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1、过程控制系统及仪表过程控制系统及仪表本课程主要内容本课程主要内容*过程控制的基本概念过程控制的基本概念*过程控制系统的基本结构过程控制系统的基本结构*过程控制仪表技术过程控制仪表技术*复杂过程控制系统复杂过程控制系统*计算机技术在过程控制中的应用计算机技术在过程控制中的应用2学习本课程的目的学习本课程的目的*了解了解工艺参数的基本测量方法和测量仪表的工作工艺参数的基本测量方法和测量仪表的工作 原理，原理，能能正确使用自动化仪表。正确使用自动化仪表。*理解理解自控系统的工作原理及各环节的作用，自控系统的工作原理及各环节的作用，能能设设 计出合理的自动控制方案。计出合理的自动控制方案。*掌握掌握基
2、本控制规律及其控制器参数对被控过程的基本控制规律及其控制器参数对被控过程的 影响，影响，能能对自动控制系统进行调试和维护。对自动控制系统进行调试和维护。3教材教材王树青等，工业过程控制工程，化学工业出版社，王树青等，工业过程控制工程，化学工业出版社，2005邵裕森，戴先中等，过程控制工程（第邵裕森，戴先中等，过程控制工程（第2版），机械工业出版社版），机械工业出版社 2000何衍庆，工业生产过程控制，化学工业出版社，何衍庆，工业生产过程控制，化学工业出版社，2010陈夕松等，过程控制系统（第陈夕松等，过程控制系统（第3版），科学出版社，版），科学出版社，2014B.Wayne Bequette
3、，Process control:Modeling,design,and simulation，2002,Prentice hallF.G.Shinskey著著，萧萧德德云云、吕吕伯伯明明 译译，过过程程控控制制系系统统应应用用、设设计计与整定（第与整定（第4版），清华大学出版社，版），清华大学出版社，2014过过程程控控制制系系统统与与仪仪表表（第第2版版），王王再再英英,刘刘淮淮霞霞,陈毅静，机械工业出版社陈毅静，机械工业出版社，2020主要参考资料主要参考资料4n总总 学学 时：时：4848学时（学时（4040学时理论学时理论+8+8学时实验）学时实验）n作作 业：业：n成成 绩绩 评评
4、 定：定：作业作业+平时测试（线上）平时测试（线上）+实验实验 60%60%期末考试期末考试 40%40%5教学安排教学安排6线上课程线上课程，学生自主安排，个性化灵活学习，学生自主安排，个性化灵活学习，掌握基本概念、基础内容，重点难点内容反掌握基本概念、基础内容，重点难点内容反复强化，通过在线测试，迭代提高，为线下复强化，通过在线测试，迭代提高，为线下课堂交流讨论做好充分准备。课堂交流讨论做好充分准备。线上平台：智慧树课程，学习进度，章节测试，线上平台：智慧树课程，学习进度，章节测试，期末测试，讨论区交互，按时保质完成。期末测试，讨论区交互，按时保质完成。线下学习线下学习，课堂翻转，小组研讨
5、，师生及同学，课堂翻转，小组研讨，师生及同学互动，深刻践行互动，深刻践行“以学生为中心以学生为中心”教学理念。教学理念。教学模式：线上线下混合式教学教学模式：线上线下混合式教学1.1 过程控制特点过程控制特点1.2 过程控制的发展状况过程控制的发展状况 装置的发展装置的发展 控制策略与算法的发展控制策略与算法的发展1.3 过程控制系统分类及其性能指标过程控制系统分类及其性能指标 过程控制系统的分类过程控制系统的分类 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标本章内容本章内容第第1 1章章 绪论绪论7过程控制定义过程控制定义 n所所谓谓过过程程控控制制（Process Control）是是指指
6、根根据据工工业业生生产产过过程程的的特特点点，采采用用测测量量仪仪表表、执执行行机机构构和和计计算算机机等等自自动动化化工工具具，应应用用控控制制理理论论，设设计计工工业业生生产产过过程程控控制制系系统统，实实现现工工业业生生产产过过程程自动化。自动化。1.1 过程控制的特点过程控制的特点第第1 1章章 绪论绪论8 过程控制过程控制（Process control）是指连续生产过）是指连续生产过程的自动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、程的自动控制。石油、化工、水利、电力、冶金、轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多轻工、纺织、制药、建材、核能、环境工程等许多领域的自动控制系统，都属于
