過(guò)程控制系統(tǒng)基本概念課件

過(guò)程控制儀表與系統(tǒng)任課教師：黃學(xué)章、張建智6/9/20231前言課程簡(jiǎn)介及課程內(nèi)容課程的重要性教學(xué)團(tuán)隊(duì)課程安排參考文獻(xiàn)考核辦法6/9/20232課程簡(jiǎn)介及課程內(nèi)容過(guò)程控制儀表+過(guò)程控制系統(tǒng)（ProcessControlInstrumentandSystem）課程簡(jiǎn)介：本課程為專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，具有較高的理論性與實(shí)踐性。其目的和任務(wù)是通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將掌握單回路和常見(jiàn)復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)的組成、工作過(guò)程、特點(diǎn)以及應(yīng)用等知識(shí)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)及將來(lái)學(xué)習(xí)和工作打下過(guò)程控制的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)。

主要內(nèi)容：①過(guò)程控制儀表與裝置：包括過(guò)程控制儀表的組成與分類(lèi)、控制器（可編程調(diào)節(jié)器）與控制規(guī)律、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)閥等；②過(guò)程控制系統(tǒng)：包括過(guò)程控制系統(tǒng)的組成、單回路過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、要求和參數(shù)整定；常用復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)和應(yīng)用。此外，還要了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（PLC)、先進(jìn)的過(guò)程控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)，以及各類(lèi)過(guò)程控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)用。6/9/20233相關(guān)課程熱工過(guò)程控制工程前期課程計(jì)算機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)流體力學(xué)傳熱學(xué)工程熱力學(xué)自動(dòng)控制原理熱工測(cè)試技術(shù)后續(xù)課程計(jì)算機(jī)控制技術(shù)內(nèi)燃機(jī)電控技術(shù)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)工程數(shù)據(jù)分析方法課程設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)Text6/9/20234課程的重要性本課程是培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)課，具有很強(qiáng)實(shí)踐性。涉及的學(xué)科面廣，是一門(mén)與材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)密切相關(guān)的快速發(fā)展的學(xué)科。與專(zhuān)業(yè)方向相關(guān)：熱能工程；電廠動(dòng)力；內(nèi)燃機(jī)；制冷與低溫工程；環(huán)境與設(shè)備工程；熱工自動(dòng)化；新能源科學(xué)與工程。與學(xué)術(shù)研究相關(guān)：熱工過(guò)程與設(shè)備的計(jì)算機(jī)仿真與優(yōu)化；節(jié)能與環(huán)保新技術(shù)；熱工過(guò)程檢測(cè)；診斷與智能決策；現(xiàn)代熱物性測(cè)試技術(shù)；新型制冷系統(tǒng)與裝置；空調(diào)系統(tǒng)與設(shè)備節(jié)能新技術(shù)；CFD建筑能耗分析與管理研究；建筑室內(nèi)外空氣品質(zhì)及其控制。6/9/20235教學(xué)團(tuán)隊(duì)任課教師：黃學(xué)章；張建智；宋彥坡聯(lián)系方式：

6/9/20236課程安排請(qǐng)參考教學(xué)日歷（40學(xué)時(shí)）緒論（4學(xué)時(shí)）+過(guò)程控制儀表（8學(xué)時(shí)）+過(guò)程控制系統(tǒng)（14學(xué)時(shí)）+計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（4學(xué)時(shí)）+工程應(yīng)用（6學(xué)時(shí)）+機(jī)動(dòng)（2學(xué)時(shí)）+復(fù)習(xí)（2學(xué)時(shí)）6/9/20237參考文獻(xiàn)[1]劉玉長(zhǎng)主編，自動(dòng)檢測(cè)和過(guò)程控制，第四版，冶金工業(yè)出版社，2010[2]周澤魁主編，控制儀表與計(jì)算機(jī)控制裝置，化學(xué)工業(yè)出版社，2002[3]何衍慶、俞金壽主編，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制，化學(xué)工業(yè)出版社，2004[4]潘永湘主編，過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表第2版，機(jī)械工業(yè)出版社，2007

