過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表第3版第1章

1、過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表2017制作過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章目錄目錄:第第1章章 緒論緒論第第2章章 過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)與變送過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)與變送第第3章章 過(guò)程控制儀表過(guò)程控制儀表第第4章章 被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型第第5章章 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第第6章章 常用高性能過(guò)程控制系統(tǒng)常用高性能過(guò)程控制系統(tǒng)第第7章章 實(shí)現(xiàn)特殊工藝要求的過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特殊工藝要求的過(guò)程控制系統(tǒng)第第8章章 復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)第第9章章 基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系

2、統(tǒng)第第10章章 典型生產(chǎn)過(guò)程控制與工程設(shè)計(jì)典型生產(chǎn)過(guò)程控制與工程設(shè)計(jì)過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章主要參考書(shū)主要參考書(shū)v施仁，施仁， 自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制自動(dòng)化儀表與過(guò)程控制 電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 ，2003v潘永湘，潘永湘， 過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表 機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社 ，2007v歷玉鳴，歷玉鳴， 化工儀表與自動(dòng)化化工儀表與自動(dòng)化 化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 ，2003v馬昕，深入淺出過(guò)程控制馬昕，深入淺出過(guò)程控制小鍋帶你學(xué)過(guò)控小鍋帶你學(xué)過(guò)控 高等教育出版社高等教育出版社 ，2013v戴連奎等，戴連奎等，過(guò)程控制工程過(guò)程控制工程 化學(xué)工

3、業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社 ，2012 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)1 1）掌握過(guò)程控制的概念、要求和任務(wù)，）掌握過(guò)程控制的概念、要求和任務(wù)， 了解過(guò)程控制的發(fā)展?fàn)顩r；了解過(guò)程控制的發(fā)展?fàn)顩r；2 2）掌握過(guò)程控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、類型）掌握過(guò)程控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、類型及其性能指標(biāo)；及其性能指標(biāo)；3 3）了解過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟和儀表的類）了解過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟和儀表的類型與發(fā)展；型與發(fā)展；4 4）掌握儀表的信號(hào)制及防爆系統(tǒng)的構(gòu)成。）掌握儀表的信號(hào)制及防爆系統(tǒng)的構(gòu)成。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章電站鍋爐電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)及其輔助設(shè)備

4、系統(tǒng)過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章電站鍋爐電站鍋爐及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)圖煤斗；煤斗；給煤機(jī)；給煤機(jī)；磨煤機(jī)；磨煤機(jī)；空氣預(yù)熱器；空氣預(yù)熱器；排粉風(fēng)機(jī)；排粉風(fēng)機(jī)；燃燒器；燃燒器；爐膛；爐膛；水冷壁；水冷壁；屏式過(guò)熱器；屏式過(guò)熱器；高溫過(guò)熱器；高溫過(guò)熱器；低溫過(guò)熱器；低溫過(guò)熱器；省煤器；省煤器；除塵器；除塵器；吸風(fēng)機(jī)；吸風(fēng)機(jī)； 煙囪；煙囪；送風(fēng)機(jī)；送風(fēng)機(jī)；汽包；汽包；下降管；下降管；頂棚過(guò)熱器；頂棚過(guò)熱器；排渣室排渣室 2153662071817819109111641312121415過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章電站鍋爐電站鍋爐及其輔助設(shè)備

5、系統(tǒng)簡(jiǎn)圖及其輔助設(shè)備系統(tǒng)簡(jiǎn)圖過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章直拉單晶爐工藝直拉單晶爐工藝過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章直拉單晶模擬演示直拉單晶模擬演示過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章太陽(yáng)能光熱發(fā)電過(guò)程太陽(yáng)能光熱發(fā)電過(guò)程過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章第第1 1章章 緒論緒論 過(guò)程控制過(guò)程控制（process control）是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)）是指連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。石油、化工、水利、電力、冶金、程的自動(dòng)控制。石油、化工、水利、電力、冶金、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許

6、多輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于過(guò)程控制過(guò)程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。 連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程的特征是：生產(chǎn)過(guò)程中的各種流的特征是：生產(chǎn)過(guò)程中的各種流體在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行著物理化學(xué)體在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。 例如室內(nèi)溫度的控制。例如室內(nèi)溫度的控制。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章圖圖1 1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過(guò)熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源源不斷送往恒是通過(guò)熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源

