Technical Summary

智能PID调节器

智能 PID 调节器是以 PID 运算为核心、输出连续 4-20mA（或0-10V）模拟信号的盘装单回路控制仪表。它将过程测量信号 PV 与给定值 SV比较后经比例、积分、微分运算，输出连续电流到气动薄膜阀、变频器等执行机构，构成"调节器 + 执行机构 +测量变送器"的经典单回路控制方案，是流程工业最普及的现场级控制器。与第 49 篇智能伺服控制 PID调节器（位式继电器输出）构成"姊妹机型"：本份面向气动 / 带定位器电动执行机构，连续控制精度更高；第49 份面向有触点电动执行机构，单回路成本与接线更简。

显示仪表系列全部型号（2）咨询选型

所属系列：显示仪表系列

TECHNOLOGY & APPLICATION

理解原理，精准选型

从测量原理到现场应用，了解智能PID调节器的技术特点与选型要点。

TECHNICAL GUIDE

概述

01
1 与智能伺服 PID（第 49 篇）、DCS 回路卡的对比

1.2 发展简史

概述 · 项目 / 说明对照查阅

项目	说明
产品定位	现场级单回路控制器：PID 运算 + 连续模拟输出，是 DCS 集中控制之外的最普及"分布式现场控制"形态
核心价值	连续电流输出精度高（无需位置内环）；万能输入覆盖温度 / 压力 / 流量 / 液位；自整定免人工凑参数；PID 控制算法升级带来更稳的控制品质
输出形式	连续 4-20mA（或 0-10V）输出，驱动气动调节阀、电气转换器、变频器 / 调压器等连续执行机构
执行机构适配	气动薄膜调节阀（电-气转换器 + 阀门定位器）、电动调节阀（内置定位器）、变频调速（电流给定 + 启停触点）、电子式执行器控制器（自身带闭环）
市场格局	国产主导：虹润、宇电、远东、福光等；进口以横川、富士、欧姆龙、霍尼韦尔为高端代表；国产主流 1000~3000 元，进口 5000~15000 元
对比维度	智能PID调节器（本篇）	智能伺服PID（第49篇）	DCS 回路卡
输出形式	连续 4-20mA	位式继电器正 / 反转触点	连续 4-20mA / 总线
执行机构	气动 / 带定位器电动 / 变频器	有触点电动（无定位器）	气动 / 电动均可
控制精度	0.5~1% FS（连续调节）	1~2% FS（位式断续）	0.1~0.5% FS
小流量调节	优秀（连续信号精细）	一般（触点动作分辨率受限）	优秀
单回路投资	较低	最低（不需定位器）	高（卡件 + 控制站）
工程集成	盘装独立，调试与维护简单	盘装独立，直接驱动动力回路	控制室集中，统一管理
适用回路规模	1~8 回路单台方案经济	1~4 回路，驱动能力受限	8 回路以上经济
时期	阶段	技术特征
1960~70 年代	气动与电动 DDZ 时代	气动调节器（0.14MPa 信号）+ DDZ-II（0-10mA）/ DDZ-III（4-20mA）调节器；纯模拟运算（运放 + RC 网络），参数难调不易复制

概述 · 1980 年代 / 数字调节器起步对照查阅

1980 年代	数字调节器起步	单片机 PID 调节器开始普及；模拟面板组态（电位器设定参数）；相比纯模拟方案稳定性与可重复性大幅提升
1990 年代	智能化	MCU 实现 PID 自整定（继电反馈法）、模糊 + PID 复合控制；按键组态替代电位器；万能输入机型出现
2000 年代	功能完善	双 PV / 串级 / 前馈 / 比值控制软件包；MODBUS 通信接入上位机；多输出通道（控制 + 变送 + 报警）独立
2010 年代至今	高级算法与自适应	自整定升级为模型自适应；MPC（模型预测）预览功能；OPC UA / MQTT 直连云平台；与 DCS 仿真升级融合

MEASUREMENT PRINCIPLE

工作原理

智能 PID 调节器内部以"模拟信号调理 + 数字 PID 运算 + 连续电流输出"三层架构实现：前端对过程测量 PV进行万能输入变换与工程量归一化，MCU 按设定参数运行 PID 算法得到控制量 MV（0~100%），通过 16-bitDAC 与晶体管恒流源转换为 4-20mA 输出，连续驱动执行机构。给定值 SV 来自本机按键或远程模拟 /通信通道。