7、领域的自动控制系统，都属于过程控制过程控制系统。系统。连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流连续生产过程的特征是：生产过程中的各种流体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化体，在连续（或间歇）的流动过程中进行着物理化学反应、物质能量的转换或传递。学反应、物质能量的转换或传递。连续生产过程中自动控制系统的被控参数往往连续生产过程中自动控制系统的被控参数往往是是温度、压力、流量、物位温度、压力、流量、物位和和成分成分等变量。等变量。本书重本书重点讨论此类过程。点讨论此类过程。例如室内温度的控制。例如室内温度的控制。9图图1 1为人工控制室温。假设在冬季，室内加温是为人工控制室温。假设在冬季，
8、室内加温是通过热水加热器，将送风加热后源源不断送往恒温通过热水加热器，将送风加热后源源不断送往恒温室。为保证恒温室温符合要求，操作人员要随时观室。为保证恒温室温符合要求，操作人员要随时观察温度计的指示值，并随时判断和决定如何操作阀察温度计的指示值，并随时判断和决定如何操作阀门来保证恒温要求，然后进行操作。门来保证恒温要求，然后进行操作。在此人的作在此人的作用可分为三步：用可分为三步：眼看眼看 脑想脑想 手动手动送风送风回风回风恒温室恒温室温度计温度计阀门阀门图图1 室温人工控制示意图室温人工控制示意图10眼眼看看用用传传感感器器或或变变送送器器将将温温度度信信号号转转换换为为控制器可接受的信号
9、。控制器可接受的信号。脑脑想想控控制制器器将将输输入入的的实实测测温温度度信信号号和和要要求求值值进进行行比比较较（相相减减求求偏偏差差),并并按按偏偏差差值值计计算算出出控控制制量。量。手手动动人人工工阀阀门门换换成成控控制制阀阀，按按控控制制信信号号自自动改变开度。动改变开度。人人工工控控制制受受制制于于人人的的经经验验和和注注意意力力，控控制制不不精精确确。而而自自动动控控制制按按设设定定好好的的方方案案进进行行计计算算控控制制，可可以做到精确的、恰当的控制。以做到精确的、恰当的控制。11 过程控制系统的过程控制系统的定义：定义：为实现对某个工为实现对某个工艺参数的自动控制，艺参数的自动
10、控制，由相互联系、制约的由相互联系、制约的一些仪表、装置及工一些仪表、装置及工艺对象、设备构成的艺对象、设备构成的 一个整体。一个整体。图图2为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。为室温自动控制系统，自动化仪表代替了人。回回风风恒温室恒温室23送风送风热水热水M回水回水41图图2 室温自动控制系统示意图室温自动控制系统示意图1热水加热器；热水加热器；3控制器；控制器；2传感变送器；传感变送器；4执行器执行器TCTT12 在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自在讨论控制系统工作原理时，为清楚地表示自动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用动控制系统各组成部分的作用及相互关系，一般用原理框
11、图来表示控制系统。原理框图来表示控制系统。如图如图2的室温控制系统是由温度变送器、控制器、的室温控制系统是由温度变送器、控制器、电动调节阀和加热器及房间组成。电动调节阀和加热器及房间组成。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器调节阀调节阀加热器加热器及房间及房间+e实测值实测值13 用通用名称表示为：用通用名称表示为：给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值 过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的过程控制系统的主要任务是：对生产过程中的重要参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度重要参数（温度、
12、压力、流量、物位、成分、湿度等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。过程控制系统原理方框图过程控制系统原理方框图14n1.1.被控过程被控过程(ProcessProcess)，指运行中的多种多样的工，指运行中的多种多样的工艺生产设备艺生产设备；n2.2.过程检测控制仪表过程检测控制仪表(InstrumentationInstrumentation)n包括：包括：q测量变送测量变送(Sensor&TransmitterSensor&Transmitter)q控制器控制器(ControllerController)q执行器执行器(ActuatorAc
13、tuator)过程控制系统组成过程控制系统组成 n被控参数被控参数(变量变量)y(t)n控制控制(操纵操纵)参数参数(变量变量)q(t)n扰动量扰动量f(t)n给定值给定值r(t)n当前值当前值z(t)n偏差偏差e(t)n控制作用控制作用u(t)15过程控制系统具有以下特点：过程控制系统具有以下特点：1控制对象复杂、控制要求多样控制对象复杂、控制要求多样2控制方案丰富控制方案丰富 3控制对象大多属于慢过程控制对象大多属于慢过程4大多数工艺要求定值控制大多数工艺要求定值控制5大多使用标准化的检测、控制仪表及装置大多使用标准化的检测、控制仪表及装置161.2 过程控制的发展概况过程控制的发展概况
