第六 - 华东理工大学继续教育学院
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第六章
控制器
华东理工大学信息学院自动化系
本章的主要内容：
6.1
概述
6.2
基本控制规律
6.3
模拟式控制器
6.4
数字式控制器
6.1
概述
控制器是控制系统的核心。
•控制器的作用：控制执行器，改变操纵变量，
使被控变量符合生产要求。
控制器在闭环控制系统中将检测变送环
节传送过来的信息与被控变量的设定值比较
后得到偏差，然后根据偏差按照一定的控制
规律进行运算，最终输出控制信号作用于执
行器上。
•控制器的分类
控制器一般可按能源形式、
信号类型和结构形式进行分
类。
按能源形式： 气动
电动
气动控制仪表
发展较早，其特点是结构简单、
性能稳定、可靠性高、价格便宜，
且在本质上安全防爆，因此广泛
应用于石油、化工等有爆炸危险
的场所。
电动控制仪表
相对气动控制仪表出现得较晚，但由于
电动控制仪表在信号的传输、放大、变换处
理，实现远距离监视操作等方面比气动仪表
容易得多，并且容易与计算机等现代化信息
技术工具联用，因此电动控制仪表的发展极
为迅速，应用极为广泛。近年来，电动控制
仪表普遍采取了安全火花防爆措施，解决了
防爆问题，所以在易燃易爆的危险场所也能
使用电动控制仪表。
目前采用的控制器以电动控制器占绝
大多数。
按信号类型： 模拟式
数字式
模拟式控制仪表
传输信号通常是连续变化的模拟量，
其线路较为简单，操作方便，在过程控
制中已经广泛应用。
数字式控制仪表
数字式控制仪表的传输信号通常是断
续变化的数字量，以微型计算机为核心，
其功能完善，性能优越，能够解决模拟式
仪表难以解决的问题。近二十年来数字式
控制仪表不断涌现新品种应用于过程控制
中，以提高控制质量。
按结构形式： 基地式
单元组合式
组装式
集散控制系统
基地式控制仪表
将控制机构与指示、记录机构组
成一体，结构简单，但通用性差，
使用不够灵活，一般仅用于一些
简单控制系统。
单元组合式控制仪表
将整套仪表划分成能独立实现某种功能的若
干单元，各个单元之间用统一标准信号联系。
将各个单元进行不同的组合，可以构成具有
各种功能的控制系统，使用灵活方便。
目前使用较多的单元组合式控制器属电
动Ⅲ型，而在一些老装置上电动Ⅱ型控制器
还在使用，气动单元控制器由于控制滞后太
大已经很少使用。
组装式控制仪表
是在单元组合仪表的基础上发展起来的一种
功能分离、结构组件化的成套仪表装置。
集散控制系统
随着计算机技术发展，出现了各种以微处理
器为基础的控制器，在结构、功能、可靠性
等各个方面都使控制器进入一个新阶段。近
二十多年来出现了许多基于集散控制系统或
者现场总线的控制器，它们除了控制功能外，
还具有网络通信等功能，适应信息社会大规
模生产需要。
6.2
基本控制规律
6.2.0
基本概念
6.2.1
双位控制
6.2.2
连续PID控制算法
6.2.0
基本概念
过程控制一般是指连续控制系统，控制
器的输出随时间的变化发生连续变化。
不管是何种控制器，都有其基本的控制
规律。
控制规律的定义：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e(t)：是测量值y(t)与被控
变量的设定值之差 ，即e(t)=y(t)-r(t)；
控制器的输出信号u(t)：是送往执行机构的
控制命令。
控制规律就是控制器的输出信号u(t)随输入
信号e(t)变化的规律。
基本控制规律：
双位控制（开关控制）：
比例控制：
积分控制：
微分控制：
以蒸汽加热反应釜为例：设反应温
度为85℃，反应过程是轻微放热的，
还需要从外界补充一些热量。
• 发现温度一低于85℃，就把蒸
汽阀门全开，一高于85℃，就全
关，这种做法称双位控制，阀门
开度只有两个位置，全开或全关。