2.1 信号链八大子系统

2.2 关键原理分析

工作原理 · 序号 / 子系统对照查阅

序号	子系统	功能与实现要点
1	万能输入 PV	mA / mV / V / 热电偶 / 热电阻全兼容；24-bit Σ-Δ ADC；分度表查表；CJC 冷端补偿；工程量线性化
2	给定值处理	本机按键给定（双排 LED 数字增减）、远程给定 4-20mA / 0-10V、Modbus 通信给定三类可选；斜率（Ramp）限制 + 上 / 下限幅
3	PID 运算核心	位置式 PID 或增量式 PID；参数范围 P 0~999.9%、I 0~3600s、D 0~3600s；正 / 反作用；积分分离；抗积分饱和；微分先行 + 不完全微分抑制突变
4	控制算法增强	自整定（继电反馈 / 临界比例度法）；参数分程（输出范围分段映射）；死区与阈值限幅；复合控制（串级 / 前馈 / 比值）软件包
5	控制量输出	16-bit DAC + 晶体管恒流 4-20mA 输出（负载 ≤ 500~750Ω）；可选 0-10V 输出；输出限幅 1~22mA 可设；NE 43 故障方向（3.6 / 21mA）支持
6	变送与辅助输出	4-20mA 变送输出通道（PV / SV / MV 任一转发）；辅助开关量输入与继电器报警输出
7	通信与人机接口	双排 LED 显示 PV / SV；按键组态导航；状态灯指示运行 / 报警 / 手自动；RS-485（Modbus-RTU）通信；以太网选件
8	保护与诊断	输出限幅；积分抗饱和；自整定收敛判定；传感器断线 / 短路保护；参数修改权限分级与事件记录

工作原理 · 分析项 / 机理说明对照查阅

分析项	机理说明
连续输出与执行机构闭环	4-20mA 输出经电气转换器→气信号 → 气动调节阀定位器 → 阀门开度形成位置闭环；与第 49 份"位置内环内置"不同：调节器只输出电流，位置闭环由定位器完成，二者各司其职，构成"电流到气信号到位置"的两级间接闭环
PID 三参数物理意义	P 决定响应速度与稳态误差权衡（过强振荡，过弱响应慢且有余差）；I 消除余差（时间过长引入积分滞后，过短易振荡）；D 提供反相位超前补偿，抑制快速扰动（过大对采样噪声敏感）

工作原理 · 正反作用选择 / 正作用（反偏差）：PV ↑ → MV ↑（如加热器控温——温度高加大加热）；反作用（正偏差）：PV ↑ → MV ↓（如冷却器控温— —温度高减小冷却）；选错造成正反馈失控——组态后必须先做阀门方向试动作验证对照查阅

正反作用选择	正作用（反偏差）：PV ↑ → MV ↑（如加热器控温——温度高加大加热）；反作用（正偏差）：PV ↑ → MV ↓（如冷却器控温— —温度高减小冷却）；选错造成正反馈失控——组态后必须先做阀门方向试动作验证
自整定机理	继电反馈法：调节器强制输出 ±δ（δ 为试验幅度），观察 PV 在上下限间形成的等幅振荡，由振荡周期与幅度按 Ziegler-Nichols 公式反算临界增益 Kc 与临界周期 Tc，再按比例度（如 30%）修正为实用 P/I/D
积分分离与抗饱和	偏差大于阈值时屏蔽积分（积分分离），减小超调；输出达限幅且偏差方向仍存在时冻结积分累加（抗饱和），反向响应时迅速脱离饱和区
微分先行	仅对 PV 微分（不对 SV 微分）；设定值阶跃变化不会引发 PI 输出的大幅度冲击，有效抑制给定值扰动，PID 中常用的工程折衷

PRODUCT STRUCTURE

产品结构

整机为盘装（DIN 标准 96×96mm 或紧凑型 48×96mm）仪表，前面板双排 LED与按键，机芯由输入板、主控板与输出板组成，信号与输出通道按 EMC 设计分区降低干扰。

