過(guò)程裝備控制技術(shù)與其應(yīng)用

過(guò)程裝備控制技術(shù)與其應(yīng)用第一頁(yè)，共89頁(yè)。過(guò)程裝備控制技術(shù)及其應(yīng)用第二頁(yè)，共89頁(yè)。第1章緒論1.1過(guò)程裝備控制技術(shù)的基本概念1.控制廣義地講控制本身是一種手段、措施或者講是一種機(jī)制。它存在于大自然、人體本身、人類社會(huì)、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程等。第三頁(yè)，共89頁(yè)。應(yīng)用在不同領(lǐng)域的控制技術(shù)產(chǎn)生了不同的科學(xué)學(xué)科。例如：環(huán)境科學(xué)生物科學(xué)及醫(yī)學(xué)社會(huì)學(xué)及管理科學(xué)信息科學(xué)計(jì)算機(jī)技術(shù)通訊技術(shù)控制技術(shù)自然界動(dòng)植物人類社會(huì)第四頁(yè)，共89頁(yè)。應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的控制方法和措施稱之為自動(dòng)化控制技術(shù)本課程針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程來(lái)討論控制方法。第五頁(yè)，共89頁(yè)。2.控制系統(tǒng)

人工調(diào)節(jié)機(jī)電控制電動(dòng)儀表控制計(jì)算機(jī)分布控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)控制目的所必備的設(shè)備總和。不同的時(shí)期，根據(jù)技術(shù)的發(fā)展控制系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成是不同的。它經(jīng)歷了第六頁(yè)，共89頁(yè)。3.過(guò)程過(guò)程即工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。不同的企業(yè)產(chǎn)品不同生產(chǎn)過(guò)程也不同。從控制的角度出發(fā)把工業(yè)分成三類:習(xí)慣上,把連續(xù)型工業(yè)稱為過(guò)程工業(yè)(processindustries),有時(shí)為突出其流動(dòng)的性質(zhì)也稱為流程工業(yè)(fluidprocessindustries)。連續(xù)型離散型混合型第七頁(yè)，共89頁(yè)。4.過(guò)程裝備通常是由一系列的過(guò)程機(jī)器和過(guò)程設(shè)備按一定的流程方式用管道閥門(mén)等連接起來(lái)的一個(gè)獨(dú)立的密閉系統(tǒng)，再配以必要的控制儀表和設(shè)備，既能平穩(wěn)連續(xù)地把以流體為主的各種流體性材料，讓其在裝置內(nèi)部經(jīng)歷必要的物理化學(xué)過(guò)程，制造出人們需要的新的流程性產(chǎn)品。如塔、換熱器、反應(yīng)器、儲(chǔ)罐、壓縮機(jī)、泵、分離機(jī)等。第八頁(yè)，共89頁(yè)。5.過(guò)程（裝備）控制系統(tǒng)過(guò)程控制(processcontrol)通常是指石油、化工、電力、冶金、輕工、建材、核能等工業(yè)生產(chǎn)中連續(xù)的或按一定周期程序進(jìn)行的生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制,它是自動(dòng)化控制技術(shù)的重要組成部分。第九頁(yè)，共89頁(yè)。1.人工操作與自動(dòng)控制比較控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要第十頁(yè)，共89頁(yè)。手動(dòng)控制的步驟：(1)眼看：觀察液位數(shù)值；(2)腦想：把觀察到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，根據(jù)偏差的大小及變化情況做出判斷，并發(fā)布命令。(3)手動(dòng)：根據(jù)命令操作給水閥，使液位回到設(shè)定值。第十一頁(yè)，共89頁(yè)?？刂破骺刂崎y變送器進(jìn)料口自動(dòng)控制第十二頁(yè)，共89頁(yè)。

液位工藝控制圖第十三頁(yè)，共89頁(yè)。液位儀表控制步驟：(1)檢測(cè)：液位傳感器感應(yīng)液位值并將結(jié)果送控制器；(2)運(yùn)算：把檢測(cè)到的實(shí)際數(shù)值與設(shè)定值加以比較，將偏差經(jīng)過(guò)適當(dāng)運(yùn)算，其結(jié)果作為輸出給控制閥。(3)調(diào)節(jié)：控制閥根據(jù)控制器輸出調(diào)節(jié)流量。第十四頁(yè)，共89頁(yè)。蒸汽汽包加熱器給水鍋爐汽包示意圖第十五頁(yè)，共89頁(yè)。蒸汽汽包加熱器給水

