31自动化-01第一章 基本概念Rev2

1、化工自动化及仪表第一章 自动控制系统基本概念100第一章授课教师：和萌林101章章节结构构第一章自自动控控制系统统基本概概念第一节化化工自自动化的的主要内内容第二节自自动控控制系统统的基本本组成及及方块图图第三节自自动控控制系统统的分类类第四节自自控系系统的过过渡过程程和品质质指标一、控制制系统的的静态与与动态二、控制制系统的的过渡过过程三、控制制系统的的品质指指标四、影响响控制系系统过渡渡过程品品质的主主要因素素第五节工工艺管管道及控控制流程程图一、图形形符号二、字母母代号三、仪表表位号第一章基基本本概念第二章对对象象数学模模型第三章仪仪表与与传感器器第四章显显示示仪表第五章自自动动控制仪仪

2、表第六章执执行行器第七章简简单单控制系系统第八章复复杂杂控制系系统第九章新新型型控制系系统第十章计计算算机控制制系统第11章典典型控制制方案教学基本本要求：掌握自动动控制系系统的组组成，了了解各组组成部分分的作用用及相互互影响关关系；理解自动动控制系系统中常常用的各各种术语语，掌握握方块图图的意义义及画法法；熟悉管道道及控制制流程图图上常用用符号的的意义；了解控制制系统的的几种分分类，掌握系统统的动态态与静态态；掌握闭环环控制系系统在阶阶跃干扰扰作用下下过渡过过程的几几种基本本形式及及过渡过过程品质质指标的的含义。教学要求求第 一章章第一节主要内容容第二节系统组成成及方块图图第三节系系统分类类

3、第四节过过渡过程程和品质指指标1.静态与动动态2.过渡过程程3.品质指标标4.影响过渡渡过程品质主要要因素第五节工工艺管道道及控制流程程图1.图形符号号2.字母代号号3.仪表位号号第 一章章第一节主要内容容第二节系统组成成及方块图图第三节系系统分分类第四节过过渡过过程和品质指指标1.静态与动动态2.过渡过程程3.品质指标标4.影响过渡渡过程品质主要要因素第五节工工艺管道道及控制流程程图1.图形符号号2.字母代号号3.仪表位号号过程自动动化在生产设设备上配配置一些些装置，代替人人工的部部分直接接劳动，使生产产过程在在不同程程度上自自动地进进行。这这种用自自动化装装置来管管理生产产过程的的方式称称

4、为过程程自动化化。自动检测测系统自动信号号和联锁锁保护系系统自动操纵纵及自动动开停车车系统自动控制制系统110第第一节第一节化化工工自动化化的主要要内容过程自动化化工自动动化化工类（化工、炼油、轻工、食品）生产过程程的自动动化控制制简称为为“化工工自动化化”。第一节主主要内内容111自自动检测测自动检测测系统利用各种种检测仪仪器仪表表对主要要参数（温度、压力、流量、料位）进行测量量、指示示或记录录，“了解”生产的任任务，这这种系统统称为自自动检测测系统。1-1化工自动动化的主主要内容容自动检测测系统自动信号号和联锁锁保护系系统自动操纵纵及自动动开停车车系统自动控制制系统过程自动化图中热交交换器

5、是是利用蒸蒸汽来加加热冷介介质的，冷介质质经加热热后的温温度是否否达到要要求，可可用测温温元件配配上平衡衡电桥来来测量、指示和和记录；冷介质质的流量量可以用用孔板流流量计来来检测，蒸汽压压力可用用压力表表来指示示，这就就是一些些常用的的、简单单的自动动检测系系统。由此可见见，自动动检测仪仪表可包包括包括括压力、温度、流量、液位等等的简单单测量仪仪表或它它们的传传感器、变送器器、显示示表等。 温度计 温度表 液位计 浮子流量计 弹簧管压力表 质量流量计自动检测测系统实实际上是是代替了了操作人人员对工工艺参数数的观察察与记录录，起到到人的眼眼睛的作作用。自动检测测系统的的本质（特点）:利用各种种检

6、测仪仪器仪表表对主要要工艺参参数进行行检测、指示或或记录，达到“了解” 生产产任务的的目的。112联联锁保护护在生产过过程中，有时由由于偶然然因素的的影响，导致工工艺参数数超出允允许范围围而出现现不正常常情况，有可能能引起事事故。为为此常对对一些关关键参数数设置自动信号号和联锁锁保护装装置，当工艺艺参数超超过允许许范自动检测测系统自动信号号和联锁锁保护系系统自动操纵纵及自动动开停车车系统自动控制制系统过程自动化围，在事事故发生生以前，信号系系统会自自动地发发出声光光信号，告诫操操作人员员及时采采取措施施。如工工况已到到达危险险状态，联锁系系统会立立即自动动采取紧紧急措施施，打开开安全阀阀或切断

7、断某些通通路，必必要时紧紧急停车车，以防防止事故故的发生生和扩大大。自动信号号和联锁锁保护系系统是生产过过程中的的一种安安全装置置。1-1化工自动动化的主主要内容容113自自动操纵纵自动检测测系统自动信号号和联锁锁保护系系统自动操纵纵及自动动开停车车系统自动控制制系统过程自动化根据预先先规定的的步骤自自动地对对生产设设备进行行某种周周期性操操作，这这种系统统称为自动操纵纵系统。例如：合合成氨造造气车间间的煤气气发生炉炉自动加料料系统按照预先先规定好好的步骤骤，将生生产过程程自动地地投入运运行或自自动停车车，这种种系统称称为自动开停停车系统统。1-1化工自动动化的主主要内容容114自自动控制制自