使供需一直不平衡，温度波动不
可避免，它是一个持续振荡过程。
用双位控制规律来控制反应器温
度，显然控制质量差。
蒸汽加热反应釜
• 若在某一静态，温度为85℃，阀
门开度是三圈。这样调节：当温
度高于85℃时，每高出5℃就关一
圈阀门；当低于85℃时，每降低
5℃就开一圈阀门。这样，阀门的
开启度与偏差成比例关系，用数
学公式表示则为：
1
开启圈数 3 （y 85）
5
式中y是测量值。
蒸汽加热反应釜
比例控制规律模仿上述操作方式，控
制器的输出u(t)与偏差e(t)的对应关系
为：
u(t)=u(0)+Kce(t)
式中u(t)是比例控制器的输出；u(0)是
偏差e为零时的控制器输出，e=y-r；Kc
是控制器的比例放大倍数。
比例控制的缺点是在负荷变化时有
余差。例如，在该例子中，如果工况
有变动，阀门开三圈，就不再能使温
度保持在85℃。
• 比例操作方式会有余差存在。为了消
除余差，人们这样做：把阀门开启数圈
后，不断观察测量值，若低于85℃，则
慢慢地继续开大阀门；若高于85℃，则
慢慢地把阀门关小，直到温度回到85℃。
这种方式的特点：是按偏差来决定阀门
开启或关闭的速度，而不是直接决定阀
门开启的圈数。
du (t )
K I e(t )
dt
控制器输出的变化速度与偏差成正比—
—这就是积分控制规律。
积分后得
t
u(t ) u(0) K I e(t )dt
0
由上式可看出，只要有偏差随时间而存
在，控制器输出总是在不断变化，直到
偏差为零时，输出才会稳定在某一数值
上。
• 对于容量滞后较大的过程，当出
现偏差时，其数值已较大，对控制
及生产不利。此时，人们观察偏差
的变化速度即趋势来开启阀门的圈
数，这样可抑制偏差幅度，易于控
制。
de(t )
u (t ) TD
dt
这就是微分控制规律，控制器的输
出与偏差变化速度成正比。
6.2.1
双位控制
理想的双位控制器输出与输入偏差之
间的关系为：当测量值大于给定值时，
控制器的输出为最大（或最小），当
测量值小于给定值时，输出值为最小
（或最大）。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。
umax , e 0
umax , e 0
u
或 u
umin , e 0
umin , e 0
为了降低控制机构的开关频率，延
长控制系统中运动部件的使用寿命。
给双位控制系统增加了中间区，当
偏差在中间区内变化时，控制机构
不会动作。
u(t)
umax ,
u 保持umax 或umin 不变,
u ,
min
e emax
umax
emi n e emax
e emin
emin
emax
e(t)
umin
实际的双位控制特性
6.2.2
6.2.2.1
连续PID控制算法
比例控制(P)
(1)比例控制规律
输出信号与输入信号之间的关系为
u(t ) Kce(t )
式中： Kc ——比例增益，衡量比例控制作用强弱
的变量。
比例增益Kc是控制器的输出变量Δu(t)与输入变量e(t)之比。
Kc越大，在相同偏差e(t)输入下，输出Δu(t)也越大。
控制器的输出变化量与输入偏差成正比例，在时间
上没有滞后。
比例控制规律的开环输出特性：
e(t)
A
O
t
比例增益——Kc衡量比
例控制作用强弱的变量。
在实际中，习惯上使用
比例度δ表示比例控制
作用的强弱。
Δu(t)
KcA
O
t
阶跃偏差作用下比例
控制器的开环输出特
性
(2)比例度δ
定义：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，表达式为
e
Z Z min
max
100%
u
umax umin
其中：e为控制器输入信号的变化量，即偏差信号；
(Zmax-Zmin)为控制器输入信号的变化范围，即量程； Δu
