系数比例度微分增益则
；（1）若TD<为TD/F，实际积分时间为FTI。说明三个参数调整时互相干扰，影响控制器整定参数的准确刻度。当TI/TD=4时，各参数
的实际值与F=1时相差25%。Vo3t03-16PID模拟运算电路的阶跃响应PID运算电路的阶跃响应当偏差e阶跃变化时，P
ID运算电路的阶跃响应由比例控制、积分控制和实用控制三部分组成，响曲线如图3-16所示。PID参数取值范围:P=2～500%
，TD=0.04～10分TI=0.01～2.5分(×1档)，TI=0.1～25分(×10档)3.2.3.3输出电路输出
电路是将PID电路输出电压Vo3=1～5V变换为4～20mA的电流输出，实现V/I转换，并将基准电平移至0V。在A4后面用VT
1、VT2组成复合管，进行电流放大，同时以强烈的电流负反馈来保证良好的恒流特性。V/I转换关系取：R3=R4=10KΩ
，R1=R2=4R3而V+≈V-，则由右图可得，而则若取R1=4(R3+Rf)=40.25KΩ时，可
以精确获得关系式：3.2.3.3手动操作电路与无扰切换通过切换开关S1,可以选择自动调节“A”、软手动操作“M”、硬手动操作“H”
三种控制（MV）方式。1.A、M间的切换断开A3的输入S1从A切换到M时：CM无放电回路Vo3保持不变A→M，对Vo3无冲
击扰动。S42闭合→-VM接入——按TI=100s的时间积分S41闭合→-VM接入——按TI=6s的时间积分同理，S43（或S
44）闭合→+VM接入——反向积分用这种手动操作来改变控制器输出，Vo3(Io)连续变化且比较平缓，因此称为“软手动”。2.
A、H间的切换当切换开关S1由自动位置A切向硬手动H时，运放A3接成具有惯性的比例电路（见右下图）。由于CM充电迅速，
A3的输出近似为比例电路。硬手动电路传递函数时间常数T=RFCM=30×103×10×10-6=0.3s由此可知，
VH改变时，Vo3很快达到新稳态值。A→H前，必须先将RPH调到与当时Vo3一致的位置，才能做到无扰切换，M→H也一样。3．
M、H→A间的切换S1由A(自动)切向M(软手动)或H(硬手动)时，联动开关同时将积分电容CI接VB，使VCI始终等于Vo2（CI右侧电位与V-≈V+=VB相等）。当S1再由H、M切回A时，由于电位没有突变，切换对输出Vo3无扰动。结论自动（A）无扰无扰软手动（M）有扰无扰硬手动（H）3.2.3.4测量及给定指示电路用动圈表头来指示测量值和给定值。S5切换到“标定”时，可进行示值标定。流过动圈表头的电流为VPDDZ-Ⅲ型是模拟仪表的典型代表。实际电路中还有电源、补偿、滤波、保护、调整等辅助环节。以上全面讨论了图3.10基型PID控制器（调节器）工作原理与基本操作功能。最后说明一下图中正反作用开关S7的作用。当S7置于正作用时，随着PV值的增加，控制器输出MV值增大；当S7置于反作用时，随着PV值的增加，控制器输出MV值减小。如何选择S7的正反作用，才能保证闭环控制负反馈，由控制过程（对象）特性和执行器工作方式确定，有关内容将在第六章进行深入讨论。位式输入电路小结运算电路PA、M、H电路PD输出电路PI基本控制规律及特点指示电路PID模拟式控制器DDZ-Ⅲ基型控制器 |
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