14、过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自过程控制的发展历程，就是过程控制装置（自动化仪表）与系统的发展历程。动化仪表）与系统的发展历程。1.2.1 过程控制装置与系统的发展过程过程控制装置与系统的发展过程1局部自动化阶段局部自动化阶段 （20世纪世纪 5060年代）年代）q自自动动化化仪仪表表安安装装在在现现场场生生产产设设备上，只具备简单的测控功能。备上，只具备简单的测控功能。q适用于小规模、局部过程控制。适用于小规模、局部过程控制。17特点：特点：q自自动动化化仪仪表表划划分分成成各各种种标标准准功功能能单单元元，按按需需要可以组合成各种控制系统。要可以组合成各种控制系统。q控控制制仪仪表
15、表集集中中在在控控制制室室，生生产产现现场场各各处处的的参参数数通通过过统统一一的的模模拟拟信信号号，送送往往控控制制室室。操操作作人人员员可以在控制室监控生产流程各处的状况。可以在控制室监控生产流程各处的状况。q适用于生产规模较大的多回路控制系统。适用于生产规模较大的多回路控制系统。2模拟单元仪表控制阶段模拟单元仪表控制阶段（20世纪世纪6070年代）年代）18巴基斯坦贾姆肖罗电厂巴基斯坦贾姆肖罗电厂 193集散控制阶段集散控制阶段（20世纪世纪70年代中期至今）年代中期至今）计计算算机机的的出出现现，大大大大简简化化了了控控制制功功能能的的实实现现。最最初初，人人们们设设想想用用一一台台计
16、计算算机机取取代代所所有有回回路路的的控控制制仪仪表表，实实现现直直接接数数字字控控制制（DDC，Direct Digital Control ）。但但DDC系系统统的的故故障障危危险险高高度度集集中中，一一旦旦计计算算机机出出现现故故障障，就就会会造造成成所所有有控控制制回回路路瘫瘫痪痪，使使生生产产过过程程风风险险加加大大。因因此此，DDC系系统统并并未未得得到到广广泛泛应应用。用。20 80年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，年代初，随着计算机性能提高、体积缩小，出现了内装出现了内装CPU的数字控制仪表。基于的数字控制仪表。基于 “集中管集中管理，分散控制理，分散控制”的理念，在数字控
17、制仪表和计算的理念，在数字控制仪表和计算机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的机与网络技术基础上，开发了集中、分散相结合的集散型控制系统（集散型控制系统（DCS，Distributed Control System）。DCS系统实行分层结构，将控制故障风险分系统实行分层结构，将控制故障风险分散、管理功能集中，得到广泛应用。散、管理功能集中，得到广泛应用。2122随随着着CPU进进入入检检测测仪仪表表和和执执行行器器，自自动动化化仪仪表彻底实现了数字化、智能化。表彻底实现了数字化、智能化。控控制制系系统统也也出出现现了了由由智智能能仪仪表表构构成成的的现现场场总总线控制系统（线控制系统（F
18、CS，Fieldbus Control System)。FCS系系统统把把控控制制功功能能彻彻底底下下放放到到现现场场，依依靠靠现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。现场智能仪表便可实现生产过程的检测、控制。而而用用开开放放的的、标标准准化化的的通通信信网网络络现现场场总总线线，将将分分散散在在现现场场的的控控制制系系统统的的通通信信连连接接起起来来，实现信息集中管理。实现信息集中管理。2324SAP R/3Office LANEthernetOffice LANEthernet工厂工厂维护维护工厂工厂信息信息 S 7/OPC-ServerInternet/Intranet工厂优工厂优化先
19、进化先进控制软控制软件包件包OS-LANEthernetOS 客户机客户机/多客户机多客户机OS-服务器服务器(冗余冗余)批处理批处理 服务器服务器/客户机客户机服务器服务器 ESSIMATIC PDMEngineeringToolsetOS 单站单站(多屏多屏)Industrial Ethernet/Fast EthernetPROFIBUS-PAET 200MFail-SafeDP/PA-LinkAS 414 F/FHAS 417 F/FHET 200MPROFIBUS-DPPROFIBUS-DPCOx,NOx,.AS 417AS 416AS 414ET 200MEx-I/OHARTPRO