为控制器输出信号的变化量，即控制命令；(umax-umin)为
控制器输出信号的变化范围。
可以看出比例度的具体含义为：使
控制器的输出变化满刻度时，相应
的控制器输入变化量占输入信号变
化范围的百分数。即要使输出做全
范围变化，输入信号必须改变全量
程的百分之几（P107）。
umax
Δ=100%
Δ=50%
50%
Δ=200%
umin
50%
e
%
Z max Z min
比例度示意图
100%
左图是比例度的示意图，
当比例度分别为50%、
100%、200%时，只要偏
差e的变化占输入信号变
化范围的50%、100%、
200%时，控制器的输出
就可以由最小umin 变为最
大umax。
比例度的定义式可改写为
e
Z max Z min
1 umax umin
100%
100%
u
K c Z max Z min
umax umin
1
C
100%
Kc
C为控制器输出信号的变化范围与输入信号的变化
范围之比，称为仪表系数。
由前面得：
1 umax umin
1
100% C 100%
Kc Z max Z min
Kc
对于单元组合仪表，有
(Zmax Zmin ) (umax umin )
所以
1
100%
Kc
结论：比例度δ 与放大倍数Kc成反比。比例度
δ越小，放大倍数Kc越大，它将偏差（控制器输
入）放大的能力越强，反之亦然。
例题：一台比例作用的温度控制器，其温
度的变化范围为400~800℃，控制器的输
出范围是4~20mA。当温度从600℃变化到
700℃时，控制器相应的输出从8mA变为
12mA，试求该控制器的比例度。
解：
e
700 600
Z max Z min
100% 800 400 100% 100%
u
12 8
umax umin
20 4
这说明在这个比例度下，温度全范围变化（相当于
400 ℃ ）时，控制器的输出从最小变为最大，在此区
间内，e和u是成比例的。
y
(3)比例度δ对系统过渡过程的影响
① 在扰动（如负荷）及设定值
变化时有余差存在。
② 比例度愈大，过渡过程曲线
愈平稳，余差也愈大。比例度
愈小，过渡过程曲线振荡愈厉
害。当比例度δ减小到某一数
值时，系统会出现等幅振荡，
此时的比例度称为临界比例度
δk。
δ 小于临界值
t
y
δ 等于临界值
t
y
δ 偏小
t
y
δ 适当
t
y
δ 偏大
t
y
δ 太大
③ 如果δ较小，振荡频率提高，
t
把被控变量拉回到设定值所需
比例度对过渡过程的影响
的时间就短。
④ 最大偏差在两类外作用下不一样，
在扰动作用下，δ越小，最大偏差越小；
在设定作用下且系统处于衰减振荡时，
δ越小，最大偏差却越大。因为最大偏
差取决于余差和超调量。
y(t)
新的设定值
y(t)
δ 减小
设定作用
扰动作用
δ 减小
y(0
)
t
（a）扰动作用
t
y(0
)
（b）
设定作用
比例度对过渡过程的影响
在扰动作用下，主要取决于余差，δ小则余差小，所
以最大偏差也小；在设定作用下，最大偏差取决于超
调量，δ小则超调量大，所以最大偏差就大。
选择比例度δ的原则：
一般地，若对象的滞后较小、时
间常数较大以及放大倍数较小时，控
制器的比例度δ要小，以提高系统的灵
敏度，使反应快些，从而过渡过程的
曲线较好。反之，比例度δ就要大，以
保证系统稳定。
比例控制特点：是最基本、最主要、应用最普遍，
它能迅速克服扰动的影响，使系统很快稳定。
适用场合：扰动幅度较小、负荷变化不大、过程时滞
较小或控制要求不高的场合。
6.2.2.2
比例积分控制(PI)
(1)积分控制规律
输出△u(t)与输入e(t)的关系为
t
u(t ) K I e(t )dt
0
其中KI表示积分速度。
输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且
与偏差信号存在的时间长短有关。只有在偏差信号 e