7、源不斷送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時(shí)溫室。為保證恒溫室溫符合要求，操作人員要隨時(shí)觀察溫度計(jì)的指示值，并隨時(shí)判斷和決定如何操作觀察溫度計(jì)的指示值，并隨時(shí)判斷和決定如何操作閥門(mén)來(lái)保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。閥門(mén)來(lái)保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。 在此人的作在此人的作用可分為三步：用可分為三步： 眼看眼看 腦想腦想 動(dòng)手動(dòng)手送風(fēng)送風(fēng)回風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計(jì)閥門(mén)閥門(mén)圖圖1 室溫人工控制示意圖室溫人工控制示意圖過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章眼看眼看用用傳感器或變送器傳感器或變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號(hào)。控制器可接受的信號(hào)。腦想腦想控制器控制器將輸

8、入的實(shí)測(cè)溫度信號(hào)和要求將輸入的實(shí)測(cè)溫度信號(hào)和要求值進(jìn)行比較（相減求偏差值進(jìn)行比較（相減求偏差) ,并按偏差值計(jì)算出控制并按偏差值計(jì)算出控制量。量。動(dòng)手動(dòng)手人工調(diào)整閥門(mén)開(kāi)口，人工調(diào)整閥門(mén)開(kāi)口，執(zhí)行器執(zhí)行器完成控制完成控制器命令。器命令。人工控制受制于人的經(jīng)驗(yàn)和注意力，控制不精人工控制受制于人的經(jīng)驗(yàn)和注意力，控制不精確。而自動(dòng)控制按設(shè)定好的方案進(jìn)行計(jì)算控制，確。而自動(dòng)控制按設(shè)定好的方案進(jìn)行計(jì)算控制，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂?。可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂?。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制系統(tǒng)的定義：過(guò)程控制系統(tǒng)的定義： 為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工藝為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，由相參數(shù)

9、的自動(dòng)控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對(duì)象、表、裝置及工藝對(duì)象、設(shè)備構(gòu)成的設(shè)備構(gòu)成的 一個(gè)整體。一個(gè)整體。 圖圖2為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了人。為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了人。回風(fēng)恒溫室23送風(fēng)送風(fēng)熱水熱水m回水回水41圖圖2 室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖1熱水加熱器；熱水加熱器；3控制器；控制器；2傳感變送器；傳感變送器；4執(zhí)行器執(zhí)行器tctt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 一般用一般用原理框圖原理框圖來(lái)表示控制系統(tǒng)原理。來(lái)表示控制系統(tǒng)原理。 如圖如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制的室溫控制系統(tǒng)是由溫度

10、變送器、控制器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。溫度給溫度給定值定值房間溫度房間溫度干擾干擾f 控制器控制器溫度變送器溫度變送器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥加熱器加熱器及房間及房間 +e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 用通用名稱表示為：用通用名稱表示為： 給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值 過(guò)程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的過(guò)程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)（重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進(jìn)行控制，使其

11、保持恒定或按一定規(guī)律變化。等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。 過(guò)程控制系統(tǒng)原理方框圖過(guò)程控制系統(tǒng)原理方框圖過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章（1 1）被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)y(t)： 被控過(guò)程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)；被控過(guò)程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)；（2 2）控制參數(shù)（亦稱操作變量、控制介質(zhì)）控制參數(shù)（亦稱操作變量、控制介質(zhì)）q(t)q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；或能量；（3 3）干擾量干擾量f(t)f(t)：除被控參數(shù)外，作用于除被控參數(shù)外，作用于被控過(guò)程并引起被控參數(shù)變化的各種因被控過(guò)程

12、并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；數(shù)；（4 4）設(shè)定值設(shè)定值r(t)r(t)：與被控參數(shù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)與被控參數(shù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值；定值；（5 5）反饋值反饋值z(mì)(t)z(t)：被控參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送被控參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送 后的實(shí)際測(cè)量值；后的實(shí)際測(cè)量值；（6 6）偏差偏差e(t)e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；設(shè)定值與反饋值之差；（7 7）控制作用控制作用u(t)u(t)：控制器的輸出值?？刂破鞯妮敵鲋?。過(guò)程控制系統(tǒng)的組成過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.1 過(guò)程控制的特點(diǎn)過(guò)程控制的特點(diǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：過(guò)程控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣；控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣；

