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1、过渡过程及控制系统评过渡过程及控制系统评价指标价指标本讲稿第一页，共四十四页自动控制系统常用自动控制系统常用图形符号图形符号测量点测量点 通用表示方法通用表示方法热电偶热电偶热电阻热电阻节流元件节流元件取压点取压点例如例如:流量检测采用孔板时流量检测采用孔板时,检测点图中脱检测点图中脱乙烷乙烷塔的进料管线塔的进料管线上的符号表示。上的符号表示。本讲稿第二页，共四十四页连接线连接线通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接通用的仪表信号线均以细实线表示。连接线表示交叉及相接时时有一定有一定形式形式要求要求。本讲稿第三页，共四十四页仪表的图形符号是一个细实线圆圈仪表的图形符号是一个细实线
2、圆圈,直径约直径约10mm,10mm,对于不同对于不同的仪表安装位置的图形符号如表所示。的仪表安装位置的图形符号如表所示。仪表仪表(包括检测、显示、控制包括检测、显示、控制)的图形符号的图形符号本讲稿第四页，共四十四页控制流程图符号意义控制流程图符号意义:检测仪表、显示仪表、控制器检测仪表、显示仪表、控制器序序号号安装位置安装位置图形符号图形符号备注备注序号序号安装位置安装位置图形符号图形符号备备注注1 1就地安装就地安装仪表仪表4 4集中仪表盘集中仪表盘后安装仪表后安装仪表嵌在管嵌在管道中道中2 2集中仪表集中仪表盘面安装盘面安装仪表仪表5 5就地仪表盘就地仪表盘后安装仪表后安装仪表3 3就
3、地仪表就地仪表盘面安装盘面安装仪表仪表本讲稿第五页，共四十四页控制流程图符号意义控制流程图符号意义变送器变送器气动薄膜执行机构气动薄膜执行机构电磁执行机构电磁执行机构电动执行机构电动执行机构直通阀直通阀本讲稿第六页，共四十四页控制流程图字母意义控制流程图字母意义字字母母第一位字母第一位字母后继字母后继字母字字母母第一位字母第一位字母后继字母后继字母被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能被测变量被测变量修饰词修饰词功能功能A A分析分析报警报警P P压力压力C C电导率电导率控制控制Q Q数量数量积分积分累积累积D D密度密度差差R R放射性放射性记录记录E E电压电压S S速度速度安全安全开关开
4、关F F流量流量比比T T温度温度传送传送I I电流电流指示指示V V粘度粘度阀阀K K时间时间W W力力L L物位物位低指示灯低指示灯Y YM M水分或湿度水分或湿度Z Z位置位置执行机构执行机构本讲稿第七页，共四十四页就地安装就地安装集中盘面安装集中盘面安装本讲稿第八页，共四十四页本讲稿第九页，共四十四页PIC(207)PIC(207)LIC(210)LIC(210)FR(212)FR(212)TRC(210)TRC(210)PI(206)PI(206)LICA(H L)(201)LICA(H L)(201)本讲稿第十页，共四十四页1.4 1.4 自动调节系统的分类自动调节系统的分类按被调
5、参数分类：按被调参数分类：流量调节流量调节 温度调节温度调节 压力调节压力调节物位调节物位调节本讲稿第十一页，共四十四页按被调参数的变化规律分类：按被调参数的变化规律分类：定值调节系统定值调节系统随动调节系统随动调节系统 程序控制系统程序控制系统按预定时间顺序控制参数。按预定时间顺序控制参数。本讲稿第十二页，共四十四页按调节规律分类：按调节规律分类：比例调节比例调节 比例微分调节比例微分调节 比例积分调节比例积分调节 比例微分积分调节比例微分积分调节按信号种类分类：按信号种类分类：气动调节系统气动调节系统电动调节系统电动调节系统本讲稿第十三页，共四十四页按输出信号对操作变量的影响划分按输出信号