等于零的情况下，控制器的输出才能相对稳定。因
此，力图消除余差是积分控制作用的重要特性。
阶跃偏差下的开环输出特性：
在幅度为A的阶跃偏差作
用下，积分控制器的开环输
出特性为
e(t)
Δu(t)=KI∫e(t)dt=KIAt
A
t
如右图所示，这是一条斜率
O
不变的直线，直到控制器的
Δu(t)
K At
输出达到最大值或最小值而
无法再进行积分为止，输出
直线的斜率即输出的变化速
t
O
度正比于控制器的积分速度KI，
即
阶跃偏差下的开环输出特性
I
dΔu(t)/dt=KIA。
积分作用的落后性：
积分控制作用总是滞后于
偏差的存在，所以在工业
生产中很少单独使用。
常常将比例作用和积分作
用相结合组成比例积分控
制作用来使用。
积分作用的落后性
(2)比例积分控制规律
是比例作用和积分作用的合成，因
此，输出△u(t)与输入e(t)的关系
为
1
u (t ) Kc [e(t )
TI
t
e(t )dt ]
0
t
Kc e(t ) K I e(t )dt
0
其中：Kce(t)是比例项，（Kc /TI）∫t0e(t)dt是积分项，
TI称为积分时间，（Kc /TI）=KI 。
开环输出特性：
在幅度为A的阶跃输入下，比例
输出立即跳变到KCA，然后积分
输出随时间线性增长，输出特性
是一根截距为KCA、斜率为KCA/TI
的直线。
1
u (t ) Kc [e(t )
TI
t
e(t )dt ]
0
积分时间TI越大，直线越平坦，
说明积分作用越弱；TI越小，直
线越陡峭，说明积分作用越强。
积分时间TI定义：在阶跃偏差作
用下，控制器的输出达到比例输
出的两倍所经历的时间，就是积
分时间TI 。
积分时间TI测定：
将比例度δ置于100%的刻度上，
然后对控制器输入一个幅度为
A的阶跃偏差，测出控制器的
输出跳变值，同时按秒表计时，
等到积分输出与比例输出相同
时所经历的时间就是积分时间
TI。
(3)积分时间TI对系统过渡过程的影响
在一个纯比例控制的闭环系统中引入积分作用时，
若保持控制器的比例度δ不变，则可从下图所示的
曲线族中看到，随着TI减小，则积分作用增强，消
除余差较快，但控制系统的振荡加剧，系统的稳定
性下降；TI过小，可能导致系统不稳定。TI小，扰
动作用下的最大偏差下降，振荡频率增加。
扰动作用
结论：
• 在比例控制系统中引入积分作用的优点是
能够消除余差，然而降低了系统的稳定性；
若要保持系统原有的衰减比，必须相应加大
控制器的比例度，这会使系统的其它控制指
标下降。因此，如果余差不是主要的控制指
标，就没有必要引入积分作用。
• 由于比例积分控制器有比例度δ和TI两个参
数可供选择，因此适用范围比较宽广，多数
控制系统都可以采用。
(4)积分饱和及防止
积分饱和指的是一种积分过量现象。
间歇式反应釜温度控制系统
在间歇式反应釜温度控
制系统中，进料的温度
较低，离设定值较远，
所以在初始阶段偏差较
大，控制器输出会达到
积分极限，把加热蒸汽
阀开足。当釜内温度达
到和开始超出设定值后，
蒸汽阀仍不能及时关小，
结果使温度大大超出设
定值，使动态偏差加大，
控制质量变差。
压力放空系统（保证压力不超限）中，设定值为压力的容许限
值，在正常情况下，放空阀是全关的，实际压力总是低于此设
定值，偏差长期存在。假设采用气关阀（气源中断时保证安
全），由于正常工况下偏差一直存在，控制器输出会达到上限。
在偏差反向后，阀门的开关状态不变，控制器未能起到它应该
起的作用。
结论：
凡是长期存在偏差的简单控制系统，常会出现
积分饱和的现象。复杂控制系统也会出现积分饱和
现象。
解决积分饱和问题的常用方法是采用PI-P控制
规律。当控制器输出在某一范围之内时。采用PI控
制规律，目的消除余差；当超出某一限值时，采用
P作用，目的防止积分饱和。
另外，还有积分限幅法，变速积分法等。