13、2控制方案豐富；控制方案豐富；3控制對(duì)象大多屬于慢過(guò)程；控制對(duì)象大多屬于慢過(guò)程；4大多數(shù)工藝要求定值控制；大多數(shù)工藝要求定值控制；5大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)、控制儀表及裝置。大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)、控制儀表及裝置。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.2 過(guò)程控制的發(fā)展概況過(guò)程控制的發(fā)展概況 過(guò)程控制的發(fā)展歷程，就是過(guò)程控制裝置（自過(guò)程控制的發(fā)展歷程，就是過(guò)程控制裝置（自動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.2.1過(guò)程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程過(guò)程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程1局部自動(dòng)化階段局部自動(dòng)化階段 （20世紀(jì)世紀(jì) 5060年代）年代）q自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)

14、自動(dòng)化儀表安裝在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備上，只具備簡(jiǎn)單的測(cè)控功能。備上，只具備簡(jiǎn)單的測(cè)控功能。q適用于小規(guī)模、局部過(guò)程控制。適用于小規(guī)模、局部過(guò)程控制。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章特點(diǎn)：特點(diǎn)：q自動(dòng)化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需自動(dòng)化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)。要可以組合成各種控制系統(tǒng)。q控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參控制儀表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過(guò)統(tǒng)一的模擬信號(hào)，送往控制室。操作人員數(shù)通過(guò)統(tǒng)一的模擬信號(hào)，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況?？梢栽诳刂剖冶O(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。q適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)

15、。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2模擬單元儀表控制階段模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)世紀(jì)6070年代）年代）過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章渭河電廠渭河電廠過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章巴基斯坦賈姆肖羅電廠巴基斯坦賈姆肖羅電廠 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章哈爾濱伊蘭煤氣哈爾濱伊蘭煤氣過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3集散控制階段集散控制階段（20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期至今）年代中期至今）計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了控制功能的實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了控制功能的實(shí)現(xiàn)。最初，人們?cè)O(shè)想用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代所有回路的控制最初，人們?cè)O(shè)

16、想用一臺(tái)計(jì)算機(jī)取代所有回路的控制儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（儀表，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制（ ddc， direct digital control ） 。但但ddc系統(tǒng)的故障危險(xiǎn)高度集中，一旦計(jì)算系統(tǒng)的故障危險(xiǎn)高度集中，一旦計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)機(jī)出現(xiàn)故障，就會(huì)造成所有控制回路癱瘓，使生產(chǎn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)加大。因此，過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)加大。因此， ddc系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)系統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。用。 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 80年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝出現(xiàn)了內(nèi)裝cpu的數(shù)字控制儀表?；诘臄?shù)字控制儀表。基于 “

17、集中管集中管理，分散控制理，分散控制” 的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了集中、分散相結(jié)合的機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（集散型控制系統(tǒng)（ dcs， distributed control system） 。 dcs系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章隨著隨著cpu進(jìn)入檢測(cè)儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀進(jìn)入檢測(cè)儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表徹

18、底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（線控制系統(tǒng)（fcs，fieldbus control system)。 fcs系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)、控制。現(xiàn)場(chǎng)智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)、控制。而用開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)而用開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)總現(xiàn)場(chǎng)總線，將分散在現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的通信連接起來(lái)，線，將分散在現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)的通信連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息集中管理。實(shí)現(xiàn)信息集中管理。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第

19、1章章過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章巢湖電廠目前運(yùn)行室 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章蘭州石化蘭州石化過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)室過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.2.2過(guò)程控制策略與算法發(fā)展過(guò)程控制策略與算法發(fā)展 伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過(guò)程控制策略與算伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過(guò)程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。法也經(jīng)歷了由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。 以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的pid （proportional in

20、tegral derivative）控制算法，由單回路控制發(fā)）控制算法，由單回路控制發(fā)展了展了串級(jí)控制串級(jí)控制、比值控制比值控制、前饋控制前饋控制、均勻控制均勻控制、smith預(yù)估控制預(yù)估控制及及選擇性控制選擇性控制等控制策略。等控制策略。 隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、自適應(yīng)耦控制、推斷控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善。控制等控制策略與算法，也日趨完善。 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：1、功能綜合化，

