第一章_绪论__过程装备控制技术及其应用

1、过程装备控制技术及其应用 第第1 1章章 绪论绪论 1.1 1.1 过程装备控制技术的基本概念过程装备控制技术的基本概念 1.1.控制控制 广义地讲控制本身是一种手段、广义地讲控制本身是一种手段、 措施或者讲是一种机制。它存在于大措施或者讲是一种机制。它存在于大 自然、人体本身、人类社会、工业生自然、人体本身、人类社会、工业生 产过程等。产过程等。 应用在不同领域的控制技术产生了不同应用在不同领域的控制技术产生了不同 的科学学科。例如的科学学科。例如 ： 环境科学环境科学 生物科学及医学生物科学及医学 社会学及管理科学社会学及管理科学 信息科学信息科学 计算机技术计算机技术 通讯技术通讯技术

2、控制技术控制技术 自然界自然界 动植物动植物 人类社会人类社会 应用在工业生产过程中的控制方应用在工业生产过程中的控制方 法和措施称之为自动化控制技术法和措施称之为自动化控制技术 本课程针对工业生产过程来讨论本课程针对工业生产过程来讨论 控制方法。控制方法。 2.2.控制系统控制系统 人工调节人工调节 机电控制机电控制 电动仪表控制电动仪表控制 计算机分布控制系统计算机分布控制系统 控制系统是实现控制目的所必备的控制系统是实现控制目的所必备的 设备总和。不同的时期，根据技术的设备总和。不同的时期，根据技术的 发展控制系统的设备构成是不同的。发展控制系统的设备构成是不同的。 它经历了它经历了 3

3、.3.过程过程 过程即工业生产过程。过程即工业生产过程。 不同的企业产品不同生产过程也不同。不同的企业产品不同生产过程也不同。 从控制的角度出发把工业分成三类从控制的角度出发把工业分成三类: : 习惯上习惯上, , 把连续型工业称为过程工业把连续型工业称为过程工业 ( process industries) , ( process industries) , 有时为突出有时为突出 其流动其流动的性质也称为流程工业的性质也称为流程工业( fluid ( fluid process industries) process industries) 。 连续型连续型 离散型离散型 混合型混合型 4.4

4、.过程装备过程装备 通常是由一系列的过程机器和过程设备通常是由一系列的过程机器和过程设备 按一定的流程方式用管道阀门等连接起来的按一定的流程方式用管道阀门等连接起来的 一个独立的密闭系统，再配以必要的控制仪一个独立的密闭系统，再配以必要的控制仪 表和设备，既能平稳连续地把以流体为主的表和设备，既能平稳连续地把以流体为主的 各种流体性材料，让其在装置内部经历必要各种流体性材料，让其在装置内部经历必要 的物理化学过程，制造出人们需要的新的流的物理化学过程，制造出人们需要的新的流 程性产品。程性产品。 如塔、换热器、反应器、储罐、压缩机、泵、如塔、换热器、反应器、储罐、压缩机、泵、 分离机等。分离机

5、等。 5.5.过程（装备）控制系统过程（装备）控制系统 过程控制过程控制( process control )( process control )通常是通常是 指石油、化工、电力、冶金、轻工、指石油、化工、电力、冶金、轻工、 建材、核能等工业生产中连续的或按建材、核能等工业生产中连续的或按 一定周期程序进行的生产过程自动控一定周期程序进行的生产过程自动控 制制, , 它是自动化控制技术的重要组成它是自动化控制技术的重要组成 部分。部分。 1.2 过程控制系统的基本组成过程控制系统的基本组成 1. 人工操作与自动控制比较人工操作与自动控制比较 控制速度和精度不能满足大型控制速度和精度不能满足大

6、型 现代化生产的需要现代化生产的需要 手动控制的步骤：手动控制的步骤： (1)眼看：观察液位数值；眼看：观察液位数值； (2)脑想：把观察到的实际数值与设定值加以脑想：把观察到的实际数值与设定值加以 比较，根据偏差的大小及变化情况比较，根据偏差的大小及变化情况 做出判断，并发布命令。做出判断，并发布命令。 (3)手动：根据命令操作给水阀，使液位回到手动：根据命令操作给水阀，使液位回到 设定值。设定值。 控制器控制器 控制阀控制阀 变送器变送器 进料口进料口 自动控制自动控制 液位工艺控制图液位工艺控制图 液位仪表控制步骤：液位仪表控制步骤： (1)(1)检测：液位传感器感应液位值并将结果送检测