鍋爐汽包自動(dòng)工藝控制圖第十六頁(yè)，共89頁(yè)。

2.液位自動(dòng)控制的方框圖在研究自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，為了便于對(duì)系統(tǒng)分析研究，一般都用方框圖來(lái)表示控制系統(tǒng)的組成。下頁(yè)圖為液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的方框圖，每個(gè)環(huán)節(jié)表示組成系統(tǒng)的一個(gè)部分，稱為“環(huán)節(jié)”。兩個(gè)方塊之間用一條帶有箭頭的線條表示其信號(hào)的相互關(guān)系，箭頭指向方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸入，箭頭離開(kāi)方塊表示為這個(gè)環(huán)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號(hào)。第十七頁(yè)，共89頁(yè)。儲(chǔ)罐液位傳感與變送器液位控制器控制閥液位液位給定儲(chǔ)罐液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖第十八頁(yè)，共89頁(yè)。鍋爐汽包液位傳感與變送器液位控制器控制閥液位液位給定汽包液位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖第十九頁(yè)，共89頁(yè)。單回路控制系統(tǒng)方框圖四個(gè)基本環(huán)節(jié)：被控對(duì)象、檢測(cè)儀表、控制器、執(zhí)行器（顯示儀表根據(jù)需要可選）控制器(調(diào)節(jié)器)被控對(duì)象檢測(cè)元件及變送器（檢測(cè)儀表）+－r(t)執(zhí)行器顯示儀表干擾f(t)ym(t)給定y(t)第二十頁(yè)，共89頁(yè)。3.各部分作用和基本術(shù)語(yǔ)(1)被控對(duì)象被控對(duì)象是指被控制的生產(chǎn)設(shè)備或裝置,如上述其水位受控制的儲(chǔ)罐和鍋爐汽包。常見(jiàn)的被控對(duì)象有塔、加熱爐、分餾塔、反應(yīng)釜、干燥爐、壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)窯、換熱器、儲(chǔ)存物料的槽、罐以及傳送物料的管段等。第二十一頁(yè)，共89頁(yè)。圖中用一個(gè)“被控對(duì)象”方框來(lái)表示,其輸出就是生產(chǎn)過(guò)程中所要保持恒定的變量,例如液位等。在控制系統(tǒng)中稱為被控變量,用y(t)來(lái)表示。其輸入有兩類，操縱變量和擾動(dòng)操縱變量：受控制器操縱的用以克服干擾的影響，使被控變量保持設(shè)定值的物料量或能量。擾動(dòng)：除操縱變量外，作用于被控過(guò)程并引起被控變量變化的因素第二十二頁(yè)，共89頁(yè)。(2)檢測(cè)元件及變送器

需要進(jìn)行自動(dòng)控制的參數(shù)稱為被控變量,如上例中的鍋爐汽包中的水位。被控變量由檢測(cè)元件進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)其輸出不是電學(xué)量,或雖然是電學(xué)量,但不是4～20mA信號(hào)時(shí),必須采用變送器將其轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。變送器的輸出就是被控變量y(t)的測(cè)量值ym(t)。第二十三頁(yè)，共89頁(yè)。(3)控制器

控制器作用：干擾一經(jīng)產(chǎn)生,控制器就發(fā)出控制命令,對(duì)系統(tǒng)施加控制作用,使被控變量回到設(shè)定值。

設(shè)定值：按生產(chǎn)工藝要求給被控量規(guī)定一個(gè)參考值,稱為設(shè)定值r(t),這是經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)控制作用被控量應(yīng)保持的正常參數(shù)值。

第二十四頁(yè)，共89頁(yè)。負(fù)反饋：將被控變量送回輸入端并與輸入變量相減?？刂破鬏斎耄罕豢刈兞康臏y(cè)量值ym(t)由系統(tǒng)的輸出端反饋到系統(tǒng)的輸入端,與設(shè)定值r比較后得到偏差值e(t)=r(t)-ym(t),就是控制器的輸入信號(hào)?？刂破鬟\(yùn)算：也稱之為控制規(guī)律，即對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算的數(shù)學(xué)方法?？刂破鬏敵觯簩⑦\(yùn)算結(jié)果輸出作為控制閥的

