《过程控制第1章-绪论..优秀PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程控制第1章-绪论..优秀PPT.ppt（73页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、1第第1章章 限制系统的基本概念限制系统的基本概念1-1 生产过程自动化概述生产过程自动化概述 生产过程自动化，是指石油、化工、电力、冶金、生产过程自动化，是指石油、化工、电力、冶金、轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过轻工等工业部门以连续性物流为主要特征的生产过程的自动限制，主要解决各种生产过程中的温度、程的自动限制，主要解决各种生产过程中的温度、压力、流量、液位（或物位）、以及成分（或物性）压力、流量、液位（或物位）、以及成分（或物性）等参数的自动监测和限制问题。等参数的自动监测和限制问题。用自动扮装置来管理连续或间歇生产过程的综合用自动扮装置来管理连续或间歇生产过程的综合性技术就
2、称为生产过程自动化，简称为过程限制性技术就称为生产过程自动化，简称为过程限制（Process Control）。）。2一、生产过程及其特点一、生产过程及其特点连续生产过程主要有以下几种形式：连续生产过程主要有以下几种形式：1 传热过程传热过程通过冷热物流之间的热量传递，达到限制介质温通过冷热物流之间的热量传递，达到限制介质温度、变更介质相态或回收热量的目的。典型设备：换度、变更介质相态或回收热量的目的。典型设备：换热器热器2 燃烧过程燃烧过程通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程供应动力通过燃料与空气混合后燃烧为生产过程供应动力和热源。典型设备：加热炉和热源。典型设备：加热炉33 化学过程化学过程
3、由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的由两种或几种物料化合成一种或多种更有价值的产品的反应过程。典型设备：反应器产品的反应过程。典型设备：反应器4 精馏过程精馏过程精馏是一种分别过程。典型设备：精馏塔精馏是一种分别过程。典型设备：精馏塔5 传质过程传质过程不同组分的分别和结合，如液体和气体之间的解不同组分的分别和结合，如液体和气体之间的解吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体吸、汽提、去湿或润湿，不同非溶液体的萃取、液体与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其与固体之间的结晶、蒸气或干燥等都是传质过程。其目的是获得纯的出口物料。目的是获得纯的出口物料。一、生产过程及其特点一、
4、生产过程及其特点4一、生产过程及其特点一、生产过程及其特点生产过程特点：连续生产过程具有困难性、关联性、生产过程特点：连续生产过程具有困难性、关联性、时变性、非线性、不确定性，在某些高温高压或有害时变性、非线性、不确定性，在某些高温高压或有害介质存在的场合，还具有相当的危急性。介质存在的场合，还具有相当的危急性。生产过程的这些特点极大地促进了过程限制技术的发生产过程的这些特点极大地促进了过程限制技术的发展，使得过程限制在自动限制领域乃至国民经济中都展，使得过程限制在自动限制领域乃至国民经济中都占有极其重要的地位。占有极其重要的地位。5二、生产过程对限制的要求二、生产过程对限制的要求 生产过程对
5、限制最主要的要求可以归结为三个方面，生产过程对限制最主要的要求可以归结为三个方面，即：平安性、稳定性和经济性。即：平安性、稳定性和经济性。(1)平安性平安性 是指在整个生产运行过程中，能够刚好是指在整个生产运行过程中，能够刚好预料、监控和防止任何事故的发生，以确保生产设预料、监控和防止任何事故的发生，以确保生产设备和操作人员的平安，这是最重要也是最基本的要备和操作人员的平安，这是最重要也是最基本的要求。求。(2)稳定性稳定性 是指当工业生产环境发生变更或受到随是指当工业生产环境发生变更或受到随机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平机因素的干扰和影响时，生产过程仍能不间断地平稳运行，并保持