6.2.2.3
比例微分控制(PD)
(1) 微分控制规律
理想的微分控制规律，其输出信号
Δu(t)正比于输入信号e(t)对时间的导
数：
de(t )
u (t ) TD
dt
TD为微分时间
理想微分器在阶跃偏差信号作用下的开环输出特性是
一个幅度无穷大、脉宽趋于零的尖脉冲，输出只与偏
差的变化速度有关，而与偏差的存在与否无关，即偏
差固定不变时，不论其数值有多大，微分作用都无输
出。纯粹的微分控制是无益的，因此常将微分控制与
比例控制结合在一起使用。
（2）比例微分控制规律
理想的比例微分控制规律的数学表达式为
de(t )
u (t ) K c e(t ) TD
dt
理想的比例微分控制器
的开环输出特性如左图
所示
理想比例微分
开环输出特性
理想的比例微分控制器在制造上是困难的，工业上
都是用实际比例微分规律的控制器。
实际比例微分控制规律的数学表达式为
TD du(t )
de(t )
u(t ) K c e(t ) TD
K D dt
dt
KD为微分增益（微分放大倍数）
若将KD取得较大，可近似认为是理想比例微分控制。
在幅度为A的阶跃偏差信号作用下，实际PD控制器
的输出为
t
u (t ) K c A K c A( K D 1) exp( )
T
其中T=TD/KD
实际比例微分控制器在幅度
为A的阶跃偏差作用下的开环
输出特性，见左图。
由：
t
u (t ) K c A K c A( K D 1) exp( )
T
得：
t 0 ,
t T
t ,
u (0 ) KC K D A
TD
, u (T ) 0.368KC A( K D 1) K C A
KD
u () KC A
阶跃偏差作用下实际比
例微分开环输出特性
在偏差跳变瞬间，输出跳变幅
度为比例输出的KD倍，即KDKcA,
然后按指数规律下降，最后当t
趋于无穷大时，仅有比例输出
KcA。因此决定微分作用的强弱
有两个因素：一个是开始跳变
幅度的倍数，用微分增益KD来
衡量，另一个是降下来所需要
的时间，用微分时间TD来衡量。
输出跳得越高，或降得越慢，
表示微分作用越强。
阶跃偏差作用下实际比
例微分开环输出特性
微分增益KD 是固定不变的，只
与控制器的类型有关。电动控制器
的KD一般为5～10。如果KD =1，则
此时等同于纯比例控制。 KD >1，
称为正微分。KD <1的，称为反微
分器，它的控制作用反而减弱。这
种反微分作用运用于噪音较大的系
统中，会起到较好的滤波作用。
t
u (t ) K c A K c A( K D 1) exp( )
T
阶跃偏差作用下实际比
例微分开环输出特性
•微分时间TD
TD的测定：
先测定阶跃信号A作用下
比例微分输出从KDKcA下降
到KCA+0.368KCA(KD-1)所经历
的时间t，此时t=TD/KD，再
将该时间t乘以微分增益KD
即可。
实际比例微分控制
器微分时间测定
微分时间TD越大，微分作用越
强。由于微分在输入偏差变化
的瞬间就有较大的输出响应，
因此微分控制被认为是超前控
制。
从实际使用情况来看，比
例微分控制规律用得较少，在
生产上微分往往与比例积分结
合在一起使用，组成PID控制。
实际比例微分控制
器微分时间测定
6.2.2.4
比例积分微分控制(PID)
(1)理想比例积分微分控制(PID)
理想PID控制器的运算规律数学表达式为：
1
det
u (t ) K c et et dt TD
T
dt
I
式中第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I）部
分，第三项为微分（D）部分。Kc为控制器的比例增
益；TI为积分时间（以秒或分为单位）；TD为微分时
间（也以秒或分为单位）。
1
det
u (t ) K c et et dt TD
TI
dt
这三个参数大小可以改变，相应地改变控制作用大
