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　　控制器的作用是将被控变量测量值与结定值进行比较，然后对比较后得到的偏差进行比例、积分、微分等运算，并将运算结果以一定的信号形式送往执行器，以实现对被控变量的自动控制。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　在该控制系统中，被控变量由于受扰动f（如生产负荷的改变，上下工段间出现的生产不平衡现象等）的影响，常常偏离给定值，即被控变量产生了偏差：

　　控制器接受了偏差信号e后，按一定的控制规律使其输出信号u发生变化，通过执行器改变操纵变量q，以抵消干扰对被控变量y的影响，从而使被控变量回到结定值上来。

　　问题：被控变量能否回到给定值上，或者以什么样的途径、经过多长时间回到给定值上来？

　　一个控制系统主要包括二类基本环节：调节器和广义对象。广义对象在控制系统中属于固定因素，当系统设计好以后，广义对象特性也就被确定下来；在整个控制系统中的控制作用主要是通过调节器来实现的，而调节器真正实现控制的本质在于选择合适的调节规律。

　　不同的控制规律适应不同的生产要求，必须根据生产要求来选用适当的控制规律。如选用不当，不但不能起到好的作用，反而会使控制过程恶化，甚至造成事故。

　　双位控制是自动控制系统中最简单也很实用的一种控制规律，调节器输出只有2个固定的数值，即只有2个极限位置，其基本的控制规律可描述为：

　　这是一种理想的双位控制，请问这种理想的双位控制策略能否直接由于实际工业现场的控制？

　　例如：某压力控制系统，控制设定值为100KPa，当罐内压力刚好达到100KPa时，调节器输出为0，电磁阀关；罐内压力稍稍大于100KPa时，调节器输出为1，电磁阀开，排除气体降低系统压力，此时罐内压力马上又小于设定值100KPa，电磁阀关，内部压力马上又会重新升高，大于100KPa，调节器输出为1，电磁阀开······，这样调节器输出在0与1之间不断变化，电磁阀也在“开”和“关”二个状态上不停的动作。

　　这种现象在实际工业系统中是绝对不允许的，因为任何一种设备都有一定的使用寿命，电磁阀的使用寿命一般在10万～50万次。

　　由此可见，在该控制系统中，阀门开度的改变量与被控变量(液位)的偏差值成比例，这就是比例控制规律，其输出信号的变化量与输入信号(指偏差，当给定值不变时，偏差就是被控变量测量值的变化量)的变化量之间成比例关系，这种控制规律称为“纯比例控制”

　　纯比例控制也是一种最基本的控制规律，从上面这个例子可以看出来，纯比例控制至少能克服位式控制振荡、不稳定的缺点。

　　在没有特定指明的情况下，C＝1，因为在一个系统中所选用仪表的信号制一般都是统一的。

　　某控制系统的方块图如右图所示，求设定值、干扰分别发生阶跃变化时的稳态变化量。

　　一般来说，若对象滞后较小、时间常数较大以及放大倍数较小时，比例度可以选得小些，以提高系统的灵敏度，使反应快些，从而过渡过程曲线的形状较好。反之，比例度就要选大些以保证稳定。

　　当工艺对控制质量有更高要求，不允许控制结果存在余差时，就需要在比例控制的基础上，再加上能消除余差的积分控制作用。

　　积分作用是指调节器的输出与输入（偏差）对时间的积分成比例的特性。表达式为 ：

　　调节器的输出是偏差随时间的积分，当t较小时，调节器输出u(t)很小，控制作用很弱，不能及时克服干扰作用， 所以一般不单独采用积分作用，而与比例作用配合使用。

　　积分时间的定义：在阶跃输入下，积分作用的输出变化到比例作用的输出所经历的时间。

　　PI调节器输入一个方波信号，幅值为＋10％调节器的初始输出为0，画出调节器输出的波形。（KP＝1，Ti＝1min）

　　某控制系统的方块图如图所示，求设定值、干扰分别发生阶跃变化时的稳态变化量

　　采用比例积分控制作用时，积分时间对过渡过程的影响具有两重性。在同样的比例度下，缩短积分时间Ti，将使积分调节作用加强，容易消除余差，这是有利的一面。但缩短积分时间，加强积分调节作用后，会使系统振荡加剧，有不易稳定的倾向。积分时间越短，振荡倾向越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡，这是不利的一面。

　　由图可以看出，积分时间过大或过小均不合适。Ti过大，积分作用不明显，余差消除很慢，见曲线，Ti过小，过渡过程振荡太剧烈，稳定程度降低，见曲线。

　　★引入积分作用以后，能消除余差，但系统的稳定性必然会降低，所以在使用过程中应适当降低比例作用（增大比例度或降低比例增益）

　　★当对象滞后很大时，可能控制时间较长、最大偏差也较大；负荷变化过于剧烈时，由于积分动作缓慢，使控制作用不及时，此时可增加微分作用

　　比例控制规律和积分控制规律，都是根据已经形成的被控变量与给定值的偏差而进行动作。但对于惯性较大的对象，为了使控制作用及时，常常希望能根据被控变量变化的快慢来控制。在人工控制时，虽然偏差可能还小，但看到参数变化很快，估计到很快就会有更大偏差，此时会先改变阀门开度以克服干扰影响，它是根据偏差的速度而引入的超前控制作用，只要偏差的变化一露头，就立即动作，这样控制的效果将会更好。微分作用就是模拟这一实践活动而采用的控制规律。微分控制主要用来克服被控对象的容量滞后(时间常数T)，但不能克服纯滞后。