7、：液位传感器感应液位值并将结果送 控制器；控制器； (2)(2)运算：把检测到的实际数值与设定值加以运算：把检测到的实际数值与设定值加以 比较，将偏差经过适当运算，其结比较，将偏差经过适当运算，其结 果作为输出给控制阀。果作为输出给控制阀。 (3)(3)调节：控制阀根据控制器输出调节流量。调节：控制阀根据控制器输出调节流量。 蒸汽蒸汽 汽包汽包 加热器加热器 给水给水 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图 LT LC 蒸汽蒸汽 汽包汽包 加热器加热器 给水给水 锅炉汽包自动工艺控制图锅炉汽包自动工艺控制图 2.2.液位自动控制的方框图液位自动控制的方框图 在研究自动控制系统时，为了便于对系统在研究自动

8、控制系统时，为了便于对系统 分析研究，一般都用方框图来表示控制系分析研究，一般都用方框图来表示控制系 统的组成。统的组成。 下页图为液位自动控制系统的方框图，每下页图为液位自动控制系统的方框图，每 个环节表示组成系统的一个部分，称为个环节表示组成系统的一个部分，称为 “环节环节”。两个方块之间用一条带有箭头。两个方块之间用一条带有箭头 的线条表示其信号的相互关系，箭头指向的线条表示其信号的相互关系，箭头指向 方块表示为这个环节的输入，箭头离开方方块表示为这个环节的输入，箭头离开方 块表示为这个环节的输出。线旁的字母表块表示为这个环节的输出。线旁的字母表 示相互间的作用信号。示相互间的作用信号。

9、 储罐储罐 液位传感与变送器液位传感与变送器 液位控制器液位控制器控制阀控制阀 液位液位 液位给定液位给定 储罐液位自动控制系统方框图储罐液位自动控制系统方框图 锅炉汽包锅炉汽包 液位传感与变送器液位传感与变送器 液位控制器液位控制器控制阀控制阀 液位 液位给定 汽包液位自动控制系统方框图汽包液位自动控制系统方框图 控制器控制器 (调节器调节器) 被控对象被控对象 检测元件及检测元件及 变送器变送器 （检测仪表）（检测仪表） + r(t) 执行器执行器 显示仪表显示仪表 干扰干扰 f(t) ym(t) 给定给定 y(t) 3.各部分作用和基本术语各部分作用和基本术语 (1 )被控对象被控对象

10、被控对象是指被控制的生产设备或被控对象是指被控制的生产设备或 装置装置, 如上述其水位受控制的储罐和锅如上述其水位受控制的储罐和锅 炉汽包。炉汽包。 常见的被控对象有塔、加热炉、常见的被控对象有塔、加热炉、 分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机、旋分馏塔、反应釜、干燥炉、压缩机、旋 转窑、换热器、储存物料的槽、罐以及转窑、换热器、储存物料的槽、罐以及 传送物料的管段等。传送物料的管段等。 图中用一个图中用一个“被控对象被控对象”方框来表方框来表 示示, , 其输出就是生产过程中所要保持恒其输出就是生产过程中所要保持恒 定的变量定的变量, ,例如液位等。例如液位等。 在控制系统中在控制系统中 称为被控

11、变量称为被控变量, , 用用y(ty(t) )来表示。来表示。 其输入有两类，操纵变量和扰动其输入有两类，操纵变量和扰动 操纵变量：操纵变量：受控制器操纵的用以克受控制器操纵的用以克 服干扰的影响，使被控变量保持设定值服干扰的影响，使被控变量保持设定值 的物料量或能量。的物料量或能量。 扰动：扰动：除操纵变量外，作用于被控除操纵变量外，作用于被控 过程并引起被控变量变化的因素过程并引起被控变量变化的因素 (2 )检测元件及变送器检测元件及变送器 需要进行自动控制的参数称为被控需要进行自动控制的参数称为被控 变量变量, 如上例中的锅炉汽包中的水位。如上例中的锅炉汽包中的水位。 被控变量由检测元件