[5]曹潤(rùn)生等編，過(guò)程控制儀表，浙江大學(xué)出版社，1987[6]徐春山主編，過(guò)程控制儀表，冶金工業(yè)出版社，1995.[7]吳勤勤主編，控制儀表及裝置，第二版，化學(xué)工業(yè)出版社，2002[8]方康玲主編，過(guò)程控制系統(tǒng)，武漢理工大學(xué)出版社，2002[9]王驥程、祝和云主編，化工過(guò)程控制工程，化工出版社，1981[10]向婉成主編，過(guò)程控制調(diào)節(jié)裝置，機(jī)械工業(yè)出版社，1987[11]涂植英等主編,過(guò)程控制系統(tǒng),機(jī)械工業(yè)出版社，1988[12]金以慧主編，過(guò)程控制，清華大學(xué)出版社，1993.4[13]孟華主編，工業(yè)過(guò)程檢測(cè)與控制，北京航空航天大學(xué)出版社，2002[14]俞金壽、蔣慰孫編著，過(guò)程控制工程，電子工業(yè)出版社，2007[15]林德杰主編，過(guò)程控制儀表及控制系統(tǒng)，機(jī)械工業(yè)出版社，2004[16]侯志林，過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表，機(jī)械工業(yè)出版社，20076/9/20238考核辦法平時(shí)成績(jī)(30%)＋期末筆試(70%)平時(shí)成績(jī)：考勤（5分/次）作業(yè)（5分/次）回答問(wèn)題（5分/次）課堂秩序（5分/次）考勤有4次未到者或平時(shí)成績(jī)不及格者，取消考試資格附加題：1、教室照明節(jié)電自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2、校園廁所節(jié)水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3、公交車(chē)實(shí)時(shí)信息預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)6/9/202391.1過(guò)程控制系統(tǒng)的組成與分類(lèi)1.2過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)1.3被控對(duì)象特性1.4被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型第一章過(guò)程控制系統(tǒng)的基本概念

6/9/202310進(jìn)料口出料口H玻璃管液位計(jì)進(jìn)料口執(zhí)行器變送器調(diào)節(jié)器1.1.1過(guò)程控制系統(tǒng)例1：水槽液位控制6/9/202311水槽液位控制

F1LC工作過(guò)程：F1增加→L增加→變送器輸出信號(hào)增加→偏差（測(cè)量值-設(shè)定值）為正、增加→控制器輸出增加→閥開(kāi)度增加→F2增加→L降低；F2F16/9/2023121.1.1過(guò)程控制系統(tǒng)例2：鍋爐汽包水位控制（a）手動(dòng)控制（b）自動(dòng)控制蒸汽汽包省煤器給水LTLC蒸汽汽包省煤器給水玻璃管液位計(jì)鍋爐汽包液位控制6/9/2023131.1.1過(guò)程控制系統(tǒng)鍋爐6/9/2023141.1.1過(guò)程控制系統(tǒng)鍋爐6/9/202315鍋爐設(shè)備的三大控制系統(tǒng)主要控制系統(tǒng)：（1）鍋爐汽包水位的控制； （2）鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制； （3）過(guò)熱蒸汽系統(tǒng)的控制。6/9/2023161.1.1過(guò)程控制系統(tǒng)例2：鍋爐汽包水位控制（a）手動(dòng)控制（b）自動(dòng)控制蒸汽汽包省煤器給水LTLC蒸汽汽包省煤器給水玻璃管液位計(jì)鍋爐汽包液位控制6/9/202317例3：加熱爐的溫度控制1.1.1過(guò)程控制系統(tǒng)6/9/2023181.1.2過(guò)程控制系統(tǒng)的組成例：加熱爐的控制過(guò)程——工藝流程6/9/202319工作原理：燃油量增加→T2增大→T1增大→變送器輸出信號(hào)增加→偏差（測(cè)量值-設(shè)定值）為正、增加→控制器輸出減?。ǚ醋饔茫y開(kāi)度減小→燃油量降低討論：分析原油量減少的控制過(guò)程；加熱爐溫度控制6/9/2023201.1.2控制系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)由檢測(cè)變送單元、控制器、執(zhí)行器和被控對(duì)象組成。被控對(duì)象：是指某些被控制的裝置或設(shè)備。例如加熱爐、高爐、沸騰爐、回轉(zhuǎn)窯以及貯藏物料的槽罐或輸送物料的管段等。