8、动检测测系统自动信号号和联锁锁保护系系统自动操纵纵及自动动开停车车系统自动控制制系统过程自动化生产过程程中各种种工艺条条件不可可能是一一成不变变的。特特别是化化工生产产，大多多数是连连续性生生产，设设备之间间相互关关联，其其中一台台设备的的工艺条条件发生生变化时时，会引引起其他他设备的的某些参参数波动动，偏离离正常的工工艺条件件，因此此需要设设置一些些自动控控制装置置，对生生产中一一些关键键性参数数进行自自动控制制，使它它们在受受到外界界干扰(扰动)的影响响而偏离离正常状状态时，能自动动地控制制而回到到规定的的数值范范围内，为此目目的而设设置的系系统就是是自动控制制系统。1-1化工自动动化的主

9、主要内容容114自自动控制制a自动检测测系统自动信号号和联锁锁保护系系统自动操纵纵及自动动开停车车系统自动控制制系统过程自动化 温度传感/变送器 控制器 液位传感/变送器 执行器 料位变送器 压力变送器 流量变送器1-1化工自动动化的主主要内容容11e化工生产产的特点点：（1）连连续进行行物理或或化学反反应（2）密密闭空间间，高压压（3）高高温（深深冷）（4）易易燃、易易爆介质质（5）有有毒、强强腐蚀性性介质（6）类类型纷繁繁，控制制系统多多种多样样对化工仪仪表、控控制系统统的要求求：（1）适应应生产环环境高温、高压、易燃、腐蚀（2）适适应生产产要求控制稳定定、准确、灵敏1-1化工自动动化的主

10、主要内容容11e第一节小小结1由以上介介绍可以以看出：自动检测测系统只能完成成“了解解”生产产过程进进行情况况的任务务；信号联锁锁保护系系统只能在工工艺条件件进入某某种极限限状态时时，采取取安全措措施，以以避免生生产事故故的发生生；自动操纵纵系统只能按照照预先规规定好的的步骤进进行某种种周期性性的操纵纵；只有自动控制制系统才能自动动地排除除各种干干扰因素素对工艺艺参数的的影响，使它们们始终保保持在预预先规定定的数值值上，保保证生产产维持在在正常或或最佳的的工艺操操作状态态。因此，自动控制制系统是自动化化生产中中的核心心部分，也是本本课程了了解和学学习的重重点。自动检测测系统自动信号号和联锁锁保

11、护系系统自动操纵纵及自动动开停车车系统自动控制制系统过程自动化1-1化工自动动化的主主要内容容120第第二节自动控制制系统是在人工工控制的的基础上上产生和和发展起起来的。所以，在开始始介绍自自动控制制的时候候，先分分析人工工操作，并与自自动控制制加以比比较，可可以帮助助我们分分析和了了解自动动控制系系统。人工控制自动控制第 一章章第一节主要内容容第二节系统组成成及方块图图第三节系系统分分类第四节过过渡过过程和品质指指标1.静态与动动态2.过渡过程程3.品质指标标4.影响过渡渡过程品质主要要因素第五节工工艺管道道及控制流程程图1.图形符号号2.字母代号号3.仪表位号号第二节系统组成成及方块图图第

12、二节自自动控控制系统统的基本本组成及及方块图图121人人工控制制人工控制制自动控制制 执行 (手)行动: 根据大脑发出的命令，通过手去改变阀门开度，以改变出口流量Qo，从而使液位保持在所需高度上。 运算 (脑)思考、判断、决策、命令: 大脑根据眼睛看到的液位高度，加以思考并与要求的液位值进行比较，得出偏差的大小和正负，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。 检测 (眼)观察: 用眼睛观察玻璃管液位计(测量元件)中液位的高低，并通过神经系统告诉大脑。动 手脑 想眼 看1-2自动控制制系统的的组成及及方框图图121自自动控制制检测器(变送器) 将某一物理量（如：液位、流量、压力、压差或温度等）

13、转变成可利用信号；变送器将该信号转变成标准信号。 控制器 根据变送器信号和工艺需求，算出偏差，经过某种运算发出控制信息。 执行器 根据控制器的控制信息，改变阀门开度。 人工控制制自动控制制检测元件件与变送送器自动控制制器（控制器器）执行器（调节阀阀、控制制阀）自动化系统组成自动控制制系统是在人工工控制的的基础上上产生和和发展起起来的，其主要要装置包包括测量量元件与与变送器器、控制制器、执执行器，分别代代替了人人的眼、脑、手手三个器器官的功功能。1-2自动控制制系统的的组成及及方框图图121系系统组成成在自动控控制系统统的组成成中，除除了必须须具有前前述的自自动化装装置外，还必须须具有控控制装置

14、置所控制制的生产产设备。在自动控控制系统统中，将将需要控控制其工工艺参数数的生产产设备或或机器叫叫做被控对象象，简称对象。前面举例例中液体体贮槽化工生产产中的各各种容器器、反应应器、换换热器、泵和压压缩机甚至一段段输气管管道精馏塔、吸收塔塔等一个个设备可可能有几几个控制制回路被控对象象检测元件件与变送送器自动控制制器（控制器器）执行器（调节阀阀、控制制阀）自动化系统组成1-2自动控制制系统的的组成及及方框图图122方方块图在研究自自动控制制系统时时，为了了能清楚楚地表示示出自动动控制系系统中各各个组成成环节之之间的相相互影响响和信号号联系，便于对对系统分分析研究究，一般般都用方块图来表示控控制

