过程控制技术及应用.ppt

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1、过程装备控制技术及应用1 本本课课程程是是过过程程装装备备与与控控制制工工程程专专业业的的专专业业（基基础础）课课，是是集集自自动动控控制制技技术术、仪仪器器仪仪表表、化化工工生生产产过程与科研自动化于一体的综合性、技术性课程。过程与科研自动化于一体的综合性、技术性课程。通通过过本本课课程程的的学学习习，使使同同学学们们初初步步掌掌握握过过程程装装备备控控制制系系统统的的基基础础知知识识和和基基本本概概念念；重重点点掌掌握握过过程程检检测测技技术术（压压力力、温温度度、流流量量、物物位位、物物料料成成分分等等主主要要工工艺艺参参数数的的测测量量方方法法和和所所用用仪仪器器仪仪表表）和和过过程程

2、控控制制装装置置的的应应用用；了了解解计计算算机机控控制制等等先先进进过过程控制系统的概念和典型应用。程控制系统的概念和典型应用。在在掌掌握握以以上上基基础础知知识识后后，结结合合典典型型过过程程控控制制系系统统应应用用方方案案，培培养养同同学学们们在在专专业业学学习习和和工工作作中中分分析析和解决化工实际问题的能力。和解决化工实际问题的能力。前前 言言2课程总学时：课程总学时：6464课时（其中讲授课时（其中讲授5252、实验、实验1212）总总 学学 分：分：4 4考考 核核 方方 式：期末考试（式：期末考试（7070）实验成绩（实验成绩（1010）平时成绩（平时成绩（2020）3第一章第

3、一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念 社社会会经经济济过过程程中中的的全全部部产产品品通通常常分分为为三三类类，即即硬硬件件产产品品、软软件件产产品品和和流流程程性性材材料料产产品品。在在上上世世纪纪初初，世世界界各各国国都都把把“先先进进制制造造技技术术”列列为为优优先先发发展展的的战战略略性性高高技技术术之之一一。先先进进制制造造技技术术主主要要是是指指硬硬件件产产品品的的先先进进制制造造技技术术和和流流程程性性材材料料产产品品的的先先进进制制造造技技术术。所所谓谓“流流程程性性材材料料”是是指指以以流流体体(气气、液液、粉粒体等粉粒体等)形态为主的材料。形态为主的材料。过过程程工工

4、业业就就是是加加工工制制造造流流程程性性材材料料产产品品的的产产业业之之一一。过过程程工工业业产产品品主主要要是是利利用用成成套套的的过过程程装装置置来来生生产产的的，它它通通常常是是由由一一系系列列的的过过程程机机器器和和过过程程设设备备，按按一一定定的的流流程程方方式式用用管管道道、阀阀门门等等连连接接起起来来的的一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表一个独立的密闭连续系统，再配以必要的控制仪表4和和设设备备，即即能能平平稳稳连连续续地地把把以以流流体体为为主主的的各各种种流流程程性性材材料料，让让其其在在装装置置内内部部经经历历必必要要的的物物理理化化学学过过程程，制造出人们需要的

5、新的流程性材料产品。制造出人们需要的新的流程性材料产品。过过程程设设备备(如如塔塔、换换热热器器、反反应应器器与与储储罐罐等等)与与过过程程机机器器(如如压压缩缩机机、泵泵与与分分离离机机等等)二二者者的的统统称称为为过过程装备程装备。过过程程装装备备控控制制是是指指在在过过程程设设备备上上，配配上上一一些些自自动动化化装装置置以以及及合合适适的的自自动动控控制制系系统统来来代代替替操操作作人人员员的的部部分分或或全全部部的的直直接接劳劳动动，使使设设计计、制制造造、装装配配、安安装装等等在在不不同同程程度度上上自自动动地地进进行行。这这种种利利用用自自动动化化装装置置来来管管理理生生产产过过

6、程程的的方方法法就就是是生生产产过过程程自自动动化化。过程装备控制是生产过程自动化最重要的一部分过程装备控制是生产过程自动化最重要的一部分。第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念1、概、概 述述5 总总之之，生生产产过过程程自自动动化化是是提提高高社社会会生生产产力力的的有有力力工工具具，它它能能够够稳稳定定生生产产、提提高高产产品品质质量量、降降低低生生产产成成本本，改改善善劳劳动动条条件件。自自20世世纪纪30年年代代以以来来，随随着着自自动动控控制制理理论论的的不不断断发发展展以以及及电电子子计计算算机机的的出出现现，自自动动化化技技术术已已取取得得了了惊惊人人的的成成就就，