6、稳定的产品质量。稳运行，并保持稳定的产品质量。6(3)经济性经济性 是指在保证生产平安和产品质量的前是指在保证生产平安和产品质量的前提下，以最小的投资、最少的能耗和最低的成本，使提下，以最小的投资、最少的能耗和最低的成本，使生产装置在高效率运行中获得最大的经济收益。生产装置在高效率运行中获得最大的经济收益。过程限制的任务过程限制的任务:就是在了解、驾驭工艺流程和生产就是在了解、驾驭工艺流程和生产过程的各种特性的基础上，依据工艺生产提出的要过程的各种特性的基础上，依据工艺生产提出的要求，应用限制理论对限制系统进行分析、设计和综求，应用限制理论对限制系统进行分析、设计和综合，并接受相应的自动扮装置
7、和适宜的限制手段加合，并接受相应的自动扮装置和适宜的限制手段加以实现，最终达到优质、高产、低耗的限制目标。以实现，最终达到优质、高产、低耗的限制目标。二、生产过程对限制的要求二、生产过程对限制的要求7p回顾生产过程自动化的发展历史，大致经验了三个回顾生产过程自动化的发展历史，大致经验了三个发展阶段。发展阶段。1初级阶段初级阶段1950年以前，简洁的检测年以前，简洁的检测仪表和笨重的基地式仪表仪表和笨重的基地式仪表 三、生产过程自动化的发展历程三、生产过程自动化的发展历程82仪表化阶段仪表化阶段50年头至年头至70年头，单元组年头，单元组合仪表和巡回检测仪表。合仪表和巡回检测仪表。三、生产过程自
8、动化的发展历程三、生产过程自动化的发展历程集中监视集中监视和操作和操作9 3综合自动化阶段综合自动化阶段:70年头以来，多功能组装年头以来，多功能组装仪表、数字仪表、仪表、数字仪表、DDZ-S智能仪表。智能仪表。70年头中年头中期出现期出现DCS。90年头以来，管控一体化成为可年头以来，管控一体化成为可能。能。三、生产过程自动化的发展历程三、生产过程自动化的发展历程10作为电气技术人员，学习和驾驭生产过程自动化方面作为电气技术人员，学习和驾驭生产过程自动化方面的学问，对于探讨和开发新的生产工艺，解决生产操的学问，对于探讨和开发新的生产工艺，解决生产操作中的关键技术问题，合理确定限制方案，保证生
9、产作中的关键技术问题，合理确定限制方案，保证生产优质、高产、低耗的顺当运行，促进生产企业的现代优质、高产、低耗的顺当运行，促进生产企业的现代化管理等都具有特别重要的作用。化管理等都具有特别重要的作用。p生产过程自动化是自动限制理论、计算机科学、生产过程自动化是自动限制理论、计算机科学、仪器仪表技术和生产工艺学问相结合而构成的一门仪器仪表技术和生产工艺学问相结合而构成的一门综合性的技术科学。在现代过程工业中，自动扮装综合性的技术科学。在现代过程工业中，自动扮装置与生产工艺及设备已结合成为有机的整体。置与生产工艺及设备已结合成为有机的整体。三、生产过程自动化的发展历程三、生产过程自动化的发展历程1
10、11-2 过程限制系统的组成及分类过程限制系统的组成及分类一、过程限制系统的组成一、过程限制系统的组成以液体贮槽的液位限制为例说明过程限制系统的以液体贮槽的液位限制为例说明过程限制系统的基本构成。贮槽液位原理图，如图所示。基本构成。贮槽液位原理图，如图所示。给水给水12人工限制方式：人工限制方式：眼眼 视察玻璃管液位计（测量元件）指示高度；视察玻璃管液位计（测量元件）指示高度；大脑大脑 将液位高度与期望高度进行比较，经过思索估将液位高度与期望高度进行比较，经过思索估算出须要变更的流出量，然后发出动作吩咐；算出须要变更的流出量，然后发出动作吩咐；手手 依据吩咐变更出口阀门开度，相应地增依据吩咐变
11、更出口阀门开度，相应地增 减流出量，使液位保持在合理的范围内。减流出量，使液位保持在合理的范围内。一、过程限制系统的组成一、过程限制系统的组成13 自动限制方式：一、过程限制系统的组成一、过程限制系统的组成14 自动限制系统作用：自动限制系统作用：液位变送器液位变送器 检测并变换成统一标准信号送到检测并变换成统一标准信号送到 限制器；限制器；自动限制器自动限制器 接收变送器信号与液位期望值进行接收变送器信号与液位期望值进行 比较，依据偏差按某种规律运算，运比较，依据偏差按某种规律运算，运 算结果送给执行器（调整阀）；算结果送给执行器（调整阀）；执行器执行器 将限制器指令信号转换成相应的位将限制