小及规律：
（1）若TI为∞，TD为0，积分项和微分项都不起作用，
则为比例控制。
（2）若TD为0，微分项不起作用，则为比例积分控
制。
（3）若TI为∞，积分项不起作用，则为比例微分控
制
控制器运算规律通常都是用增量形
式表示，
1
det
u (t ) K c et et dt TD
T
dt
I
若用实际值表示，则改写为：
1
det
u (t ) K c et et dt TD
u (0)
TI
dt
式中u(t)=Δu(t)+u(0)，u(0)为控制器初始输出值，即
t=0瞬间偏差为0时的控制器输出。
(2)实际比例积分微分控制(PID)
实际的PID控制规律比较复杂。
在幅度为A的阶跃偏差作用下，
实际PID控制可看成是实际的比
例、积分和微分三部分作用的叠
加，即
t
K Dt
u (t ) K c A 1 ( K D 1) exp(
)
TD
TI
其开环特性如右图所示。
阶跃偏差作用下PID
控制器开环输出特性
（3）微分时间TD对系统过渡过程的影响
•适当的微分作用：
在负荷变化剧烈、扰动幅度较大或过程容量滞后较大
的系统中，适当引入微分作用，可在一定程度上提高
系统的控制质量。当被控变量一有变化时，根据变化
趋势适当加大控制器的输出信号，将有利于克服扰动
对被控变量的影响，抑制偏差的增长，从而提高系统
的稳定性。
•微分作用的两面性：
微分时间TD的大小对系统过渡过程的影响，如上图
所示。若取TD太小，则对系统的控制指标没有影响或
影响甚微，如图中曲线1；选取适当的TD，系统的控
制指标将得到全面的改善，如图中曲线2；但若TD取
得过大，即引入太强的微分作用，反而可能导致系统
产生剧烈的振荡，如图中曲线3所示。
•保持原来的衰减比n ：
如果要求引入微分作用后仍然保持原来的衰减比n，
则可适当减小控制器的比例度，一般可减小15%左右，
从而使控制系统的控制指标得到全面改善。
此外，当测量中有显著的噪声时，如流量测量信息
常带有不规则的高频干扰信号，则不宜引入微分作
用，有时甚至需要引入反微分作用。
•适用场合：
用于时滞大的场合。
由于PID控制器有比例度δ、积分时间TI、微分时
间TD三个参数可供选择，因而适用范围广，在温
度和成分分析控制系统中得到更为广泛的应用。
各类化工过程常用的控制规律如下：
液位：一般要求不高，用P或PI控制规律；
流量：时间常数小，测量信息中杂有噪音，用PI或
加反微分控制规律；
压力：介质为液体的时间常数小，介质为气体的时
间常数中等，用P或PI控制规律；
温度：容量滞后较大，用PID控制规律。
（4）PID控制器的构成
PID的构成方式有好几种，如电动Ⅲ型控制器以
及数字式控制器中采用PD和PI电路相串接的形式。
在串接形式中，一般认为PD接在PI之前较为合适。
举例：
例：某台PID控制器偏差为1mA时，输出表达式为
t
u 2 8e （t单位为分钟）。试问：
（1）这是什么控制规律？
（2）求出控制器各个控制参数。
（3）画出其开环输出特性图。
解：
u 2 8e
t
t
K Dt
u (t ) K c A 1 ( K D 1) exp(
)
TD
TI
(1) PD控制规律。
(2) 由题意得：
K A2
C
KC A( K D 1) 8
K
D 1
TD
解之得：KC=2，KD=5，TD=5。
(3)开环输出特性曲线：
因为
KCA=2，KCKDA=10
Δu(t)
10
所以 曲线如右图所示
2
O
t
6.3 模拟式控制器
6.3.1模拟式控制器基本结构
模拟式控制器所传送的信号形式为
连续的模拟信号，其基本结构包括比较
环节、反馈环节、放大器三部分。
•比较环节
将被控变量的测量值与设定值进行比较得到偏
差。电动控制器是在输入电路中进行电压或电流信
号的比较。
•反馈环节
控制器的PID控制规律是通过反馈环节进行的。
输出的电信号通过电阻和电容构成的无源网络反馈