20、FIBUS-DPDP/PA-LinkET 200iSPROFIBUS-PAPROFIBUS-DPOSOPAS 414 HAS 417 HET 200MPROFIBUS-DPDP/PA-LinkPROFIBUS-PAY-LinkCOx,NOx,.OSESS 7启动包启动包AS 414西门子西门子TIA控制系统概念控制系统概念251.2.2 过程控制策略与算法发展过程控制策略与算法发展 伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算伴随着自动化仪表的发展，过程控制策略与算法也经历了由简单到复杂的发展历程。法也经历了由简单到复杂的发展历程。以经典控制理论为基础的以经典控制理论为基础的PID（Proport
21、ional Integral Derivative）控制算法，由单回路控制发）控制算法，由单回路控制发展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、展了串级控制、比值控制、前馈控制、均匀控制、Smith预估控制及选择性控制等控制策略。预估控制及选择性控制等控制策略。随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解随着现代控制理论和人工智能技术的发展，解耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应耦控制、推断控制、预测控制、模糊控制、自适应控制等控制策略与算法，也日趋完善。控制等控制策略与算法，也日趋完善。26现代自动控制技术的主要特点：现代自动控制技术的主要特点：1、功能综合化，控制与管理一体化已成为趋
22、势，功能综合化，控制与管理一体化已成为趋势，其应用领域和规模越来越大。其应用领域和规模越来越大。2、技术密集化、系统集成化，是控制技术、通技术密集化、系统集成化，是控制技术、通讯技术、计算机技术相结合的产物。讯技术、计算机技术相结合的产物。3、系统的智能化程度日益提高，控制精度越来系统的智能化程度日益提高，控制精度越来越高，控制手段日益丰富。越高，控制手段日益丰富。国内外著名仪表生产企业：西安仪表厂、四川仪表国内外著名仪表生产企业：西安仪表厂、四川仪表公司、上海仪表公司、公司、上海仪表公司、Foxboro、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell 等公司。等公司
23、。272829巴基斯坦古杜电厂巴基斯坦古杜电厂 30新疆炼油厂新疆炼油厂 31武钢武钢 32哈尔滨伊兰煤气哈尔滨伊兰煤气 33污水处理厂污水处理厂34扬子石化扬子石化35扬子石化扬子石化36扬子石化扬子石化 37兰州石化兰州石化 3839东海路东海路9号号 自来水厂自来水厂控制柜控制柜40控制柜触摸显示屏控制柜触摸显示屏41控制柜内部控制柜内部42控制柜内控制柜内PLC43过程控制实验室过程控制实验室441.3 过程控制系统分类及其性能指标过程控制系统分类及其性能指标1.3.1过程控制系统的分类过程控制系统的分类过程控制系统有多种分类方法。按所控制的参数来过程控制系统有多种分类方法。按所控制的
24、参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制数字控制系统；按照控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统等。系统与计算机控制系统等。但在讨论控制原理时，常用的分类方法是按设定值但在讨论控制原理时，常用的分类方法是按设定值的形式或系统的结构特点分类。的形式或系统的结构特点分类。451.按设定值的形式分类按设定值的形式分类1）定值控制系统）定值控制系统 设定值恒定不变。设定值恒定不变。2
25、）随动控制系统）随动控制系统设定值随时可能变化。设定值随时可能变化。3）程序控制系统）程序控制系统设定值按预定的时间程序变化。设定值按预定的时间程序变化。给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值462.按系统的结构特点分类按系统的结构特点分类1）反馈控制系统（闭环控制系统）反馈控制系统（闭环控制系统）将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被将被控变量输入到控制器，形成闭环，具有被控变量负反馈的控制系统。如：控变量负反馈的控制系统。如：给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 变送器变送器执行器执行器被控对象被控对
26、象+e实测值实测值反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。反馈控制系统是过程控制最基本的结构形式。472）前馈控制系统（开环控制系统）前馈控制系统（开环控制系统）控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量控制系统没有被控变量负反馈，不将被控变量引入到控制器输入端。如：引入到控制器输入端。如：测量值测量值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象 开环控制系统原理框图开环控制系统原理框图483）复合控制系统）复合控制系统 前馈与反馈相结合，优势互补。如：前馈与反馈相结合，优势互补。如：给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器1 变送器变送器1执行器执行器被控对象被