15、系统统的组成成。1、方块块图的组组成2、开环环与闭环环3、正反反馈与负负反馈1-2自动控制制系统的的组成及及方框图图1、“方方块图”的组成成：这种表示示方式称称为自动动控制系系统方块图。方块之间间用一条条带有箭箭头的线线条表示示其信号号的相互互作用关关系，箭箭头指向向方块表表示为这这个环节节的输入入，箭头头离开方方块表示示为这个个环节的的输出；122用方块表表示控制制系统的的每个组组成部分分(环节节)；线条旁的的字母或或文字表表示环节节间相互互作用的的变量。对象？测量元件件、变送送器？控制器？执行器？给定值x偏差e控制器输输出p操纵变量量q被控变量量y执行器对 象测量元件件变送器控制器测量值z

16、干扰作用用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1221对象a对 象自动控制制系统中中，将需需要控制制其工艺艺参数的的生产设设备或机机器（有有时是生生产设备备或机器器的一部部分）叫叫做被控对象象，简称对象。?换热器 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+换热器1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1221b对象的输输出y,y(t)在生产过过程中需需要保持持恒定的的变量称称为被控变量量。出口物料温度T 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方

17、方块图及及方框图图1221c对象的输输入q,q(t)具体实现现控制作作用的变变量称为为操纵变量量。用来实现现控制作作用的物物料称为为操纵介质质或操纵剂。蒸汽流量Q 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1221d对象的输输入f,f(t)引起被控控变量波波动的外外来因素素在自动动控制系系统中称称为干扰作用用（扰动作用用）。蒸汽温度T蒸汽压力P进料温度T进料流量P进料组分 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方

18、方块图及及方框图图1222测量元元件a测量元件件、变送送器将某一物物理量(如：液液位、流流量、压压力、压压差或温温度等)转变成可可以利用用的信号号的元件件称为测量元件件；进一步步将该信信号转变变成标准准信号的的仪表称称为变送器。 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+测温元件件变送器1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1222b测量元件件的输入入y,y(t)出口物料温度T 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1222c测量

19、元件件的输出出z,z(t)测量值 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1223控制器器a控 制器器根据变送送器信号号和工艺艺需求，算出偏偏差，经经过运算算发出控控制信息息的仪表表称为控制器。 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1223b控制器的的输入e,e(t)变送器的的输出信信号z被送入比比较机构构，与工工艺上希希望保持持的被控控变量的的数值(给定值值、设定定值)x进行比较较，得到

20、到偏差信信号e，exz。设定值测量值 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1223c控制器的的输出p,p(t)控制器的的输出信信号p可能是各各种类型型的信号号：420mA，15V，20100kPa等。控制器输出信号 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1224调节阀阀a执行器根据控制制器给出出的控制制信息，改变操操纵变量量。?调节阀 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行

21、器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+调节阀1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1224b执行器的的输入p,p(t)执行器的的输入信信号p可能是各各种类型型的信号号：420mA，15V，20100kPa等。控制器输出信号 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1224c执行器的的输出q,q(t)具体实现现控制作作用的变变量称为为操纵变量量。用来实现现控制作作用的物物料称为为操纵介质质或操纵剂。蒸汽流量Q 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送

22、器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1225注意.方块块图具有有通用性，用同一一种形式式的方块块图可以以代表不不同的控控制系统统。.用方方块表示示的每个个“环节节”都是是组成系系统的一一部分实物（具体装装置）。.方块块之间带带有箭头头的线条条只表示信信号的作作用关系系与方向向，不代表表工艺管管道、物物料的流流向。.“环环节”的的输入会会引起输输出的变变化，而而输出不不会反过过来直接接引起输输入的变变化。环环节的这这一特性性称为“单向性” 。注意/关关键点：1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1225a注意/关关键点：1.方方块图的的通用性性；2.方方块代表

23、表的是实实物；3.箭箭头和线线条仅表表示信号号作用；4.环环节的单单向性。方块图具具有通用用性，用用同一种种形式的的方块图图可以代代表不同同的控制制系统。 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1225b注意/关关键点：1.方方块图的的通用性性；2.方方块代表表的是实实物；3.箭箭头和线线条仅表表示信号号作用；4.环环节的单单向性。用方块表表示的每每个“环环节”都都是组成成系统的的一部分分实物（具体装装置）。 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测

24、量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1225c注意/关关键点：1.方方块图的的通用性性；2.方方块代表表的是实实物；3.箭箭头和线线条仅表表示信号号作用；4.环环节的单单向性。方块间带带有箭头头的线条条只表示示信号的的作用关关系与方方向，不不代表工工艺管道道、物料料的流向向。 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1225d注意/关关键点：1.方方块图的的通用性性；2.方方块代表表的是实实物；3.箭箭头和线线条仅表表示信号号作用；4.环环节的单单向性。“环节”的输入入

