化工自动化仪表精

1、化工自动化及仪表化工自动化及仪表 叶西宁叶西宁 Y 64253330(o) 学习这门课的必要性学习这门课的必要性： 控制系统应用在国民生活的各个方面，控制系统应用在国民生活的各个方面， 化工领域的应用更加普遍，比如：炼油厂、化工领域的应用更加普遍，比如：炼油厂、 化肥厂、纯碱生产过程在涤纶短纤维生产过化肥厂、纯碱生产过程在涤纶短纤维生产过 程、制浆、造纸过程、制药等等。程、制浆、造纸过程、制药等等。 工艺人员也应该充分了解所用的控制系工艺人员也应该充分了解所用的控制系 统，以及控制系统的特性。这样才能设计出统，以及控制系统的特性。这样才能设计出 合理、高效的生产工艺。合理、高效的生产工艺。 使

2、用常规仪表的中央控制室使用常规仪表的中央控制室 早期的早期的DCSDCS控制系统控制系统 现在的现在的DCSDCS控制系统控制系统 1 1 自动控制系统概述自动控制系统概述 本章的主要内容：本章的主要内容： 1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述 1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 1.3 1.3 控制系统控制系统过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标 1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述 ?控制理论的发展控制理论的发展 经典控制理论经典控制理论:2020世纪世纪4040年年2020世纪世纪5050年代年代 Nyquist(1932) 频域分析技术频域

3、分析技术 Bode(1945) 图图 根轨迹分析方法根轨迹分析方法(1948) 特点：特点：主要从主要从输出输出与与输入量输入量的关系方面分析与研究的关系方面分析与研究 问题。问题。 适用范围：适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。线性定常的单输入、单输出控制系统。 以以传递函数传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控为基础，在频率域对单输入单输出控 制系统进行分析与设计制系统进行分析与设计 PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一 控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一 现代控制理论现代控制理论:2020世纪世纪6060年代获得迅猛发展年代获得迅猛发展 其主要内容为：其主要内容为：

4、 （ 基基 础础 ） 线线 性性 系系 统统 理理 论论 ， 最最 优优 控控 制制 理理 论，最佳估计理论，系统辨识等。论，最佳估计理论，系统辨识等。 特特点点： 从从输输入入- -状状态态- -输输出出的的关关系系全全面面地地分分析析 与研究系统。与研究系统。 适用范围：适用范围： 不限于不限于 线性定常系统线性定常系统 ，也适用于，也适用于 线线 形形 时时 变变 ， 非非 线线 性性 及及 离离 散散 系系 统统 ， 多多 输输 入、多输出入、多输出的情况。的情况。 大系统理论大系统理论:2020世纪世纪7070年代开始年代开始 将现代控制理论与系统理论相结合将现代控制理论与系统理论相

5、结合 核心思想：核心思想： 系统的分解与协调系统的分解与协调 适用范围：适用范围： 高维线性系统高维线性系统 智能控制理论智能控制理论: :不需要建立被控对象的数学模型不需要建立被控对象的数学模型 ?控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展 ?控制系统结构的发展控制系统结构的发展 基地式基地式：2020世纪世纪5050年代，适用于单回路（就地式年代，适用于单回路（就地式 液位控制器及自力式温度控制器）液位控制器及自力式温度控制器） 单元组合式单元组合式（按功能划分，然后组合）：（按功能划分，然后组合）： DDZ, DDZ, QDZ 20QDZ 20世纪世纪6060年代，之间用年代，之间

6、用标准统一标准统一信号联系信号联系 计算机计算机：DDC,20DDC,20世纪世纪7070年代年代 DCS DCS（集散控制系统）（集散控制系统） 先进控制和优化控制先进控制和优化控制 ：CIPS, FCS 20CIPS, FCS 20世纪世纪8080年代年代 以后以后 ? 自动化仪表的发展自动化仪表的发展 模拟仪表模拟仪表 数字仪表数字仪表 智能仪表智能仪表 ?当前自动控制系统发展的一些主要特点当前自动控制系统发展的一些主要特点 ?生产装置实施先进控制成为发展主流生产装置实施先进控制成为发展主流 ?过程优化受到普遍关注过程优化受到普遍关注 ?传统的传统的DCSDCS在走向国际统一标准的开放式

