控制器是自动控制系统的中心环节，起控制作用。它根据被控变量的测量值与给定值的偏差，按一定的控制规律进行运算，产生控制信号，输出至执行器。
某些形式的控制器习惯上称为调节器。
1．控制规律
（1）控制规律的含义及表示方法
控制器的控制规律是指控制器的输出信号随输入信号（偏差）变化的规律，即为控制器的特性。
对控制器而言，习惯上，△x＞0称正偏差；△x＜0称负偏差；△x＞0，相应的△y＞0，则该控制器称正作用控制器；△x＞0，相应的△y＜0，则该控制器称反作用控制器。
为了用一个统一的式子表示调节器的特性，可用相对变化量来表示调节器的输入和输出，即：
X=△x/(xmax-xmin)
Y=△y/(ymax-ymin)(2-1)
式中xmax-xmin为输入信号范围；ymax-ymin为输出信号范围。
用相对变化量X和Y来表示控制器的控制规律，通常有五种表示方法：微分方程、传递函数、频率特性、图示法（阶跃响应）和离散化表示法。
基本控制规律有比例（P）、积分（I）微分（D）三种。由这些控制规律组成P、PI、PD和PID等几种常用工业型控制器。
（2）比例控制规律
比例控制规律的特点是：控制作用及时、迅速和有余差。余差是控制过程结束时测量信号和给定信号之差。
（3）比例积分控制规律
积分控制规律的特点是：能消除余差和“慢慢来”。
积分作用一般不单独使用，参见13.2例题分析与问题解答中的题（2.8），而是与比例作用一起组成具有比例积分控制规律的控制器。
比例积分控制规律兼备了比例和积分两种控制规律的优点，因此既控制作用及时、迅速，又具有消除余差的能力，其微分方程、传递函数和阶跃响应分别如式(13-5)、式(13-6)和图2-2所示。
图2-2比例积分控制器的阶跃响应曲线
对于积分控制规律还有以下一些重要的基本概念。
1)控制点、控制点偏差与控制精度
参见13.2例题分析与问题解答中的题（2.9）。
2)积分增益与开环放大倍数
积分增益是指：在适当幅度的阶跃输入下，实际比例积分控制器输出的最终变化量与初始变化量的比值。
积分增益KI与比例增益KP的乘积称为控制器的开环放大倍数或开环增益KOP。
在控制器开环增益为有限值时，PI控制器的实际传递函数为
实际PI调节器的阶跃响应曲线如图13-3所示，由图可见阶跃响应曲线呈饱和特性，而并为非理想的积分过程。
（4）比例微分控制规律
微分控制规律是指控制器的输出与偏差变化的速度成正比，其微分方程表示如下
这种所谓的理想微分作用不能单独作为控制规律使用，参见2.2例题分析与问题解答中的题（2.8）。在控制器中，通常采用由微分作用、比例作用和一阶惯性环节组合而成的实际比例微分控制规律。
实际比例微分控制规律的微分方程、传递函数和阶跃响应分别如式(2-9)、式(2-10)和图2-4所示。
式中KD为微分增益，或称微分放大倍数。
TD=KDτD(2-11)
比例微分控制规律中的微分作用具有超前作用的特点。
（5）比例积分微分控制规律
PID控制规律是由基本的P、I（或PI）与D（或PD）控制规律组合而成。理想的PID作用的微分方程为
1）模拟控制器的PID运算式
模拟控制器的PID运算式有两种形式：偏差型PID运算式和微分先行PID运算式，如图13-5所示。
采用这种结构形式的实际控制器的传递函数为
阶跃响应特性如图2-6所示。
2）数字式PID运算式
数字控制器和DCS等计算机控制系统中采用数字式PID运算式，常用的数字式PID运算式有位置型算式、增量型算式、速度型算式和偏差系数型算式。
速度型算式与偏差系数型算式在本质上还是增量型的。
为了适应各种不同的工业生产过程和被控过程，改善被控系统的性能，在基本数字PID运算式基础上，可以得到各种改进的数字式PID运算式，目前在工程上应用的有：不完全微分算运式、微分先行PID算式、带不灵敏区的PID算式和积分分离PID算式等。
2．模拟调节器
调节器除了对偏差进行PID运算之外，还需具备偏差显示、输出显示、提供内给定信号及内/外给定的选择、正/反作用的选择、手动操作与手动/自动双向（无扰动）切换等基本功能，以适应自动控制的需要。有的调节器还增加一些附加功能，如抗积分饱和、输出限幅、输入报警、偏差报警等，以提高调节器的性能。
（1）DDZ/DⅢ型电动调节器
DDZDⅢ型电动调节器有两个基型品种：全刻度指示调节器和偏差指示调节器，它们的结构和线路相同，仅指示电路有些差异。如图13-7所示，基型调节器由控制单元和指示
单元两部分组成：控制单元包括输入电路、PD电路、PI电路、输出电路以及软手操和硬手操电路等；指示单元包括测量信号指示电路和给定信号指示电路。
1）输入电路
4）整机传递函数
如图13-8所示，整机传递函数由上述三个环节串联而成。化简后可得：
5）其它基本电路
①输出电路其作用是将PI电路输出的以UB为基准的1~5VDC电压信号U03转换为流过负载RL（一端接地）的4~20mADC输出电流。输出电路实际上是个V/I转换电路。
③指示电路其作用是以以0~100%的刻度分别指示1~5VDC的测量信号和给定信号，或者指示测量信号与给定信号之差；两者的指示电路完全一样。