12、进行检测被控变量由检测元件进行检测, 当其输当其输 出不是电学量出不是电学量, 或虽然是电学量或虽然是电学量, 但不但不 是是420mA 信号时信号时, 必须采用变送器必须采用变送器 将其转换为统一的标准电信号。将其转换为统一的标准电信号。 变送器的输出就是变送器的输出就是被控变量被控变量 y(ty(t) )的测量的测量值值y ym m(t(t) )。 (3 )控制器控制器 控制器作用：控制器作用：干扰一经产生干扰一经产生, 控制控制 器就发出控制命令器就发出控制命令,对系统施加控制作对系统施加控制作 用用, 使被控变量回到设定值使被控变量回到设定值。 设定值：设定值：按生产工艺要求给被控按生

13、产工艺要求给被控 量规定一个参考值量规定一个参考值, 称为设定值称为设定值r(t), 这这 是经过系统的自动控制作用被控量是经过系统的自动控制作用被控量 应保持的正常参数值。应保持的正常参数值。 负反馈：将被控变量送回输入端负反馈：将被控变量送回输入端 并与输入变量相减。并与输入变量相减。 控制器输入：被控变量的测量值控制器输入：被控变量的测量值ym(t)由系统的由系统的 输出端反馈到系统的输入端输出端反馈到系统的输入端, , 与设定值与设定值r r 比较后得到偏差比较后得到偏差 值值e(t)e(t)= =r(t)r(t)- -y ym m(t)(t), , 就是就是 控制器的输入信号。控制器

14、的输入信号。 控制器运算：也称之为控制规律，即对偏差控制器运算：也称之为控制规律，即对偏差 信号进行运算的数学方法。信号进行运算的数学方法。 控制器输出：将运算结果输出作为控制阀的控制器输出：将运算结果输出作为控制阀的 输入信号输入信号 u(t u(t）。）。 (4)控制阀控制阀/执行器执行器 被控变量的测量值与设定值在控制被控变量的测量值与设定值在控制 器内进行比较后得到的偏差大小器内进行比较后得到的偏差大小, 由由 控制器按规定的控制规律控制器按规定的控制规律( PID 等等)进进 行运算后行运算后, 发出相应的控制信号发出相应的控制信号u(t)去去 推动执行器推动执行器, 该控制信号是控

15、制器的该控制信号是控制器的 输出量输出量, 称为控制变量。称为控制变量。 由控制器发出控制信号由控制器发出控制信号, , 通过电动或气通过电动或气 动执行器产生的位移量驱动控制阀门动执行器产生的位移量驱动控制阀门, , 以改变被控对象的操纵变量以改变被控对象的操纵变量q(t)q(t), , 使被使被 控变量受到控制。控变量受到控制。 控制器控制器 (调节器调节器) 被控对象被控对象 检测元件及检测元件及 变送器变送器 （检测仪表）（检测仪表） + r(t) 执行器执行器 显示仪表显示仪表 干扰干扰 f(t) 控制控制 信号信号 u(t) 偏差偏差 e(t) 操纵操纵 变量变量 q(t) ym(

16、t) y(t) 被控被控 变量变量 给定给定 其他控制系统 用同一种形式地方块图可以代表不同的 控制系统 图图1-4 蒸汽加热器温度工艺控制图蒸汽加热器温度工艺控制图 当进料流量或温度变当进料流量或温度变 化等因素引起出口物料化等因素引起出口物料 温度变化时，可以将该温度变化时，可以将该 温度变化测量后送至温温度变化测量后送至温 度控制器度控制器TCTC。温度控制。温度控制 器的输出送至控制阀，器的输出送至控制阀， 以改变加热蒸汽量来维以改变加热蒸汽量来维 持出口物料的温度不变。持出口物料的温度不变。 TTTT T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉的温度控制系统加热炉的温度控制