7、自自动动化化装装置置已已成成为为大大型型设设备备不不可可分分割割的的重重要要组组成成部部分分。可可以以说说，如如果果不不配配置置合合适适的的自自动动控控制制系系统统，大大型型生生产产过过程程是是根根本本无无法法运运行行的的。实实际际上上，生生产产过过程程自自动动化化的的程程度度已已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念1、概、概 述述6第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念1.1.1 生产过程自动化系统包含的内容生产过程自动化系统包含的内容 1、概、概 述述生产过生产过程的工程的工艺变量

8、艺变量自动检测系统自动检测系统自动操自动操纵系统纵系统自动控自动控制系统制系统信号连锁系统信号连锁系统7第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念 自自动动检检测测系系统统 要要控控制制不不断断进进行行着着各各种种物物理理化化学学变变化化的的生生产产过过程程，首首先先必必须须随随时时了了解解生生产产过过程程中中各各工工艺艺参参数数的的变变化化情情况况。为为此此，必必须须采采用用各各种种检检测测仪仪表表（如如热热电电偶偶、热热电电阻阻、压压力力传传感感器器等等）自自动动连连续续地地对对各各种种工工艺艺变变量量（如如温温度度、压压力力、流流量量、液液位位等等）进进行行测测量量，并并将将测测

9、量量结结果果用用仪仪表表指指示示记记录录下下来来供供操操作作人人员员观观察察、分分析析或或将将测测量量到到的的“信信息息”传传送送给给控控制制系系统统，作作为为自自动动控控制制的的依依据。据。1、概、概 述述8第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念生产过程自动化系统包含的内容生产过程自动化系统包含的内容 1、概、概 述述生产过生产过程的工程的工艺变量艺变量自动检测系统自动检测系统自动操自动操纵系统纵系统自动控自动控制系统制系统信号连锁系统信号连锁系统9第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念 自自动动操操纵纵系系统统 这这是是一一种种根根据据预预先先规规定定的的程程序序，

10、自自动动地地对对生生产产设设备备进进行行某某种种周周期期性性操操作作，极极大大地地减减轻操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。轻操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。自自动动控控制制系系统统 利利用用一一些些自自动动控控制制仪仪表表及及装装置置，对对生生产产过过程程中中某某些些重重要要的的工工艺艺变变量量进进行行自自动动调调节节，使使它它们们在在受受到到外外界界干干扰扰影影响响偏偏离离正正常常状状态态后后，能能够够自自动动地地重重新新回回复复到到规规定定的的范范围围之之内内，从从而而保保证证生生产产的正常进行。的正常进行。1、概、概 述述10第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念生

11、产过程自动化系统包含的内容生产过程自动化系统包含的内容 1、概、概 述述生产过生产过程的工程的工艺变量艺变量自动检测系统自动检测系统自动操自动操纵系统纵系统自动控自动控制系统制系统信号连锁系统信号连锁系统11第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念 信信号号联联锁锁系系统统 信信号号联联锁锁系系统统是是一一种种安安全全装装置置。在在生生产产过过程程中中，有有时时由由于于一一些些偶偶然然因因素素的的影影响响会会导导致致某某些些工工艺艺变变量量超超出出允允许许的的变变化化范范围围，使使生生产产不不能能正正常常运运行行，严严重重时时甚甚至至会会引引起起燃燃烧烧、爆爆炸炸等等事事故故。为为了

12、了确确保保安安全全生生产产，常常对对这这些些关关键键性性变变量量设设置置信信号号报报警警或或联联锁锁保保护护装装置置。其其作作用用是是在在事事故故发发生生前前，自自动动地地发发出出声声光光报报警警信信号号，引引起起操操作作员员的的注注意意以以便便及及早早采采取取措措施施。若若工工况况已已接接近近危危险险状状态态，信信号号联联锁锁系系统统将将启启动动：打打开开安安全全阀阀，切切断断某某些些通通路路或或紧紧急急停停车车，从而防止事故的发生或扩大。从而防止事故的发生或扩大。1、概、概 述述12第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念1.1.2 过程装备控制的任务和要求过程装备控制的任务和要