7、系统在走向国际统一标准的开放式系统 ?综合自动化系统（综合自动化系统（CIPSCIPS）是发展方向）是发展方向 1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 1.2.11.2.1自动控制系统自动控制系统 自动控制的必要性自动控制的必要性 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图 锅炉设备的控制任务主锅炉设备的控制任务主 要是：要是： 根据生产负荷的需要，根据生产负荷的需要，供应供应 一定规格（压力、温度）的一定规格（压力、温度）的 蒸汽，蒸汽，同时同时使锅炉在安全、使锅炉在安全、 经济的条件下运行。经济的条件下运行。 锅炉设备的主要控制系锅炉设备的主要控

8、制系 统有：统有： （1）锅炉）锅炉汽包水位汽包水位的控制的控制 （2）锅炉燃烧的控制）锅炉燃烧的控制 （3）过热蒸汽系统的控制）过热蒸汽系统的控制 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图 汽包水位是锅炉运行的主汽包水位是锅炉运行的主 要指标，要指标，维持水位在一定维持水位在一定 范围内范围内是锅炉安全运行的是锅炉安全运行的 首要条件。首要条件。 水位过高：水位过高：影响汽包内的影响汽包内的 汽水分离，饱和水蒸汽带汽水分离，饱和水蒸汽带 水过多，会使过热器管壁水过多，会使过热器管壁 结构导致损坏，同时过热结构导致损坏，同时过热 蒸汽温度急剧下降，作

9、为蒸汽温度急剧下降，作为 汽轮机动力的话会损坏叶汽轮机动力的话会损坏叶 片，影响运行的安全及经片，影响运行的安全及经 济性。济性。 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图 水位过低：水位过低：汽包内水较汽包内水较 少，负荷很大时，水的少，负荷很大时，水的 汽化速度加快，汽包内汽化速度加快，汽包内 水量急速减少，如不能水量急速减少，如不能 及时得到控制，则会烧及时得到控制，则会烧 干，烧坏水冷壁，甚至干，烧坏水冷壁，甚至 爆炸。爆炸。 蒸汽蒸汽 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图 手动控制的步骤：手动控制的步骤

10、： (1) 观察液位数值；观察液位数值； (2) 把观察到的把观察到的实际数值实际数值 与与设定值设定值加以比较，根加以比较，根 据据偏差偏差的大小及变化情的大小及变化情 况做出判断，并发布命况做出判断，并发布命 令。令。 (3) 根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀， 使液位回到设定值。使液位回到设定值。 锅炉汽包液位自动控制系统锅炉汽包液位自动控制系统 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包液位自动控制系统示意图 锅炉汽包液位自动控制系统示意图 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 TT TC T 被加热原料 出口温度 燃料油 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省

11、煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 被控过程：被控过程：锅炉汽包锅炉汽包 被控变量：被控变量： 汽包液位汽包液位 术语术语 被控过程（被控被控过程（被控 对象对象）： 自动控制系统中，自动控制系统中， 工艺参数需要控工艺参数需要控 制的生产过程、制的生产过程、 设备或机器。设备或机器。 被控变量：被控变量： 被控过程内要求被控过程内要求 保持设定值的工保持设定值的工 艺参数艺参数 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 操纵变量：操纵变量：水的流量水的流量 扰动：扰动：水压力、蒸汽流量

12、水压力、蒸汽流量 操纵变量：操纵变量： 受控制器操纵的受控制器操纵的 用以克服干扰的用以克服干扰的 影响，使被控变影响，使被控变 量保持设定值的量保持设定值的 物料量或能量物料量或能量 扰动：扰动： 除操纵变量外，除操纵变量外， 作用于被控过程作用于被控过程 并引起被控变量并引起被控变量 变化的因素变化的因素 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 设定值：设定值： 工艺参数所要求工艺参数所要求 保持的数值保持的数值 偏差：偏差： 被控变量实际值被控变量实际值 与设定值之差与设定值之差 负反馈：负反馈： 将被控变量送回将被控