(6)基型调节器的附加电路
为适应某些控制系统的特殊要求，调节器可增设各种附加单元电路，如偏差报警（用于在控制系统的偏差超出规定范围时，发出报警信号）、输入报警（用于在控制系统的输入信号超出规定范围时，发出报警信号）、输出限幅输出（用于将调节器的输出限制在一定范围之内，以保证调节阀不处于危险开度）等。在基型调节器上还可增设某些附加电路，形成具有相应功能的特种调节器，如PIMP切换调节器、积分反馈型积分限幅调节器、前馈调节器等。
（2）DDZ/DⅡ型电动调节器PID运算电路
DDZDⅡ型电动调节器的电路一个典型的由单个放大器和电阻、电容基本环节构成的PID运算电路，其原理图2-9所示。图中，Ii为输入的偏差信号；I0为输出电流；RL为负载。由多级晶体管组成的放大器K将Ii与反馈信号Uf产生的差值信号放大并转换为整机输出电流I0。反馈部分主要由实现PID运算的无源RC电路等组成：RP、WP等为比例环节、CI、CI等为微分环节、CD、RD为积分环节。
（3）微分先行PID运算电路
图13-10是一个微分先行的PID运算电路原理图，它由PD、P和PI电路串联而成。测量值Um经过PD运算后与给定值Us比较，其差值作为比例运算电路和PI运算电路的输入信号，因此整个电路对测量值具有PID运算功能，而对设定值只具有PI运算功能，其传递函数为
（4）气动仪表PI运算的实现
气动调节器有力矩平衡式、力平衡式和位移平衡式，虽然它们的结构形式有所不同，但它们的构成原理和分析方法都是一样的，参见2.2例题分析与问题解答中的题（2.19）。
3.数字式调节器
数字式调节器具有运算控制功能强、通过软件实现所需功能、带有自诊断功能、带有数字通讯功能、和模拟调节器外特性相同、保持常规模拟式调节器的操作方式等优点，实现了仪表和计算机的一体化，因而在工业生产过程自动控制系统中得到了广泛的应用。
数字式调节器由以CPU为核心构成的硬件电路和由系统程序、用户程序构成的软件二大部分组成，其功能主要是由软件所决定。
（1）数字式调节器的硬件构成
数字式调节器的硬件电路由主机电路、过程输入/输出通道、人机接口电路以及通信接口电路等部分组成，其构成框图如图2-11所示。
主机电路由CPU、存储器（ROM、EPROM、RAM）、定时/计数器以及I/O接口等组成，是数字式调节器的核心，用于实现仪表数据运算处理，各组成部分之间的管理。过程输入/输出通道包括模拟量输入/输出通道和开关量输入/输出通道，前者用于接收/输出模拟量信号，后者用于接收/输出开关量信号；一台数字式调节器通常都可以接收/输出若干个模拟量信号和开关量信号。人机接口部件一般由操作按钮和显示器件组成，用于实现调节器与使用人员之间的各种信息的交流。通信接口电路主要用于数字调节器与其它控制设备之间的数字通信，大多采用串行传送方式。
（2）数字式调节器的软件构成
数字式调节器的软件分为系统程序和用户程序两大部分。
系统程序是调节器软件的主体部分，通常由监控程序和功能模块两部分组成，也可以形象地理解为由数字调节器的“操作系统”和“库函数”组成，前者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；后者提供了各种功能。
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，其作用是使调节器完成预定的控制与运算功能。使用者编制程序实际上是完成功能模块的连接，也即组态工作。用户程序的编程工作是通过专用的编程器进行的，有“在线”和“离线”两种编程方法，前者编程器与调节器通过总线连接共用一个CPU；后者编程器自带一个CPU构成一台独立的仪表，编程的过程与调节器无关。
数字式调节器应在调节器故障情况下仍能起遥控作用，从而保证生产照常进行。
（3）SLPC数字式调节器
SLPC可编程调节器是一种有代表性的、功能较为齐全的可编程调节器，它有5个模拟量输入通道；3个模拟量输出通道；六个输入/输出共用的开关量通道；人／机联系部件包括调节器的正面板和侧面板，正面板的布置类似于模拟式调节器，侧面板有触摸式键盘和数字显示器，用以显示或修改输入、输出数据，PID参数和其他数据；通信接口电路采用半双工、串行异步通讯方式。
SLPC可编程调节器的功能模块是以指令形式提供的，有4种类型：信号读取指令LD、信号存储指令ST、程序结束指令END和完成各种指定功能的功能指令。功能指令有基本运算、带设备编号的运算、条件判断、寄存器移位和控制功能。控制功能指令有基本控制指令、串级控制指令和选择控制指令，与其他指令配合可实现基本PID、串级、选择、非线性、采样PI、批量PID等控制。
SLPC可编程调节器用户程序的编制，通常包括确定调节器应承担的任务、确定调节功能和控制算法、列工作清单、填写数据清单等步骤，在需要对输入数据进行处理时，还要确定相应的数学模型及模型的规格化处理。在完成这些工作之后，便可根据工作清单编写用户程序，并进行调试、写入EPROM，最后EPROM将插到调节器相应的插座上。