13、求 过程装备控制是工业生产过程自动化的重要组过程装备控制是工业生产过程自动化的重要组成部分，它主要是针对过程装备的主要参数，即温成部分，它主要是针对过程装备的主要参数，即温度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等度、压力、流量、液位（或物位）、成分和物性等参数进行控制。参数进行控制。虽然工业生产对过程装备控制的要求是多方面虽然工业生产对过程装备控制的要求是多方面的，最终可以归纳为三项要求：即的，最终可以归纳为三项要求：即安全性、经济性安全性、经济性和稳定性和稳定性。1、概、概 述述13第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念 安安全全性性是是指指在在整整个个生生产产过过程程中中，

14、确确保保人人身身和和设设备备的的安安全全，这这是是最最重重要要也也是是最最基基本本的的要要求求。通通常常是是采采用用越越限限报报警警、事事故故报报警警和和连连锁锁保保护护等等措措施施加加以保证。以保证。经经济济性性是是指指在在生生产产同同样样质质量量和和数数量量产产品品所所消消耗耗的的能能量量和和原原材材料料最最少少。也也就就是是要要求求生生产产成成本本低低而而效效率率高高。随随着着市市场场竞竞争争加加剧剧和和能能源源的的匮匮乏乏，经经济济性已越来越受到各方面的重视。性已越来越受到各方面的重视。稳稳定定性性是是指指系系统统应应具具有有抵抵抗抗外外部部干干扰扰，保保持持生生产产过过程程长长期期稳

15、稳定定运运行行的的能能力力。在在生生产产过过程程中中，原原材材料料成成分分变变化化、反反应应器器内内催催化化剂剂老老化化、换换热热器器表表面结垢等都会或多或少地影响生产过程稳定性。面结垢等都会或多或少地影响生产过程稳定性。1、概、概 述述14第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念 过过程程装装备备控控制制的的任任务务：就就是是在在了了解解、掌掌握握工工艺艺流流程程和和生生产产过过程程的的静静态态和和动动态态特特性性的的基基础础上上，根根据据上上述述三三项项要要求求，应应用用理理论论对对控控制制系系统统进进行行分分析析和和综综合，最后采用合适的技术手段加以实现。合，最后采用合适的技术

16、手段加以实现。因因此此可可以以说说，过过程程装装备备控控制制是是控控制制理理论论、工工艺艺知知识识、计计算算机机技技术术和和仪仪器器仪仪表表等等相相结结合合而而构构成成的的一一门综合性应用科学。门综合性应用科学。1、概、概 述述151.2 控制系统的组成控制系统的组成 工工业业生生产产过过程程都都是是在在一一定定的的温温度度、压压力力、浓浓度度、物物位位等等工工艺艺条条件件下下进进行行的的。为为此此，必必须须对对这这些些工工艺艺变变量量进进行行控控制制，使使其其稳稳定定在在保保证证生生产产正正常常运运行行的的范范围围之之内内。为为了了实实现现控控制制要要求求，通通常常有有两两种方式可以选择：人

17、工控制和自动控制。种方式可以选择：人工控制和自动控制。下下面面以以锅锅炉炉汽汽包包水水位位控控制制为为例例，说说明明人人工工控控制与自动控制的执行过程。制与自动控制的执行过程。第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念2、控制系统的组成、控制系统的组成16第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念2、控制系统的组成、控制系统的组成17第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念2、控制系统的组成、控制系统的组成插：锅炉组态18第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念2、控制系统的组成、控制系统的组成19第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念自动控制与

18、人工控制比较自动控制与人工控制比较:在在自自动动控控制制系系统统中中，测测量量仪仪表表、控控制制仪仪表表、自自动动调调节节阀阀分分别别代代替替了了人人工工控控制制中中人人的的观观察察、思思考考和和手手动动操操作作，因因而而大大大大降降低低了了人人的的劳劳动动强强度度；同同时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作速度时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作速度2、控制系统的组成、控制系统的组成远远高于人的观察、远远高于人的观察、思考和操作过程，因思考和操作过程，因此自动控制可以满足此自动控制可以满足信号变化速度快、控信号变化速度快、控制要求高的场合。制要求高的场合。20第一章第一章 控制系统的基本概

19、念控制系统的基本概念2、控制系统的组成、控制系统的组成 从从上上面面锅锅炉炉汽汽包包水水位位的的自自动动控控制制系系统统中中可可以以看看出出，一一个个自自动动控控制制系系统统主主要要由由两两大大部部分分组组成成:一一部部分分是是起起控控制制作作用用的的全全套套自自动动控控制制装装置置，它它包包括括测测量量仪仪表表、变变送送器器、控控制制仪仪表表以以及及执执行行器器等等;另另一一部部分分是是自自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。动控制装置控制下的生产设备，即被控对象。被被控控对对象象21第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念2、控制系统的组成、控制系统的组成 被被控控对对象象：