13、变量送回 输入端并与输入输入端并与输入 变量相减变量相减 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统 TT TC T 被加热原料 出口温度 燃料油 被控过程被控过程： 加热炉 加热炉 被控变量：被控变量： 物料出口温度 物料出口温度 操纵变量：操纵变量： 燃料油流量燃料油流量 扰动：扰动： 被加热原料油温度、燃料油热值等被加热原料油温度、燃料油热值等 1.2.21.2.2闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制 闭环控制：闭环控制： 在反馈控制系在反馈控制系 统中，被控变量的统中，被控变量的 值被送回输入端，值被送回输入端， 与设定值进行比较，与设定值进行比较， 根据偏差进行控制，根据偏差进行控制， 控

14、制被控变量，这控制被控变量，这 样，整个系统构成样，整个系统构成 了一个闭环。了一个闭环。 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 ?闭环控制的特点（优闭环控制的特点（优 点）点）： 按按偏差偏差进行控制，使偏进行控制，使偏 差减小或消除，达到被控差减小或消除，达到被控 变量与设定值一致的目的。变量与设定值一致的目的。 ?闭环控制的缺点闭环控制的缺点： 蒸汽蒸汽 LT LC 汽包汽包 控制不够及时；如果系控制不够及时；如果系 省煤器省煤器 统内部各环节配合不当，统内部各环节配合不当， 给水给水 系统会引起剧烈震荡，甚系统会引

15、起剧烈震荡，甚 至会使系统失去控制。至会使系统失去控制。 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 开环控制：开环控制：根据根据扰动扰动信号的变化来进行控制。信号的变化来进行控制。 ?开环控制的特点开环控制的特点 （优点）：（优点）： 不需要对被控变量不需要对被控变量 进行测量，只根据进行测量，只根据 输入信号进行控制，输入信号进行控制， 控制很及时。控制很及时。 蒸汽蒸汽 FT 汽包汽包 LT Fd 1F f C 省煤器省煤器 给水给水 ?开环控制的缺点：开环控制的缺点： 由于不测量被控变量，由于不测量被控变量， 也不与设定值相比较，也不与设定值相比较， 所以系统受到其他扰所以系

16、统受到其他扰 动作用后，被控变量动作用后，被控变量 汽包汽包 偏离设定值，无法消偏离设定值，无法消 除偏差，这是开环控除偏差，这是开环控 制的制的缺点缺点。 省煤器省煤器 蒸汽蒸汽 FT LT 1F FdC f 给水给水 开环控制与闭环控制实例比较开环控制与闭环控制实例比较 蒸汽蒸汽 ? 开环的液位控制系统开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）（按扰动控制，又称前馈控制） 蒸汽蒸汽 FT LT LC 汽包汽包 汽包汽包 LT 1F FdC f 省煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 给水给水 省煤器省煤器 1.2.31.2.3自动控制系统的组成及

17、方框图自动控制系统的组成及方框图 在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制 系统各环节之间的关系，一般采用方框图。每个系统各环节之间的关系，一般采用方框图。每个 方框方框 表示组成系统的一个表示组成系统的一个 环节环节，两个方框两个方框之间用之间用带箭头的带箭头的 线段线段表示表示信号信号联系；进入方框的信号为联系；进入方框的信号为 环节输入，环节输入，离离 开方框的为开方框的为环节输出。环节输出。 控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量 - 控制装置 u(t) 执行器 q(t) 过程 c(t) 测量值 y

18、(t) 检测元件、变送器 闭环控制系统组成闭环控制系统组成 控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量 - 控制装置 u(t) 执行器 q(t) 过程 c(t) 测量值 y(t) 检测元件、变送器 闭环控制系统组成闭环控制系统组成 ?检测元件和变送器检测元件和变送器 的作用是把被控变量的作用是把被控变量 c(t)c(t)转化为测转化为测 量值量值y(t)y(t)。 ?比较机构比较机构的作用是比较设定值的作用是比较设定值 r(t)r(t)与测量值与测量值y(t)y(t)并输并输 出其差值。出其差值。 控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f

19、(t) 广义对象 被控变量 - 控制装置 u(t) 执行器 q(t) 过程 c(t) 测量值 y(t) 检测元件、变送器 ?控制装置控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况， 按某种预定的控制规律给出控制作用按某种预定的控制规律给出控制作用 u(t)u(t)。比较机构。比较机构 和控制装置通常组合在一起，称为控制器。和控制装置通常组合在一起，称为控制器。 ?执行器执行器的作用是接受控制器送来的的作用是接受控制器送来的 u(t)u(t)，相应地去改，相应地去改 变操纵变量变操纵变量q(t)q(t)。 控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t