輸入信號(hào)u(t）。第二十五頁(yè)，共89頁(yè)。(4)控制閥/執(zhí)行器

被控變量的測(cè)量值與設(shè)定值在控制器內(nèi)進(jìn)行比較后得到的偏差大小,由控制器按規(guī)定的控制規(guī)律(PID等)進(jìn)行運(yùn)算后,發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)u(t)去推動(dòng)執(zhí)行器,該控制信號(hào)是控制器的輸出量,稱為控制變量。由控制器發(fā)出控制信號(hào),通過(guò)電動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行器產(chǎn)生的位移量驅(qū)動(dòng)控制閥門(mén),以改變被控對(duì)象的操縱變量q(t),使被控變量受到控制。第二十六頁(yè)，共89頁(yè)。單回路控制系統(tǒng)方塊圖四個(gè)基本環(huán)節(jié)：被控對(duì)象、檢測(cè)儀表、控制器、執(zhí)行器（顯示儀表根據(jù)需要可選）控制器(調(diào)節(jié)器)被控對(duì)象檢測(cè)元件及變送器（檢測(cè)儀表）+－r(t)執(zhí)行器顯示儀表干擾f(t)控制信號(hào)u(t)偏差e(t)操縱變量q(t)ym(t)y(t)被控變量給定第二十七頁(yè)，共89頁(yè)。其他控制系統(tǒng)用同一種形式地方塊圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖1-4蒸汽加熱器溫度工藝控制圖

當(dāng)進(jìn)料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時(shí)，可以將該溫度變化測(cè)量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來(lái)維持出口物料的溫度不變。TT第二十八頁(yè)，共89頁(yè)。加熱爐的溫度控制系統(tǒng)被控對(duì)象：加熱爐被控變量：物料出口溫度操縱變量：燃料油流量擾動(dòng)：被加熱原料油溫度、燃料油熱值等第二十九頁(yè)，共89頁(yè)。注意！方框圖中的每一個(gè)方框都代表一個(gè)具體的裝置。方框與方框之間的連接線，只是代表方框之間的信號(hào)聯(lián)系，并不代表方塊之間的物料聯(lián)系。方塊之間連接線的箭頭也只是代表信號(hào)作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個(gè)設(shè)備進(jìn)入另一個(gè)設(shè)備，而方塊圖上的線條及箭頭方向有時(shí)并不與流體流向相一致。自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)第三十頁(yè)，共89頁(yè)。過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展可以分為三個(gè)階段。1.3過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況

1.儀表控制系統(tǒng)階段

2.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)階段

3.綜合自動(dòng)化階段第三十一頁(yè)，共89頁(yè)。1.儀表自動(dòng)化階段

20世紀(jì)40年代前后,生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化主要是憑生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn),局限于一般的控制元件及機(jī)電式控制儀器,采用比較笨重的基地式儀表,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備就地分散的局部自動(dòng)控制。

20世紀(jì)50年代至60年代,先后出現(xiàn)了電動(dòng)與氣動(dòng)單元組合儀表和巡回檢測(cè)裝置,采用了集中監(jiān)控與集中操縱的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了工廠儀表化和局部自動(dòng)化。

第三十二頁(yè)，共89頁(yè)。DDZ-Ⅰ型儀表：

20世紀(jì)60年代，放大元件為電子管、磁放大器DDZ-Ⅱ型儀表：

20世紀(jì)70年代，采用晶體管放大元件DDZ-Ⅲ型儀表：

20世紀(jì)80年代，采用集成電路S型儀表：

20世紀(jì)90年代，采用微處理器的數(shù)字調(diào)節(jié)器第三十三頁(yè)，共89頁(yè)。電廠生產(chǎn)車間第三十四頁(yè)，共89頁(yè)。使用常規(guī)儀表的中央控制室第三十五頁(yè)，共89頁(yè)。儀表集中控制室

第三十六頁(yè)，共89頁(yè)。儀表集中控制室

第三十七頁(yè)，共89頁(yè)。2.計(jì)算機(jī)控制階段

20世紀(jì)70年代至80年代,由于集成電路與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)展,為過(guò)程控制的發(fā)展創(chuàng)造了條件,開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制(directdigitalcontrol,DDC)系統(tǒng)。

第三十八頁(yè)，共89頁(yè)。第三十九頁(yè)，共89頁(yè)。集散控制系統(tǒng)(DCS)