20、在在自自动动控控制制系系统统中中，工工艺艺变变量量需需要要控控制制的的生生产产设设备备或或机机器器称称为为被被控控对对象象。在在化化工工生生产产中中，各各种种塔塔、反反应应器器、泵泵、压压缩缩机机以以及及各各种种容容器器、贮堆、贮槽等都可以是被控对象。贮堆、贮槽等都可以是被控对象。测测量量元元件件和和变变送送器器：测测量量需需控控制制的的工工艺艺参参数数并并将将其其转转化化为为一一种种特特定定信信号号(电电信信号号或或气气压压信信号号)的的仪仪器，在自动控制系统中起着器，在自动控制系统中起着“眼睛眼睛”的作用。的作用。调调节节器器：又又称称控控制制器器，它它将将测测量量元元件件或或变变送送器器

21、送送来来的的信信号号与与其其内内部部的的工工艺艺参参数数给给定定值值信信号号进进行行比比较较，得得到到偏偏差差信信号号;根根据据这这个个偏偏差差的的大大小小按按一一定定的的运运算算规规律算出控制信号，由控制信号驱动执行器。律算出控制信号，由控制信号驱动执行器。22第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念2、控制系统的组成、控制系统的组成 执执行行器器：执执行行器器接接受受调调节节器器送送来来的的信信号号，自自动动地地改改变变阀阀门门的的开开度度，从从而而改改变变输输送送给给被被控控对对象象的的能能量量或或物物料料量量。最最常常用用的的执执行行器器是是气气动动薄薄膜膜调调节节阀阀和和电

22、电动调节器。动调节器。被被控控对对象象变送器变送器 测量元件测量元件给定值给定值调节器调节器(显示显示)执行器执行器23第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念3、控制系统方框图、控制系统方框图1.3 控制系统的方框图控制系统的方框图 在在研研究究控控制制系系统统时时。为为了了能能够够更更清清楚楚地地表表示示出出控控制制系系统统中中各各个个组组成成部部分分之之间间的的相相互互影影响响和和信信息息联联系，一般用方框图来表示控制系统的组成和作用。系，一般用方框图来表示控制系统的组成和作用。24第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念3、控制系统方框图、控制系统方框图 被控变量被

23、控变量y：指需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水：指需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器的温度、物料流量等。位、反应器的温度、物料流量等。给定值给定值(或设定值或设定值)ys：对应于生产过程中被控变量的期：对应于生产过程中被控变量的期望值。可由调节器内部或由外界给定。望值。可由调节器内部或由外界给定。测量值测量值ym：由检侧元件得到的被控变量的实际值。由检侧元件得到的被控变量的实际值。操纵变量操纵变量(或控制变量或控制变量)m：受控于调节阀，用以克服干：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量，它是调节阀的输出。扰影响，具体实现控制作用的变量，它是调节阀的输出。控制信号控制

24、信号u：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。25第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念例：例：画出右图反画出右图反应器控制系统的应器控制系统的方框图，并指出方框图，并指出被控对象、被控被控对象、被控变量、操纵变量变量、操纵变量及可能影响被控及可能影响被控变量的干扰。变量的干扰。3、控制系统方框图、控制系统方框图26第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念4、控制系统的分类、控制系统的分类1.4 控制系统的分类：控制系统的分类：自动控制系统的分类方法有很多。自动控制系统的分类方法有很多。按被控变量的不同按被控变量的不同，可以分为温度控制

25、系统、，可以分为温度控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制系统、流量控制系统、压力控制系统、液位控制系统、成分控制系统等。成分控制系统等。按调节器的控制规律按调节器的控制规律，可分为比例控制系统、，可分为比例控制系统、比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例微比例积分控制系统、比例微分控制系统、比例微分积分控制系统等。分积分控制系统等。但是，在分析自动控制系统的特性时，常常采但是，在分析自动控制系统的特性时，常常采用下述几种分类方法。用下述几种分类方法。27第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念4、控制系统的分类、控制系统的分类按按给给定定值值的的特特点点划划分分定定值值控