20、) f(t) 广义对象 被控变量 - 控制装置 u(t) 执行器 q(t) 过程 c(t) 测量值 y(t) 检测元件、变送器 通常将通常将过程、执行器、检测元件与变送器过程、执行器、检测元件与变送器 的组的组 合称为合称为广义对象广义对象。 控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量 - 控制装置 u(t) 执行器 q(t) 过程 c(t) 闭环闭环 控制控制 系统系统 组成组成 测量值 y(t) 检测元件、变送器 几个重要概念：几个重要概念： （1 1）信息：）信息：图中的图中的r(t)r(t)、y(t)y(t)、f(t)f(t)等尽管是实际等尽管是

21、实际 的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中 的每一部分称为一个的每一部分称为一个 环节环节，作用于它的信息称为该环，作用于它的信息称为该环 节的节的输入信号输入信号，它送出的信息称为，它送出的信息称为 输出信号输出信号。前一环。前一环 节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出 信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。 控制器 扰动 比较 设定值 r(t) 机构 e(t) f(t) 广义对象 被控变量 - 控制装置 u(t) 执行器

22、q(t) 过程 c(t) 测量值 y(t) 闭环闭环 控制控制 系统系统 组成组成 检测元件、变送器 从整个系统来看，输入信号：从整个系统来看，输入信号： 设定值和扰动设定值和扰动 输出信号：输出信号： 被控变量、测量值被控变量、测量值 （2 2）闭环：）闭环：按信息的流向来说按信息的流向来说 （3 3）动态：）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。物理量是时间的函数、是不断变化的。 扰动作用扰动作用使被控变量偏离设定值，使被控变量偏离设定值， 控制作用控制作用又使它回又使它回 到设定值。到设定值。 1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 按设定值的不同情况，将自动控制

23、系统分为三类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类 : : 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统 。 ?定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统 称为定值控制系统。称为定值控制系统。 1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 ?随动控制系统随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系 统的输出（被控变量）随之而变化。统的输出（被控变量）随之而变化。 ?程序控制系统程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个

24、已知的时间函数，设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数， 即根据需要按一定时间程序变化。即根据需要按一定时间程序变化。 课堂作业：课堂作业： 下图为直接蒸汽加热器的工艺流程图，要 下图为直接蒸汽加热器的工艺流程图，要 求画出以热物料的出口温度为被控变量，蒸汽求画出以热物料的出口温度为被控变量，蒸汽 流量为操纵变量的带检测控制点的工艺流程图，流量为操纵变量的带检测控制点的工艺流程图， 指明该控制系统中的被控变量、操纵变量、过指明该控制系统中的被控变量、操纵变量、过 程以及主要扰动，画出控制方案的方块图。程以及主要扰动，画出控制方案的方块图。 热物料 蒸汽 冷物料 蒸汽加热器蒸汽加热器 1.3

25、1.3自动控制系统的过渡过程及品质指标自动控制系统的过渡过程及品质指标 1.3.11.3.1静态与动态静态与动态 控制系统的输入有控制系统的输入有设定设定 作用作用和和扰动作用扰动作用。 静态（定态）静态（定态）：当输入：当输入 LT LC 恒定不变时，整个系统恒定不变时，整个系统 汽包汽包 若能建立平衡，系统中若能建立平衡，系统中 各个环节将暂不动作，各个环节将暂不动作， 省煤器省煤器 它们的输出都处于它们的输出都处于相对相对 给水给水 静止静止状态。此时输入与状态。此时输入与 输出之间的关系称为系输出之间的关系称为系 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 统的静态特性。统的

26、静态特性。 环节环节的静态特性的静态特性 蒸汽蒸汽 动态：动态：由于输入的变由于输入的变 化，输出随时间变化，化，输出随时间变化， 蒸汽蒸汽 其间的关系称为系统其间的关系称为系统 的动态特性。也就是的动态特性。也就是 说，从输入开始，经说，从输入开始，经 过控制直到再建立静过控制直到再建立静 态，在这段时间中，态，在这段时间中， 整个系统的各个环节整个系统的各个环节 和变量都处于变化的和变量都处于变化的 过程之中，这种状态过程之中，这种状态 称为动态。称为动态。 环节环节的动态特性的动态特性 LT LC 汽包汽包 省煤器省煤器 给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 1