优缺点分析

4.1 优点

4.2 缺点与应对

前面板

组成与功能：双排四位 LED（主显 PV / 副显 SV 或 MV）；自动 / 手动键、增减键、组态键；状态灯（自动 / 手动 / 报警 / 阀位上下限）

输入信号板

组成与功能：万能输入通道 + 远程给定 SV 通道；TVS 抗输入过压与 ESD；分度表与工程量线性化 MCU 固件

主控板

组成与功能：MCU 运行 PID、自整定、通信与组态；参数 EEPROM 掉电保持；实时时钟供事件记录

输出板

组成与功能：DAC + 恒流源输出 4-20mA（或 0-10V）；负载自适应能力强；输出限幅与 NE 43 故障方向

变送与报警

组成与功能：PV / SV / MV 任选一路 4-20mA 变送输出；2~4 点继电器报警（PV 上下限、偏差限、传感器故障）

通信接口

组成与功能：RS-485（Modbus-RTU）标准；以太网（Modbus-TCP）选件；OPC UA / MQTT 云接口在新一代机型出现

电源单元

组成与功能：85~264VAC 宽压或 24VDC；整机功耗 ≤ 5W

端子区

组成与功能：分区端子布置：输入 / 输出 / 变送 / 通信 / 报警 / 电源；面板防护 IP54（带密封圈）

演进趋势

结构单元：说明组成与功能：

MPC 预览化

结构单元：预测控制 MPC 算法的简化版本嵌入通用调节器，应对大滞后与多扰动对象，作为 PID 的升级选项组成与功能：

自适应 + AI

结构单元：根据过程响应特征自动调整参数（基于神经网络的 PID 自整定），应对时变非线性对象组成与功能：

云化参数管理

结构单元：OPC UA / MQTT 直连云端，参数与组态从工程师站下沉到云端批量管理组成与功能：

智能化诊断

结构单元：控制品质评估（IAE / ITAE 指标）、参数健康度评分、传感器漂移检测与执行机构死区预警组成与功能：

连续控制精度高

说明：4-20mA 连续信号精细，无位式断续的死区损失；小流量精细调节能力远优于第 49 份位式继电器机型

万能输入覆盖广

mA / mV / V / TC / RTD 全兼容；温度 / 压力 / 流量 / 液位 / 物位 / 成分单台调节器全覆盖

PID 算法成熟稳定

位置式 / 增量式 / 串级 / 前馈 / 比值控制算法经过大量回路检验；微分先行、积分分离、抗饱和、限幅等工程技巧齐备

自整定省人工

继电反馈 / 临界比例度自整定 30 分钟内获得可用 P/I/D；免除人工反复凑试；按对象特性自动优化参数

适配成熟执行机构

4-20mA 是全球过程控制的统一信号制，气动调节阀、带定位器的电动阀、变频器、调压器、电子式控制器均能直接对接

手自动与组态灵活

手 / 自动双向无扰；按键或远程组态参数；变送输出与报警通道丰富

经济与维护简便

单台价格 1000~3000 元远低于 DCS；盘装独立，故障定位与替换简单，适合中小项目与旧装置单回路改造

缺点与使用限制

需外置位置闭环器件

说明与应对措施：气动阀须配电气转换器 + 阀门定位器；电动阀须内置定位器；链条比第 49 份"调节器内置位置闭环"更长，调试与故障点增加——按回路关键度配置冗余

单回路格局

说明与应对措施：一台一回路，回路密集时盘面与维护负担突出；8 回路以上应转向 DCS / 小型 PLC 方案

无驱动动力能力

说明与应对措施：输出为 4-20mA 弱信号，不直接驱动交流接触器；不能像第 49 份直接驱动电机——本表适用于带定位器或电气转换的执行链

正反作用易选错

说明与应对措施：组态错误会造成正反馈失控；必须现场做阀门方向试动作验证（手动模式下增减 MV 观察阀门动作方向）

积分饱和与超调

说明与应对措施：大偏差长时间存在且执行机构达限位时，积分累积导致反向响应滞后；启用积分分离与抗饱和功能可缓解

大滞后对象效果有限

说明与应对措施：纯 PID 对大滞后对象（温度、液位）控制品质有限；MPC 算法或串级方案改善；或选带 MPC 预览的升级机型

不能用于本安回路

说明与应对措施：仪表自身无本安认证；危险区回路须经隔爆 / 增安外壳整体设计或装于安全区控制室

APPLICATIONS

应用领域

智能 PID 调节器主要用于以气动 / 带定位器电动 / 变频器为终端的单回路过程控制场合，典型行业分布如下。

5.1 五种典型应用模式

石油化工

典型应用场景：反应釜温度（蒸汽阀）、精馏塔回流流量、储罐压力 / 液位常用配置：万能输入、串级 / 前馈软件包

电力

典型应用场景：除氧器水位调节、凝汽器真空、辅机冷却水温度、变频给水泵常用配置：变频器电流给定 + 启停触点

冶金

典型应用场景：加热炉温度（燃气阀）、均热炉炉压、轧线冷却水流量常用配置：气动调节阀 + 串级（温度 - 流量）