到输入端。
•放大器
放大器实质上是一个稳态增益很大的比例环节。
在电动控制器中可采用高增益的集成运算放大器。
6.3.2 DDZ-Ⅲ型电动单元控制器
是模拟式控制器中较为常见的一种，它以来
自变送器或转换器的1～5V直流测量信号作为输
入信号，与1～5V直流设定信号相比较得到偏差
信号，然后对此信号进行PID运算后，输出1～
5V或4～20mA直流控制信号，以实现对工艺变
量的控制。
Ⅲ型控制器的特点是： 与II型（晶体管）仪表相比
• 采用高增益、高阻抗线性集成电路组件，提高了仪
表精度、稳定性和可靠性，降低了功耗。
•由于采用集成电路，扩展了功能，在基型控制器的
基础上可增加各种功能，如非线性控制器可以解决
严重非线性过程的自动控制问题，前馈控制器可以
解决大扰动及大滞后过程的控制，也可以根据需要
在控制器上附加一些单元如偏差报警、输出双向限
幅及其它功能的电路。
• 整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加
了安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和
隔离。
• 有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相
互切换具有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的
操作性能。这是因为在自动与软手动之间有保持状态，
此时控制器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存
在，也能实现无扰动切换。
• 采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直
流电流，控制室联络信号为1～5V直流电压，信号电
流和电压的转换电阻为250Ω。由于电气零点不是从零
开始，因此容易识别断电、断线等故障。信号传输采
用电流传送-电压接受的并联方式，即进出控制室的传
输信号为直流电流信号（4～20mA），将此电流信号
转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各
仪表。
基型控制器
随动
定值
•控制器的工作状态有“自动”、
“软手动”、“硬手动”及“保
持”四种
当控制器处于“自动”状态时，测量信号与设定
信号通过输入电路进行比较，由比例微分电路、比例
积分电路对其偏差进行PD和PI运算后，再经过电路转
换为4～20mA直流电流，作为控制器的输出信号，去
控制执行器。
当控制器处于“保持”状态（即它的输出保持切
换前瞬间的数值）时，若同时将控制器切换到“软手
动”状态，输出可按快或慢两种速度线性地增加或减
小，以对工艺过程进行手动控制。当控制器处于“硬
手动”状态时，控制器的输出与手操电压成比例，即
输出值与硬手动操作杆的位置一一对应。
• 控制器还设有“正”、“反”作用
开关供选择，以满足控制系统的控制
要求
控制器中将偏差e定义为测量值与设定值之差（e=yr），若测量值大于设定值，称为正偏差；若测量值
小于设定值，称为负偏差。当控制器置于“正”作
用时，控制器的输出随着正偏差的增加而增加；置
于“反”作用时，控制器的输出随着正偏差的增加
而减小。若是负偏差，其控制器在“正”、“反”
作用下的输出刚好与正偏差的情况相反。
• 使用基型控制器时有几点应注意：
•正确设置内、外设定开关
“内”设定时，设定电压信号由控制器内部的设
定电路产生，操作者通过设定值拨盘确定设定信号大
小。在定值控制系统中，控制器应置于“内”设定。
“外”设定时，由外部装置提供设定值信号。在
随动控制系统中，控制器应置于“外”设定。如串级
控制系统中的副控制器设定值由主控制器的输出值提