27、.3.21.3.2自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的当自动控制系统的 输入发生变化后，被控输入发生变化后，被控 变量（即输出）随时间变量（即输出）随时间 蒸汽蒸汽 不断变化，它随时间而不断变化，它随时间而 变化的过程称为系统的变化的过程称为系统的 LT LC 汽包汽包 过渡过程。过渡过程。也就是系统也就是系统 省煤器省煤器 从一个平衡状态从一个平衡状态( (静态静态) ) 过渡到另一个平衡状态过渡到另一个平衡状态 给水给水 （静态静态）的过程。）的过程。 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 1.3.21.3.2自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过

28、渡过程 所有正常工作的反馈系统都是稳定系统所有正常工作的反馈系统都是稳定系统 , ,对于对于 一个稳定的系统一个稳定的系统, ,要分析其要分析其稳定性、准确性和快速稳定性、准确性和快速 性性，常以，常以阶跃作用为输入阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程时的被控变量的过渡过程 为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到， 且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。 定值控制系统过渡过程的形式定值控制系统过渡过程的形式 ( (阶跃扰动阶跃扰动) ) ?发散振荡 发散振荡 ?单调发散 单调发散 ?等幅振荡 等幅振荡

29、 ?衰减振荡 衰减振荡 ?单调衰减 单调衰减 c(t ) c(t) t t (a)发散振荡 (b)单调发散 c(t ) c(t) t t (c)等幅振荡 (d)衰减振荡 最常最常 用用 c(t ) t (e)单调衰减 稳定的过稳定的过 渡过程渡过程 1.3.3 1.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标 ?单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程） 稳定性、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性 ?综合控制指标综合控制指标 ? ） （1 1）最大动态偏差（）最大动态偏差（e emaxmax）或超调量（）或超调量（ y 稳态特性稳态特性 y(y() )

30、A B B C t 0 最大动态偏差或超调量是描述最大动态偏差或超调量是描述 被控变量偏离设定值被控变量偏离设定值 最最 大程度的物理量，是衡量过渡过程大程度的物理量，是衡量过渡过程 稳定性稳定性的一个动态的一个动态 指标。指标。 对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是 指被控变量第一个指被控变量第一个振荡波振荡波的的峰值与设定值峰值与设定值之差。之差。 在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为 A A 最大偏差最大偏差表示系统的被控变量瞬间偏离表示系统的被控变量瞬间偏离 给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的

31、时给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时 间越长，对稳定正常生产越不利。间越长，对稳定正常生产越不利。要求小。要求小。 特别是对于一些有约束条件的系统，如化学特别是对于一些有约束条件的系统，如化学 反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极 限等，限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。都会对最大偏差的允许值有所限制。 同时考虑到干扰会不断出现，当第一个同时考虑到干扰会不断出现，当第一个 干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了， 偏差有可能是叠加的，所以偏差有可能是叠加的，所以在决定最大偏差在决定最大偏差 的允许值时，要根

32、据工艺情况慎重选择。的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。 在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中， 通常采用通常采用超调量超调量这个指标来表示被控变量偏离这个指标来表示被控变量偏离 设定值的程度，一般超调量以百分数给出。设定值的程度，一般超调量以百分数给出。 超调量定义：超调量定义：第第 一个波的峰值与一个波的峰值与 最终稳态值之差，最终稳态值之差， 即即B=A-C,如果如果 系统的新稳态值系统的新稳态值 等于设定值，那等于设定值，那 么最大偏差就等么最大偏差就等 于超调量。于超调量。 y B A 0 C B t B ?100% C （2 2）衰减比