26、控制制系系统统 给给定定值值是是恒恒定定不不变变的的，控控制制系系统统的的输输出出(即即被被控控变变量量)应应稳稳定定在在与与给给定定值值相相对对应应的的工工艺艺指指标标上上，或或在在规规定定工工艺艺指指标标的的上上下下一一定定范范围围内内变变化化。定定值值控控制制系系统统是是生生产产过程控制中最常见的。过程控制中最常见的。随随动动控控制制系系统统 给给定定值值的的变变化化是是随随机机的的。这这类类系系统统的的主主要要任任务务是是使使被被控控变变量量能能够够迅迅速速地地、准准确确无无误误地地跟跟踪踪给给定定值值的的变变化化，因因此此这这类类系系统又称为自动跟踪系统。统又称为自动跟踪系统。程程序

27、序控控制制系系统统给给定定值值按按一一定定的的时时间间程程序序性性地地变变化化。这这类类系系统统在在间间歇歇生生产产过过程程中中的的应应用用比比较广泛。较广泛。28第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念4、控制系统的分类、控制系统的分类按按输输出出变变量量对对操操纵纵变变量量影影响响分分 闭闭环环控控制制 这这种种系系统统输输出出信信号号的的改改变变返返回回来来影影响响操操纵纵变变量量，操操纵纵变变量量不不是是独独立立存存在在的的，它它依依赖赖于于输输出出变变量量。闭闭环环控控制制系系统统的的最最常常见见形形式式是是负负反反馈馈控控制制系系统统（当当操操纵纵变变量量使使系系统统的的

28、输输出出信信号号增增大大时时，反反馈馈影影响响操操纵纵变变量量的的结结果果使使输输出出信信号号减减小小）。工工业业控控制制系系统统绝绝大大多多数数是是闭闭环环控控制制系统。系统。开开环环控控制制 操操纵纵变变量量不不受受系系统统输输出出信信号号的的影影响响。为为了了使使系系统统的的输输出出满满足足事事先先规规定定的的要要求求，必必须须周周密密而而精精确确地地计计算算操操纵纵本本来来的的变变化化规规律律。一一个个工工业业控控制制系系统统，当当反反馈馈回回路路断断开开或或调调节节器器置置于于“手操手操”位置时，就成为开环控制系统。位置时，就成为开环控制系统。29第一章第一章 控制系统的基本概念控制

29、系统的基本概念4、控制系统的分类、控制系统的分类按按系系统统的的复复杂杂程程度度划划分分 简单控制系统简单控制系统 这类控制系统只有一个简单的这类控制系统只有一个简单的反馈回路，所以也可称为单回路控制系统。反馈回路，所以也可称为单回路控制系统。复杂控制系统复杂控制系统 工程上的控制系统常常比较复工程上的控制系统常常比较复杂，它们可表现为在系统中包含多个调节器、杂，它们可表现为在系统中包含多个调节器、检测变送器或执行器，从而形成系统中存在有检测变送器或执行器，从而形成系统中存在有多个回路或者在系统中存在有多个输入信号和多个回路或者在系统中存在有多个输入信号和多个输出信号。多个输出信号。30第一章

30、第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念4、控制系统的分类、控制系统的分类31第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念4、控制系统的分类、控制系统的分类按按系系统统克克服服干干扰扰的的方方法法分分 反反馈馈控控制制系系统统 当当干干扰扰使使系系统统的的被被控控变变量量发发生生改改变变时时，被被控控变变量量反反馈馈至至系系统统输输入入端端与与给给定定值值相相比比较较并并得得到到偏偏差差信信号号，经经调调节节器器及及调调节节阀阀影影响操纵变量以减弱或消除被控变量的变化。响操纵变量以减弱或消除被控变量的变化。前前馈馈控控制制系系统统 当当干干扰扰引引起起被被控控对对象象的的输输出出y2

31、改改变变时时，控控制制系系统统测测得得干干扰扰信信号号的的大大小小，并并输输入入前前馈馈补补偿偿器器(或或称称前前馈馈控控制制器器)，由由前前馈馈补补偿偿器器的的输输出出去去控控制制操操纵纵变变量量二二，引引起起被被控控对对象象输输出出y1的改变，并且的改变，并且y1与与y2的方向相反，的方向相反，32第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念4、控制系统的分类、控制系统的分类由此减弱或消除被控变量由此减弱或消除被控变量y受干扰影响而产生的变受干扰影响而产生的变化。当前馈完全补偿时，有化。当前馈完全补偿时，有y=y1 y2=0。33第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念前前