建材水泥

典型应用场景：回转窑窑尾温度（煤管阀）、生料配料、增湿塔湿度常用配置：前馈 + PID 抗扰动

水处理

典型应用场景：加药量（计量阀）、曝气风量（变频）、清水池液位常用配置：变频器对接、防腐型

制药

典型应用场景：发酵罐温度（夹套水阀）、灭菌柜 FMP 在线），配记录仪实现批记录常用配置：PID + 无纸记录仪组合

暖通

典型应用场景：换热站供水温度（电动调节阀）、空调箱温湿度、新风风门常用配置：经济型 48×96 紧凑尺寸

模式

回路构成要点

基本单回路

PV 传感器 → 调节器（PID）→ 4-20mA → 电-气转换器 → 气动调节阀定位器 → 阀门最常用形态；正反作用按回路特性选；自整定收敛即投用

串级控制

主调 PID 输出作副调 SV；副调驱动阀门；主调为温度 / 质量等慢变量，副调为流量等快变量改善扰动响应；主调连续型即可，副调需快速响应

前馈控制

扰动量前馈通道输出与 PID 反馈输出叠加后驱动阀门补偿可测扰动；与反馈 PID 互补

比值控制

主流量经比值系数后作从动回路给定；从动回路跟踪主流量燃料 / 空气比值、配方加药等

阀位分程

输出 4-12mA 驱动 A 阀，12-20mA 驱动 B 阀一调节器控制两台阀门，扩展控制范围

TECHNICAL SPECIFICATIONS

技术参数表

下表为智能 PID 调节器（96×96 盘装通用机型）的典型规格，具体以各厂商样本为准。

01
选型表

按功能、控制算法与品牌体系分为四个档次。价格为单台人民币指导价。

7.1 订货代码结构（8 位段示例）

01
选型指南

8.1 选型决策十要素

8.2 典型场景选型路径

8.3 采购验收四环节

小结

智能 PID 调节器与第 49 篇智能伺服控制 PID 调节器构成"姊妹机型"——本份面向气动 / 带定位器电动 /变频器等连续执行机构（控制精度更高，但需外置电气转换 + 阀门定位器或定位器型阀门）；第 49 份面向有触点电动执行机构（位置内环内置，单回路投资最低）。选型逻辑：第一看执行机构类型，第二看控制精度需求，第三看是否已有定位器或电气转换器。本系列显示记录与控制仪表家族继续扩展，后续沿报警装置、巡检仪等方向展开。

技术参数表 · 序号 / 参数项对照查阅

序号	参数项	典型规格
1	输入 PV	万能输入：4-20mA / 0-20mA；0-20mV~0-20V；热电偶 K/S/B/R/E/J/T/N；热电阻 Pt100/Cu50；采样周期 ≤ 0.5s，精度 0.2% FS
2	给定 SV	本机按键给定（双排 LED 增减）；远程给定 4-20mA / 0-10V；通信给定（Modbus）；给定斜率 0~9999 单位 / 秒可设
3	控制输出	连续 4-20mA（负载 ≤ 500~750Ω）；或 0-10V 输出；输出限幅 1~22mA 可设；故障方向（3.6 / 21mA）NE 43 支持
4	PID 算法	位置式 PID / 增量式 PID；P 0~999.9%、I 0~3600s、D 0~3600s；正反作用；微分先行；积分分离；抗饱和；自整定（继电反馈法 / 临界比例度法）
5	控制精度	±0.5% FS（连续调节无死区）；稳态误差 ≤ ±0.1% FS（积分时间足够时）
6	响应与周期	控制周期 0.1~0.5s；正反阶跃响应超调与回复时间按对象与参数决定
7	变送输出	4-20mA 变送输出 1~2 路（PV / SV / MV 任选）；负载 ≤ 500Ω
8	报警输出	继电器 2~4 点：PV 上下限、偏差限、传感器故障、控制偏差过大；触点容量 3A / 250VAC
9	通信接口	RS-485（Modbus-RTU）标准；以太网（Modbus-TCP）选件；OPC UA / MQTT 选件
10	复合控制	串级 / 前馈 / 比值 / 双 PV 软件包选件；阀位分程输出 4-12mA / 12-20mA
11	显示	双排四位 LED（主显 PV / 副显 SV 或 MV）；阀位百分比、运行状态、报警灯
12	手自动切换	双向无扰；MV = 当前输出（跟踪）；软手动（增减）与硬手动点动
13	供电电源	85~264VAC 47~63Hz（典型）；或 18~36VDC；功耗 ≤ 5W
14	环境条件	工作 0~50℃，湿度 ≤ 85% RH 无凝露；振动 ≤ 0.1mm（10~55Hz）盘装环境
15	安装与防护	面板 DIN 96×96mm 开孔 92×92mm（主流）；紧凑型 48×96mm；面板防护 IP54（带密封圈）；外形深 ≤ 100mm
16	绝缘与安全	输入 / 输出 / 电源间绝缘 1500V AC；符合 GB / IEC 盘装仪表安全标准
档次	代表品牌与系列	典型配置	单台价格	适用场合