12、器指令信号转换成相应的位 移信号，驱动阀门动作，变更液体移信号，驱动阀门动作，变更液体 流出量，实现液位的自动限制。流出量，实现液位的自动限制。一、过程限制系统的组成一、过程限制系统的组成15p 由液体贮槽的液位限制可知，过程限制系统是由被控由液体贮槽的液位限制可知，过程限制系统是由被控对象，检测元件（测量与变送装置）、限制器、执行器对象，检测元件（测量与变送装置）、限制器、执行器组成。组成。p 假如把测量与变送装置、限制器、以及执行器统假如把测量与变送装置、限制器、以及执行器统称为自动扮装置，则过程限制系统是由被控对象和自动称为自动扮装置，则过程限制系统是由被控对象和自动扮装置两部分组成的。
13、扮装置两部分组成的。p 过程限制系统的任务：就是当被控对象受到干扰过程限制系统的任务：就是当被控对象受到干扰使被控变量（温度、压力、流量、液位、成分等）产生使被控变量（温度、压力、流量、液位、成分等）产生偏差时，能够刚好检测，并通过合理地调整操纵变量使偏差时，能够刚好检测，并通过合理地调整操纵变量使被控变量回到给定值。被控变量回到给定值。p一、过程限制系统的组成一、过程限制系统的组成锅炉汽包水位自动限制系统方框图锅炉汽包水位自动限制系统方框图o自控过程参数整定自控过程参数整定控制器控制器执行器执行器锅炉汽包锅炉汽包测量变送器测量变送器操纵变量操纵变量控制控制作用作用被控变量被控变量扰动量扰动量
14、测量值测量值设定值设定值偏差偏差控制量控制量 17自控常用术语：自控常用术语：(1)被控对象：被控对象：须要实现限制的设备、机器或生产过须要实现限制的设备、机器或生产过 程称为被控对象，简称对象。程称为被控对象，简称对象。如本例中的液体贮槽。如本例中的液体贮槽。(2)被控变量：被控变量：对象中须要进行限制（保持数值在某对象中须要进行限制（保持数值在某 一范围内或按预定规律变更）的物理量称为被控变量。一范围内或按预定规律变更）的物理量称为被控变量。如本例中的贮槽液位。如本例中的贮槽液位。(3)操纵变量：操纵变量：受到限制装置的操纵，用以使被控变受到限制装置的操纵，用以使被控变 量保持在设定数值的
15、物料或能量变量称为操纵变量。量保持在设定数值的物料或能量变量称为操纵变量。如本例中的液体流出量。如本例中的液体流出量。一、过程限制系统的组成一、过程限制系统的组成18(4)干扰（扰动）：干扰（扰动）：除操纵变量外，作用于对象并使除操纵变量外，作用于对象并使 被控变量发生变更的因素称为干扰（扰动）。被控变量发生变更的因素称为干扰（扰动）。如本例中的液体流入量。如本例中的液体流入量。(5)设定值：依据生产工艺的要求为被控变量规定的设定值：依据生产工艺的要求为被控变量规定的所要达到或保持的数值称为给定值（设定值）。所要达到或保持的数值称为给定值（设定值）。如例中，为了防止槽内液体溢出或抽空，规定贮如
16、例中，为了防止槽内液体溢出或抽空，规定贮槽液位保持在贮槽槽液位保持在贮槽50的高度比较合理。的高度比较合理。(6)偏差：在过程限制系统中通常把测量值减给定值偏差：在过程限制系统中通常把测量值减给定值称为偏差。称为偏差。一、过程限制系统的组成一、过程限制系统的组成19一、过程限制系统的组成一、过程限制系统的组成o指出图中指出图中被控对象，被控变量，操纵变量，被控对象，被控变量，操纵变量，干扰，设定值，偏差干扰，设定值，偏差分别是什么？分别是什么？20一、过程限制系统的组成一、过程限制系统的组成o反应器反应温度限制系统示意图，由哪几部分构成？请反应器反应温度限制系统示意图，由哪几部分构成？请指出被