17、系统 被控对象被控对象：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 注意！注意！方框图中的每一个方方框图中的每一个方 框都代表一个具体的装置。框都代表一个具体的装置。 n方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的 信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块信号联系，并不代表方块之间的物料联系。方块 之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向，之间连接线的箭头也只是代表信号作用的方向， 与工艺流程图上的物料线是不同的。与工艺流

18、程图上的物料线是不同的。 n工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进 入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有入另一个设备，而方块图上的线条及箭头方向有 时并不与流体流向相一致。时并不与流体流向相一致。 n自动控制系统是一个闭环系统自动控制系统是一个闭环系统 过程控制系统的发展可以分为三个阶段。过程控制系统的发展可以分为三个阶段。 1.3 1.3 过程控制系统的发展概况过程控制系统的发展概况 1.1.仪表仪表控制系统控制系统阶段阶段 2.2.计算机控制系统阶段计算机控制系统阶段 3.3.综合自动化阶段综合自动化阶段 1.1.仪表自动化阶段仪表自动化

19、阶段 20 20 世纪世纪40 40 年代前后年代前后, ,生产过程自动生产过程自动 化主要是凭生产实际经验化主要是凭生产实际经验, ,局限于一般的局限于一般的 控制元件及机电式控制仪器控制元件及机电式控制仪器, ,采用比较笨采用比较笨 重的基地式仪表重的基地式仪表, ,实现生产设备就地分散实现生产设备就地分散 的局部自动控制。的局部自动控制。 20 20 世纪世纪50 50 年代至年代至60 60 年代年代, ,先后出现先后出现 了电动与气动单元组合仪表和巡回检测装了电动与气动单元组合仪表和巡回检测装 置置, ,采用了集中监控与集中操纵的控制系采用了集中监控与集中操纵的控制系 统统, , 实

20、现了工厂仪表化和局部自动化。实现了工厂仪表化和局部自动化。 电动单元组合式仪表发展概况电动单元组合式仪表发展概况 DDZ-DDZ-型仪表：型仪表： 2020世纪世纪6060年代年代，放大元件为电子管、磁放大器，放大元件为电子管、磁放大器 DDZ-DDZ-型仪表：型仪表： 2020世纪世纪7070年代年代 ，采用晶体管放大元件，采用晶体管放大元件 DDZ-DDZ-型仪表：型仪表： 2020世纪世纪8080年代，采用集成电路年代，采用集成电路 S S型仪表：型仪表： 2020世纪世纪9090年代，采用微处理器的数字调节器年代，采用微处理器的数字调节器 电厂生产车间电厂生产车间 使用常规仪表的中央控

21、制室使用常规仪表的中央控制室 仪表集中控制室仪表集中控制室 仪表集中控制室仪表集中控制室 2.2.计算机控制阶段计算机控制阶段 20 20 世纪世纪7070年代至年代至8080年代年代, ,由于集成电由于集成电 路与计算机技术的飞速进展路与计算机技术的飞速进展, ,为过程控制的为过程控制的 发展创造了条件发展创造了条件, ,开始采用计算机直接数字开始采用计算机直接数字 控制控制(direct digital control,DDC)(direct digital control,DDC)系统。系统。 计算机集中控制系统 集散控制系统集散控制系统(DCS) 随着现代工业生产的规模不断扩大随着现代

22、工业生产的规模不断扩大, , 控制要求不断提高控制要求不断提高, , 过程参数日益增多过程参数日益增多, , 致使控制回路更加复杂。为了满足工业致使控制回路更加复杂。为了满足工业 生产的监控集中、危险分散的要求生产的监控集中、危险分散的要求, 70, 70 年代中期年代中期, , 集散控制系统集散控制系统( distributed ( distributed control systems,DCS,control systems,DCS,也称之为分布式也称之为分布式 控制系统控制系统) ) 开发问世了。开发问世了。 集散控制系统（DCS） 现场总线控制系统（FCS） 计算机集中监控室计算机集中

23、监控室 计算机集中监控室计算机集中监控室 早期的早期的DCSDCS控制系统控制系统 集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通集散控制系统是集计算机技术、控制技术、通 信技术和图形显示技术为一体的装置（信技术和图形显示技术为一体的装置（4C4C技技 术）。其特点术）。其特点: : 结构上是分散的。就是将计算机分布结构上是分散的。就是将计算机分布 到车间或现场。这不仅使系统的危险分散到车间或现场。这不仅使系统的危险分散, , 消消 除了全局性的故障点除了全局性的故障点, , 而且提高了系统的可靠而且提高了系统的可靠 性。性。 系统由于是分级的系统由于是分级的, ,能实现优化的最佳能实现优化的最佳