27、控对象+e实测值实测值 变送器变送器2控制器控制器2+前馈前馈-反馈复合控制系统原理框图反馈复合控制系统原理框图491.3.2 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，反映了控制系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。系统的优劣。为此，要有评价控制系统的性能指标。控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，概括为制定的，概括为稳定性稳定性、准确性准确性和和快速性快速性。t0
28、y y501.3.2.1 稳态与动态稳态与动态 1、稳态、稳态把被控变量不随时间变化的平衡状态把被控变量不随时间变化的平衡状态称为系统的稳态（称为系统的稳态（静态静态）。）。当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，系当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，系统就处于一种相对稳定的平衡状态统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个环，系统的各个环节也都处于稳定状态，但生产还在进行，物料和能量节也都处于稳定状态，但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了。仍然有进有出，只是平稳进行没有改变就是了。静态特性静态特性静态时系统各环节的输入输出关系。静态时系统各环节的输入输出关系
29、。静态静态静态静态动态动态ty51静态静态静态静态动态动态ty2、动动态态把把被被控控变变量量随随时时间间变变化化的的不不平平衡衡状状态态称为系统的动态。称为系统的动态。即即控控制制系系统统从从一一个个平平衡衡状状态态过过渡渡到到另另一一个个平平衡衡状状态态的的过过渡渡过过程程。当当干干扰扰破破坏坏了了系系统统的的平平衡衡时时，被被控控变变量量就就会会发发生生变变化化，而而控控制制器器、控控制制阀阀等等自自动动化化装装置置就就要产生控制作用来使系统恢复平衡。要产生控制作用来使系统恢复平衡。动动态态特特性性在在动动态态过过程程中中系系统统各各环环节节的的输输入入输输出出变化关系。变化关系。521
30、.3.2.2 控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状控制系统的输入变化后，系统从原来的平衡状态，经过动态过程到达新的平衡状态的动态历程称态，经过动态过程到达新的平衡状态的动态历程称为系统的过渡过程。为系统的过渡过程。系统的过渡响应受系统的过渡响应受内部内部和和外部外部两种因素的影响。两种因素的影响。给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 传感器传感器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值531、内部因素：系统特性、内部因素：系统特性 系统的特性是由系统中各环节的特性和系统的系统的特性是由系统中各环节的特性和系统的结构所决定的。结构所决定的
31、。2、外部因素：输入信号、外部因素：输入信号 在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的在系统特性一定的情况下，被控变量随时间的变化规律取决于系统的输入信号。变化规律取决于系统的输入信号。生产中，出现的干扰信号是随机的。但在分析生产中，出现的干扰信号是随机的。但在分析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常选择一些特定的输入信号，其中常用的析方便，常选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。是阶跃信号和正弦信号。54v 阶阶跃跃信信号号的的输输入入突突然然，对对被被控控变变量量的的影影响响也也最最大大。如如果果一一个个控控制