17、控对象，被控变量，操纵变量，干扰各是什么？指出被控对象，被控变量，操纵变量，干扰各是什么？21过程限制系统的分类方法有很多，每一种分类只反映出过程限制系统某过程限制系统的分类方法有很多，每一种分类只反映出过程限制系统某一方面的特点。一方面的特点。按被控变量的名称分类按被控变量的名称分类温度，压力，流量，液位，成分等限制系统温度，压力，流量，液位，成分等限制系统按被控变量的数量分类按被控变量的数量分类单变量限制系统，多变量限制系统单变量限制系统，多变量限制系统按限制器的限制规律分类按限制器的限制规律分类比例比例P限制系统，比例积分限制系统，比例积分PI限制系统，比例微积分限制系统，比例微积分PI
18、D限制系统限制系统按限制系统的结构分类按限制系统的结构分类反馈限制系统，前馈限制系统，前馈反馈限制系统，前馈限制系统，前馈-反馈限制系统，反馈限制系统，二、过程限制系统的分类二、过程限制系统的分类22依据被控变量的给定值分类，可分成以下三类：依据被控变量的给定值分类，可分成以下三类：1定值限制系统定值限制系统 定值限制系统是一种被控变量的给定值始终固定值限制系统是一种被控变量的给定值始终固定不变的限制系统。如：液位限制系统。定不变的限制系统。如：液位限制系统。二、过程限制系统的分类二、过程限制系统的分类232随动限制系统随动限制系统 随动限制系统是一种被控变量的给定值随时间随动限制系统是一种被
19、控变量的给定值随时间不断变更的限制系统。不断变更的限制系统。例如：锅炉的燃烧限制系统例如：锅炉的燃烧限制系统 为使燃料充分燃烧，空燃比保持确定比例，接受为使燃料充分燃烧，空燃比保持确定比例，接受比值限制系统，要求空气和燃料保持确定比例。比值限制系统，要求空气和燃料保持确定比例。由于燃料量随负荷变更，空气量随燃料量变更，由于燃料量随负荷变更，空气量随燃料量变更，即空气量的给定值也是随机变更的，所以是一个即空气量的给定值也是随机变更的，所以是一个随动限制系统。随动限制系统。二、过程限制系统的分类二、过程限制系统的分类243程序限制系统（又称依次限制系统）程序限制系统（又称依次限制系统）程序限制系统
20、是被控变量的给定值按预程序限制系统是被控变量的给定值按预定的时间程序来变更的限制系统。定的时间程序来变更的限制系统。例如：冶金工业中的金属热处理的温度限制例如：冶金工业中的金属热处理的温度限制金属加热给定值都是依据预定的升温、恒温、降金属加热给定值都是依据预定的升温、恒温、降温等程序变更的，属于程序限制系统。温等程序变更的，属于程序限制系统。二、过程限制系统的分类二、过程限制系统的分类25一、方块图一、方块图方块图是从信号流（信息）的角度动身，依据信方块图是从信号流（信息）的角度动身，依据信号的流向将组成限制系统的各个环节相互连接起来的号的流向将组成限制系统的各个环节相互连接起来的一种图解表达
21、方式。一种图解表达方式。由于在方块图中不仅明确表明白每个环节在系统由于在方块图中不仅明确表明白每个环节在系统中的作用，而且能够清晰地看出自动限制系统中各组中的作用，而且能够清晰地看出自动限制系统中各组成环节之间的相互关系以及信号在系统中的流淌状况。成环节之间的相互关系以及信号在系统中的流淌状况。对过程限制系统进行分析探讨时，常常用方块图来表对过程限制系统进行分析探讨时，常常用方块图来表示一个过程限制系统的组成。示一个过程限制系统的组成。1-3 方块图与流程图方块图与流程图26p图中的方块表示限制系统的一个组成部分，称图中的方块表示限制系统的一个组成部分，称为为“环节环节”。箭头指向方块的信号。
22、箭头指向方块的信号x 表示该环节的输表示该环节的输入，称为输入变量。箭头离开方块的信号入，称为输入变量。箭头离开方块的信号y 表示该环表示该环节的输出，称为输出变量。箭头所指的方向就是信号节的输出，称为输出变量。箭头所指的方向就是信号的流向，它表明信号的作用方向。的流向，它表明信号的作用方向。p很多物理性质不同，但特性相同的系统，可以很多物理性质不同，但特性相同的系统，可以用同一种形式的方块图来表达。用同一种形式的方块图来表达。环节环节图图1-2 方块图单元方块图单元xyp 图图1-2 表示的是一个简洁的方块图单元。表示的是一个简洁的方块图单元。1-3 方块图与流程图方块图与流程图27相加点：
