第2章 调节器

2.1 调节器的调节规律

调节器的作用是把测量值和给定值进行比较，根据偏差大小，按一定的调节规律产生输出信号，推动执行器，对生产过程进行自动调节。要掌握一个调节器的特性，首要的问题是弄清楚它具有什么样的调节规律，即它的输出量与输入量（偏差信号）之间具有什么样的函数关系。

调节器中最简单的一种是两位式调节器，其输出仅根据偏差信号的正负，取0或100%两种输出状态中的一种，使用这种调节器的优点是执行器特别便宜，例如，用一只开关便可控制电炉的温度。但由于这种调节器的输出只有通、断两种状态，调节过程必然是一种不断上下变化的振荡过程，借助调节对象自身热惯性的滤波作用，使炉温的平均值接近于设定值，只能用于要求不高的场合。

要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器，并通过采用比例、微分、积分等算法提高调节质量。实际上，工业生产中使用的绝大多数是输出量能连续变化的调节器。在这类调节器中，比例调节器是最简单的一种，其输出y（t）随输入信号x（t）成比例变化，若以G（s）表示这种调节器的传递函数，则可表示为

Y（s）与X（s）分别为调节器的输出、输入信号的拉普拉斯变换式，常数Kc是这个调节器的比例增益。

在自动调节系统中使用比例调节器时，只要被调量偏离其给定值，调节器便会产生与偏差成正比的输出信号，通过执行器使偏差减小。这种按比例动作的调节器对干扰有及时而有力的抑制作用，在生产上有一定的应用。但它有一个不可避免的缺点——存在静态误差，一旦被调量偏差不存在，调节器的输出也就为零，即调节作用是以偏差的存在作为前提条件的。所以使用这种调节器时，不可能做到无静差调节。

要消除静差，最有效的办法是采用对偏差信号具有积分作用的调节器，这种积分调节器的传递函数为

积分调节器的突出优点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用将随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除以后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。

但是，单纯的积分调节也有它的弱点，它的动作过于迟缓，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间延长，甚至造成系统不稳定。因此在实际生产中，总是同时使用上面的两种调节规律，把比例（Proportional）作用的及时性与积分（Integral）作用消除静差的优点结合起来，组成“比例+积分”作用的调节器，简称为PI调节器，其传递函数可表示为

目前，除了使用上述调节规律外，还常使用微分调节规律。单纯的微分（Derivative）调节器的传递函数为

从物理概念上看，微分调节器能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。但是，单纯的微分调节器也有严重的不足之处，它对静态偏差毫无抑制能力，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，组成“比例+微分”作用的调节器（简称PD调节器），或“比例+积分+微分”作用的调节器（简称PID调节器）。

在PID三作用调节器中，微分作用主要用来加快系统的动作速度，减小超调，克服振荡；积分作用主要用以消除静差。将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，只要三项作用的强度配合适当，便可得到满意的调节效果。

这种PID调节器的传递函数是

因为这种调节器是目前自动控制中使用最普遍、也是最基本的调节器，下面对其组成原理及使用特性作深入的分析。