过程装备控制技术1章2012-6

过程装备控制技术主讲：李宏燕联系方式：Email:Lhy-208@163.com前言《过程装备控制技术》课程简介一课程基本情况

学分：4.5

总学时：86

授课学时：68

实验学时：18

课程性质：专业基础课

适应专业：过程装备与控制工程专业先修课：过程控制原理、化工原理、过程流体机械、过程设备设计教材：王毅.过程装备控制技术及应用,过程装备与控制工程专业核心课程系列教材

二课程的性质与教学目的

本课程是过程装备与控制工程专业的一门重要的专业基础课。在技术发展的今天，过程装备技术人员掌握自动控制系统及常用的仪表知识，不但对于工业生产的正常运行是必要的、而且对于化工工艺及装备的设计改进也是必不可少的。三教学基本要求

掌握控制工程及自动化方面的基本知识和理论，掌握过程控制系统设计的基本要求，初步具有完成自动控制系统设计的能力。

前言《过程装备控制技术》课程简介教学环节、内容和学时分配（一）理论教学68学时第一章控制系统的基本概念6

学时第二章过程装备控制基础14第三章过程检测技术22第四章过程控制装置14第五章计算机控制系统6第六章典型过程控制系统应用方案6

前言《过程装备控制技术》课程简介(二）实践教学18学时

前言《过程装备控制技术》课程简介（1）单容/双容液位对象特性测定实验2（2）液位传感器的工作原理和校验实验2（3）水箱液位调节阀定值控制实验2（4）管道压力定值控制实验2（5）加热水箱温度定值控制实验2（6）水箱液位与管道流量的串级控制实验2（7）流量变频器定值控制实验2（8）流量-液位前馈反馈控制实验2（9）水箱液位位式控制实验2（10）电动调节阀的流量特性测定实验2（11）水箱液位PLC定值控制实验2（12）工控组态软件组态和控制实验2合计（选做以上实验项目中的9个实验）18五参考书[1]厉玉鸣.化工仪表及自动化(第四版).化学工业出版社.2008.[2]厉玉鸣.化工仪表及自动化例题习题集.2008[3]陈诗滔.工业过程仪表与控制.中国轻工业出版社.2009,9[4]孙炳达.自动控制原理.机械工业出版社.2009,10[5]周春晖.化工过程控制原理.化学工业出版社.2010,9[6]陈守仁.自动检测技术及仪表.机械工业出版社.2010[7]王骥程，祝和云.化工过程控制工程.化学工业出版.2011,5

前言《过程装备控制技术》课程简介六考核方式闭卷笔试总评成绩=考试成绩×60%+平时成绩×20%+实验成绩×20%七上课要求1上课认真听课、作好课堂笔记2课后及时复习、独立完成作业遇有疑难问题、及时交流讨论答疑时间和地点：星期三机械楼411

前言《过程装备控制技术》课程简介教学内容:§1.1化工生产自动化的主要内容§1.2控制系统的组成§1.3带控制点的工艺流程图§1.4自动控制系统方块图§1.5控制系统的分类§1.6自动控制系统的过渡过程和品质指标第1章自动控制系统基本知识教学要求

1掌握自动控制系统的组成，各环节的作用以及各环节之间的联系。

2掌握方块图的画法，对一个具体的控制系统来说，能准确指出被控对象、被控变量、操纵变量、扰动量等参数。

3掌握带控制点流程图上常用图形符号的含义。

4掌握闭环控制系统在阶跃扰动作用下，过渡过程的几种基本形式及过渡过程品质指标的含义。

本章作业：Pg11：1、6、7、8、9、10；补充题1：求过渡过程性能指标。

本章思考题：Pg11：2、3、4、5、

HGJ7-87《化工过程检测.控制系统设计符号统一规定》

第1章自动控制系统基本知识1．1概述过程装备控制引言？化工生产过程自动化？含义、目的、发展第1章自动控制系统基本知识化工生产自动化的含义是化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化的简称。在化工设备上，配备上一些自动化装置，代替操作人员的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行，这种用自动化装置来管理化工生产过程的办法，称为化工自动化。1．1.0引言目的