23、相加点：如图如图1-3 所示，表示两个以上具有相同单位的变所示，表示两个以上具有相同单位的变量量(信号）之间的加和运算。信号）之间的加和运算。1-3 方块图与流程图方块图与流程图（a）表示表示 e=r-z;（b）表示表示 x=x1+x2。28分支点：分支点：如图如图1-4所示，当一个变量（或信号）要同所示，当一个变量（或信号）要同时作用于几个不同的环节时，可运用分支点。时作用于几个不同的环节时，可运用分支点。由分支点引出的各路信号都相等。由分支点引出的各路信号都相等。1-3 方块图与流程图方块图与流程图29p有了方块图，就可以依据变量间的相互作用，依有了方块图，就可以依据变量间的相互作用，依据
24、信号的流向便利地将系统中各个环节连接起来，据信号的流向便利地将系统中各个环节连接起来，构成一个完整的过程限制系统。构成一个完整的过程限制系统。p图图1-1 液位限制系统，画限制系统的方块图。液位限制系统，画限制系统的方块图。1-3 方块图与流程图方块图与流程图30例：例：方框图方框图31为了便于分析，有时将限制器以外的各个环节为了便于分析，有时将限制器以外的各个环节（包括执行器、被控对象、测量变送）组合在一起作（包括执行器、被控对象、测量变送）组合在一起作为一个对象看待，称之为广义对象。为一个对象看待，称之为广义对象。1-3 方块图与流程图方块图与流程图32例：炉温限制系统画方块图1-3 方块
25、图与流程图方块图与流程图33炉温限制系统方块图炉温限制系统方块图炉温限制系统方块图炉温限制系统方块图执行器执行器34o炉温限制系统方块图特点1-3 方块图与流程图方块图与流程图35o画出如下反应器反应温度限制系统的方块图。画出如下反应器反应温度限制系统的方块图。1-3 方块图与流程图方块图与流程图36闭环限制系统：环节的任何一个信号，只要沿箭头方向闭环限制系统：环节的任何一个信号，只要沿箭头方向流淌，最终总会回到它的起始点，把这样的系统称为闭流淌，最终总会回到它的起始点，把这样的系统称为闭环限制系统。环限制系统。不具备这种特性的系统则称为开环限制系统。不具备这种特性的系统则称为开环限制系统。1
26、-3 方块图与流程图方块图与流程图37反馈：反馈：闭环限制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的闭环限制系统中，输出变量（或信号）沿着回路中的信号流淌方向总会返回到系统的输入端，与给定值进信号流淌方向总会返回到系统的输入端，与给定值进行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系行比较。这种把系统（或方块）的输出信号引回到系统输入端的做法叫做反馈。统输入端的做法叫做反馈。若反馈信号（被控变量测量值若反馈信号（被控变量测量值z）与给定值信号的方）与给定值信号的方向相反，即反馈信号向相反，即反馈信号z 取负值，则叫做负反馈。取负值，则叫做负反馈。测量信号与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。测量信号
27、与给定值信号方向相同，则叫做正反馈。闭环限制系统是靠负反馈来达到限制的目的。闭环限制系统是靠负反馈来达到限制的目的。例：储槽液位限制系统；炉温限制系统例：储槽液位限制系统；炉温限制系统1-3 方块图与流程图方块图与流程图381-3 方块图与流程图方块图与流程图负反馈：储槽液位限制系统负反馈：储槽液位限制系统39炉温控制系统方块图炉温控制系统方块图温度设定值温度设定值100度度热电偶检测值热电偶检测值95度度阀开度增大阀开度增大40o闭环限制系统实质上是利用负反馈原理，依闭环限制系统实质上是利用负反馈原理，依据偏差进行工作的。据偏差进行工作的。o正因为如此，闭环限制系统又被称为反馈限正因为如此，
28、闭环限制系统又被称为反馈限制系统。制系统。1-3 方块图与流程图方块图与流程图41二、工艺限制流程图二、工艺限制流程图在进行过程限制系统的工程设计时，自控专业人在进行过程限制系统的工程设计时，自控专业人员必需与工艺专业人员协作，按工艺流程的依次和要员必需与工艺专业人员协作，按工艺流程的依次和要求，将所确定的限制方案标注到工艺流程图中。求，将所确定的限制方案标注到工艺流程图中。将限制点和限制系统与工艺流程图相结合的图形将限制点和限制系统与工艺流程图相结合的图形文档就称为工艺限制流程图，或称为带有限制点的工文档就称为工艺限制流程图，或称为带有限制点的工艺流程图。艺流程图。1-3 方块图与流程图方块