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,控制要求不斷提高,過(guò)程參數(shù)日益增多,致使控制回路更加復(fù)雜。為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的監(jiān)控集中、危險(xiǎn)分散的要求,70年代中期,集散控制系統(tǒng)(distributedcontrolsystems,DCS,也稱之為分布式控制系統(tǒng))開(kāi)發(fā)問(wèn)世了。第四十頁(yè)，共89頁(yè)。第四十一頁(yè)，共89頁(yè)。第四十二頁(yè)，共89頁(yè)。計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控室

第四十三頁(yè)，共89頁(yè)。計(jì)算機(jī)集中監(jiān)控室

第四十四頁(yè)，共89頁(yè)。早期的DCS控制系統(tǒng)第四十五頁(yè)，共89頁(yè)。第四十六頁(yè)，共89頁(yè)。集散控制系統(tǒng)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體的裝置（4C技術(shù)）。其特點(diǎn):①結(jié)構(gòu)上是分散的。就是將計(jì)算機(jī)分布到車間或現(xiàn)場(chǎng)。這不僅使系統(tǒng)的危險(xiǎn)分散,消除了全局性的故障點(diǎn),而且提高了系統(tǒng)的可靠性。②系統(tǒng)由于是分級(jí)的,能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的最佳管理。實(shí)現(xiàn)了過(guò)程控制最優(yōu)化和生產(chǎn)調(diào)度與經(jīng)營(yíng)管理自動(dòng)化相結(jié)合,使生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新的水平。第四十七頁(yè)，共89頁(yè)。3.綜合自動(dòng)化階段從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,過(guò)程控制進(jìn)入了綜合自動(dòng)化階段。突出特征是在自動(dòng)化工具上推出了現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線是智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。它有如下特點(diǎn):①用一對(duì)N結(jié)構(gòu)代替一對(duì)一結(jié)構(gòu),②互換性、互操作性好,③控制回路徹底分散。它的出現(xiàn)標(biāo)志著過(guò)程控制進(jìn)入了真正的計(jì)算機(jī)時(shí)代。第四十八頁(yè)，共89頁(yè)。

綜合自動(dòng)化系統(tǒng)就是包括生產(chǎn)計(jì)劃和調(diào)度、操作優(yōu)化、基層控制和先進(jìn)控制等內(nèi)容的遞階控制系統(tǒng),也稱管理控制一體化的系統(tǒng)。這類系統(tǒng)是靠計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此也稱為計(jì)算機(jī)集成過(guò)程系統(tǒng)(computerintegratedprocesssystem,CIPS)。

CIPS是一種全新的哲理與概念,它以企業(yè)整體優(yōu)化為目標(biāo),以計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)為主要技術(shù)工具,以生產(chǎn)過(guò)程的管理和控制自動(dòng)化為主要內(nèi)容,將過(guò)去局部自動(dòng)化的“孤島”模式集成為一個(gè)整體的系統(tǒng),它代表了當(dāng)代自動(dòng)化的潮流。第四十九頁(yè)，共89頁(yè)。第五十頁(yè)，共89頁(yè)。

1.分類方法按被控變量來(lái)分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按控制器具有的控制規(guī)律來(lái)分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；將控制系統(tǒng)按照工藝過(guò)程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來(lái)分類，這樣可將自動(dòng)控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。其中第三種分類方法最普遍第五十一頁(yè)，共89頁(yè)。

“定值”是恒定給定值的簡(jiǎn)稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個(gè)生產(chǎn)指標(biāo)上不變，或者說(shuō)要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。1)定值控制系統(tǒng)2)隨動(dòng)控制系統(tǒng)（自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)）

給定值隨機(jī)變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準(zhǔn)確而快速地跟隨給定值的變化而變化。第五十二頁(yè)，共89頁(yè)。3)程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）

給定值變化，但它是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)需按一定的時(shí)間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用比較普通。第五十三頁(yè)，共89頁(yè)。2.過(guò)程控制的特點(diǎn):1)對(duì)象復(fù)雜多樣生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性對(duì)象的辨識(shí)帶來(lái)困難。