加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量和质量；减轻劳动强度，改善劳动条件；能够保证生产安全，防止事故发生或扩大，达到延长设备使用寿命，提高设备利用能力的目的；生产过程自动化的实现，能根本改变劳动方式，提高工人文化技术水平，为逐步地消灭体力劳动和脑力劳动之间的差别创造条件。1．1.0引言化工自动化的发展20世纪40年代以前绝大多数化工生产处于手工操作状况，操作工人根据反映主要参数的仪表指示情况，用人工来改变操作条件，生产过程单凭经验进行。低效率，花费庞大。20世纪50年代到60年代人们对化工生产各种单元操作进行了大量的开发工作，使得化工生产过程朝着大规模、高效率、连续生产、综合利用方向迅速发展。1．1.0引言化工自动化的发展

20世纪70年代以来，化工自动化技术又有了新的发展已发展为综合自动化，应用的领域和规模越来越大；显示了知识密集化、高技术集成化的特点；智能化程度日益增加。20世纪末，计算机、信息技术的飞速发展，引发了自动化系统结构的变革1．1.0引言图1-1宁东能源化工基地神华宁煤集团甲醇项目夜景1．1.0引言1.1.1化工自动化的主要内容化工过程生产自动化，包括以下四个主要内容:？1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统利用各种检测仪表对主要工艺参数进行测量、指示或记录。它代替操作人员对工艺参数的不断观察与记录，起着眼睛的作用。往复压缩机在线监测系统时间水箱供水口温度水箱出水口温度水箱温度环境温度2013/12/188:30-112013/12/188:3512.812.616.4-10.92013/12/188:4012.912.116.4-10.42013/12/188:451311.716.4-9.92013/12/188:5013.211.316.4-9.82013/12/188:5513.210.916.4-8.82013/12/189:0013.310.616.4-8.42013/12/189:0513.410.316.4-7.92013/12/189:1013.51016.4-化工自动化的主要内容1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统是生产过程中的安全装置。当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生前，信号联锁保护系统就自动地发生声光信号，告诫操作人员注意，并及时采取措施。若工况已达危险状态时，联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切断某些通路，必要时紧急停车，以防事故发生和扩大。如高限液位和低限液位报警装置

1.1.1化工自动化的主要内容1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统

可以根据预先规定的步骤自动的对生产设备进行某种周期性的操作。例如：煤气发生炉的造气过程。自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将生产过程自动地投入运行或自动停车。吹风、上吹、下吹、二次上吹、吹净1.1.1化工自动化的主要内容自动控制系统是自动化生产的核心部分，也是本课程了解和学习的重点特别提醒思考题P11：1什么叫生产过程自动化?生产过程自动化主要包括了哪些内容?

1.自动检测系统2.信号联锁保护系统3.自动操纵及自动开停车系统4.自动控制系统

当某一设备的工艺条件发生变化时，自动控制系统能自动地排除各种干扰因素，使工艺参数始终保持在预先规定的数值范围内，以保证生产维持正常或最佳的工艺操作状态。1.1.2过程装备控制的要求和任务主要参数，即温度、压力、流量、液位(或物位)、成分和物性三项要求：即安全性、经济性和稳定性过程装备控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。1．2控制系统的组成1．2．1过程装备的控制方法过程工业生产都是在一定的温度、压力、浓度、物位、流量下进行的。为了实现控制要求，通常有两种方式可以选择:人工控制自动控制