24、管理。实现了过程控制最优化和生产调度与经管理。实现了过程控制最优化和生产调度与经 营管理自动化相结合营管理自动化相结合, , 使生产过程自动化的发使生产过程自动化的发 展达到了一个新的水平。展达到了一个新的水平。 3.3.综合自动化阶段综合自动化阶段 从从20 20 世纪世纪90 90 年代开始年代开始, , 过程控制进入了过程控制进入了 综合自动化阶段。综合自动化阶段。 突出特征是在自动化工具上推出了现场总突出特征是在自动化工具上推出了现场总 线控制技术。现场总线是智能现场设备和自动线控制技术。现场总线是智能现场设备和自动 化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通化系统的数字式、双向传输、多

25、分支结构的通 信网络。它有如下特点信网络。它有如下特点: : 用一对用一对N N 结构代替一对一结构结构代替一对一结构, , 互换性、互操作性好互换性、互操作性好, , 控制回路彻底分散。控制回路彻底分散。 它的出现标志着过程控制进入了真正的计算机它的出现标志着过程控制进入了真正的计算机 时代。时代。 综合自动化系统就是包括生产计划和调度、综合自动化系统就是包括生产计划和调度、 操作优化、基层控制和先进控制等内容的递阶控操作优化、基层控制和先进控制等内容的递阶控 制系统制系统, , 也称管理控制一体化的系统。这类系统也称管理控制一体化的系统。这类系统 是靠计算机及其网络来实现的是靠计算机及其网

26、络来实现的, , 因此也称为计算因此也称为计算 机集成过程系统机集成过程系统( computer integrated ( computer integrated process system, CIPS)process system, CIPS)。 CIPS CIPS 是一种全新的哲理与概念是一种全新的哲理与概念, , 它以企业它以企业 整体优化为目标整体优化为目标, , 以计算机及网络为主要技术工以计算机及网络为主要技术工 具具, , 以生产过程的管理和控制自动化为主要内容以生产过程的管理和控制自动化为主要内容, , 将过去局部自动化的将过去局部自动化的“孤岛孤岛”模式集成为一个整模式集成

27、为一个整 体的系统体的系统, , 它代表了当代自动化的潮流。它代表了当代自动化的潮流。 生产制造管理信息系统MMS 1.4 过程控制系统的分类 1. 分类方法分类方法 按被控变量来分类，如温度、压力等控制按被控变量来分类，如温度、压力等控制 系统；系统； 按控制器具有的控制规律来分类，如比例、按控制器具有的控制规律来分类，如比例、 比例积分、比例微分、比例积分微分等控制比例积分、比例微分、比例积分微分等控制 系统；系统； 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控将控制系统按照工艺过程需要控制的被控 变量的给定值是否变化和如何变化来分类，变量的给定值是否变化和如何变化来分类， 这样可将自动控制系统分

28、为三类，即定值控这样可将自动控制系统分为三类，即定值控 制系统、随动控制系统和程序控制系统制系统、随动控制系统和程序控制系统。 其中第三种分类方法最普遍其中第三种分类方法最普遍 “定值定值” ” 是恒定给定值的简称。工艺是恒定给定值的简称。工艺 生产中，若要求控制系统的作用是使被控制生产中，若要求控制系统的作用是使被控制 的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或的工艺参数保持在一个生产指标上不变，或 者说要求被控变量的给定值不变，就需要采者说要求被控变量的给定值不变，就需要采 用定值控制系统。用定值控制系统。 给定值随机变化，该系统的目的就是给定值随机变化，该系统的目的就是 使所控制的工艺参数准