25、会引起起输出的的变化，而输出出不会反反过来直直接引起起输入的的变化。环节的的这一特特性称为为“单向向性”。 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1226开环与与闭环A在控制系系统的方方块图中中，信号号沿箭头头方向前前进，通通过若干干环节后后，最终终又返回回到原来来的起始始点，称称为闭环系统统。所有的自自动控制制系统都都是闭环环系统。2、开环环与闭环环 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图

26、图1226B 操纵指令 操纵作用 工艺参数自动操纵装置对 象在控制系系统的方方块图中中，信号号沿箭头头方向前前进，通通过若干干环节后后，最终终不能返返回到原原来的起起始点，称为开环系统统。自动操纵纵系统就就属于典典型的开环系统统。1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图1227反馈A系统或环环节的输输出信号号直接或或经过一一些环节节后重新新返回到到输入端端的做法法叫做反馈。3、反馈馈反馈信号号取负值值时称为为负反馈；负反馈馈能够削削弱原来来的信号号。反馈信号号取正值值时称为为正反馈；正反馈馈能够使使原来的的信号进进一步增增强。反馈正反馈负反馈 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执

27、行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图 闭环控制系统中就利用了信息反馈作用： 当 被控变量y 由于某种原因的影响而偏离 给定值 x（例如：升高)时，只有 测量值z 取负值才能够使 偏差信号 exz 降低，此时 控制器 经过相应运算将发出信号使 调节阀 的开度发生变化，从而使被 控变量y 下降，回到 给定值x 。 此时 测量值z 若不取负值，则会起到“火上浇油”的作用。 因此，所有的自动控制系统都采用 闭环负反馈系统。1227B 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-2自动控

28、制制系统方方块图及及方框图图1227c自动控制制系统与自动操纵纵装置二者本质质上的区区别在于于：自动控制制系统是是具有负负反馈的的闭环系系统；自动操纵纵装置是是开环系系统。自动操纵纵装置的的缺点：在开环系系统中，被控变变量不反反馈到输输入端，自动操操纵装置置只能按按照预先先规定好好的程序序周而复复始地运运转。即即使工况况发生了了变化，自动操操纵装置置也不能能自动地地根据实实际工况况来改变变自己的的操作。自动操操纵装置置不能随随时“了了解”被被控对象象的情况况并依此此来改变变自己的的操作状状态，这这是开环环系统的的缺点。自动控制制系统的的优点：由于自动动控制系系统是具具有负反反馈的闭闭环系统统，

29、它可可以随时时了解被被控对象象的情况况，有针针对性地地根据被被控变量量的变化化情况而而改变控控制作用用的大小小和方向向，从而而使系统统的工作作状态始始终等于于或接近近于所希希望的状状态，这这是闭环环系统的的优点。1-2自动控制制系统方方块图及及方框图图给定值x解：偏差e控制器输输出p操纵变量量p被控变量量y调节阀反应器温度测量量元件变送器控制器测量值z干扰作用用f+被控对象象为反应应器;图示为反反应器温温度控制制系统示示意图。A、B两种物料料进入反反应器反反应，通通过改变变冷却水水流量来来控制反反应器内内的温度度恒定。试画出出该温度度控制系系统的方块图，并指出出该控制制系统中中的被控对象象、被

30、控变量量、操纵变量量及可能的扰扰动各是什么么?被控变量量为反应应器内温温度;操纵变量量为夹套套冷却水水流量;主要干扰扰有：进进入反应应器的A、B物料流量量、温度度、浓度度；夹套入口口冷却水水温度、压力；搅拌器转转速等。例：解： 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量p被控变量y调节阀锅炉汽包液位测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+被控对象象为锅炉炉汽包;被控变量量为锅炉炉汽包液液位;操纵变量量为锅炉炉给水流流量;主要干扰扰有：锅锅炉给水水温度、压力；蒸汽压力力、流量量；炉膛温度度等。根据锅炉炉汽包水水位控制制示意图图：（1）画画出控制制系统的的方块图；（2）指指出系统统中的被控对象象、被控

31、变量量、操纵变量量及可能的扰扰动分别是什什么?（3）当当蒸汽负负荷突然然增加时时，根据据方块图图分析自控控系统是是如何实实现自动动控制的的。130第第三节自动控制制系统有有多种分分类方法法：一、按被被控变量量分类二、按控控制规律律分类三、按给给定值变变化规律律分类最常用第 一章章第一节主要内容容第二节系统组成成及方块图图第三节系系统分分类第四节过过渡过过程和品质指指标1.静态与动动态2.过渡过程程3.品质指标标4.影响过渡渡过程品质主要要因素第五节工工艺管道道及控制流程程图1.图形符号号2.字母代号号3.仪表位号号第三节系系统分分类第三节自自动控控制系统统的分类类131分分类一、按被被控变量量

32、分类二、按控控制规律律分类三、按给给定值变变化规律律分类被控变量温度控制制系统T压力控制制系统P液位控制制系统L流量控制制系统F1-3自动控制制系统的的分类132分分类控制规律比例控制制P比例积分分控制PI比例微分分控制PD比例微分分积分控控制PID一、按被被控变量量分类二、按控控制规律律分类三、按给给定值变变化规律律分类1-3自动控制制系统的的分类133分分类给定值变化定值控制制系统给定值x恒定不变变的系统统称为定定值控制制系统。随动控制制系统（自动跟跟踪控制制）给定值x随机变化化的系统统称为随随动控制制系统，又称自自动跟踪踪控制。程序控制制系统（顺序控控制系统统）给定值x按照已知知规律(时