32、馈馈反反馈馈控控制制系系统统 当当以以上上两两种种控控制制系系统统复复合合在在一一起起时时，就就构构成成了了前前馈馈一一反反馈馈控控制制系系统统。这这种种系系统统当当受受到到干干扰扰的的影影响响时时，可可以以通通过过前前馈馈控控制制器器使使被被控控变变量量不不变变，若若前前馈馈补补偿偿不不完完全全或或受受其其他他因因素素影影响响，还可以通过反馈控制系统加以修正。还可以通过反馈控制系统加以修正。4、控制系统的分类、控制系统的分类34第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念4、控制系统的分类、控制系统的分类 在实际工程上控制系统的形式多种多样，各在实际工程上控制系统的形式多种多样，各具特

33、点。随着自动控制技术的不断进步和完善，具特点。随着自动控制技术的不断进步和完善，以及智能化仪表和计算机控制的应用，自动控制以及智能化仪表和计算机控制的应用，自动控制系统的形式越来越多，有些控制系统可以是不同系统的形式越来越多，有些控制系统可以是不同类型系统的组合。类型系统的组合。35第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标1.5 控制系统的过渡过程及其性能指标控制系统的过渡过程及其性能指标 处于平衡状态下的自动控制系统受到干扰作用处于平衡状态下的自动控制系统受到干扰作用后，被控变量会发生变化而偏离给定值，系统进入后，被控变量会发生变化而偏离给

34、定值，系统进入过渡过程。自动控制系统就立即检测变化、计算偏过渡过程。自动控制系统就立即检测变化、计算偏差并消除偏差。在这一过程中，被控变量的变化情差并消除偏差。在这一过程中，被控变量的变化情况、偏离给定值的最大程度以及系统消除偏差的速况、偏离给定值的最大程度以及系统消除偏差的速度、精度等都是衡量自动控制系统质量的依据。度、精度等都是衡量自动控制系统质量的依据。36第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标控控制制系系统统的的过过渡渡过过程程 从从被被控控对对象象受受到到干干扰扰作作用用使使被被控控变变量量偏偏离离给给定定值值时时起起，调调节节器

35、器开开始始发发挥挥作作用用，使使被被控控变变量量尽尽量量回回复复到到给给定定值值附附近近。然然而而这这一一回回复复并并不不是是瞬瞬间间完完成成的的，而而是是要要经经历历一一个个过过程程，这这个个过过程程就就是是控控制制系系统统的的过过渡渡过过程程。它它是是控控制制系系统统在在闭闭环环情况下，在干扰和自动控制的共同作用下形成的。情况下，在干扰和自动控制的共同作用下形成的。在在生生产产过过程程中中，干干扰扰的的形形式式是是多多种种多多样样的的，而而且且大大部部分分都都属属于于随随机机性性质质，其其中中阶阶跃跃于于扰扰对对控控制制系统的影响最大，且最为多见。系统的影响最大，且最为多见。37第一章第一

36、章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标 在阶跃干扰的作用下，控制系统的过渡过程有如在阶跃干扰的作用下，控制系统的过渡过程有如下几种基本形式：下几种基本形式：等等幅幅振振荡荡过过程程 被被控控变变量量在在某某稳稳定定值值附附近近振振荡荡，而而振振荡荡幅幅度度恒恒定定不不变变。这这意意味味着着系系统统在在受受到到阶阶跃跃干干扰扰作作用用后后，就就不不能能再再稳稳定定下下来来，一一般般不不采采用用。只只是是在在某某些些工工艺上允许被控变量在一定范围内艺上允许被控变量在一定范围内波波动动、控控制制质质量量要要求求不不高高的的场场合合，这种形式的过渡过程才被采

37、用。这种形式的过渡过程才被采用。38第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标 发散振荡过程发散振荡过程 它表明系统在受到阶它表明系统在受到阶跃干扰的作用后，不但不能使被控变跃干扰的作用后，不但不能使被控变量回到给定值，反而越来越偏离给定量回到给定值，反而越来越偏离给定值，以致超出生产的规定限度，严重值，以致超出生产的规定限度，严重时引起事故。这是一种不稳定的过渡时引起事故。这是一种不稳定的过渡过程，因此要尽量避免。过程，因此要尽量避免。衰减振荡过程衰减振荡过程 被控变量在稳定值附被控变量在稳定值附近上下波动经过二三个周期就稳定下近上下波动经过