29、确而快速地跟随给使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给 定值的变化而变化。定值的变化而变化。 3)3)程序控制系统（顺序控制系统）程序控制系统（顺序控制系统） 给定值变化，但它是一个已知的时间给定值变化，但它是一个已知的时间 函数，即生产技术指标需按一定的时间函数，即生产技术指标需按一定的时间 程序变化。这类系统在间歇生产过程中程序变化。这类系统在间歇生产过程中 应用比较普通。应用比较普通。 2.2.过程控制的特点过程控制的特点: : 1) 1)对象复杂多样对象复杂多样 生产过程的复杂性生产过程的复杂性 对象的辨识带来困难。对象的辨识带来困难。 要正确描述对象特性还不完全可能要正确描述对象特性还

30、不完全可能, , 2)2)对象存在滞后对象存在滞后 滞后：当流入滞后：当流入( (或流出或流出) ) 对象的质量或对象的质量或 能量发生变化时能量发生变化时, , 由于存在容量、惯性和阻由于存在容量、惯性和阻 力力, , 被控参数不可能立即产生响应被控参数不可能立即产生响应, , 这种现这种现 象称为滞后。滞后的大小决定于生产设备的象称为滞后。滞后的大小决定于生产设备的 结构和规模结构和规模, , 并同研究它的流入量与流出量并同研究它的流入量与流出量 的特性有关。生产设备的规模愈大的特性有关。生产设备的规模愈大, , 物质传物质传 输的距离愈长输的距离愈长, , 热量传递的阻力愈大热量传递的阻

31、力愈大, , 造成造成 的滞后就愈大。一般来说的滞后就愈大。一般来说, , 热过程大多具有热过程大多具有 较大的滞后较大的滞后, , 容易引起反馈回路产生振荡容易引起反馈回路产生振荡, , 对自动控制会产生十分不利的影响。对自动控制会产生十分不利的影响。 3)3)对象特性的非线性对象特性的非线性 对象特性大多是随负荷变化而变对象特性大多是随负荷变化而变 的的, ,即当负荷改变时即当负荷改变时, , 其动态特性有明其动态特性有明 显的不同。如果只以较理想的线性对显的不同。如果只以较理想的线性对 象的动态特性作为控制系统的设计依象的动态特性作为控制系统的设计依 据据, , 就难以得到满意的控制结果

32、。须就难以得到满意的控制结果。须 知大多数生产过程都具有非线性知大多数生产过程都具有非线性, , 弄弄 清非线性产生的原因及非线性的实质清非线性产生的原因及非线性的实质 是极为重要的。是极为重要的。 4 )4 )控制系统较复杂控制系统较复杂 任何生产过程被控制的参数都不是一个任何生产过程被控制的参数都不是一个, , 这些参数又各具有不同的特性这些参数又各具有不同的特性, , 要针对这些不同要针对这些不同 的特性设计相应不同的控制系统的特性设计相应不同的控制系统, , 由此采用了各由此采用了各 种复杂的多回路控制系统。种复杂的多回路控制系统。 目前，要完全通过理论计算进行控制系统目前，要完全通过

33、理论计算进行控制系统 设计与控制参数的整定是不可能。目前已设计出设计与控制参数的整定是不可能。目前已设计出 各种各样的控制系统各种各样的控制系统, , 都是通过必要的理论论证都是通过必要的理论论证 和计算和计算, , 并且经过长期的运行、试验、分析、总并且经过长期的运行、试验、分析、总 结起来的结起来的, , 只要采用现场调整的方法得当只要采用现场调整的方法得当, , 可望可望 得到相当满意的控制效果。得到相当满意的控制效果。 1.5 1.5 控制系统的过渡过程和品质指标控制系统的过渡过程和品质指标 1.控制系统的静态与动态控制系统的静态与动态 静态：静态：当一个控制系统的输入（给定和干扰）当

34、一个控制系统的输入（给定和干扰） 恒定不变时，整个系统就处于一种相对恒定不变时，整个系统就处于一种相对 稳定的平衡状态，系统的各个组成环节稳定的平衡状态，系统的各个组成环节 如变送器、控制器、控制阀都不改变其如变送器、控制器、控制阀都不改变其 原先的状态，它们的输出信号也都处于原先的状态，它们的输出信号也都处于 相对静止状态，这种状态就是相对静止状态，这种状态就是静态静态。 控制系统的输入控制系统的输入: : 设定作用和扰动作用。设定作用和扰动作用。 动态：动态：被控变量随时间变化的不平衡状态被控变量随时间变化的不平衡状态 。 从干扰作用破坏静态平衡，经过控从干扰作用破坏静态平衡，经过控 制，