32、制系系统统能能够够有有效效地地克克服服这这种种干干扰扰，那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。那么对其它比较缓和的干扰也能很好地克服。v 阶阶跃跃信信号号的的形形式式简简单单，容容易易实实现现，便便于于分分析析、实验和计算。故更多使用阶跃信号。实验和计算。故更多使用阶跃信号。如图，输入信号在如图，输入信号在 t=0时，阶跃上升幅度为时，阶跃上升幅度为 A，其，其后保持。表达为后保持。表达为 f(t)=A (t)Atf（t）55 在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡在阶跃输入的扰动作用下，定值控制系统过渡过程有过程有五种五种形式：形式：单调衰减过程单调衰减过程 被控变量在给定值的被控变量在
33、给定值的一侧作单调变化，最后稳定一侧作单调变化，最后稳定在某一数值上。在某一数值上。振荡衰减过程振荡衰减过程 被被控控变变量量上上下下波波动动，但但幅幅度度逐逐渐渐减减少少，最最后后稳稳定定在某一数值上。在某一数值上。t0a0a56等幅振荡过程等幅振荡过程 被被控控变变量量在在给给定定值值附附近近来来回回波波动动，且且波波动动幅幅度度保持不变。保持不变。振荡发散过程振荡发散过程 被被控控变变量量来来回回波波动动，且且波波动动幅幅度度逐逐渐渐变变大大，离离给定值越来越远。给定值越来越远。单调发散过程单调发散过程被控变量在给定值的被控变量在给定值的一侧作单调变化，离给定一侧作单调变化，离给定值越来
34、越远。值越来越远。t0aa0tt0a57过渡过程的分类过渡过程的分类 （1）稳定的过渡过程稳定的过渡过程 单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。被控变单调过程和衰减振荡过程是稳定的过渡过程。被控变量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。量经过一段时间后，逐渐趋向原来的或新的平衡状态。衰减振荡过程的过渡过程较短，经常采用。衰减振荡过程的过渡过程较短，经常采用。单调过程的过渡过程较慢单调过程的过渡过程较慢，被控变量长时间地偏离给，被控变量长时间地偏离给定值，一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动定值，一般不采用，只是在生产上不允许被控变量有波动的情况下才采用。的情况下才采用。58（
35、2）不稳定过渡过程不稳定过渡过程 振振荡荡和和单单调调发发散散过过程程中中，被被控控变变量量不不但但不不能能达达到到平平衡衡状状态态，而而且且逐逐渐渐远远离离给给定定值值，它它将将导导致致被被控控变变量量超超越越工工艺艺允许范围，这是生产上所不允许的。允许范围，这是生产上所不允许的。（3）临界过渡过程临界过渡过程 处处于于稳稳定定与与不不稳稳定定之之间间，一一般般也也认认为为是是不不稳稳定定过过程程，生生产产上上一一般般不不采采用用。只只是是某某些些控控制制要要求求不不高高的的场场合合，如如位式控制时，只能达到这种效果。位式控制时，只能达到这种效果。59 1.3.2.3 控制系统的性能指标控制
36、系统的性能指标 对控制系统的性能评价，是根据工艺对控制过程对控制系统的性能评价，是根据工艺对控制过程和结果的要求来衡量的。控制系统的过渡过程曲线是和结果的要求来衡量的。控制系统的过渡过程曲线是评价控制系统品质的样本。评价控制系统品质的样本。最典型的控制性能测试是给系统输入一个阶跃信最典型的控制性能测试是给系统输入一个阶跃信号，观察其阶跃响应的品质。号，观察其阶跃响应的品质。阶阶跃跃响响应应分分给给定定阶阶跃跃响响应应和和干干扰扰阶阶跃跃响响应应两两类类。其其阶阶跃跃响响应应曲曲线线有有所所不不同同，但但反反映映的的控控制制系系统统的的性性能能指标是一致的。指标是一致的。60干扰阶跃响应和给定阶
37、跃响应的区别：干扰阶跃响应和给定阶跃响应的区别：给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 传感器传感器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值(a)干扰阶跃响应干扰阶跃响应t0y y61给定值给定值被控变量被控变量干扰干扰f 控制器控制器 传感器传感器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值(b)给定阶跃响应给定阶跃响应0ty y621.系统阶跃响应的单项性能指标系统阶跃响应的单项性能指标 单项性能指标包含了对控制系统的单项性能指标包含了对控制系统的稳定性稳定性、准准确性确性和和快速性快速性三方面的评价。三方面的评价。控制性能指标有单项指标和综合指标两类控制性能指标有单项指