21、控制與管理一體化已成為趨勢(shì)，功能綜合化，控制與管理一體化已成為趨勢(shì)，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來(lái)越大。其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模越來(lái)越大。2、技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通技術(shù)密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。3、系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來(lái)系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來(lái)越高，控制手段日益豐富。越高，控制手段日益豐富。國(guó)內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川國(guó)內(nèi)外著名儀表生產(chǎn)企業(yè)：西安儀表廠、四川儀表公司、上海儀表公司、儀表公司、上海儀表公司、foxboro 、 siemens 、 rosemount 、 honeywel

22、l 等公司。等公司。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3 過(guò)程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)1.3.1過(guò)程控制系統(tǒng)的分類過(guò)程控制系統(tǒng)的分類過(guò)程控制系統(tǒng)有多種分類方法。過(guò)程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來(lái)分按所控制的參數(shù)來(lái)分:溫度控制系統(tǒng)、壓力控制溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；等；按控制系統(tǒng)所處理的信號(hào)方式來(lái)分按控制系統(tǒng)所處理的信號(hào)方式來(lái)分:模擬控制系模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按控制器類型來(lái)分按控制器類型來(lái)分:常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等?？刂葡到y(tǒng)等。但在討論控制原理時(shí)

23、，常用的分類方法是按設(shè)但在討論控制原理時(shí)，常用的分類方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1. 按設(shè)定值的形式分類按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值恒定不變。設(shè)定值恒定不變。2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定值隨時(shí)可能變化。設(shè)定值隨時(shí)可能變化。3）程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2. 按系統(tǒng)

24、的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)） 將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被將被控變量輸入到控制器，形成閉環(huán)，具有被控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如：控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如： 給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值反饋控制系統(tǒng)是過(guò)程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。反饋控制系統(tǒng)是過(guò)程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2）前饋控制系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)）前饋控制系統(tǒng)（開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)） 控制系統(tǒng)沒(méi)有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量控制系統(tǒng)沒(méi)有被控變量負(fù)反饋

25、，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：引入到控制器輸入端。如： 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象變送器變送器過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3）復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) 前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。如：前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。如：給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器1 變送器變送器1執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值 變送器變送器2控制器控制器2+前饋前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2過(guò)程控制系統(tǒng)的性

26、能指標(biāo)過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)當(dāng)被控對(duì)象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時(shí)，控當(dāng)被控對(duì)象受到干擾、被控變量發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過(guò)程，反映了控制制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過(guò)程，反映了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)。系統(tǒng)的優(yōu)劣。為此，要有評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對(duì)控制的要求來(lái)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對(duì)控制的要求來(lái)制定的，概括為制定的，概括為穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性和和快速性快速性。t0y y過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài) 1、穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)把被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)把被控變量

27、不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜靜態(tài)態(tài)）。）。 當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時(shí)，系當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時(shí)，系統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)統(tǒng)就處于一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài) ，系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)，系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量節(jié)也都處于穩(wěn)定狀態(tài)，但生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍然有進(jìn)有出，只是平穩(wěn)進(jìn)行沒(méi)有改變。仍然有進(jìn)有出，只是平穩(wěn)進(jìn)行沒(méi)有改變。 靜態(tài)特性靜態(tài)特性靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。 靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty2

28、、動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)把被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。即控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡即控制系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程過(guò)渡過(guò)程。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時(shí)，被控。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡時(shí)，被控變量就會(huì)發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動(dòng)化裝置變量就會(huì)發(fā)生變化，而控制器、控制閥等自動(dòng)化裝置就要產(chǎn)生控制作用來(lái)使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。就要產(chǎn)生控制作用來(lái)使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性在動(dòng)態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸在動(dòng)態(tài)過(guò)程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。出變化關(guān)系。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2.

29、2控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程 控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來(lái)的平衡狀控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來(lái)的平衡狀態(tài)，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱態(tài)，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)過(guò)程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。 系統(tǒng)的過(guò)渡響應(yīng)受系統(tǒng)的過(guò)渡響應(yīng)受內(nèi)部?jī)?nèi)部和和外部外部?jī)煞N因素的影響。兩種因素的影響。給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象 +e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性 系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性和系統(tǒng)的系統(tǒng)的特性是由系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特