35、直到系统重新建立平衡，在这一制，直到系统重新建立平衡，在这一 段时间中，整个系统的各个环节和信段时间中，整个系统的各个环节和信 号都处于变动状态之中，这种状态叫号都处于变动状态之中，这种状态叫 做做动态动态。 结论：结论：在过程控制系统中，了解系统的在过程控制系统中，了解系统的 静态特性是必要的，但是了解系静态特性是必要的，但是了解系 统的动态特性更为重要。因为在统的动态特性更为重要。因为在 生产过程中，干扰是客观存在生产过程中，干扰是客观存在 的，是不可避免的，就需要通过的，是不可避免的，就需要通过 自动化装置不断地施加控制作用自动化装置不断地施加控制作用 去对抗或抵消干扰作用的影响，去对抗

36、或抵消干扰作用的影响， 从而使被控变量保持在工艺生产从而使被控变量保持在工艺生产 所要求控制的技术指标上。所要求控制的技术指标上。 2.控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程 系统由一个平衡状态过渡到另一个平系统由一个平衡状态过渡到另一个平 衡状态的过程。衡状态的过程。 当干扰作用于对象，当干扰作用于对象， 系统输出系统输出y y发生变化，发生变化， 在系统负反馈作用下，在系统负反馈作用下， 经过一段时间，系统经过一段时间，系统 重新恢复平衡。重新恢复平衡。 举例举例 系统在过渡过程中，被控变量是随时系统在过渡过程中，被控变量是随时 间变化的。被控变量随时间的变化规律间变化的。被控变量随时间的变

37、化规律 首先取决于作用于系统的干扰形式。首先取决于作用于系统的干扰形式。 在生产中，出现的干扰是没有固定形在生产中，出现的干扰是没有固定形 式的，且多半属于随机性质。在分析和式的，且多半属于随机性质。在分析和 设计控制系统时，为了安全和方便，常设计控制系统时，为了安全和方便，常 选择一些定型的干扰形式，其中常用的选择一些定型的干扰形式，其中常用的 是阶跃干扰。是阶跃干扰。 采用阶跃干扰的优点：采用阶跃干扰的优点： 这种形式的干扰比较突这种形式的干扰比较突 然、危险，且对被控变然、危险，且对被控变 量的影响也最大。如果量的影响也最大。如果 一个控制系统能够有效一个控制系统能够有效 地克服这种类型

38、的干扰，地克服这种类型的干扰， 那么一定能很好地克服那么一定能很好地克服 比较缓和的干扰。比较缓和的干扰。 这种干扰的形式简单，这种干扰的形式简单， 容易实现，便于分析、容易实现，便于分析、 实验和计算。实验和计算。 阶跃干扰作用阶跃干扰作用 定值控制系统过渡过程的几种形式定值控制系统过渡过程的几种形式( (阶跃扰动阶跃扰动) ) c(t) (e)单调衰减 (c)等幅振荡 (b)单调发散 (d)衰减振荡 (a)发散振荡 c(t) c(t) c(t) c(t) t t t t t y(ty(t) ) y(ty(t) ) y(ty(t) ) y(ty(t) ) y(ty(t) ) 3.控制系统的品

39、质指标控制系统的品质指标 控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。控制系统的过渡过程是衡量品质的依据。 过渡过程品质指标示意图 假定控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化假定控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化 曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程 多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此 取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。取这种过程形式讨论控制系统的品质指标。 五种重要品质指标之一五种重要品质指标之一 1) 1) 最大偏差或超调量最大偏差或超调量 最大偏差最大偏差是指在过渡过程中，被控变量瞬间是指在过渡

40、过程中，被控变量瞬间 偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中，偏离给定值的最大数值。在衰减振荡过程中， 最大偏差就是第一个波的峰值最大偏差就是第一个波的峰值A A。 是衡量过渡过程是衡量过渡过程稳定性稳定性的一个动态指标。若偏的一个动态指标。若偏 差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越 不利。不利。特别是对于一些有约束条件的系统，如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、触媒烧结温度化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度 极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。 超调量也可以用来表征被控