（1）用眼观察温度计的指示值；（2）将观察值与要求值进行比较，得出偏差的大小和方向，并传递给大脑；（3）大脑根据偏差的大小和方向，依据经验决定开关阀门开度的大小和方向，并指令手去执行；（4）手根据大脑的指令去执行控制阀门的动作。exp1:换热器管程出口温度的控制1．2．1过程装备的控制方法人工控制过程：图1-2换热器人工控制自动控制过程：（1）热电阻——“眼睛”测得出口物料的温度，并转换成电信号，再由温度变送器将电信号转换成标准信号（2）控制器——“人脑”控制器将变送器送来的信号与要求值进行比较，得出偏差的大小和方向；（3）控制阀——“人手”，调节蒸汽加入量1．2．1过程装备的控制方法图1-3换热器自动控制Exp2:水槽液位控制1243出水进水图1-5贮槽水位控制系统1-贮槽；2-浮球；3-杠杆；4-针形阀图1-4液位人工控制系统QiQ0h1．2．1过程装备的控制方法表1-1人工控制与自动控制的比较人工控制自动控制检测系统眼睛——观察差压变送器控制系统大脑——信息处理液位调节器操纵系统信号连锁系统手动操作调节阀无自动调节阀有1．2．1过程装备的控制方法在自动控制系统中，测量仪表、控制仪表、自动调节阀分别代替了人工控制中人的观察、思考和手动操作，因而大大降低了人的劳动强度;同时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作等速度远远高于人的观察、思考和操作过程，因此自动控制可以满足信号变化速度快、控制要求高的场合。结论：1．2．1过程装备的控制方法1．2．2控制系统的组成测量元件和变送器调节器（控制器）执行器辅助装置，如：给定装置、转换装置、显示仪表等控制系统的组成被控对象自动控制装置被控对象：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器，如：换热器、塔器、反应器、泵、压缩机、管道、各种贮槽等。▲自动控制系统被控对象自动控制装置测量元件与变送器

控制（调节）器执行器（控制阀）1．2．2控制系统的组成测量元件与变送器：用来感受被控变量的变化并将它转换成一种特定的信号：如气压信号（0.02～0.1MPa）电流信号（0～10mA或4～20mA）▲自动控制系统被控对象自动控制装置测量元件与变送器

控制（调节）器执行器（控制阀）1．2．2控制系统的组成控制（调节）器：将检测元件及变送器送来的信号与工艺上需要保持的设定值信号进行比较，得出偏差的大小，根据偏差的大小及变化趋势，按照预先设定好的控制规律进行运算后，将运算结果用特定的信号发送给执行器（控制阀）。▲自动控制系统被控对象自动控制装置测量元件与变送器控制（调节）器执行器（控制阀）1．2．2控制系统的组成▲自动控制系统被控对象自动控制装置测量元件与变送器

控制（调节）器执行器（控制阀）

执行器（控制阀）：接受控制器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而相应地改变流入（或流出）被控对象的物料流量或能量，克服扰动的影响，最终实现控制要求。常见的有：气动薄膜执行器，电动执行器思考题P11：2自动控制系统主要是由哪几个环节组成的?1．2．2控制系统的组成例1、如图所示，为一换热器温度简单控制系统，试分析该控制系统的组成，并简要分析其控制过程。TCTT冷物料蒸汽热物料1．2．2控制系统的组成图1-6换热器控制系统例2、如图所示为一反应器温度控制系统，试分析该控制系统的组成，并简要分析其控制过程。TTTCAB冷却水图1-7反应器控制系统§1.3带控制点的工艺流程图带控制点的工艺流程图：在控制方案确定后，用自动控制系统设计规定的文字符号和图形符号在工艺流程图上标出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等。流程图中设备间连线表示物料流动的方向。HGJ7-87《化工过程检测.控制系统设计符号统一规定》一图形符号仪表:用直径约10mm的细实线圆圈表示。测量点:是由工艺设备轮廓或工艺管线引到仪表圆圈的连接线的起点,无特定的符号。连接线：仪表到测量点之间的信号连接线用细实线表示仪表的安装位置见表1-1