30、性和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)所決定的。結(jié)構(gòu)所決定的。 2、外部因素：輸入信號(hào)、外部因素：輸入信號(hào) 在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時(shí)間的在系統(tǒng)特性一定的情況下，被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號(hào)。變化規(guī)律取決于系統(tǒng)的輸入信號(hào)。 生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號(hào)是隨機(jī)的。但在分析生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾信號(hào)是隨機(jī)的。但在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了充分體現(xiàn)系統(tǒng)的特性和分析方便，常選擇一些特定的輸入信號(hào)，其中常用的析方便，常選擇一些特定的輸入信號(hào)，其中常用的是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。?過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章v 階躍信號(hào)的輸入突然，

31、對(duì)被控變量的影響也最階躍信號(hào)的輸入突然，對(duì)被控變量的影響也最大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，大。如果一個(gè)控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種干擾，那么對(duì)其它比較緩和的干擾也能很好地克服。那么對(duì)其它比較緩和的干擾也能很好地克服。v 階躍信號(hào)的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、階躍信號(hào)的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。故更多使用階躍信號(hào)。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。故更多使用階躍信號(hào)。如圖，輸入信號(hào)在如圖，輸入信號(hào)在 t = 0時(shí)，階躍上升幅度為時(shí)，階躍上升幅度為 a ，其，其后保持。表達(dá)為后保持。表達(dá)為 f (t) = au ( t )atf（t）過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 在階躍

32、輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過(guò)渡在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程有過(guò)程有四種四種形式：形式： 單調(diào)衰減過(guò)程單調(diào)衰減過(guò)程 被控變量在給定值的被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。定在某一數(shù)值上。 振蕩衰減過(guò)程振蕩衰減過(guò)程 被控變量上下波動(dòng)，被控變量上下波動(dòng)，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。定在某一數(shù)值上。t0a0a過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章等幅振蕩過(guò)程等幅振蕩過(guò)程 被控變量在給定值附被控變量在給定值附近來(lái)回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度近來(lái)回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度保持不變。保持不變。 振蕩發(fā)散過(guò)程振蕩發(fā)散過(guò)程 被

33、控變量來(lái)回波動(dòng)，被控變量來(lái)回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度逐漸變大，離且波動(dòng)幅度逐漸變大，離給定值越來(lái)越遠(yuǎn)。給定值越來(lái)越遠(yuǎn)。t0aa0t過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過(guò)渡過(guò)程的分類過(guò)渡過(guò)程的分類 （1）穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程 單調(diào)過(guò)程和衰減振蕩過(guò)程是穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程。被單調(diào)過(guò)程和衰減振蕩過(guò)程是穩(wěn)定的過(guò)渡過(guò)程。被控變量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，逐漸趨向原來(lái)的或新的平衡控變量經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，逐漸趨向原來(lái)的或新的平衡狀態(tài)。狀態(tài)。 衰減振蕩過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程較短，經(jīng)常采用。衰減振蕩過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程較短，經(jīng)常采用。 單調(diào)過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程較慢單調(diào)過(guò)程的過(guò)渡過(guò)程較慢 ，被控變量長(zhǎng)時(shí)間地偏，被控變量長(zhǎng)時(shí)間地偏離給定值，

34、一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變離給定值，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允許被控變量有波動(dòng)的情況下才采用。量有波動(dòng)的情況下才采用。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章（2）不穩(wěn)定過(guò)渡過(guò)程不穩(wěn)定過(guò)渡過(guò)程 發(fā)散振蕩過(guò)程發(fā)散振蕩過(guò)程中中，被控變量不但不能達(dá)到平衡，被控變量不但不能達(dá)到平衡狀態(tài)，而且逐漸遠(yuǎn)離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超狀態(tài)，而且逐漸遠(yuǎn)離給定值，它將導(dǎo)致被控變量超越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。越工藝允許范圍，這是生產(chǎn)上所不允許的。（3）臨界過(guò)渡過(guò)程臨界過(guò)渡過(guò)程 處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認(rèn)為是不穩(wěn)定處于穩(wěn)定與不穩(wěn)定之間，一般也認(rèn)為是不穩(wěn)定過(guò)程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某

35、些控制要求不高過(guò)程，生產(chǎn)上一般不采用。只是某些控制要求不高的場(chǎng)合，如位式控制時(shí)，只能達(dá)到這種效果。的場(chǎng)合，如位式控制時(shí)，只能達(dá)到這種效果。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)控制系統(tǒng)的性能指標(biāo) 對(duì)控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，是根據(jù)工藝對(duì)控制過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)，是根據(jù)工藝對(duì)控制過(guò)程結(jié)果的要求來(lái)衡量的。控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程曲線程結(jié)果的要求來(lái)衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程曲線是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。 最典型的控制性能測(cè)試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍最典型的控制性能測(cè)試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。