檢測(cè)元件和變送器：用于檢測(cè)被控變量，并將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。

控制器：用于將檢測(cè)變送單元的輸出信號(hào)與設(shè)定值信號(hào)進(jìn)行比較，按一定的控制規(guī)律對(duì)其偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果輸出到執(zhí)行器。執(zhí)行器：執(zhí)行器接收控制器的輸出信號(hào)，通過(guò)改變執(zhí)行器節(jié)流件的流通面積來(lái)改變操縱變量。6/9/2023211.1.3控制系統(tǒng)方框圖例：加熱爐的控制過(guò)程——工藝流程圖6/9/2023221.1.3控制系統(tǒng)方框圖例：加熱爐的控制過(guò)程——方框圖6/9/202323控制系統(tǒng)框圖控制裝置執(zhí)行器過(guò)程+r(t)e(t)_檢測(cè)元件、變送器比較機(jī)構(gòu)控制器q(t)

被控變量c(t)擾動(dòng)f(t)廣義對(duì)象測(cè)量值y(t)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成u(t)注意幾個(gè)變量的區(qū)別：被控變量c、給定值（或設(shè)定值）r、測(cè)量值y、操縱變量（或控制變量）q、干擾（或外界擾動(dòng)）f、偏差信號(hào)e、控制信號(hào)u、閉環(huán)系統(tǒng)、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、反饋。6/9/202324流量測(cè)量物位與厚度檢測(cè)壓力測(cè)量溫度測(cè)量檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)溫度測(cè)量壓力測(cè)量應(yīng)變與厚度檢測(cè)流量測(cè)量物位與厚度檢測(cè)過(guò)程成分檢測(cè)顯示儀表控制器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器檢測(cè)儀表6/9/202325鎧裝熱電偶帶熱電偶-熱電阻雙金屬溫度計(jì)隔爆式雙金屬溫度計(jì)溫度測(cè)量6/9/202326電接點(diǎn)壓力表耐振壓力表隔膜式耐振壓力表壓力測(cè)量6/9/202327電磁流量計(jì)渦街流量計(jì)浮子流量計(jì)流量測(cè)量6/9/202328物位測(cè)量鍋爐磁力水位儀

射頻導(dǎo)納物位計(jì)

電動(dòng)浮筒液位計(jì)6/9/202329控制器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器變送器壓力變送器

一體式溫度變送器

擴(kuò)散硅液位變送器

6/9/202330控制器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器控制器數(shù)字調(diào)節(jié)器

模擬調(diào)節(jié)器

6/9/202331控制器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器執(zhí)行器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)蝶閥直行程電動(dòng)執(zhí)行器

6/9/202332復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)控制器被控對(duì)象測(cè)量變送裝置+－SP執(zhí)行器過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置1、控制系統(tǒng)的被控量包含了溫度、壓力、流量、液位四大熱工參數(shù)。2、執(zhí)行器中既有儀表類(lèi)執(zhí)行器，又有交流變頻器、加熱控制器、加熱器等電力拖動(dòng)類(lèi)執(zhí)行器。3、該裝置是一個(gè)微型的鍋爐加熱、給排水系統(tǒng)，是模擬了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的小型工廠，具有真實(shí)可靠性和直觀性。4、通過(guò)工業(yè)總線，上位機(jī)可對(duì)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。

5、可提供監(jiān)控圖形畫(huà)面。6/9/202333過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置監(jiān)控畫(huà)面6/9/202334計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)IFIX組態(tài)軟件6/9/2023351.1.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)（一）按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)：