29、图与流程图42图图1-7 液体贮槽的工艺限制流程图液体贮槽的工艺限制流程图图中所示，工艺限制流程图主要是由工艺设备、图中所示，工艺限制流程图主要是由工艺设备、管道、元件以及构成限制系统的仪表符号及信号线等管道、元件以及构成限制系统的仪表符号及信号线等图形符号组成。图形符号组成。1-3 方块图与流程图方块图与流程图43 仪表图形符号仪表图形符号：仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所仪表图形符号可用来表达工业自动化仪表所处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件处理的被测变量和功能，还可以表示仪表或元件的名称。的名称。仪表图形符号是直径为仪表图形符号是直径为12mm的细实圆圈，的细实圆圈，并在其
30、中标有并在其中标有仪表位号仪表位号。1-3 方块图与流程图方块图与流程图仪表位号仪表位号由字母代号和数字编号组成由字母代号和数字编号组成，如下例所示：44p仪表位号按被测变量不同进行分类。同一个装置（或仪表位号按被测变量不同进行分类。同一个装置（或工段）的同类被测变量的仪表位号中依次号是连续的。工段）的同类被测变量的仪表位号中依次号是连续的。p在工艺限制流程图上，标注仪表位号的方法是：字母在工艺限制流程图上，标注仪表位号的方法是：字母代号填写在圆圈上半圆中，数字编号填写在下半圆中。代号填写在圆圈上半圆中，数字编号填写在下半圆中。如图如图1-8 所示所示：1-3 方块图与流程图方块图与流程图45
31、表表1-1 列出了在仪表位号中用到的被测变量和仪列出了在仪表位号中用到的被测变量和仪表功能的字母代号。表功能的字母代号。表表1-2 则给出了常见的字母组合。则给出了常见的字母组合。1-3 方块图与流程图方块图与流程图461-3 方块图与流程图方块图与流程图471-3 方块图与流程图方块图与流程图4849 图图1-7中接受了一台液位变送器（中接受了一台液位变送器（LT)，一台液，一台液位限制器（位限制器（LC）和一个用于限制液位的执行器）和一个用于限制液位的执行器（LV）。）。教材中所画的工艺限制流程图中，由于回路数较少，教材中所画的工艺限制流程图中，由于回路数较少，故将数字编号省略了。故将数字
32、编号省略了。1-3 方块图与流程图方块图与流程图50一、过渡过程一、过渡过程过程限制系统在运行中有两种状态。过程限制系统在运行中有两种状态。静态：系统的被控变量不随时间而变更的平衡状态，静态：系统的被控变量不随时间而变更的平衡状态，称为静态（或稳态）；称为静态（或稳态）；动态：系统的被控变量随时间而变更的不平衡状态，动态：系统的被控变量随时间而变更的不平衡状态，称为动态。称为动态。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标过渡过程：过渡过程：生产过程从一个平衡状态（稳态）到达另一个平生产过程从一个平衡状态（稳态）到达另一个平衡状态（稳态）的动态历程称为过渡过程，衡状态（稳态）的动态历程称为过
33、渡过程，它反它反映了被控变量随时间的变换规律。映了被控变量随时间的变换规律。51p为了便于了解限制系统的动态特性，通常是在系统为了便于了解限制系统的动态特性，通常是在系统的输入端施加一些特殊的试验输入信号，然后探讨系的输入端施加一些特殊的试验输入信号，然后探讨系统对该输入信号的响应。最常接受的试验信号是阶跃统对该输入信号的响应。最常接受的试验信号是阶跃输入信号，其作用方式如图输入信号，其作用方式如图1-9 1-9 所示。所示。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标52过渡过程几种典型形式：过渡过程几种典型形式：非衰减振荡过程：非衰减振荡过程：图图1-10(a)1-10(a)所示，其特点是