36、階躍響應(yīng)分階躍響應(yīng)分給定階躍響應(yīng)給定階躍響應(yīng)和和干擾階躍響應(yīng)干擾階躍響應(yīng)兩類。兩類。其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。能指標(biāo)是一致的。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值干擾階躍響應(yīng)干擾階躍響應(yīng)t0y y過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被

37、控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值給定階躍響應(yīng)給定階躍響應(yīng)0ty y過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo) 單項(xiàng)性能指標(biāo)包含了對(duì)控制系統(tǒng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)包含了對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準(zhǔn)準(zhǔn)確性確性和和快速性快速性三方面的評(píng)價(jià)。三方面的評(píng)價(jià)。 控制性能指標(biāo)有控制性能指標(biāo)有單項(xiàng)指標(biāo)單項(xiàng)指標(biāo)和和綜合指標(biāo)綜合指標(biāo)兩類兩類 單項(xiàng)性能指標(biāo)以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過(guò)渡過(guò)程的單單項(xiàng)性能指標(biāo)以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過(guò)渡過(guò)程的單項(xiàng)特征量作為性能指標(biāo)，而偏差積分性能指標(biāo)則是一項(xiàng)特征量作為性能指標(biāo)，而偏差積分性能指標(biāo)則是一種綜合性指標(biāo)。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減種綜合性

38、指標(biāo)。由于在多數(shù)情況下，都希望得到衰減振蕩過(guò)程，所以以衰減振蕩的過(guò)渡過(guò)程形式為例，討振蕩過(guò)程，所以以衰減振蕩的過(guò)渡過(guò)程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1）衰減比）衰減比n和衰減率和衰減率設(shè)第一個(gè)波峰值為設(shè)第一個(gè)波峰值為 y1、第二個(gè)波峰值為、第二個(gè)波峰值為 y2圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2cy()tptstt12yny121yy11yn 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章衰減比衰減比 n 和衰減率和衰減率 是表示系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指是表示

39、系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。標(biāo)。n大于大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過(guò)渡的增大，過(guò)渡過(guò)程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過(guò)程。過(guò)程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過(guò)程。試驗(yàn)證明：試驗(yàn)證明：衰減比在衰減比在 4: 1到到10:1之間時(shí)，之間時(shí)，過(guò)渡過(guò)過(guò)渡過(guò)程的程的衰減程度合適，衰減程度合適，過(guò)渡過(guò)程較短。過(guò)渡過(guò)程較短。衰減比衰減比n與衰減率與衰減率之間有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：之間有簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：n = 4:110:1 就相當(dāng)于就相當(dāng)于 = 75 %90% yry1y2cy()tptstt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)

40、動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。 2）最大動(dòng)態(tài)偏差）最大動(dòng)態(tài)偏差y1和超調(diào)量和超調(diào)量 最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離穩(wěn)態(tài)值的最大最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離穩(wěn)態(tài)值的最大程度。即程度。即: y1 = ymax - y() 圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y3cy()tptstt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 有時(shí)也采用超調(diào)量有時(shí)也采用超調(diào)量來(lái)表示被控參數(shù)偏離穩(wěn)態(tài)來(lái)表示被控參數(shù)偏離穩(wěn)態(tài)值的程度，值的程度， 的定義是第一個(gè)波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值的定義是第一個(gè)波峰值與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比。即之比。即圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾

41、動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2cy()tptstt1y100%y()過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3）余差）余差c 過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y()與設(shè)與設(shè)定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。c= r-y()圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2cy()tptstt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章4）調(diào)節(jié)時(shí)間）調(diào)節(jié)時(shí)間ts

42、和振蕩頻率和振蕩頻率 ts是指從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到過(guò)渡過(guò)程結(jié)束所需的是指從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到過(guò)渡過(guò)程結(jié)束所需的時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間的偏差進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的5% （或（或2%）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程結(jié)束。）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程結(jié)束。圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2y()tptstt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。指標(biāo)。過(guò)渡過(guò)程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的過(guò)渡過(guò)程中相鄰兩同向波峰（或波