1、反饋控制系統(tǒng)2、前饋控制系統(tǒng)3、前饋-反饋控制系統(tǒng)（二）按給定值信號(hào)的特點(diǎn)分類(lèi)

1、定值控制系統(tǒng)2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)3、程序控制系統(tǒng)6/9/2023361.1.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)反饋控制前饋控制6/9/2023371.1.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)前饋-反饋控制6/9/2023381.1.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)（一）按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類(lèi)：

1、反饋控制系統(tǒng)2、前饋控制系統(tǒng)3、前饋-反饋控制系統(tǒng)（二）按給定值信號(hào)的特點(diǎn)分類(lèi)

1、定值控制系統(tǒng)2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)3、程序控制系統(tǒng)6/9/2023391.1.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)定值控制系統(tǒng)：所謂定值就是設(shè)定值恒定，不隨時(shí)間而變。生產(chǎn)過(guò)程中往往要求控制系統(tǒng)的被控量保持在某一定值不變；當(dāng)被控量波動(dòng)時(shí)，控制器動(dòng)作，使被控量回復(fù)至設(shè)定值(或接近設(shè)定數(shù)值)。大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制，都是定值控制系統(tǒng)。上述鍋爐汽包水位的自動(dòng)控制，就是一種定值控制系統(tǒng)。在定值控制系統(tǒng)中，有簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)，又有復(fù)雜的控制系統(tǒng)。6/9/2023401.1.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)程序控制系統(tǒng)在此系統(tǒng)中，設(shè)定值在時(shí)間上按一定程序變化，被控量在時(shí)間上也按一定程序變化。例如某些熱處理爐溫度的自動(dòng)控制，需要采用程序控制系統(tǒng)，因?yàn)楣に囈笥幸欢ǖ纳郎亍⒈?、降溫時(shí)間，如圖所示。其中0-1-2線段是升溫曲線，2-3線段是保溫時(shí)間，3-4-5線段是降溫曲線；通過(guò)系統(tǒng)中的程序設(shè)定裝置，可使設(shè)定值按工藝要求的預(yù)定程序變化，從而使被控量也跟隨設(shè)定值的程序變化。t01234T56/9/2023411.1.4過(guò)程控制系統(tǒng)的分類(lèi)隨動(dòng)控制系統(tǒng)在隨動(dòng)系統(tǒng)中，設(shè)定值隨時(shí)間不斷的變化，而且預(yù)先不知道它的變化規(guī)律，但要求系統(tǒng)的輸出即被控量跟著變化，而且希望被控量隨設(shè)定值的變化即快又準(zhǔn)。

例如在燃料燃燒過(guò)程中，空氣與燃料量之間的比值是有一定要求的，但是燃料量需要多少，則隨生產(chǎn)情況而定，而且預(yù)先不知道它的變化規(guī)律。在這里燃料需要量相當(dāng)于設(shè)定值，它隨溫度的變化而變化，故這樣的系統(tǒng)稱(chēng)為隨動(dòng)控制系統(tǒng)。在這樣的隨動(dòng)控制系統(tǒng)中，由于空氣量的變化必須隨著燃料量按一定比值而變，因此又稱(chēng)為比值控制系統(tǒng)，比值控制系統(tǒng)是工業(yè)中較常見(jiàn)的隨動(dòng)系統(tǒng)形式。6/9/202342過(guò)程控制發(fā)展的歷史：（1）1930-1940年代。微分方程解析方法。主要研究單輸入、單輸出控制系統(tǒng)。采用基地式儀表和部分氣動(dòng)單元組合儀表。（2）1940-1950年代。經(jīng)典控制理論——頻域法、根軌跡法。主要研究定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問(wèn)題。采用基地式儀表和大量氣動(dòng)單元組合儀表。（3）1950-1960年代?，F(xiàn)代控制理論——極小值原理、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、隨機(jī)性系統(tǒng)的最小二乘狀態(tài)估計(jì)等。系統(tǒng)辯識(shí)和參數(shù)估計(jì)、隨機(jī)控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制等控制領(lǐng)域的理論分支相繼得到開(kāi)發(fā)和研究。PID控制和復(fù)雜控制系統(tǒng)。1.1.5過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展概況6/9/202343（4）1970-1980年代，為解決大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化和控制問(wèn)題，現(xiàn)代控制理論與系統(tǒng)理論相結(jié)合，形成大系統(tǒng)控制理論。出現(xiàn)高維線性系統(tǒng)，同時(shí)，基于知識(shí)的專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、學(xué)習(xí)控制和基于信息論的智能控制、含有大量不確定性和難于建模的復(fù)雜控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并在許多應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這階段的儀表從直接數(shù)字控制進(jìn)化為集散控制系統(tǒng)。（5）1980開(kāi)始。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、顯示技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制也得到了飛速發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和儀表開(kāi)始得到應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程和控制與管理集成在一起，組成了計(jì)算機(jī)集成過(guò)程控制系統(tǒng)，或綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。6/9/2023441.2過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)1.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)