34、被控变量在给定值的某一侧所示，其特点是被控变量在给定值的某一侧作缓慢变更，没有来回波动，最终稳定在某一数值上。作缓慢变更，没有来回波动，最终稳定在某一数值上。衰减振荡过程：衰减振荡过程：图图1-101-10（b b）所示，其特点是被控变量在给定值旁边上）所示，其特点是被控变量在给定值旁边上下波动，但幅度渐渐减小，经过几个振荡周期后，渐渐收下波动，但幅度渐渐减小，经过几个振荡周期后，渐渐收敛在某一数值上。敛在某一数值上。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标53等幅振荡过程：等幅振荡过程：图图1-101-10（c c）所示，其特点是被控变量在给定值旁边来回波）所示，其特点是被控变量在给定值
35、旁边来回波动，且波动幅度保持不变。动，且波动幅度保持不变。发散振荡过程：发散振荡过程：图图1-10(d1-10(d）所示，其特点是当干扰进人系统后，使被控变量）所示，其特点是当干扰进人系统后，使被控变量起先产生振荡，限制作用不仅无法将被控变量稳定到给定值上，起先产生振荡，限制作用不仅无法将被控变量稳定到给定值上，反而使振荡的幅度越来越大。反而使振荡的幅度越来越大。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标(e)单调发散过程单调发散过程o被控变量虽然不振荡，但是偏离原来的平衡被控变量虽然不振荡，但是偏离原来的平衡点越来越远点越来越远yty过渡过程的五种形式归纳三类过渡过程的五种形式归纳三类o衰
36、减过程衰减过程o a和和b图都是衰减的成为稳定过程。过一图都是衰减的成为稳定过程。过一段时间之后趋于新的平衡状态，这是所希望段时间之后趋于新的平衡状态，这是所希望的。的。o等幅振荡过程等幅振荡过程o c图介于稳定和不稳定之间，一般认为是图介于稳定和不稳定之间，一般认为是不稳定的过程，生产中不能运用的。限制要不稳定的过程，生产中不能运用的。限制要求不高的场合可以接受求不高的场合可以接受o发散过程发散过程o d和和e图式发散的，为不稳定的过渡过程，图式发散的，为不稳定的过渡过程，不能达到平衡状态，而且渐渐远离设定值，不能达到平衡状态，而且渐渐远离设定值，这是生产中所不允许的，应竭力避开。这是生产中
37、所不允许的，应竭力避开。56二、性能指二、性能指标标 以衰减振以衰减振荡过荡过程的形式探程的形式探讨讨：假假设设性能指性能指标标的的动动身点是以限制系身点是以限制系统统原先所原先所处处的的平衡状平衡状态时态时刻的被控刻的被控变变量量y(0)y(0)作作为为基准基准值值，且被控，且被控变变量等于量等于给给定定值值。从从t=O t=O 的的时时刻起先，系刻起先，系统统受到受到阶跃输阶跃输入作用，于入作用，于是被控是被控变变量起先量起先变变更。更。经过经过一段一段时间时间的衰减振的衰减振荡荡后，后，最最终终达到新的平衡状达到新的平衡状态态，使被控，使被控变变量量稳稳定在定在y()y()。在干在干扰扰
38、或或给给定定值值作作阶跃变阶跃变更更时时，被控，被控变变量的响量的响应应曲曲线线分分别别如如图图1-11(a)1-11(a)和和图图1-11(b1-11(b）所示。）所示。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标5758限制系统的主要性能指标：限制系统的主要性能指标：1 1、最大动态偏差、最大动态偏差emaxemax（或超调量（或超调量）衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。最大偏差（或超调量）是描述被控变量偏离给最大偏差（或超调量）是描述被控变量偏离给定值程度的物理量。定值程度的物理量。干扰作用下的定值限制系统，最大偏差是指在干扰作用下的定值限制系统，最大偏
39、差是指在过渡过程中，被控变量的第一个波峰值与给定值的过渡过程中，被控变量的第一个波峰值与给定值的差。干扰作用下系统过渡过程如图差。干扰作用下系统过渡过程如图1-11(a)所示。所示。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标59emax=B+C 最大偏差最大偏差:1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标60p给定值变更的随动系统，通常接受超调量这给定值变更的随动系统，通常接受超调量这一性能指标来表示被控变量偏离给定值的程一性能指标来表示被控变量偏离给定值的程度。度。p超调量的定义为第一峰值超调量的定义为第一峰值A和新稳定值和新稳定值C之之差差（-）tp-波峰时间波峰时间给定值变更的过渡过