38、标和综合指标两类 单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单单项性能指标以控制系统被控参数过渡过程的单项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一项特征量作为性能指标，而偏差积分性能指标则是一种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减种综合性指标。由于在多数情况下，都希望得到衰减振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨振荡过程，所以以衰减振荡的过渡过程形式为例，讨论控制系统的品质指标。论控制系统的品质指标。631）衰减比）衰减比n和衰减率和衰减率设第一个波振幅为设第一个波振幅为 y1、第三个波振幅为、第三个波振幅为 y3图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系
39、统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt64衰减比衰减比 n 和衰减率和衰减率 是表示系统稳定程度的指标。是表示系统稳定程度的指标。n大于大于1，则系统是稳定的。随着，则系统是稳定的。随着n的增大，过渡过程的增大，过渡过程逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。逐渐由衰减振荡趋向于单调过程。试验证明：试验证明：衰减比在衰减比在 4:1到到10:1之间时，之间时，过渡过过渡过程的程的衰减程度合适，衰减程度合适，过渡过程较短。过渡过程较短。衰减比衰减比n与衰减率与衰减率之间有简单的对应关系：之间有简单的对应关系：n=4:110:1 就相当于就相当于=75%90%yry1y3Cy()Tp
40、TSTt65最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。最大动态偏差是控制系统动态准确性指标。2）最大动态偏差）最大动态偏差A和超调量和超调量 最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大最大动态偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。即程度。即:A=ymax-r 图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTtA66 有时也采用超调量有时也采用超调量来表示被控参数偏离设定来表示被控参数偏离设定值的程度，值的程度，的定义是第一个波振幅与最终稳态值的定义是第一个波振幅与最终稳态值y()之比。即之比。即图图1.3 闭环控制系统对设定值
41、的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt673）余差）余差C 过渡过程结束后，被控参数的稳态值过渡过程结束后，被控参数的稳态值y()与设与设定值之间的残余偏差叫做定值之间的残余偏差叫做余差余差，也称，也称静差静差。是衡量。是衡量控制系统稳态准确性的指标。控制系统稳态准确性的指标。C=y()-r图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt684）调节时间）调节时间Ts和振荡频率和振荡频率 Ts是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需的是指从过渡过程开始到过渡过程结束所需
42、的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的时间。当被控参数与稳态值间的偏差进入稳态值的5%（或（或2%）范围内，就认为过渡过程结束。）范围内，就认为过渡过程结束。图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y()TpTSTt69调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的调节时间和振荡频率是衡量控制系统快速性的指标。指标。过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的过渡过程中相邻两同向波峰（或波谷）之间的时间间隔叫振荡周期时间间隔叫振荡周期T，其倒数称为振荡频率，其倒数称为振荡频率 f=1/T图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响
43、应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3y()TpTSTt70 另外还有峰值时间另外还有峰值时间Tp（又称上升时间），是指过（又称上升时间），是指过渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的渡过程开始，至被控参数到达第一个波峰所需要的时间。也是衡量控制系统快速性的指标。时间。也是衡量控制系统快速性的指标。图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt71 例例 某换热器的温度控制系统给定值为某换热器的温度控制系统给定值为200。在在阶阶跃跃干干扰扰作作用用下下的的过过渡渡过过程程曲曲线线如如图图所