在自動(dòng)控制中，把被控量不隨時(shí)間而變化的平衡狀態(tài)稱(chēng)為系統(tǒng)的靜態(tài)，而把被控量隨時(shí)間而變化的不平衡狀態(tài)稱(chēng)為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。

當(dāng)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入(設(shè)定值和擾動(dòng))及輸出均恒定不變時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就處于一種相對(duì)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)，他們的輸出信號(hào)都處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種狀態(tài)就是上述的靜態(tài)。必須注意，這里所指的靜態(tài)并不是一般所說(shuō)的靜止?fàn)顟B(tài)。一般所說(shuō)的靜止是指靜止不動(dòng)，而在自動(dòng)控制中，靜態(tài)是指各參數(shù)(或信號(hào))的變化率為零，即參數(shù)保持不變，因?yàn)橄到y(tǒng)處于靜態(tài)時(shí)，生產(chǎn)還在進(jìn)行，物料和能量仍有進(jìn)出，只是平穩(wěn)的進(jìn)行沒(méi)有改變就是了。

6/9/2023451.2過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程和品質(zhì)指標(biāo)1.2.1自動(dòng)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)

在生產(chǎn)過(guò)程中，擾動(dòng)是客觀存在，且是不可避免的，因此了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更為重要。例如生產(chǎn)過(guò)程中前后工序的互相影響，負(fù)荷的改變，電壓、氣壓的波動(dòng)，氣候的影響等等，這些擾動(dòng)是破壞系統(tǒng)平衡狀態(tài)，引起被控量發(fā)生變化的外界因素。在一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，時(shí)時(shí)刻刻都有擾動(dòng)作用于被控對(duì)象，以至破壞正常的生產(chǎn)狀態(tài)，因之就需要通過(guò)自動(dòng)控制裝置，不斷的施加調(diào)節(jié)作用去對(duì)抗或抵消擾動(dòng)作用的影響，從而使被控量保持在生產(chǎn)所要控制的技術(shù)指標(biāo)上。6/9/2023461.2.2過(guò)程控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程

當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入發(fā)生變化后，被控變量隨時(shí)間不斷變化的過(guò)程稱(chēng)為系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程。也就是系統(tǒng)從一個(gè)平衡狀態(tài)到達(dá)另一個(gè)平衡狀態(tài)的過(guò)程。在階躍擾動(dòng)作用下，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程主要有以下幾種形式：

(a)發(fā)散振蕩(b)等幅振蕩(c)衰減振蕩(d)單調(diào)過(guò)程過(guò)渡過(guò)程的幾種基本形式6/9/2023471.2.3控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)1、穩(wěn)定性：是控制系統(tǒng)性能的首要指標(biāo)。表明組成控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)應(yīng)位于s左半平面。2、準(zhǔn)確性：是控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。表明控制系統(tǒng)的被控變量與參比變量（設(shè)定值）之間的偏差，即靜態(tài)偏差應(yīng)盡可能小。3、快速性：也是控制系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)。當(dāng)控制系統(tǒng)受到擾動(dòng)影響時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)盡快地做出響應(yīng)，改變操縱變量，使被控變量與參比變量之間有偏差的時(shí)間盡可能短。4、偏離度：也是重要的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)。表示在控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中被控變量偏離參比變量的離散程度。6/9/202348時(shí)域控制性能指標(biāo)用階躍輸入信號(hào)作用下控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線表示的控制系統(tǒng)性能指標(biāo)稱(chēng)為時(shí)域控制性能指標(biāo)。6/9/2023491、衰減比n——穩(wěn)定性指標(biāo)衰減率