6、对操作变量的影响划分 开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统本讲稿第十四页，共四十四页按系统复杂程度分类按系统复杂程度分类单回路控制系统单回路控制系统简单控制系统简单控制系统复杂控制系统复杂控制系统本讲稿第十五页，共四十四页按系统克服干扰的方法划分按系统克服干扰的方法划分反馈控制系统反馈控制系统前馈控制系统前馈控制系统反馈反馈前馈控制系统前馈控制系统本讲稿第十六页，共四十四页1.4 1.4 过度过程和系统品质指标过度过程和系统品质指标1.1.控制系统的静态控制系统的静态在自动化领域中在自动化领域中，被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的被控变量不随时间而变化的平衡状态称为系统的
7、静态静态（相对相对稳定稳定的平衡状态的平衡状态）。）。系统的各个组成系统的各个组成环节环节如变送器如变送器、控制器、控制阀都不改变其原先控制器、控制阀都不改变其原先的状态的状态,它们的输出信号也都它们的输出信号也都处于处于相对静止状态相对静止状态。本讲稿第十七页，共四十四页2.2.控制系统的控制系统的动动态态从干扰发生开始从干扰发生开始，经过控制经过控制调节，调节，直到系统重新建立平衡直到系统重新建立平衡，在在这一段时间中这一段时间中，在干扰和控制的共同作用下，在干扰和控制的共同作用下，被控变量随时间被控变量随时间变化变化，整个系统的各个环节和信号都处于变动状态之中整个系统的各个环节和信号都处
8、于变动状态之中，所所以这种状态叫做动态。以这种状态叫做动态。系统的动态系统的动态特点：特点：干扰是客观存在的干扰是客观存在的，是不可避免的是不可避免的；时时刻刻都有干扰作用于控制系统时时刻刻都有干扰作用于控制系统；一个自动控制系统在正常工作时一个自动控制系统在正常工作时，总是动态过程中。总是动态过程中。本讲稿第十九页，共四十四页如何以动态来评价控制系统呢？如何以动态来评价控制系统呢？在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值，在在扰动或给定值变化的情况下，被控量偏离给定值，在控制调节作用下，接近（回复到）给定值或跟随给定值控制调节作用下，接近（回复到）给定值或跟随给定值变化的过程。变化的过程
9、。注意：控制系统的过渡过程是干扰和自动控制的共同作用形注意：控制系统的过渡过程是干扰和自动控制的共同作用形成的。成的。过渡过程过渡过程本讲稿第二十页，共四十四页时间t输入量0t0 干扰形式干扰形式多种多样、随机多种多样、随机阶跃干扰阶跃干扰常见、危险、对被控变量影响最大。常见、危险、对被控变量影响最大。负荷的变化、阀门的突然变化。负荷的变化、阀门的突然变化。单位阶跃输入（干扰）特点：单位阶跃输入（干扰）特点：形式简单、容易实现，便于分析、实验和计算。形式简单、容易实现，便于分析、实验和计算。本讲稿第二十一页，共四十四页3.3.过渡过程的四种形式过渡过程的四种形式发散振荡过程发散振荡过程不稳定不
10、稳定本讲稿第二十二页，共四十四页等幅振荡过程等幅振荡过程不稳定不稳定本讲稿第二十三页，共四十四页非周期衰减。变化慢。非周期衰减。变化慢。长时间偏离给定值长时间偏离给定值稳定稳定本讲稿第二十四页，共四十四页衰减振荡过程衰减振荡过程稳定稳定本讲稿第二十五页，共四十四页如何根据衰减振荡过渡过程来评价控制系统？如何根据衰减振荡过渡过程来评价控制系统？1.1.系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线的形式给出。2.2.偏差积分性能指标，希望输出与系统实际输出之间误差偏差积分性能指标，希望输出与系统实际输出之间误差的某个函数的积分，这些值达到最小值的系统是某种意