仪表及测量点的表示§1.3带控制点的工艺流程图表1-2仪表安装位置的图形符号表示§1.3带控制点的工艺流程图①仪表圆圈的上半圆内：用英文字母表示被测变量和仪表的功能。第一位字母表示被测变量；第二位起后续字母表示仪表功能。②仪表圆圈的下半圆内：用阿拉伯数字表示仪表的位置编号。第一位数字表示工段号；第二位起后续数字表示仪表的序号。常见被测变量和仪表功能的字母代号见表3§1.3带控制点的工艺流程图二字母代号√√√√√√√√√√表1-3常见被测变量和仪表功能的字母代号§1.3带控制点的工艺流程图图1-8带控制点的工艺流程图——表示测量点在塔顶的压力指示控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为07。——表示测量点在加热蒸汽管线上的蒸汽压力指示仪表，该仪表为就地安装仪表，工段号为2，仪表序号为06。PIC207PI206LIC201——表示测量点在回流罐封头处的液位指示控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为01。例3读图§1.3带控制点的工艺流程图③①②——表示测量点在塔的下部温度记录控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为10。FR212TRC210LICA202HL——表示测量点在塔的下部的液位指示、报警控制仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为02。H、L表示仪表具有高、低报警功能。——表示测量点在进口管线上的孔板流量记录仪表，仪表安装在集中仪表盘面上，工段号为2，仪表序号为12。图1-8带控制点的工艺流程图§1.3带控制点的工艺流程图⑥⑤④一自动控制系统方块图：是用一个方块代表自动控制系统中的一个组成环节，用箭头表示两个环节的信号联系和传递方向，用规定的字母表示方块间相互作用的信号参数。特别提醒§1.4自动控制系统方块图图1-9简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量思考题P11：3什么是自动控制系统的方框图?它与工艺流程图有什么不同?自动控制系统的方框图是由传递方框、信号线、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个方块代表系统中的一个组成部分，方块内填入表示其自身特性的数学表达式；方块间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向。采用方块图可直观地显示出系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。工艺流程图则是以形象的图形、符号、代号，表示出工艺过程选用的化工设备、管路、附件和仪表自控等的排列及连接，借以表达在一个化工生产中物料和能量的变化过程，即原料→成品全过程中物料和能量发生的变化及其流向。1.4自动控制系统方块图二自动控制系统中的常用术语被控变量y——被控对象内要求保持设定值的工艺参数。测量值ym——由检测元件检测到的被控变量的实际值。设（给）定值ys——被控变量的预定值。图1-9简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量1.4自动控制系统方块图操纵变量m——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的物料量或能量。扰动量f——除操纵变量外，作用于被控对象并引起被控变量变化的因素。例如换热器图1-9简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量1.4自动控制系统方块图偏差信号e=

ym－ys——被控变量的实际测量值与设定值之差。控制信号u——控制器按输入的偏差信号按一定规律计算得到的量。图1-9简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量1.4自动控制系统方块图反馈——把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输入端的做法。负反馈——反馈信号的作用与设定信号相反，使偏差信号减弱的反馈（e=ym－

ys），叫负反馈。正反馈——使偏差信号加强的反馈，即（e=ys+

ym）。图1-9简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量1.4自动控制系统方块图三例题讲解

例题1：锅炉是化工、炼油等企业中常见的主要设备。汽包水位是影响蒸汽质量及锅炉安全的一个十分重要的参数。水位过高，会使蒸汽带液，降低了蒸汽的质量和产量，甚至会损坏后续设备。而水位过低，轻则影响汽液平衡，重则烧干锅炉甚至引起爆炸。因此，必须对汽包水位进行严格的控制。下图是一锅炉汽包水位控制示意图，要求：

1）指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、扰动变量各是什么？

2）画出该控制系统的方块图。

LTLC冷水蒸汽汽包加热室图1-10锅炉汽包水位控制示意图1.4自动控制系统方块图解：（1）被控对象：被控变量：操纵变量：扰动量：(2)锅炉汽包水位控制系统方块图：控制器执行器锅炉汽包测量元件与变送器LsLf(干扰变量）Lme=Lm－LsumLTLC冷水蒸汽汽包加热室锅炉汽包；锅炉汽包的水位；锅炉给水量；冷水温度、压力、蒸汽压力、流量、燃烧状况等1.4自动控制系统方块图例2如图所示是一反应器温度控制系统示意图。工艺要求反应器内的温度保持不变。试画出该温度控制系统的方框图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量、干扰作用各是什么？TTTCAB冷却水图1-11反应器温度控制系统示意图1.4自动控制系统方块图例3、如图所示为一液位简单控制系统，工艺要求液位保持为某一数值，试画出该液位控制系统的方框图，并指出该控制系统中的被控对象、被控变量、操纵变量、干扰作用各是什么？LTLCqv1qv2图1-12水槽液位控制系统示意图1.4自动控制系统方块图例4如图所示为一自力式贮槽水位控制系统，试画出该系统的方块图，并指出系统中被控对象、被控变量、操纵变量、干扰作用是什么？1243出水进水图1-13贮槽水位控制系统1-贮槽；2-浮球；3-杠杆；4-针形阀1.4自动控制系统方块图