技术参数表 · 进口高端 / 横河 UT / UP 系列、富士电机 PXR、欧姆龙对照查阅

进口高端	横河 UT / UP 系列、富士电机 PXR、欧姆龙	自整定 + MPC 预览；OPC UA / 以太网；高精度 / 高稳定性	5000~15000 元	外资项目、出口成套、特殊认证
国产高端	虹润 NHR / 宇电 AI / 福光	串级 + 前馈 + 比值软件包；自整定；以太网；高精度 0.1% 级	2500~5000 元	重要工艺回路、上位机集成
国产标准	虹润 / 宇电基础型 / 远东	万能输入 + 自整定；双显 + 报警；RS-485	1000~2500 元	新建项目主力、通用单回路
国产普及	地方仪表厂通用系列	固定输入类型；基础 PID 无自整定；按键操作	400~1000 元	一般回路、改造项目、预算敏感
位段	含义	常见取值示例
1	产品大类	P = 智能 PID 调节器（连续输出型）
2	面板尺寸	9（96×96）；4（48×96）；8（80×80）；0（导轨式）
3	输入类型	X（万能输入）；K/S/E/P（指定分度号）；A（电流）
4	输出类型	A（4-20mA）；V（0-10V）；D（双输出）；F（变频器适配型）
5	报警点数	2 / 3 / 4（继电器报警点数）
6	通信接口	0（无）；R（RS-485）；E（以太网）；C（OPC UA / MQTT）
7	算法软件包	B（基础）；S（串级）；F（前馈）；R（比值）；M（MPC 预览）
8	选项	H（高精度 0.1%）；V（阀位分程）；T（导轨电源）；缺省为基础型

技术参数表 · 决策要素 / 判断要点对照查阅

决策要素	判断要点
执行机构类型	气动调节阀、带定位器的电动阀、变频器、电子执行器 → 本篇连续输出；有触点电动执行机构（无定位器）→ 第 49 篇智能伺服 PID
控制精度需求	小流量 / 高精度连续场合选本篇；位式断续可接受则选第 49 篇更经济
万能输入	温度 / 压力 / 流量 / 液位 / 物位 / 成分各回路信号均可配置同一台通用机型
PID 算法增强需求	串级 / 前馈 / 比值 / MPC 预览按工艺复杂度选软件包
自整定能力	新投运项目必选；老项目人工调好的回路可不依赖
正反作用验证	现场必须做阀门方向试动作验证：手动增减 MV 观察阀门动作方向，反向则切换正反作用——组态错误会正反馈失控
抗积分饱和配置	长时间大偏差回路必须启用；输出限幅与积分分离齐备
通信与集成	需上位机监控选 RS-485 / 以太网；多回路集中管理考虑 DCS 方案
安全与冗余	重要回路配操作器（第 42 篇）旁路或双机热备；评估单机失效后果
回路数量规模	1~8 回路本表方案经济；8 回路以上比较 DCS / 小型 PLC
场景	推荐方案	理由

技术参数表 · 反应釜温度（蒸汽阀控制） / 国产标准万能输入型 + 串级（温度 - 蒸汽流量）对照查阅

反应釜温度（蒸汽阀控制）	国产标准万能输入型 + 串级（温度 - 蒸汽流量）	连续输出精细调节；串级改善蒸汽扰动响应
变频给水泵（恒压供水）	国产标准 + 变频器适配型输出	电流给定 + 启停触点；快速调节优于阀门）
加药比值控制	国产标准 + 比值软件包	主流量 + 比值系数输出从控制量
储罐压力调节（重要回路）	国产高端 + 操作器旁路	高精度 + 操作器作 DCS 故障时的应急手段
环节	验收要点
1. 到货核对	型号 8 位段逐位核对（尺寸 / 输入 / 输出 / 报警 / 通信 / 软件包）；输出类型与执行机构匹配检查
2. 功能抽检	万能输入各类型精度五点法验证；手自动无扰切换试验；正反作用方向试验；4-20mA 输出线性与负载能力试验
3. 控制性能联调	接入实际回路做阶跃试验；自整定收敛并复核超调与回复时间；正反作用正确性、积分抗饱和、防超调配置生效验证
4. 通信与记录	Modbus 读写与远程给定验证；通信中断保位行为确认；报警与事件记录核对；72 小时连续运行考核

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