38、二三个周期就稳定下来。这是一种稳定的过渡过程，在过来。这是一种稳定的过渡过程，在过程控制中，多数情况下都希望得到这程控制中，多数情况下都希望得到这样的过渡过程。样的过渡过程。39第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标 非振荡的单调过程非振荡的单调过程 它表明被控它表明被控变量最终稳定下来了，是一个稳定变量最终稳定下来了，是一个稳定的过渡过程。但与衰减振荡相比，的过渡过程。但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢、时间其回复到平衡状态的速度慢、时间长，因此一般不采用。长，因此一般不采用。综上所述，一个自动控制系统的过渡过程，应综上所述，一个

39、自动控制系统的过渡过程，应该是一个渐趋稳定的过程，这是满足生产要求的基该是一个渐趋稳定的过程，这是满足生产要求的基本保证；因此，在大多数场合下，对待干扰应是采本保证；因此，在大多数场合下，对待干扰应是采用衰减振荡的调节过程。用衰减振荡的调节过程。40第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标控制过程的性能指标：控制过程的性能指标：衰减振荡的过渡过程是人们所希望得到的一种衰减振荡的过渡过程是人们所希望得到的一种稳定过程。它能使被控变量在受到干扰作用后重新稳定过程。它能使被控变量在受到干扰作用后重新趋于稳定，并且控制速度快、回复时间短。但每一趋于稳

40、定，并且控制速度快、回复时间短。但每一个衰减振荡过程的控制质量并不完全相同。要评价个衰减振荡过程的控制质量并不完全相同。要评价和讨论一个控制系统性能的优劣，就必须建立某些和讨论一个控制系统性能的优劣，就必须建立某些统一的衡量标准。统一的衡量标准。取什么样的指标作为衡量标准是根据工艺过程取什么样的指标作为衡量标准是根据工艺过程的实际需要而定的。通常采用如下的两大类标准。的实际需要而定的。通常采用如下的两大类标准。41第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标 一一类类是是以以系系统统受受到到单单位位阶阶跃跃输输入入作作用用后后的的响响应应曲曲线线

41、（又又称称过过渡渡过过程程曲曲线线）的的形形式式给给出出的的，如如最最大大偏偏差差(或或超超调调量量)、衰衰减减比比、余余差差、回回复复时时间间等等，称称为过渡过程的质量指标为过渡过程的质量指标;另另一一类类是是偏偏差差积积分分性性能能指指标标，一一般般是是期期望望输输出出与与系系统统实实际际输输出出之之间间误误差差的的某某个个函函数数的的积积分分，常常用用的的有有平平方方误误差差积积分分指指标标、时时间间乘乘平平方方误误差差的的积积分分指指标标、绝绝对对误误差差积积分分指指标标以以及及时时间间乘乘绝绝对对误误差差的的积积分分指指标标等等，这这些些值值达达到到最最小小值值的的系系统统是是某某种

42、种意意义义下下的的最优系统。最优系统。42第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标（1）、以阶跃响应曲线形式表示的质量指标：）、以阶跃响应曲线形式表示的质量指标：定值系统定值系统 随动系统随动系统 最大偏差最大偏差A（或超调量（或超调量）：对一个定值控制系统来说，：对一个定值控制系统来说，最大偏差是指过渡过程中被控变量第一个波的峰值与给定最大偏差是指过渡过程中被控变量第一个波的峰值与给定值的差；在随动控制系统中，通常采用超调量指标值的差；在随动控制系统中，通常采用超调量指标43第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性

43、能指标、过渡过程及性能指标定值系统定值系统 随动系统随动系统 衰减比：衰减比：是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，即即B1:B2一般用一般用n:1表示。表示。n愈小，衰减程度愈小，愈小，衰减程度愈小，n愈大，愈接近非周期单调过程愈大，愈接近非周期单调过程.n=1时，过渡过程为等幅振荡时，过渡过程为等幅振荡;n1时，过渡过程为衰减振荡时，过渡过程为衰减振荡;n，过渡过程为单调过程。，过渡过程为单调过程。从便于操作管理，一般希望衰减比在从便于操作管理，一般希望衰减比在4:110:1为好。为好。44第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、

44、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标 回复时间回复时间ts：是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态：是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态所用时间，即整个过渡过程所经历的时间。所用时间，即整个过渡过程所经历的时间。从理论上讲，被控变量完全达到新的稳定状态需要无限长从理论上讲，被控变量完全达到新的稳定状态需要无限长的时间，但通常在被控变量进入新稳态值的的时间，但通常在被控变量进入新稳态值的5%的范围内不的范围内不再超出时，就认为被控变量已达到新的稳态值。再超出时，就认为被控变量已达到新的稳态值。因此，因此，实际的过渡时间是从扰动开始作用之时起，直至被实际的过渡时间是从扰动开始作用之时起，直