33、间函函数)变变化的系系统称为为程序控控制系统统，又称称顺序控控制系统统。 一、按被被控变量量分类二、按控控制规律律分类三、按给给定值变变化规律律分类定值控制制系统随动控制制系统(自动跟跟踪控制制)程序控制制系统(顺序控控制系统统)一、按被被控变量量分类二、按控控制规律律分类三、按给给定值变变化规律律分类1-3自动控制制系统的的分类133a定值控制制系统给定值x恒定不变变的系统统称为定定值控制制系统。所谓“定定值”就就是给定定值恒定定的简称称。在实际生生产过程程中，通通常控制制系统的的作用是是使被控控制的工工艺参数数保持在在一个生生产指标标上不变变，或者者说要求求被控变量量y恒定不变变，即给定值

34、x不变，这这时就需需要采用用定值控控制系统统。前面讨论论的水槽对象象液位控控制系统统、换热器温温度控制制系统都是定值值控制系系统的例例子，其其目的就就是使水水槽内的的液位、换热器器的出口口物料温温度保持持恒定不不变。化工生产产中要求求的大都都是这种种类型的的控制系系统，因因此后面面所讨论论的，如如果未加加特别说说明，都都是指定值控控制系统统。一、按被被控变量量分类二、按控控制规律律分类三、按给给定值变变化规律律分类定值控制制系统随动控制制系统(自动跟跟踪控制制)程序控制制系统(顺序控控制系统统)1-3自动控制制系统的的分类133b随动控制制系统（自动跟跟踪控制制）给定值x随机变化化的系统统称为

35、随动控制制系统，又称自动跟踪踪控制系系统。这类系系统的特特点是给给定值不不断地变变化，而而且这种种变化不不是已知知的、预预先规定定好的，而是随随机的。随动系系统的目目的就是是使所控控制的参参数准确确而快速速地跟随随给定值值的变化化而变化化。随动控制制系统的的典型应应用有：航空导导航雷达达系统，电视台台天线接接收系统统 在化工生生产中，有些比值控制制系统就属于随随动控制制系统。例如要要求B物料的流流量与A物料的流流量保持持一定的的比值，当A物料的流流量变化化时，要要求B物料的流流量能快快速而准准确地随随之变化化。由于于A物料的流流量变化化在生产产中可能能是随机机的，所所以B物料的流流量给定定值也

36、是是随机的的，故属属于随动动控制系系统。一、按被被控变量量分类二、按控控制规律律分类三、按给给定值变变化规律律分类定值控制制系统随动控制制系统(自动跟跟踪控制制)程序控制制系统(顺序控控制系统统)1-3自动控制制系统的的分类133c程序控制制系统（顺序控控制系统统）给定值x按照已知知规律(时间函函数)变变化的系系统称为为程序控控制系统统，又称称顺序控控制系统统。这类系统统的给定定值x虽然也是是变化的的，但与与随动控控制系统统有所不不同，它它是一个个已知的的时间函函数。这类系统统在间歇歇式生产产过程中中应用比比较普遍遍，如：合成纤纤维锦纶纶生产中中的熟化化罐温度度控制，金属热热处理的的温度控控制

37、近年来来，程序序控制系系统应用用日益广广泛，一一些定型型的或非非定型的的程控装装置越来来越多地地被应用用到生产产中，微微型计算算机的广广泛应用用也为程程序控制制提供了了良好的的技术工工具与有有利条件件。由于专业业和课时时限制，这类控控制系统统在本课课程中不不作介绍绍。一、按被被控变量量分类二、按控控制规律律分类三、按给给定值变变化规律律分类定值控制制系统随动控制制系统(自动跟跟踪控制制)程序控制制系统(顺序控控制系统统)1-3自动控制制系统的的分类140第第四节第 一章章第一节主要内容容第二节系统组成成及方块图图第三节系系统分类类第四节过过渡过程程和品质指指标1.静态与动动态2.过渡过程程3.

38、品质指标标4.影响过渡渡过程品质主要要因素第五节工工艺管道道及控制流程程图1.图形符号号2.字母代号号3.仪表位号号第四节过过渡过过程和品质指指标第四节自自动控控制系统统的过渡过过程和品品质指标标一、控制制系统的的静态与与动态二、控制制系统的的过渡过过程三、控制制系统的的品质指指标四、影响响控制系系统过渡渡过程品品质指标标的主要要因素141静静态与动动态a一、控制制系统的的静态与与动态在研究自自动控制制系统过过程中：将被控变量量不随时时间而变变化的平衡状状态称为为系统的的静态。将被控变量量随时间间而变化化的不平衡衡状态称称为系统统的动态。设定值的的变化，称为设定作用用或控制作用用；扰动的变变化

39、，称称为干扰作用用f。自动控制制系统的的输入：当输入（给定值值和干扰扰）不变变时，整整个系统统能够建建立“平平衡”，系统的的各个环环节暂时时不动作作，处于于相对静静止状态态，这种种状态称称为自控控系统的的“静态” 。 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标141b被控变量量不随时间间而变化化的平衡衡状态称称为系统统的静态。当自动控控制系统统的输入入（给定定值x和干扰作作用f）和输出y均恒定不不变时，整个系系统就处处于一种种相对稳稳定的平平衡状态态，系统统的各个个环节（变送器器、控制制