41、变量偏离给定超调量也可以用来表征被控变量偏离给定 值的程度。值的程度。 衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的 振幅之比。即振幅之比。即 2 2）衰减比）衰减比n n B n B C t y BB A 0 五种重要品质指标之二五种重要品质指标之二 B n B 衰减比衰减比n n 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

42、振荡过程。 n=1:n=1:等幅振荡等幅振荡。 n1:n1:发散振荡发散振荡。n n越小，意味着控制系统越小，意味着控制系统 的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，的振荡过程越剧烈，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： BB B 衰减比衰减比4:14:1衰减率衰减率 0.750.75 衰减比衰减比10:110:1衰减衰减 率率0.900.90 C t y BB A 0 3

43、3）余差）余差e 定义：控制系统过渡过程终了时设定值与定义：控制系统过渡过程终了时设定值与 被控变量稳态值之差。被控变量稳态值之差。 ( )ery 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。 五种重要品质指标之三五种重要品质指标之三 上图中，上图中， ( )eryC 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；化学反应器的储槽液位，余差可大一些；化学反应器的 温度

44、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。 C t y BB A 0 稳态特性稳态特性 4 4）回复时间（过渡时间）回复时间（过渡时间） 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从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。要无限长的时间。 S T C t y BB A 0 稳态特性稳态特性 五种重要品质指标之四五种重要品质

45、指标之四 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 或或 或或 的范围内且不再越出时的范围内且不再越出时 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 希望过渡时间短一些。希望过渡时间短一些。 5% 3%2% y t B B 5% A Ts 5 5）振荡周期）振荡周期 T T 在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正 比；振荡频率与回复时间成反比。比；振荡频率与回复时间成反比。 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 称为振荡周期或工作周期。其倒数称称为振荡周期或工

46、作周期。其倒数称 为振荡频率。为振荡频率。 五种重要品质指标之五五种重要品质指标之五 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。 C t y BB A 0 稳态特性稳态特性 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、余差、过 渡时间、振荡周期。

47、渡时间、振荡周期。在实际的系统中如何确在实际的系统中如何确 定这些指标，要根据实际情况来定。定这些指标，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、 振荡周期。振荡周期。（设定值为（设定值为200200）。）。 max 23020030e()() 解解： (1)(1)最大偏

48、差：最大偏差： (2)(2)余差：余差： 2002055C ()() 22 20 200 205 210 230 5 t/min 温度 (3)(3)衰减比：衰减比： 第一个波的振幅第一个波的振幅 第二个波的振幅第二个波的振幅 23020525B 2102055B () () 衰减比衰减比25:55:1n 22 20 200 205 210 230 5 t/min 温度 (4)(4)过渡时间：过渡时间： 过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有 关，假设为关，假设为 ，就可以认为过渡过程已经结，就可以认为过渡过程已经结 束，那么限制范围为束，那么限制范围为

49、 2% 205 ( 2%)4.1 () 那么，在新稳态值（那么，在新稳态值（205205）两侧以限制范围）两侧以限制范围 为宽度画一区域，只要被控变量为宽度画一区域，只要被控变量不再越出不再越出即可。即可。 因此，过渡过程为因此，过渡过程为22min.22min. 22 20 200 205 210 230 5 t/min 温度 （5 5）振荡周期）振荡周期 振荡周期为同向两波峰之间的时间振荡周期为同向两波峰之间的时间 间隔，故周期间隔，故周期 T T20-520-51515（minmin） 某换热器的温度控制系统在单位阶跃某换热器的温度控制系统在单位阶跃 干扰作用下的过渡过程曲线如下图所干扰作用下的过渡过程曲线如下图所 示。试分别求出最大偏差、余差、衰示。试分别求出最大偏差、余差、衰 减比、振荡周期和过渡时间（给定值减比、振荡周期和过渡时间（给定值 为为200200）。）。 举例举例 温度控制系统过渡过程曲线温度控制系统过渡过程曲线 解解 最大偏差最大偏差A