例5如图所示，一换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一定值。试画出该控制系统的方框图，并指出该系统的被控对象、被控变量、操纵变量、干扰作用各是什么？图1-14换热器温度控制系统TCTT冷物料蒸汽热物料1.4自动控制系统方块图例6在石油化工生产中，常常利用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，是裂解气体的温度下降到规定的数值上。如图所示是一个丙烯冷却器温度控制系统。被冷却的物料是乙烯裂解气，其温度要求控制在（15±1.5）℃。试画出该系统的方框图，并指出系统中被控对象、被控变量和操纵变量、干扰作用各是什么？TCTT气态丙烯乙烯裂解气液态丙烯丙烯冷却器图1-15换热器温度控制系统1.4自动控制系统方块图1画法方块图要注意的几个要点：

①组成控制系统的环节用“方块”表示

②信号联系箭头符号不能丢

③负反馈负号不能丢

④对某一具体的控制系统来说，应指出被控对象、被控变量、操纵变量、干扰变量是什么？

⑤给定值、被控变量不是环节，不用方块表示2理解负反馈闭环系统的含义

把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输入端的做法，叫反馈；使偏差信号减弱的反馈，叫负反馈。要点归纳1.4自动控制系统方块图温度控制系统[2]压力控制系统流量控制系统液位控制系统[3]成分控制系统

§1.5控制系统的分类2按控制器的控制规律分：比例（P）Proportion比例积分（PI)Integral比例微分(PD)Differential比例积分微分(PID)1按被控变量分：3按给定值的特点分：定值控制系统随动控制系统程序控制系统给定值恒定不变的控制系统。定值控制系统的作用是克服扰动对被控变量的影响，使被控变量最终回到给定值或其附近。以后无特殊说明控制系统均指定值控制系统而言。1.5控制系统的分类3按给定值的特点分：定值控制系统随动控制系统程序控制系统随动控制系统的设定值是不断变化的。随动控制系统的作用是使被控变量能尽快地、准确无误的跟踪设定值的变化而变化。

1.5控制系统的分类3按给定值的特点分：定值控制系统随动控制系统程序控制系统程序控制系统的设定值也是变化，但它是一个已知的时间函数，即设定值按一定的时间程序变化。1.5控制系统的分类4按系统输出信号对操纵变量影响分：是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的自动控制系统，系统输出变量会影响操纵变量。闭环控制开环控制是指控制器与被控对象之间只有顺向控制没有反向联系的自动控制系统，操纵变量不受系统输出信号的影响（反馈回路断开或调节器置于手操状态），如按设定值进行控制，按扰动进行控制。

图示思考题P11：5什么是闭环控制?什么是开环控制?定值控制系统为什么必须是一个闭环负反馈系统?1.5控制系统的分类简单控制系统[4]复杂控制系统是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个控制器和一个执行器所构成的单回路控制系统。如图17图1-17简单控制系统方块图被控变量干扰作用y给定值控制器执行器被控对象f测量元件与变送器yse=ym－ysumym偏差－控制信号操纵变量1.5控制系统的分类5按系统的复杂程度划分：5按系统的复杂程度划分：

简单控制系统

复杂控制系统[5]是指由多个被控对象、多个检测元件及变送器、多个控制器和多个执行器所构成的多回路控制系统。如图1-18图1-18串级复杂控制系统1.5控制系统的分类6按系统克服干扰的方法划分：

1.5控制系统的分类反馈控制系统前馈控制系统前馈--反馈控制系统6按系统克服干扰的方法划分：

P6：△y=△y1+△y2=0前馈完全补偿1.5控制系统的分类反馈控制系统前馈控制系统前馈--反馈控制系统6按系统克服干扰的方法划分：

1.5控制系统的分类反馈控制系统前馈控制系统前馈--反馈控制系统静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态。动态：被控变量随时间变化的不平衡状态。▲§1.6控制系统的过渡过程及其性能指标

一控制系统的静态和动态二控制系统的过渡过程1典型干扰输入信号的形式①阶跃干扰A0t0t12t20tAt②斜坡干扰③抛物线干扰0tδ（t）④单位脉冲干扰：2自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程①②③④