11、义的某个函数的积分，这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统下的最优系统本讲稿第二十六页，共四十四页2.2.控制系统的品质指标（阶跃响应曲线形式表示）控制系统的品质指标（阶跃响应曲线形式表示）最大偏差最大偏差 A A；衰减比衰减比余差余差 C C；过渡时间过渡时间t t；振荡周期振荡周期 T T。控制系统的动态特性控制系统的动态特性控制系统的静态特性控制系统的静态特性本讲稿第二十七页，共四十四页化学反应器化学反应器一、最大偏差一、最大偏差衰减振荡：第一个波峰峰值与给定值的差。衰减振荡：第一个波峰峰值与给定值的差。A A衰减振荡：偏离越大，偏离时间越长，离开规定的工艺指衰减振荡：偏离越大，偏
12、离时间越长，离开规定的工艺指标越远，对稳定正常生产和质量保证不利。标越远，对稳定正常生产和质量保证不利。对于有约束条件的系统，最大偏差小好。对于有约束条件的系统，最大偏差小好。干扰会不断出现。偏差可能重叠干扰会不断出现。偏差可能重叠本讲稿第二十八页，共四十四页二、二、衰减比衰减比(衰减快慢程度衰减快慢程度)n)n前后相邻两个峰值的比。前后相邻两个峰值的比。n n稍大于稍大于1 1：衰减程度很小，等幅振荡，不易稳定、振荡过于频繁、衰减程度很小，等幅振荡，不易稳定、振荡过于频繁、不够安全；不够安全；n n很大：很大：非振荡过程，过程缓慢；不希望。非振荡过程，过程缓慢；不希望。4:14:110:11
13、0:1本讲稿第二十九页，共四十四页 静态指标：静态指标：余差余差e()e()余差就是过渡过程终了时的残余偏差余差就是过渡过程终了时的残余偏差C C余差越小越好。余差越小越好。一般贮糟的液位一般贮糟的液位：余差就可以大一些余差就可以大一些化学反应器的温度化学反应器的温度：应当尽量消除余差应当尽量消除余差有差调节有差调节有差系统有差系统本讲稿第三十一页，共四十四页过渡时间过渡时间(t ts s)从干扰作用发生的时刻起从干扰作用发生的时刻起，直到直到系统系统重新建立新的平衡时止重新建立新的平衡时止，过渡过程所经历的时间过渡过程所经历的时间 。在稳态值的上下规定一个小的范围稳态值的在稳态值的上下规定一
14、个小的范围稳态值的5%(2%)5%(2%)过渡时间短过渡时间短：表示过渡过程表示过渡过程进行得比较迅进行得比较迅速速；从干扰开始作从干扰开始作用用时起时起，直至被控变量进入稳态值的直至被控变量进入稳态值的5%(2%)5%(2%)的范围内不再越出时为止所经历的范围内不再越出时为止所经历时间时间。本讲稿第三十二页，共四十四页振荡振荡周期、上升时间周期、上升时间过渡过程同向两个波峰之间的时间间隔。过渡过程同向两个波峰之间的时间间隔。一般希望振荡周期小些为好。一般希望振荡周期小些为好。指指干扰开始作用起至第一个波峰时所需要的时间干扰开始作用起至第一个波峰时所需要的时间。本讲稿第三十三页，共四十四页例例
15、:某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减渡过程曲线如图所示。试分别求出最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间比、振荡周期和过渡时间(给定值为给定值为 200)200)。本讲稿第三十五页，共四十四页第一个波峰值第一个波峰值 230-205=25 ,230-205=25 ,第二个波峰值第二个波峰值 210-205=5 ,210-205=5 ,故衰减比应为故衰减比应为：25:5=5:1 25:5=5:1本讲稿第三十六页，共四十四页A=230A=230200=30200=30C=205-200=