40、程曲线如下图所示：给定值变更的过渡过程曲线如下图所示：1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标61在图1-11(b)中，超调量 1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标62 2 2余差余差e()e()余差又称残余偏差，是指在过渡过程终了时，系余差又称残余偏差，是指在过渡过程终了时，系统的给定值与被控变量新稳态值之间的差值。统的给定值与被控变量新稳态值之间的差值。余差是衡量限制系统稳态精确性的静态指标。余差是衡量限制系统稳态精确性的静态指标。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标63在图在图1-11(a)中，余差中，余差e()=C；在图在图1-11(b)中，余差中，余差e()=r-
41、y(）。）。643衰减比衰减比n 衰减比是衡量限制系统稳定性的一个动态指衰减比是衡量限制系统稳定性的一个动态指标，它反映了一个振荡过程的衰减程度，它等于标，它反映了一个振荡过程的衰减程度，它等于两个相邻的同向波峰值之比。两个相邻的同向波峰值之比。（留意：以（留意：以y（）为横坐标）为横坐标）习惯上表示为习惯上表示为n:1。一般希望衰减比在一般希望衰减比在 4:1 到到 10:1 的范围内。的范围内。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标654过渡时间tS 振荡周期T过渡时间又叫限制时间或回复时间，它是限制系统在受到外界作用后，被控变量从原来的稳态值达到新的稳态值所需的时间。它是衡量限制系
42、统快速性的指标。理论上讲，被控变量达到新的平衡状态须要无限长的时间。所以一般认为当被控变量已进人其新稳态值的5%（或2%）的范围内，并不再越出时，就认为限制系统已经重新回复到稳定状态。在图1-11中，过渡时间以tS表示。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标66衰减比衰减比n=B/B1-4 过渡过程和性能指过渡过程和性能指振荡周期T：过渡过程同两波峰之间的时间间隔称为振荡周期和工作周期，倒数是振荡频率，在衰减比相同的状况下，振荡频率越高，过渡时间越短。它也是衡量限制快速性的指标。68过渡时间以过渡时间以tS表示表示695.综合限制性能指标综合限制性能指标IAE ISEIATEISTE面积
43、积分，按其整定参数偏差的平均值较小。随时间推移，限制越来越趋于严格。过渡过程可能出现大的偏差，但是复原时间较短。对偏差值敏感，按其整定参数过渡过程不会呈现大偏差。随时间推移，限制越来越趋于严格。复原时间较短。1-4 过渡过程和性能指标过渡过程和性能指标偏差积分限制指标的特点：偏差积分限制指标的特点：o人们总是用误差积分指标衡量限制系统性能人们总是用误差积分指标衡量限制系统性能放入优良程度，它是综合指标放入优良程度，它是综合指标oIAE（确定误差积分）（确定误差积分）ISE（平方误差积分）（平方误差积分）ITAE（时间与确定误差乘积积分）（时间与确定误差乘积积分）o从这里面可以看出估计整个过渡过程优良程从这里面可以看出估计整个过渡过程优良程度德尔侧重点不同度德尔侧重点不同o缺点：不能保证限制系统具有合格的衰减率缺点：不能保证限制系统具有合格的衰减率o解决方法：先规定衰减率，再考虑运用某种解决方法：先规定衰减率，再考虑运用某种误差积分为最小误差积分为最小71课程小结课程小结驾驭过程限制系统的基本组成驾驭由系统工作原理图绘制方块图了解过程限制系统的过渡过程及品质指标72作业题作业题1、什么是生产过程自动化，它有什么重要意义？2、过程限制系统由哪几部分构成？3、简述在过程限制系统中，测量变送器、限制器、执行器的作用？石家庄工程学院装备制造系电气自动化专业