要正確描述對(duì)象特性還不完全可能,第五十四頁(yè)，共89頁(yè)。2)對(duì)象存在滯后

滯后：當(dāng)流入(或流出)對(duì)象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時(shí),由于存在容量、慣性和阻力,被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng),這種現(xiàn)象稱為滯后。滯后的大小決定于生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和規(guī)模,并同研究它的流入量與流出量的特性有關(guān)。生產(chǎn)設(shè)備的規(guī)模愈大,物質(zhì)傳輸?shù)木嚯x愈長(zhǎng),熱量傳遞的阻力愈大,造成的滯后就愈大。一般來(lái)說(shuō),熱過(guò)程大多具有較大的滯后,容易引起反饋回路產(chǎn)生振蕩,對(duì)自動(dòng)控制會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響。第五十五頁(yè)，共89頁(yè)。3)對(duì)象特性的非線性對(duì)象特性大多是隨負(fù)荷變化而變的,即當(dāng)負(fù)荷改變時(shí),其動(dòng)態(tài)特性有明顯的不同。如果只以較理想的線性對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性作為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù),就難以得到滿意的控制結(jié)果。須知大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程都具有非線性,弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實(shí)質(zhì)是極為重要的。第五十六頁(yè)，共89頁(yè)。4)控制系統(tǒng)較復(fù)雜

任何生產(chǎn)過(guò)程被控制的參數(shù)都不是一個(gè),這些參數(shù)又各具有不同的特性,要針對(duì)這些不同的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的控制系統(tǒng),由此采用了各種復(fù)雜的多回路控制系統(tǒng)。目前，要完全通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制參數(shù)的整定是不可能。目前已設(shè)計(jì)出各種各樣的控制系統(tǒng),都是通過(guò)必要的理論論證和計(jì)算,并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行、試驗(yàn)、分析、總結(jié)起來(lái)的,只要采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的方法得當(dāng),可望得到相當(dāng)滿意的控制效果。第五十七頁(yè)，共89頁(yè)。1.控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)靜態(tài)：當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)的輸入（給定和干擾）恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(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)組成環(huán)節(jié)如變送器、控制器、控制閥都不改變其原先的狀態(tài)，它們的輸出信號(hào)也都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是靜態(tài)。

控制系統(tǒng)的輸入:設(shè)定作用和擾動(dòng)作用。第五十八頁(yè)，共89頁(yè)。動(dòng)態(tài)：被控變量隨時(shí)間變化的不平衡狀態(tài)。從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過(guò)控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時(shí)間中，整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)和信號(hào)都處于變動(dòng)狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動(dòng)態(tài)。第五十九頁(yè)，共89頁(yè)。結(jié)論：在過(guò)程控制系統(tǒng)中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)特性是必要的，但是了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性更為重要。因?yàn)樵谏a(chǎn)過(guò)程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過(guò)自動(dòng)化裝置不斷地施加控制作用去對(duì)抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標(biāo)上。第六十頁(yè)，共89頁(yè)。2.控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程系統(tǒng)由一個(gè)平衡狀態(tài)過(guò)渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。當(dāng)干擾作用于對(duì)象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負(fù)反饋?zhàn)饔孟拢?jīng)過(guò)一段時(shí)間，系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。舉例第六十一頁(yè)，共89頁(yè)。系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中，被控變量是隨時(shí)間變化的。被控變量隨時(shí)間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒(méi)有固定形式的，且多半屬于隨機(jī)性質(zhì)。在分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。第六十二頁(yè)，共89頁(yè)。采用階躍干擾的優(yōu)點(diǎn)：

這種形式的干擾比較突然、危險(xiǎn)，且對(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類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。階躍干擾作用第六十三頁(yè)，共89頁(yè)。定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的幾種形式(階躍擾動(dòng))

y(t)y(t)y(t)y(t)y(t)第六十四頁(yè)，共89頁(yè)。3.控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)示意圖

假定控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過(guò)渡過(guò)程多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過(guò)程，在此取這種過(guò)程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。第六十五頁(yè)，共89頁(yè)。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之一1)最大偏差或超調(diào)量

最大偏差是指在過(guò)渡過(guò)程中，被控變量瞬間偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過(guò)程中，最大偏差就是第一個(gè)波的峰值A(chǔ)。是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)。若偏差越大，偏離的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)穩(wěn)定正常生產(chǎn)越不利。特別是對(duì)于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學(xué)反應(yīng)器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會(huì)對(duì)最大偏差的允許值有所限制。超調(diào)量也可以用來(lái)表征被控變量偏離給定值的程度。第六十六頁(yè)，共89頁(yè)。衰減比是衡量過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。定義：第一個(gè)波的振幅與同方向第二個(gè)波的振幅之比。即

