受控系统和执行器受控系统 通过加热系统控制室温是受控系统的一个简单示例。传感器测量室温并将温度值传送给控制器。控制器将当前室温与设定值进行比较，并计算加热控制的输出值（调节变量）。如果 PID控制器的设置正确，则会尽快达到此设定值，然后使其保持为常数值。输出值更改后，过程值通常仅随时间延迟而变化。控制器必须针对此响应进行补偿。 执行器执行器是受控系统元件，受控制器影响。其功能是修改质量和能量流。 下表概述了执行器的应用。 应用 执行器 液体或气体质量流阀门、遮板、闸门阀 固体质量流，如大块材料 铰链式挡板、传送带、振动器通道 电流 开关触点、接触器、继电器、可控硅可变电阻、可调变压器、晶体管。执行器分为以下几种： • 带有恒定起动信号的比例执行器这些元件用于设置开启角度、角位置，或与输出值成比例的位置。输出值在控制范围内会 对过程产生模拟量作用。此组中的执行器包括弹簧支撑的气动驱动器，以及构成位置控制系统的带位置反馈的电动 驱动器。 连续控制器（如PID_Compact）会生成输出值。 • 带脉冲宽度调制信号的比例执行器这些执行器用于在采样时间间隔内生成长度与输出值成比例的脉冲输出。执行器（如加热电阻或制冷装置）在等时模式下接通，持续时间根据输出值的不同而有所不同。起动信号可呈现单极“打开”或“关闭”状态，或表示双极状态，如“打开/关闭”、“向前/向 后”、“加速/制动”。输出值由两位控制器（如具有脉宽调制的 PID_Compact）生成。 • 具有积分作用和三位起动信号的执行器执行器经常由电机操作，操作周期与阻塞元件的执行器进给成比例。包括阀门、遮板和闸门阀等元件。尽管所有这些执行器的设计有所不同，但它们都受到受控系统输入端的积分 作用的影响。 步进控制器（如PID_3Step）会生成输出值。 受控系统 受控系统的属性几乎不受到影响，因为这些属性是由过程和机械的技术要求决定的。只能通过为特定受控系统选择合适的控制器类型以及调整控制器以适应受控系统的时间响应，来实现可接受的控制结果。因此，要对控制器的比例、积分和微分作用进行组态，很有必要详细了解受 控系统的类型和参数。 受控系统类型根据受控系统对输出值阶跃变化的时间响应来对受控系统进行分类。 受控系统有以下分类： • 自调节受控系统 – 比例作用受控系统 –PT1 受控系统 – PT2 受控系统 • 非自调节受控系统 • 具有/不具有时间的受控系统。
自调节受控系统 比例作用受控系统在比例作用受控系统中，过程值几乎会立即随输出值而变化。过程值与输出值之间的比率由受 控系统的比例 Gain 定义。 示例： •管道系统中的闸门阀 • 分压器 • 液压系统中的降压功能 PT1 受控系统 在 PT1受控系统中，过程值的变化Zui初与输出值的变化成比例。过程值的变化率随时间减小， 直至达到Zui终值，即被延迟。 示例： • 弹簧减震系统 •RC 元件的充电 • 由蒸汽加热的贮水器。 加热与制冷过程，或充电和放电特性的时间常量通常相同。时间常量不同时，控制显然会更加 复杂。PT2 受控系统 在 PT2 受控系统中，过程值不会立即跟随输出值的阶跃变化，即，过程值的增加与正向上升率成正比，然后随着上升率的下降而逼近设定值。受控系统通过二阶延迟元件显示比例响应特 性。 示例： • 压力控制 • 流速控制 •温度控制 非自调节受控系统 非自调节受控系统具有积分响应。过程值趋于无限大的值。 示例： • 流入容器的液体 具有死时间的受控系统死时间总是表示在系统输出测量系统输入的变化之前到期的运行时间或传输时间。在具有死时间的受控系统中，过程值的变化将发生延迟，延迟时间等于死时间量。 示例： • 传送带控制部分的特征值 根据阶跃响应确定时间响应受控系统的时间响应可根据输出值 y 发生阶跃变化之后的过程值 x 的时间特性来确定。大多数 受控系统为自调节受控系统。脉冲控制器无反馈两位控制器 两位控制器将状态“ON”和“OFF”作为切换函数。这与 或 0% 输出相对应。该特性会使过 程值 x在设定值 w 周围持续振荡。 振幅和波动持续时间随受控系统的延迟时间 Tu 与恢复时间 Tg 之间的比例而增加。这些控制器主要用于简单的温度控制系统（例如直接用电加热的炉子），或用作限值报警设备。 下图显示了两位控制器的特性有反馈两位控制器在受控系统具有较长延迟时间的情况下（例如功能空间与加热空间分离的炉），可通过使用电 力反馈改善两位控制器的特性。反馈用于增加控制器的开关频率，但这会减小过程值的振幅。此外，在动态操作中可充分改进控制作用结果。切换频率限制由输出级别决定。在机械起动器（例如继电器和触点）上，每分 钟不得超过 1 到 5次切换。如果是下游可控硅或三端双向可控硅控制器的二进制电压和电流 输出，则可选择超过受控系统目前限制频率的高切换频率。因为切换脉冲无法再通过受控系统的输出来确定，所以会得到与连续控制器结果类似的结果。 通过对连续控制器的输出值进行脉宽调制来生成输出值。反馈两位控制器可用于炉子的温度控制，用于塑料、纺织品、纸张、橡胶和食品中使用的加工 机，以及用于加热和冷却设备。