40、器、执执行器）都不改改变其原原有状态态，其输输出信号号都处于于相对静静止状态态，这就就是所谓谓的“静态”。这里所指指的“静态”与习惯惯上所讲讲的静止止是不同同的：习惯上所所说的静止是指静止止不动(即相对对静止)；自动化领领域中的的“静态”是指系系统中各各信号的的变化率率为零，即信号号保持不不变，而而不是指指物料不不流动或或能量不不交换。因为在在自动控控制系统统的“静静态”下下，生产产仍在进进行，物物料和能能量有进进有出，只是平平稳进行行、没有有变化。1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标141c假如一个个系统原原先处于于“静态”，由于于干扰的的作用而而打破了了这种“静态”时，被被控变

41、量量就会发发生变化化，从而而使控制制器、执执行器等等自动化化装置改改变原来来平衡时时所处的的状态，产生控控制作用用来克服服干扰的的影响，并力图图使系统统恢复平平衡。从干扰发发生开始始，经过过调节控控制，直到系统统重新建建立平衡衡，这段段时间中中整个系系统的各各个环节节和信号号都处于于变动状状态，故故称之为为“动态”。在研究自自动控制制过程中中，了解解系统的的静态是是必要的的，但是是了解系统统的动态态更为重重要：因为在在生产过过程中，干扰是是客观存存在的、不可避避免的，干扰总总会破坏坏系统的的平衡状状态、导导致被控控变量发发生变化化。系统统中时刻刻都有干干扰作用用，因此此就需要要通过自自动控制制

42、系统不不断地施施加控制制作用，从而消消除干扰扰作用的的影响，使被控控变量保保持在工工艺生产产所要求求的指标标上。显显然，自自动控制制系统在在正常工工作时，总是处处于一波波未平，一波又又起，波波动不止止，往复复不息的的动态过过程中。由此可可见，研研究自动动控制系系统的重重点应该该是研究究系统的的动态。被控变量量随时间变变化的平平衡状态态称为系系统的动态。1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142过过渡过程程a二、控制制系统的的过渡过过程在上图所所示的简简单控制制系统方方块图中中，假定定系统原原先处于于平衡状状态“静态”，系统统中的各各个环节节都不改改变其原原有状态态，其输输出信号号都

43、处于于相对静静止状态态；动态静态静态过渡过程在某一时时刻t0，有一干扰扰因素作作用于对对象，引引起输出出y发生变化化，系统统进入“动态” ;由于自动动控制系系统的负负反馈作作用，经经过一段段时间后后，系统统会重新新恢复平平衡，达达到一个个新的平平衡状态态 “静态”。系统从一一个平衡衡状态过过渡到另另一个平平衡状态态的过程程，称为为系统的的过渡过程程。 给定值x 偏差e控制器输出p操纵变量q被控变量y执行器对 象测量元件变送器控制器测量值 z干扰作用f+1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142b在过渡过过程中，被控变变量是随随时间变变化的。了解过过渡过程程中被控控变量的的变化规规律

44、，对对于研究究自动控控制系统统十分重重要。显然，被被控变量量随时间间的变化化规律首首先取决决于作用用于系统统的干扰扰形式。在实际际生产中中，干扰扰是没有有固定形形式的，多半属属于随机机性质。在分析析和设计计控制系系统时，为了安安全和方方便，常常选择一一些定型型的干扰扰形式，其中常常用的是是阶跃干干扰。所谓阶跃干扰扰，就是在在某一瞬瞬间t0，干扰(即即输入量量)突然然地、阶阶跃式的的加到系系统中，并继续续保持在在这个幅幅度。阶跃干扰扰t0 时间 t 输入量采取阶跃跃干扰的的形式来来研究自自动控制制系统的的原因：（1）这这种形式式的干扰扰比较突突然，比比较危险险，它对对被控变变量的影影响也最最大。

45、如如果一个个控制系系统能够够有效地地克服这这种类型型的干扰扰，那么么对于其其他比较较缓和的的干扰也也一定能能很好地地克服；（2）这这种干扰扰的形式式简单，易于实实现，便便于分析析、实验验和计算算；（3）其其他形式式的干扰扰可以看看作是多多个阶跃跃干扰的的叠加。1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142d自动控制制系统在在阶跃干干扰作用用下过渡渡过程的的基本形形式有：（1）非非周期衰衰减过程程（2）单调调发散（非周期期发散）（3）衰衰减振荡荡过程（4）等幅幅振荡过过程（5）发发散振荡荡过程t0 时间 t 输入量t0 时间 t 被控变量阶跃干扰扰出现后后，被控控变量在在给定值值的某一一

46、侧作缓缓慢变化化，没有有来回波波动，最最后稳定定在某一一数值上上，这种种过渡过过程形式式称为非周期衰衰减过程程。这这是一种种稳定过过渡的过过程。1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142et0 时间 t 输入量t0 时间 t 被控变量阶跃干扰扰出现后后，被控控变量在在给定值值的某一一侧作缓缓慢变化化，没有有来回波波动，逐逐渐远离离给定值值，这种种过渡过过程形式式称为单调发散散过程或非周期发发散过程程。这这是一种种不稳定定的过渡渡过程，应尽量量避免。自动控制制系统在在阶跃干干扰作用用下过渡渡过程的的基本形形式有：（1）非非周期衰衰减过程程（2）单调调发散（非周期期发散）（3）衰衰减振