16、5C=205-200=5最大偏差最大偏差:余差余差：T=20-5=15(min)T=20-5=15(min)振荡周期为同向两波峰之间时间间隔振荡周期为同向两波峰之间时间间隔，故周期故周期本讲稿第三十七页，共四十四页在新稳态值在新稳态值205205两侧以宽度为两侧以宽度为44画一区域画一区域，只要被控变量进入这只要被控变量进入这一区域且不再越出一区域且不再越出，从图上可以看出从图上可以看出，过渡时间为过渡时间为 22min 22min。2%2%限制范围为限制范围为205205（2%2%）=4=4 本讲稿第三十八页，共四十四页偏差积分性能指标偏差积分性能指标最优性能指标：系统动态性能的综合性能指标
17、最优性能指标：系统动态性能的综合性能指标误差函数：误差函数：e e(t t)=)=r r(t t)-)-y y(t t)r r(t t)系统希望输出系统希望输出y y(t t)系统实际输出系统实际输出系统有余差时系统有余差时 e e(t t)=)=y y()-()-y y(t t)本讲稿第三十九页，共四十四页平方误差积分指标（平方误差积分指标（ISE ISE）时间乘平方误差积分指标时间乘平方误差积分指标（ITSEITSE）绝对误差积分指标（绝对误差积分指标（IAE IAE）时间乘绝对误差积分指标时间乘绝对误差积分指标（ITAEITAE）本讲稿第四十页，共四十四页IAEIAE或或 ISE ISE
18、为指标时，要求为指标时，要求J J最小，假若偏差较大，则最小，假若偏差较大，则ISEISE就会就会更大。因此假若要求用更大。因此假若要求用ISEISE作为系统的评价指标，要求其最小作为系统的评价指标，要求其最小化，根据化，根据ISEISE来系统设计和调控制参数，则系统控制的结果必来系统设计和调控制参数，则系统控制的结果必定是：偏差较小。整个过程不会出现大的偏差。否则定是：偏差较小。整个过程不会出现大的偏差。否则J J会很大。会很大。IAEIAE：设定值附近的偏差面积与远离设定值的偏差面积权：设定值附近的偏差面积与远离设定值的偏差面积权值相同。值相同。ISE ISE：偏差越大，权值越大。：偏差越
19、大，权值越大。本讲稿第四十一页，共四十四页时间乘绝对误差积分指标（时间乘绝对误差积分指标（ITAEITAE）对初始偏差不敏感，对后期偏差非常敏感。对初始偏差不敏感，对后期偏差非常敏感。过渡过程初始偏差较大，但随着时间推移，偏差很快降低。过渡过程初始偏差较大，但随着时间推移，偏差很快降低。阶跃响应曲线会出现较大的最大偏差或超调量，但过渡时间阶跃响应曲线会出现较大的最大偏差或超调量，但过渡时间很短。很短。本讲稿第四十二页，共四十四页影晌控制系统过渡过程影晌控制系统过渡过程品质品质的主要因素的主要因素前者并不是泛指整个工艺流程前者并不是泛指整个工艺流程，而是指与该自动控制系统有而是指与该自动控制系统
20、有关的部分。关的部分。一个自动控制系统可以概括成两大部分一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分即工艺过程部分(被被控对象控对象)和自动化装置部分。和自动化装置部分。本讲稿第四十三页，共四十四页影晌控制系统过渡过程影晌控制系统过渡过程品质品质的主要因素的主要因素对象性质的主要因素有对象性质的主要因素有：换热器的负荷大小换热器的负荷大小，换热器的换热器的 形式、形式、结构、尺寸、材质等结构、尺寸、材质等。换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。换热器内的换热情况、散热情况及结垢程度等。在控制系统运行过程在控制系统运行过程中，中，自动化装置的性能一旦发生变化自动化装置的性能一旦发生变化 ,如如阀门失灵、测阀门失灵、测 量失真量失真，也要影响控制质量。也要影响控制质量。自动化装置应按对象自动化装置应按对象 性质加以选择和调整性质加以选择和调整，两者要很好地配两者要很好地配合。合。自动化自动化装置的选择和装置的选择和调整调整不当不当，会会直接直接影响控制质量。影响控制质量。本讲稿第四十四页，共四十四页