2）衰減比nCtyBB’A0五種重要品質(zhì)指標(biāo)之二第六十七頁(yè)，共89頁(yè)。衰減比n

n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統(tǒng)的穩(wěn)定度也越高，當(dāng)n趨于無(wú)窮大時(shí)，控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程接近于非振蕩過(guò)程。

n=1:等幅振蕩。

n<1:發(fā)散振蕩。n越小，意味著控制系統(tǒng)的振蕩過(guò)程越劇烈，穩(wěn)定度也越低，第六十八頁(yè)，共89頁(yè)。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，為保持足夠的穩(wěn)定裕度，一般希望過(guò)渡過(guò)程有兩個(gè)波左右，與此對(duì)應(yīng)的衰減比在4:1到10:1的范圍內(nèi)。衰減率：衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0第六十九頁(yè)，共89頁(yè)。3）余差定義：控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)設(shè)定值與被控變量穩(wěn)態(tài)值之差。

余差是反映控制準(zhǔn)確性的一個(gè)重要穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，一般希望其為零，或不超過(guò)預(yù)定的范圍。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之三第七十頁(yè)，共89頁(yè)。上圖中，

在控制系統(tǒng)中，對(duì)余差的要求取決于生產(chǎn)過(guò)程的要求，并不是越小越好。例如儲(chǔ)槽液位，余差可大一些；化學(xué)反應(yīng)器的溫度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性第七十一頁(yè)，共89頁(yè)。4）回復(fù)時(shí)間（過(guò)渡時(shí)間）回復(fù)時(shí)間表示控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的長(zhǎng)短。定義：控制系統(tǒng)在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩(wěn)態(tài)值達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。理論上講，控制系統(tǒng)要完全達(dá)到新的平衡狀態(tài)需要無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性五種重要品質(zhì)指標(biāo)之四第七十二頁(yè)，共89頁(yè)。實(shí)際上，被控變量接近于新穩(wěn)態(tài)值的或或的范圍內(nèi)且不再越出時(shí)為止所經(jīng)歷的時(shí)間，可計(jì)為過(guò)渡時(shí)間。一般希望過(guò)渡時(shí)間短一些。ytBB’5%ATs第七十三頁(yè)，共89頁(yè)。5）振蕩周期T在衰減比相同條件下，周期與過(guò)渡時(shí)間成正比；振蕩頻率與回復(fù)時(shí)間成反比。定義：過(guò)渡過(guò)程同向兩波峰之間的時(shí)間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數(shù)稱為振蕩頻率。五種重要品質(zhì)指標(biāo)之五第七十四頁(yè)，共89頁(yè)。其它一些次要指標(biāo)：振蕩次數(shù)：是指在過(guò)渡過(guò)程內(nèi)被控變量振蕩的次數(shù)。“理想過(guò)渡過(guò)程兩個(gè)波”：是指過(guò)渡過(guò)程振蕩兩次就能穩(wěn)定下來(lái)。上升時(shí)間：是指干擾開(kāi)始作用起到第一個(gè)波峰所需要的時(shí)間。CtyBB’A0穩(wěn)態(tài)特性第七十五頁(yè)，共89頁(yè)?？偨Y(jié)：主要指標(biāo)有：最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間、振蕩周期。在實(shí)際的系統(tǒng)中如何確定這些指標(biāo)，要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。原則：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)該優(yōu)先保證。第七十六頁(yè)，共89頁(yè)。例題：某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾下的過(guò)渡過(guò)程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、衰減比、余差、過(guò)渡時(shí)間、振蕩周期。（設(shè)定值為200℃）。(℃)解：(1)最大偏差：(2)余差：(℃)℃第七十七頁(yè)，共89頁(yè)。(3)衰減比：第一個(gè)波的振幅第二個(gè)波的振幅(℃)(℃)衰減比℃第七十八頁(yè)，共89頁(yè)。(4)過(guò)渡時(shí)間：過(guò)渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量的限制范圍大小有關(guān)，假設(shè)為，就可以認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為(℃)那么，在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以限制范圍為寬度畫(huà)一區(qū)域，只要被控變量不再越出即可。因此，過(guò)渡過(guò)程為22min.℃第七十九頁(yè)，共89頁(yè)。（5）振蕩周期振蕩周期為同向兩波峰之間的時(shí)間間隔，故周期

T＝20-5＝15（min）第八十頁(yè)，共89頁(yè)。某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過(guò)渡時(shí)間（給定值為200℃）。舉例溫度控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線第八十一頁(yè)，共89頁(yè)。解最大偏差A(yù)＝230-20