图1-18过渡过程的几种基本形式ytyyy①非周期衰减过程：系统受到扰动作用后，被控变量在给定值的某一侧做缓慢变化，没有来回波动，最终稳定在某一数值上。由于过渡速度慢、时间长，一般不采用思考题P11：8什么是自动控制系统的过渡过程？在阶跃干扰作用下有哪几种基本形式？其中哪些能满足自动控制的要求，哪些不能？为什么？1.6控制系统的过渡过程及其性能指标：2自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程①②③④

图1-18过渡过程的几种基本形式ytyyy1.6控制系统的过渡过程及其性能指标②衰减振荡过程：它表明当系统受到扰动作用后，被控变量上下波动，且幅度逐渐减小，经过一段时间最后稳定在某一数值上。我们希望得到的：2自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程①②③④

图1-18过渡过程的几种基本形式ytyyy1.6控制系统的过渡过程及其性能指标③等幅振荡过程：系统受到扰动作用后，被控变量在给定值附近来回波动且波动幅值保持不变。即被控变量在设定值的某一范围内来回波动，而不能稳定下来。一般不采用，如工艺上允许被控变量在一定范围内波动，则可采用。：2自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程①②③④

图1-18过渡过程的几种基本形式ytyyy1.6控制系统的过渡过程及其性能指标④发散振荡过程：它表明当系统受到扰动作用后，被控变量来回波动，且波动幅度逐渐增大，即被控变量偏离设定值越来越远，以至超越工艺允许范围。应尽量避免。3控制系统的性能指标最大偏差(或超调量)、衰减比、余差、回复时间等以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线表示；偏差积分性能指标——是希望输出与系统实际输出之间误差的某个函数的积分。平方误差积分指标(ISE)、时间乘平方误差的积分指标(ITSE)绝对误差积分指标(IAE)、时间乘绝对误差的积分指标(ITAE)1.6控制系统的过渡过程及其性能指标1