45、至被控变量进入新稳态值的控变量进入新稳态值的 5%的范围内所经历的时间。的范围内所经历的时间。定值系统定值系统 随动系统随动系统45第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标定值系统定值系统 随动系统随动系统 余余差差e（）是是指指过过渡渡过过程程终终了了时时，被被控控变变量量新新的稳态值与设定值之差。即的稳态值与设定值之差。即e()y()ys 在控制系统中，余差反映了系统的控制精度。在控制系统中，余差反映了系统的控制精度。振振荡荡周周期期T 过过渡渡过过程程的的第第一一个个波波峰峰与与相相邻邻的的第第二二个个同同向向波波峰峰之之间间的的时时间

46、间间间隔隔称称为为振振荡荡周周期期。在在相相同的衰减比条件下，振荡周期短些为好。同的衰减比条件下，振荡周期短些为好。46第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标（2）、偏差积分性能指标：）、偏差积分性能指标：假假若若要要对对几几种种过过渡渡过过程程曲曲线线作作出出谁谁是是“最最优优”的的评评论论，则则必必须须首首先先规规定定“最最优优”的的性性能能指指标标。这这种种指指标标与与过过渡渡过过程程形形式式代代表表的的质质量量指指标标不不同同，它它应应是是系系统统动动态态特特性性的的一一种种综综合合性性能能指指标标，这这样样才才能能对对整整个过渡过

47、程曲线的形状作评价。个过渡过程曲线的形状作评价。一般采用一般采用误差函数的积分误差函数的积分形式表示。形式表示。假假定定控控制制系系统统期期望望输输出出与与实实际际输输出出分分别别为为r(t)和和y(t)。则定义误差。则定义误差(又称偏差又称偏差)为为 e(t)=r(t)y(t)当系统有余差时，可定义为当系统有余差时，可定义为 e(t)=y()y(t)47第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标平方误差积分指标平方误差积分指标(ISE)时间乘平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标(ITSE)绝对误差积分指标绝对误差积分指标(IAE)时间乘绝对

48、误差积分指标时间乘绝对误差积分指标(ITAE)48第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标讨讨 论论 IAE指指标标在在图图形形上上也也就就是是偏偏差差面面积积积积分分。这这种种指指标标，对对出出现现在在设设定定值值附附近近的的偏偏差差面面积积与与出出现现在在远远离离设设定定值值的的偏偏差差面面积积是是同同等等对对待待的的。而而ISE指指标标，却却对对同同一一偏偏差差面面积积由由于于离离设设定定值值远远近近不不同同引引起起的的目目标标值值J是是不不一一样样的的:对对远远离离者者目目标标值值J要要大大些些;对对临临近近者者要要小小些些。所所以以

49、说说，ISE相相对对于于IAE而而言言，前前者者对对大大偏偏差差敏敏感感。若若用用ISE指指标标来来调调整整控控制制器器参参数数，则则所所得到的过渡过程不会出现大偏差。得到的过渡过程不会出现大偏差。49第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标 时时间间乘乘绝绝对对误误差差积积分分指指标标(ITAE)，实实质质上上是是把把偏偏差差面面积积用用时时间间来来加加权权。同同样样的的偏偏差差积积分分面面积积，由由于于在在过过渡渡过过程程中中出出现现时时间间的的先先后后不不同同其其目目标标值值J是是不不同同的的。出出现现的的时时间间越越迟迟，目目标标值值

50、J越越大大;出出现现的的越越早早，J值值越越小小。所所以以说说，ITAE指指标标对对初初始始偏偏差差不不敏敏感感，而而对对后后期期偏偏差差非非常常敏敏感感。可可以以想想象象，若若用用ITAE指指标标来来调调整整控控制制器器参参数数，其其过过渡渡过过程程的的初初始始偏偏差差较较大大，而而随随着着时时间间的的推推移移，偏偏差差将将很很快快降降低低。这这意意味味着着，它它的阶跃响应曲线衰减比大、过渡时间较短。的阶跃响应曲线衰减比大、过渡时间较短。50第一章第一章 控制系统的基本概念控制系统的基本概念5、过渡过程及性能指标、过渡过程及性能指标 时时间间乘乘平平方方误误差差积积分分指指标标(ITSE)兼