44、所示示。试试求求最最大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。大偏差、余差、衰减比、振荡周期和过渡时间。解：解：最大偏差最大偏差 A=230-200=30余差余差 C=205-200=5衰减比衰减比 n=y1:y3=25:5=5:172振荡周期振荡周期 T=20 5=15 （min）设设被被控控变变量量进进入入稳稳态态值值的的土土2，就就认认为为过过渡渡过过程结束，则误差区域程结束，则误差区域=205（2）4.1在在新新稳稳态态值值（205）两两侧侧以以宽宽度度为为4.1画画一一区区域（阴影线）。曲线进入时间点域（阴影线）。曲线进入时间点 Ts=22min73 控制系统的单项品质指标小结控制系
45、统的单项品质指标小结q稳定性稳定性 衰减比衰减比n=4:110:1最佳最佳 q准确性准确性 余差余差C小好小好 最大偏差最大偏差 A 小好小好q快速性快速性 过渡时间过渡时间 Ts 短好短好 振荡周期振荡周期 T 短好短好各各品品质质指指标标之之间间既既有有联联系系、又又有有矛矛盾盾。例例如如，过过分分减减小小最最大大偏偏差差，会会使使过过渡渡时时间间变变长长。因因此此，应应根根据据具具体体工工艺艺情情况况分分清清主主次次，对对生生产产过过程程有有决决定定性性意义的主要品质指标应优先予以保证。意义的主要品质指标应优先予以保证。742.系统阶跃响应的综合性能指标系统阶跃响应的综合性能指标偏差积分
46、偏差积分 单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较单项指标虽然清晰明了，但如何统筹考虑比较困难。而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分困难。而偏差幅度和偏差存在的时间都与偏差积分有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映有关，因此用偏差积分一个指标，就可以全面反映控制系统的品质。控制系统的品质。图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt75tyrCy()yrCy()t偏差积分的原始定义：偏差积分的原始定义：IE=e(t)dt0偏差的定义存在分歧：偏差的定义存在分歧：e(t)=y(t)-y()不能表达余差不能表达
47、余差 e(t)=y(t)-r 如有余差则积分无穷大如有余差则积分无穷大76偏差积分指标有以下几种形式：偏差积分指标有以下几种形式：偏差积分偏差积分IE（Integral of Error）图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt缺点：不能保证系缺点：不能保证系统是衰减振荡。统是衰减振荡。77绝对偏差积分绝对偏差积分IAE（Integral Absolute value of Error）图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt
48、排除了正负排除了正负偏差抵消的可能。偏差抵消的可能。78图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt 平方偏差积分平方偏差积分ISE（Integral of Squared Error）对大偏差敏感对大偏差敏感 79时间与绝对偏差乘积积分时间与绝对偏差乘积积分ITAE （Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error）对调节时间敏感对调节时间敏感 图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1
49、y3Cy()TpTSTt80图图1.3 闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线闭环控制系统对设定值的阶跃扰动的响应曲线yry1y3Cy()TpTSTt 时间与时间与平方偏差乘积积分平方偏差乘积积分ITSE（Integral of time and Squared Error）对大偏差和调节对大偏差和调节时间敏感时间敏感81 1.3.2.4 影响控制系统过渡过程品质的主要因素影响控制系统过渡过程品质的主要因素 控制系统的过渡响应品质指标主要取决于系统控制系统的过渡响应品质指标主要取决于系统结构和系统中各环节的特性。结构和系统中各环节的特性。从第二章开始，将分别讨论控制系统各环节的从第二章开始，将分别讨论控制系统各环节的特性、各种系统结构的特性及设计方法。特性、各种系统结构的特性及设计方法。给定值给定值被控量被控量干扰干扰f 控制器控制器 传感器传感器执行器执行器被控对象被控对象+e实测值实测值8283作业作业P12：1-21-41-81-91-10