最大偏差A：被控量偏离给定值的最大数值。A小一些较好。

超调量σ：被控变量偏离给定值的程度。（y(∞)：新稳定值）2衰减比n=B1：B2：指过渡过程曲线上同方向第一个波的峰值与第二个波的峰值之比。n：1=4：1～10：1tsB2C图1-19过渡过程品质指标示意图AB1TtsB2Cy(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’以阶跃响应曲线表示：1.6控制系统的过渡过程及其性能指标衰减比n——同方向的相邻两个波峰之比，n=B1:B2注意n越小，衰减程度越小；n越大，衰减程度越快；n=1时，系统为等幅振荡过程；n<1时，系统为发散振荡过程；n﹥1时，系统为衰减振荡过程；n→∞时，系统为单调过程；选择n在4：1～10：1之间1.6控制系统的过渡过程及其性能指标衰减比对过渡过程的影响？：3余差e：指过渡过程终了时，被控变量所达到的新的稳态值与设定值之间的差值。一般e越小越好4过渡时间ts：指控制系统受到扰动作用后，被控变量从原稳定状态回复到新的平衡状态（±5%的范围内）所经历的最短时间。5振荡周期T（或频率）：指过渡过程两个同向波峰之间的间隔时间，其倒数为振荡频率。tsB2e图1-19过渡过程品质指标示意图AB1TtsB2ey(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’1.6控制系统的过渡过程及其性能指标平方误差积分指标(ISE)偏差积分性能指标有余差时，偏差ISE对同一偏差面积由于离设定值远近不同引起的目标值J是不同的，远离者目标值J大于临近者，即ISE对大偏差敏感，若用于调整控制器参数，则所得的过渡过程不会出现大偏差；1.6控制系统的过渡过程及其性能指标平方误差积分指标(ISE)时间乘平方误差的积分指标(ITSE)偏差积分性能指标有余差时，偏差ITSE指标兼有ISE指标和ITAE指标的特点，用于调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。1.6控制系统的过渡过程及其性能指标平方误差积分指标(ISE)时间乘平方误差的积分指标(ITSE)绝对误差积分指标(IAE)有余差时，偏差IAE指标是偏差面积积分，没考虑偏差面积距离设定值的远近；偏差积分性能指标1.6控制系统的过渡过程及其性能指标平方误差积分指标(ISE)时间乘平方误差的积分指标(ITSE)绝对误差积分指标(IAE)时间乘绝对误差的积分指标(ITAE)有余差时，偏差ITAE指标将偏差面积用时间来加权，考虑了偏差积分面积出现的时间；对初始偏差不敏感，对后期偏差敏感；用于调整控制器参数其过渡过程的初始偏差较大，但过渡时间较短；偏差积分性能指标1.6控制系统的过渡过程及其性能指标控制系统的各种性能指标是彼此相关、相互约束的，不可能出现同时都是最好的情况。确定性能指标时应主要看能否满足工艺的要求。注意1.6控制系统的过渡过程及其性能指标例1某化学反应器工艺规定操作温度为900±10℃，考虑安全因素，调节过程中温度偏离给定值最大不得超过80℃。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。其中y0=900℃，y1=908℃，y2=918℃，y3=950℃，t1=9min，t2=45min，t3=47min，试确定该系统的最大偏差，衰减比，余差，振荡周期和过渡时间（按被控变量进入±1%新稳态来确定），并分析该系统能否满足工艺要求？y2y3y1y0t1t2t3t/min1.6控制系统的过渡过程及其性能指标例2某一贮槽液位控制系统，工艺要求贮槽液位为（30±2）m，控制过程中液位偏离给定值最大不能超过12m，现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示，y0=30m，y1=32m，y2=34m，y3=40m，t1=6min，t2=18min，t3=21min。试确定该系统的最大偏差，衰减比，余差，振荡周期，过渡时间（按被控变量进入±2%新稳态值来确定），并分析该系统能否满足工艺要求？y2y3y1y0t1t2t3t/min1.6控制系统的过渡过程及其性能指标例3有一蒸汽加热器的温度控制系统，现因生产需要，要求出口物料温度从80℃提高到81℃，当仪表给定值阶跃变化后，被控变量的变化曲线如图所示，试求该系统的过渡过程品质指标：超调量、衰减比和余差。图中y1=80.7,y2=80.9,y3=81,y4=81.5.y3y4y1y2t/min1.6控制系统的过渡过程及其性能指标补充作业题1：某化学反应器工艺规定操作温度为（800±10）℃。为确保生产安全，控制中温度最高不得超过850℃。现设计的温度控制系统，在最大阶跃扰动下的过渡过程曲线如下图所示。

（1）分别求出最大偏差A、超调量B、余差C、衰减比n、过渡时间Ts（温度进入±1%新的稳定值即示为系统已稳定）和震荡周期。（2）分析此温度控制系统是否满足工艺要求？T/℃845815

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800720T/min251.6控制系统的过渡过程及其性能指标第1章控制系统的基本概念作业讲评本章作业：Pg11：1、6、7、8、9、10补充题1：求过渡过程性能指标。本章思考题：Pg11：2、3、4、5、P11：6在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。①

试画出该控制系统的方框图；②

方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么?整个系统的输入信号和输出信号又是什么?③系统在遇到干扰作用(例如冷物料流量突然增大Δqv)时,该系统是如何实现自动控制的?

p11：题6：解答：①换热器出口温度控制系统控制器执行器换热器测量元件及变送器TsTf(干扰变量）Tme=Tm－Tsum正正反第1章控制系统的基本概念作业讲评②各环节的输入和输出信号分别如下：

输入输出换热器操纵变量m（蒸汽流量）、干扰变量f被控变量（管程出口温度T）测量元件与变送器管程出口温度T、管程出口温度的测量值Tm控制器偏差e=Tm－Ts控制信号u执行器控制信号u操纵变量m（蒸汽流量）整个系统的输入信号：温度给定值Ts、干扰变量f；输出信号：管程出口温度T

控制器执行器换热器测量元件及变送器TsTf(干扰变量）Tme=Tm－Tsum正正反③系统在遇到干扰作用(例如冷物料流量突然增大Δqv)时,该系统是如何实现自动控制的?答：冷物料流量突然增大Δqv时，换热器管程的出口温度受到干扰将降低，温度测量变送器将检测到的信号送给控制器，控制器的输入偏差信号e

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