33、）衰减比n n y y(y() ) A B B C t 0 稳态特性稳态特性 衰减比是衡量过渡过程衰减比是衡量过渡过程 稳定性稳定性的动态指标。的动态指标。 定义：第一个波的定义：第一个波的 振幅振幅与同方向第二个波的与同方向第二个波的 振幅振幅之比。之比。 衰减比衰减比n n B n? B y 衰减比衰减比n n n? BA B B C B 0 t n1:n1:衰减振荡。衰减振荡。n n越大，则控制系统的稳定越大，则控制系统的稳定 度也越高，当度也越高，当n n趋于无穷大时，控制系统的趋于无穷大时，控制系统的 过渡过程接近于非振荡过程。过渡过程接近于非振荡过程。 n=1:n=1:等幅振荡。等

34、幅振荡。 n1:n1:发散振荡。发散振荡。n n越小，意味着控制系统的越小，意味着控制系统的 振荡过程越剧烈，稳定度也越低，振荡过程越剧烈，稳定度也越低， 根据实际操作经验，根据实际操作经验， 为保持足够的稳定裕度，为保持足够的稳定裕度， 一般希望过渡过程有两个波左右一般希望过渡过程有两个波左右 ，与此对应，与此对应 的的衰减比在衰减比在4:14:1到到10:110:1的的范围内。范围内。 衰减率：衰减率： y B?B ? B 衰减比衰减比4:14:1衰减率衰减率 0.75 0.75 A B B C t 0 衰减比衰减比10:110:1衰减衰减 率率0.90 0.90 稳态特性稳态特性 （3

35、3）余差）余差 e ? 定义：定义：控制系统过渡过程终了时控制系统过渡过程终了时设定值设定值与与被控被控 变量稳态值变量稳态值之差之差。 e ? ? r?y(?) 余差是反映控制余差是反映控制准确性准确性的一个重要稳的一个重要稳 态指标，一般希望其为零，或不超过预定态指标，一般希望其为零，或不超过预定 的范围。的范围。 y y(y() ) A B B C t 0 上图中，上图中， 稳态特性稳态特性 e ? ? r?y(?) ? C 在控制系统中，在控制系统中，对余差的要求取决于对余差的要求取决于 生产过程的要求，并不是越小越好生产过程的要求，并不是越小越好。例如。例如 储槽液位，余差可大一些；

36、化学反应器的储槽液位，余差可大一些；化学反应器的 温度控制要求高，余差就要小一些。温度控制要求高，余差就要小一些。 （4 4）回复时间（过渡时间）回复时间（过渡时间） T S 回复时间表示控制系统过渡过程的长短。回复时间表示控制系统过渡过程的长短。 定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从 原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间 。 理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要 无限长的时间。无限长的时间。 y B y(y() ) A B C 0 t 稳态特性稳态特性

37、y A 0 B B 5% t Ts ?5%实际上，实际上，被控变量接近于新稳态值的被控变量接近于新稳态值的 ? 3% 或或 ?2%的范围内且不再越出时的范围内且不再越出时或或 为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般 希望过渡时间长希望过渡时间长oror短？短？ 短一些短一些！ （5 5）振荡频率（或振荡周期）振荡频率（或振荡周期） ? ? 定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔 称为称为振荡周期或工作周期振荡周期或工作周期。其倒数称为。其倒数称为振荡振荡 频率。频率。 在衰减比相同条件下，振荡周期与回复时间成在衰减比相

38、同条件下，振荡周期与回复时间成 正比；振荡频率与回复时间成反比。正比；振荡频率与回复时间成反比。 其它一些次要指标：其它一些次要指标： 振荡次数：振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡是指在过渡过程内被控变量振荡 的次数。的次数。 “理想过渡过程两个波理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振是指过渡过程振 荡两次就能稳定下来。荡两次就能稳定下来。 上升时间：上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波是指干扰开始作用起到第一个波 峰所需要的时间。峰所需要的时间。 y 稳态特性稳态特性 y(y() ) A B B C 0 t 总结：总结： 主要指标有：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过最大偏差、衰减比

39、、余差、过 渡时间。渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，在实际的系统中如何确定这些指标， 要根据实际情况来定。要根据实际情况来定。 原则：对生产过程有决定性意义的主要品质原则：对生产过程有决定性意义的主要品质 指标应该优先保证。指标应该优先保证。 例题：例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃某换热器的温度调节系统在单位阶跃 干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别 求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间 （设定值为（设定值为200200）。 温度 230 210 205 200 解：解： 5 20 22 t/min (1)(1