供；比值控制中的从动量控制器设定值由主动量测量
值提供。
• 一般在刚刚开车或控制工况不正常时采用手动控
制，待系统正常稳定运行时无扰动切换到自动控
制。
• 控制器“正”、“反”作用开关不能随意选择，
要根据工艺要求及控制阀的气开、气关情况来决
定，保证控制系统为负反馈。
控制器“正”、“反”作用选择分析：
如图所示的液位控制系统，
如果阀的气开、气关特性发
生改变，控制器的正、反作
用也应该发生改变。
假设阀门选用气关阀：
L y e
液位控制系统
正作用
L 阀开度 u
控制器
假设阀门选用气开阀：
反作用
L y e
控制器
L 阀开度 u
例1：如图所示的液位控制系统，假设工艺要
求供气中断时液体不得外溢，请选择阀的气开、
气关特性，并选择控制器的正、反作用。
解：
(1)控制阀气开、气关特性的选择
因为：工艺要求供气中断时液体不
得外溢，根据安全原则
所以：选用气开阀。
(2)控制器的正、反作用的选择
液位控制系统
因为：L y e
L 阀开度 u
所以： 选用反作用控制器
反作用
控制器
例2：如图蒸汽加热反应釜控制系统，工艺
要求釜内温度不得过高，试确定调节器的正、
反作用。
解：
(1)确定控制阀的气开、气关特性
因为：工艺要求釜内温度不得过高，
也就是说，供气中断时热源关断
所以：应选气开阀。
(2)确定调节器的正、反作用
因为：
T y e
蒸汽加热反应釜
T 阀门开度 u
所以：控制器应选反作用
例3：如图加热炉温度控制系统，试确定
控制器的正、反作用。
解：
TT
(1)确定控制阀的气开、气
关特性
TC
工艺变量
燃料油
加热炉温度控制带控制点的流程图
因：供气中断时，应使燃
料阀全关，停止供应燃料
油，不致使加热炉温度过
高烧坏炉子。
故：选气开阀。
(2)确定调节器的正、反作用
因为： T y e
T 阀门开度 u
所以：控制器应选反作用
•正确设置P、I、D参数。控制器上的PID参数不能任
意设置，必须通过参数整定，选择一组合适的PID参
数，这样才能保证控制器在控制系统中发挥作用。
6.4 数字式控制器
6.4.1 数字式控制器主要特点
•实现了模拟仪表与计算机一体化
• 具有丰富的运算控制功能
• 使用灵活方便，通用性强
• 具有通讯功能，便于系统扩展
• 可靠性高，维护方便 （硬件、软件）
6.4.2 数字式控制器的基本构成
•硬件部分
①主机电路
②过程输入输出通道
③人-机联系部件
④通讯部件
显示器
光
电
隔
离
开
关
量
入
模
拟
量
入
模
数
转
换
光
电
隔
离
键盘输入
主
机
电
路
开
关
量
出
光
电
隔
离
光
电
隔
离
数
模
转
换
通信接口
模
拟
量
出
• 软件部分
系统程序
用户程序
6.4.3 KMM控制器
KMM控制器是具有IEC
标准尺寸的DIGITRONIK
系列中的一个主要品种。
它适合小规模生产装置的
控制、显示和操作，并且
可以通过通讯接口挂到数
据通道上与集散系统（例
如TDC-3000）或同其它
个人计算机连接，实现大、
中规模的分散控制、集中
管理、操作和监视。
KMM控制器面板布置
系统程序
主要包括监控程序和中断处理程序
两部分，是控制器软件的主体。
用户程序
用户程序由用户自行编制，实际上是根据需要将系
统程序中提供的有关功能模块组合连接起来（通常
称为“组态”），以达到控制目的。
控制器的编程工作是通过专用的编程器进行的，有
离线和在线编程两种方法。
在线编程：指编程器与控制器共用一个CPU，编程器
插一个EPROM供用户写入，用户程序调试完毕后写
入EPROM，然后将EPROM取下，插在控制器上相
应的EPROM插座上。
离线编程：指编程器自带一个CPU，编程器脱离控制
器，自行组成一台“程序写入器”，独立完成编程操
作，并将程序写入EPROM，然后再把写好的
EPROM插在控制器上相应的EPROM插座上。