47、荡荡过程（4）等幅幅振荡过过程（5）发发散振荡荡过程1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142ft0 时间 t 输入量t0 时间 t 被控变量阶跃干扰扰出现后后，被控控变量上上下波动动，但幅幅度逐渐渐减少，最后稳稳定在某某一数值值上，这这种过渡渡过程形形式为衰衰减振荡荡过程。这这是一种种稳定过过程，是是自动控控制的最最佳状态态。自动控制制系统在在阶跃干干扰作用用下过渡渡过程的的基本形形式有：（1）非非周期衰衰减过程程（2）单调调发散（非周期期发散）（3）衰衰减振荡荡过程（4）等幅幅振荡过过程（5）发发散振荡荡过程1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142gt0 时间 t

48、 输入量t0 时间 t 被控变量阶跃干扰扰出现后后，被控控变量在在给定值值附近来来回波动动，且波波动幅度度基本保保持不变变，这种种情况称称为等幅振荡荡过程。这这是一种种不稳定定过程，但在某某现情况况下可以以使用。自动控制制系统在在阶跃干干扰作用用下过渡渡过程的的基本形形式有：（1）非非周期衰衰减过程程（2）单调调发散（非周期期发散）（3）衰衰减振荡荡过程（4）等幅幅振荡过过程（5）发发散振荡荡过程1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142ht0 时间 t 输入量t0 时间 t 被控变量阶跃干扰扰出现后后，被控控变量来来回波动动，且波波动幅度度逐渐变变大，即即偏离给给定值越越来越远远

49、，这种种情况称称为发散振荡荡过程。这这是一种种不稳定定的过渡渡过程，应当避避免。自动控制制系统在在阶跃干干扰作用用下过渡渡过程的的基本形形式有：（1）非非周期衰衰减过程程（2）单调调发散（非周期期发散）（3）衰衰减振荡荡过程（4）等幅幅振荡过过程（5）发发散振荡荡过程1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142i都是发散散的过渡渡过程，称为不不稳定过过渡过程程，其被被控变量量在控制制过程中中，不但但不能达达到平衡衡状态，而且逐逐渐远离离给定值值，这将将导致被被控变量量超越工工艺允许许范围，严重时时会引起起事故，这是生生产上所所不允许许的，应应竭力避避免。过渡过程分类发散的过过渡过程程

50、，又称称为不稳稳定过渡渡过程衰减的过过渡过程程，又称称为稳定定过渡过过程等幅的过过渡过程程，也认认为是不不稳定的的过渡过过程t0 时间 t 被控变量被控变量t0 时间 t 单调发散散（非周周期发散散）过程程和发散振荡荡过程1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142j都是衰减减的过渡渡过程，称为稳稳定过渡渡过程，其被控控变量在在控制过过程中，经过一一段时间间后，逐逐渐趋向向原来的的或新的的平衡状状态，这这是所希希望的。非周期衰衰减过程程和衰减振荡荡过程对于非周期衰衰减过程程，由于过过渡过程程变化较较慢，被被控变量量长时间间地偏离离给定值值而不能能很快恢恢复平衡衡状态，所以一一般不采采

51、用，只只是在生生产上不不允许被被控变量量有波动动时才采采用。对于衰减振荡荡过程，由于能能够较快快地使系系统达到到稳定状状态，所所以在多多数情况况下都希希望得到到这种过过渡形式式。t0 时间 t 被控变量t0 时间 t 被控变量过渡过程分类发散的过过渡过程程，又称称为不稳稳定过渡渡过程衰减的过过渡过程程，又称称为稳定定过渡过过程等幅的过过渡过程程，也认认为是不不稳定的的过渡过过程1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标142k等幅振荡荡过程介介于不稳稳定与稳稳定之间间，一般般也认为为是不稳稳定过渡渡过程，实际生生产中一一般不采采用，只只有在某某些控制制质量要要求不高高的场合合，如果果允许

52、被被控变量量在工艺艺许可的的范围内内振荡时时 (例例如位式式控制)，这种种过渡过过程的形形式才可可以采用用。被控变量t0 时间 t 过渡过程分类发散的过过渡过程程，又称称为不稳稳定过渡渡过程衰减的过过渡过程程，又称称为稳定定过渡过过程等幅的过过渡过程程，也认认为是不不稳定的的过渡过过程1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标143品品质指标标a三、控制制系统的的品质指指标控制系统统的过渡渡过程是是衡量控控制系统统品质的的依据。由于在在多数情情况下，由于自自动控制制系统的的过渡过过程基本本上都是是衰减振振荡过程程，所以以以衰减减振荡的的过渡过过程为例例来分析析自动控控制系统统的品质质指标

53、。假定系统统在阶跃跃输入作作用下被被控变量量的变化化如图所所示，属属于衰减减振荡过过程。图图中横坐坐标为时时间t，纵坐标为为被控变变量y。tt0之前，系系统稳定定，且被被控变量量等于给给定值；tt0时刻，在在外加阶阶跃输入入作用下下，系统统的被控控变量开开始按衰衰减振荡荡的规律律变化；经过相当当长时间间后，t，被控变量量y逐渐稳定定在一定定值。t0 时间 t 被控变量y为了直观观起见，将被控控变量曲曲线图进进行简化化：时间 t0yy1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标143b控制系统统的品质质指标:（1）过渡时间间TS（2）余差C（3）最大偏差差A（或超调量量B）（4）衰减比n（5