43、谷）之間的時(shí)間間隔叫振蕩周期時(shí)間間隔叫振蕩周期t ，其倒數(shù)稱為振蕩頻率，其倒數(shù)稱為振蕩頻率 f = 1/ t圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2y()tptstt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 另外還有峰值時(shí)間另外還有峰值時(shí)間tp（又稱上升時(shí)間），是指過(guò)（又稱上升時(shí)間），是指過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始，至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需要的渡過(guò)程開(kāi)始，至被控參數(shù)到達(dá)第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階

44、躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2cy()tptstt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 例例 某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200 。 在階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖所示。試求在階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過(guò)渡時(shí)間。最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過(guò)渡時(shí)間。 解：解：最大偏差最大偏差 y1 = 230-205 = 25余差余差 c= 200-205 = -5衰減比衰減比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章振蕩周期振蕩周期 t = 20 5 =

45、 15 （min）設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土2，就認(rèn)為過(guò)渡過(guò)，就認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程結(jié)束，則誤差區(qū)域程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205 （ 2） 4.1在新穩(wěn)態(tài)值（在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為）兩側(cè)以寬度為4.1畫(huà)一畫(huà)一區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn) ts = 22min過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)q穩(wěn)定性穩(wěn)定性 衰減比衰減比n = 4:110:1最佳最佳 q準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 余差余差c小好小好 最大偏差最大偏差 y1 小好小好q快速性快速性 過(guò)渡時(shí)間過(guò)渡時(shí)間 ts 短好短好 振蕩周期

46、振蕩周期 t 短好短好各品質(zhì)指標(biāo)之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，各品質(zhì)指標(biāo)之間既有聯(lián)系、又有矛盾。例如，過(guò)分減小最大偏差，會(huì)使過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)。因此，過(guò)分減小最大偏差，會(huì)使過(guò)渡時(shí)間變長(zhǎng)。因此，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有決應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)偏差積分偏差積分 單項(xiàng)指標(biāo)雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比單項(xiàng)指標(biāo)雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏差幅度和偏差存在的時(shí)間都與偏差較困難。而偏

47、差幅度和偏差存在的時(shí)間都與偏差積分有關(guān)，因此用偏差積分一個(gè)指標(biāo)就可以全面積分有關(guān)，因此用偏差積分一個(gè)指標(biāo)就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2cy()tptstt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章tyrcy()yrcy()t偏差積分的原始定義：偏差積分的原始定義：ie= e (t) dt0偏差的定義存在分歧：偏差的定義存在分歧： e (t) = y()- y(t)不能表達(dá)余差不能表達(dá)余差 e (t) = y(r) - y(t) 如有余差則積分無(wú)窮大如有余差則積分無(wú)窮

48、大過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：偏差積分偏差積分ie（integral of error）0( )iee t dt圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2cy()tptstt缺點(diǎn)：不能保證系缺點(diǎn)：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。統(tǒng)是衰減振蕩。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章0| )(|dtteiae絕對(duì)偏差積分絕對(duì)偏差積分iae （integral absolute value of error） 圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線

49、閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2cy()tptstt 排除了正負(fù)排除了正負(fù)偏差抵消的可能。偏差抵消的可能。過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2cy()tptsttdtteise02)( 平方偏差積分平方偏差積分ise（integral of squared error）對(duì)大偏差敏感對(duì)大偏差敏感 過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章時(shí)間與絕對(duì)偏差乘積積分時(shí)間與絕對(duì)偏差乘積積分itae （integral of time multiplied by t

50、he absolute value of error） 0| )(|dttetitae對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間敏感，對(duì)對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間敏感，對(duì)初始偏差不敏感，而初始偏差不敏感，而對(duì)后期對(duì)后期 偏差非常敏感偏差非常敏感圖圖1.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)定值的階躍擾動(dòng)的響應(yīng)曲線yry1y2cy()tptstt過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 1.3.2.4影響控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的主要因素影響控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)的主要因素 控制系統(tǒng)的過(guò)渡響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)主要取決于系統(tǒng)控制系統(tǒng)的過(guò)渡響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)主要取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性。結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性。 給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.4 1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟1.1.確定控制目標(biāo)確定控制目標(biāo) 1 1）熱油出口溫度穩(wěn)定；）熱油出口溫度穩(wěn)定； 2 2）出口溫度與煙道