　　微分作用是指调节器的输出与输入变化率成比例关系，成比例的特性。表达式为：

　　微分作用的原理：根据偏差信号变化速度来确定调节器的输出，改变操作变量（超前控制）。

　　从(b)图中可以看出，当输入为斜坡曲线时存在：u(t)＝e(t＋Td)，所以微分控制起到了超前的作用，即：调节器输出比输入超前TD时间

　　从(a)图上可得出，当加入阶跃输入时，微分作用产生了一个函数，当t0时，u(t)＝e(t)，很显然这种控制作用在实际应用中没有什么态大的意义

　　根据这2个特点不难理解：微分作用不能作为一种单独的调节规律来使用，理想的PD作用不能直接使用；微分作用一般多用于对象时间常数较大的系统之中。

　　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。

　　从前面的波形图中可以看到，如果调节器的输入为阶跃信号，理想PD调节器的输出为脉冲信号，而脉冲信号不可能被其它环节（执行器）所接收到。在工业应用现场时不采用理想的PD作用，而采用实际的PD作用。

　　另外还有一类Kd1的单元，称为反微分器，它具有迟缓信号变换的作用。

　　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。

　　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。

　　从图看出，微分时间太大及太小均不合适，应取适当的数值。由于增加微分作用，可以减小比例度，因而微分时间越大，余差也就越小。一般温度调节系统常需加微分作用，其他系统需要较少。有些系统由于反应太快，可加“反微分”，以降低系统的灵敏度。

　　微分作用的特点：对于有过渡滞后的对象，采用PD控制能明显改善过渡过程的品质；

　　微分作用对高频噪声非常敏感，在流量控制系统总流量测量信号通常包含脉冲干扰，象这类对象一般不加微分作用。

　　现场控制系统中用比例微分作用的不多，较常见的是比例积分微分三作用控制规律（通常称为PID控制）。

　　在工业生产中，常将比例、积分、微分三种作用规律结合起来，可以得到较为满意的控制质量，包括这三种控制规律的控制器称为比例积分微分三作用控制器，习惯上称为PID控制规律，其理想的输出与输入的关系为：

　　流量——滞后很小，响应快，测量信号有脉动信号，常用PI调节器（一般不能加D）；

　　压力——液体介质：滞后小，气体介质：滞后适中，常用P或PI调节器，有时可用位式控制；

　　在基型调节器的基础上，可附加某些单元，如输入报警、偏差报警、输出限幅单元等。也可构成各种特种调节器，如抗积分饱和调节器、前馈调节器、输出跟踪调节器、非线性调节器等以及构成与工业计算机联用的调节器。

　　为了构成一个负反馈控制系统，必须正确的确定调节器的正、反作用，否则整个控制系统就无法正常运行。调节器的正、反作用，是通过正、反作用开关来选择的。

　　手自动切换时都希望不给控制系统带来扰动，即调节器的输出信号不发生突变（即必须要求无扰动切换）

　　实现了模拟仪表与计算机一体化 将CPU引入控制器，使其功能得到来很大的增强，提高了性能价格比。同时考虑到人们长期以来的习惯，数字控制器在外形结构、面板布置、操作方式等方面保留了模拟调节器的特征。

　　运算控制功能强 数字控制器具有比模拟调节器更丰富的运算控制功能，一台数字控制器既可实现简单PID控制，也可以实现串级控制、前馈控制、变增益控制和史密斯补偿控制；既可以进行连续控制，也可以进行采样控制、选择控制和批量控制。此外，数字控制器还可对输入信号进行处理，如线性化、数据滤波、标度变换、逻辑运算等。

　　通过软件实现所需功能 数字控制器的运算控制功能是通过软件实现的。在可编程调节器中，软件系统提供了各种功能模块，用户选择所需的功能模块，通过编程将它们连接在一起，构成用户程序，便可实现所需的运算与控制功能。

　　具有和模拟调节器相同的外特性 尽管数字控制器内部信息均为数字量，但为了保证数字式控制器能够与传统的常规仪表相兼容，数字控制器模拟量输入输出均采用国际统一标准信号（4～20mADC，1～5VDC），可以方便地与DDZ－III型仪表相连。同时数字控制器还有数字量输入输出功能。

　　具有通讯功能，便于系统扩展 数字控制器除了用于代替模拟调节器构成独立的控制系统之外，还可以与上位计算机一起组成DCS控制系统。数字控制器与上位计算机之间实现串行双向的数字通讯，可以将手、自动状态、PID参数及输入/输出值等信息送到上位计算机，必要时上位计算机也可对控制器施加干预，如工作状态的变更，参数的修改等。

　　可靠性高，维护方便 在硬件方面，一台数字式控制器可以替代数台模拟仪表，同时控制器所用硬件高度集成化，可靠性高。在软件方面，数字式控制器的控制功能主要通过模块软件组态来实现，具有多种故障的自诊断功能，能及时发现故障并采取保护措施。

　　用户程序是用户根据控制系统要求，在系统程序中选择所需要的功能模块，并将它们按一定的规则连接起来的结果。

　　监控程序使调节器各硬件电路能正常工作并实现所规定的功能，同时完成各组成部分之间的管理。

　　用户根据控制系统要求，选择所需要的功能模块，并按一定的规则连接起来，使调节器完成预定的控制与运算功能。用户程序的编制过程也称为“组态” 。