54、）振荡周期期T（或振荡频频率）（7）振荡次数数（8）上升时间间t0 时间 t 被控变量y时间 t1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标143过过渡时间间b1.过过渡时间间TS从干扰作作用发生生的时刻刻起，直直到系统统重新建建立新的的平衡时时，过渡渡过程所所经历的的时间叫叫过渡时间间，用TS表示。严格地讲讲，要完完全达到到新的平平衡状态态需要无无限长的的时间。实际上上，由于于仪表灵灵敏度的的限制，当被控控变量接接近稳态态值时，指示值值就基本本上不再再改变了了。一般般是在稳稳态值的的上下规规定一个个范围( 5或或2)，当被控控变量进进入这一一范围不不再越出出时，就就认为被被控变量量已经达

55、达到新的的稳态值值，过渡渡过程已已经结束束。时间t被控变量量y2%TS过渡时间间短，表表示过渡渡过程进进行得比比较迅速速，这种种情况下下，即使使干扰频频繁出现现，系统统也能适适应，系系统控制制质量就就高；反反之，过过渡时间间过长，第一个个干扰引引起的过过渡过程程尚未结结束，第第二个干干扰就已已经出现现，这样样，几个个干扰的的影响叠叠加起来来，就可可能使系系统满足足不了生生产的要要求。1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标143余余差c 时间 t 被控变量yC2.余余差C当过渡过过程终了了时，被被控变量量所达到到的新的的稳态值值与给定定值之间间的偏差差叫做余差，如图中中“C”所示。或者

56、说，余差就是过渡渡过程终终了时的的残余偏偏差。余差C 新的稳态态值 给定定值由此可见见，余差差可正可可负。给定值是是生产的的技术指指标，所所以，被被控变量量越接近近给定值值越好，即余差差越小越越好（但但也不能能一概而而论。考考虑到投投资问题题，一般般储槽液液位与合合成塔触触媒层温温度控制制要有所所侧重、区别）。有余差的的控制过过程称为为有差调节节，相应的的系统称称为有差系统统；无余差的的控制过过程称为为无差调节节，相应的的系统称称为无差系统统。1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标143偏偏差d 时间 t 被控变量yCAB3.最最大偏差差A（或超调量量B）最大偏差差是指过渡渡过程中中

57、被控变变量偏离离给定值值的最大大数值。在衰减振振荡过程程中，最最大偏差差就是第第一个波波的峰值值，如下下图所示示的“A”值。最大偏差差表示系系统瞬间间偏离给给定值的的最大程程度。偏偏离越越大，表表明系统统离规定定的工艺艺指标就就越远，这对稳稳定生产产是不利利的。因因此最大大偏差可可以作为为衡量系系统质量量的一个个品质指指标。一般来讲讲，最大大偏差越越小越好好，特别别是对化化工生产产有时也可可以用超调量B来表征被被控变量量偏离给给定值的的程度。超调量B就是第一一个峰值值（最大偏差差A）与余差C之差超调量B =最大偏差差A 余差C对于无差差调节系系统，余差C为零，新新的稳定定值等于于给定值值,此时

58、时最大偏差差A等于超调量B。1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标143衰衰减比e 时间 t 被控变量yBB前后相邻邻两个峰峰值的比（即即B:B）是表示衰减减程度的的指标，称为衰减减比，习习惯上表表示为n:1，一般n取 410。假如n只比1稍稍大一点点，则过过渡过程程的衰减减程度很很小，接接近于等等幅振荡荡过程，这种过过程振荡荡过于频频繁，一一般不采采用。如果n很大，则则又接近近于非振振荡过程程，过渡渡过程过过于缓慢慢，通常常这也是是不希望望的。4.衰衰减比n一般n取 410为为宜。衰减比在在4:1到10:1之之间时，过渡过过程开始始阶段的的变化速速度比较较快，被被控变量量能比较较快

59、地达达到一个个峰值，然后马马上下降降，又较较快地达达到一个个低峰值值，而且且第二个个峰值远远远低于于第一个个峰值，操作人人员可以以判断出出被控变变量会很很快稳定定下来。如果过渡渡过程接接近于非非振荡的的衰减过过程，操操作人员员可能在在较长的的时间内内看到被被控变量量一直上上升(或或下降) 不止止，很可可能会手手动调节节，对系系统施加加人为干干扰，使使系统处处于难于于控制的的状态。1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标143振振荡周期期f时间t被控变量量yT5.振振荡周期期T（或振荡频率率）过渡过程程同向两两波峰(或波谷谷)之间间的间隔隔时间叫叫振荡周期期，用T表示，如如图所示示振荡周

60、期期T的倒数称称为振荡荡频率，用表示。1/T在衰减比比相同的的情况下下，振荡荡周期与与过渡时时间成正正比，一一般希望望振荡周周期短一一些为好好。1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标143振振荡次数数g时间t被控变量量y2%6.振振荡次数数过渡过程程内被控控变量的的振荡周周期数，称为振荡次数数。振荡次数数实际上上与衰减减比n有关，数数学上等等于TS/T。当n4时，过渡渡过程振振荡二次次就能够够稳定下下来，即即所谓的的“理想想过渡二二个波”，“二二次波动动即安定定”。TST1-4自动控制制系统的的过渡过过程和品品质指标标143上上升时间间h时间t被控变量量y7.上上升时间间自干扰（或变