二階系統(tǒng)常用衰減度m表示衰減的程度。

6/9/2023502、超調(diào)量和最大動(dòng)態(tài)偏差——穩(wěn)定性指標(biāo)

超調(diào)量：最大動(dòng)態(tài)偏差：

6/9/2023513、余差——準(zhǔn)確性指標(biāo)4、回復(fù)時(shí)間和振蕩頻率——快速性指標(biāo)過(guò)度過(guò)程要絕對(duì)達(dá)到新穩(wěn)態(tài)值需要無(wú)限時(shí)間，因此，用被控變量從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值±5%或±2%范圍內(nèi)的時(shí)間作為過(guò)渡過(guò)程的回復(fù)時(shí)間TS。過(guò)渡過(guò)程的振蕩頻率與振蕩周期的關(guān)系：

6/9/2023525、偏離度

控制系統(tǒng)偏離度是被控變量統(tǒng)計(jì)特性的描述。在控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，被控變量的分布通常遵循正態(tài)分布。被控變量的正態(tài)分布曲線6/9/202353例：

某換熱器的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線如圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和回復(fù)時(shí)間（給定值200℃）。

t/min230210205200520溫度控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程曲線220溫度/℃6/9/202354解最大偏差：A=230-200=30℃

余差：C=205-200=5℃

衰減比：由圖上可以看出，第一個(gè)波峰值B1=230-205=25，第二個(gè)波峰值B2=230-205=5，故衰減比應(yīng)為B1∶B2=25∶5=5∶1。

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）

過(guò)渡時(shí)間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進(jìn)入額定值的±2%，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200×（±2%）=±4℃，這時(shí)，可在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±4℃畫(huà)一區(qū)域，圖中以畫(huà)有陰影線區(qū)域表示，只要被控變量進(jìn)入這一區(qū)域且不再越出，過(guò)渡過(guò)程就可以認(rèn)為已經(jīng)結(jié)束。因此，從圖上可以看出，過(guò)渡時(shí)間為22min。6/9/202355積分性能指標(biāo)1、誤差平方積分鑒定指標(biāo)ISE

缺點(diǎn)：會(huì)產(chǎn)生振蕩的響應(yīng)2、絕對(duì)誤差積分鑒定指標(biāo)IAE

缺點(diǎn)：最小系統(tǒng)誤差的確定有困難3、時(shí)間乘絕對(duì)誤差積分鑒定指標(biāo)ITAE

缺點(diǎn)：積分鑒定指標(biāo)的解析解不易獲得

不同積分性能指標(biāo)對(duì)控制系統(tǒng)優(yōu)良程度的側(cè)重點(diǎn)不同。6/9/2023561.3被控對(duì)象特性

在過(guò)程控制系統(tǒng)中，鍋爐、熱交換器、反應(yīng)器、加熱爐、窯爐、料倉(cāng)、貯槽、流體輸送設(shè)備及一些動(dòng)力設(shè)備等等是最常見(jiàn)的被控對(duì)象。各種對(duì)象千差萬(wàn)別，每個(gè)對(duì)象都有其自身的固有的特性，而對(duì)象特性的差異對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行控制有著很大的影響。有的對(duì)象很容易操作，控制比較平穩(wěn)；有的生產(chǎn)過(guò)程很難操作，只要不小心就會(huì)超出正常工藝條件，輕則影響生產(chǎn)，重則造成事故。因此，只有全面了解和掌握被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，才能合理的設(shè)計(jì)控制方案，選用合適的檢測(cè)和控制儀表，進(jìn)行控制器參數(shù)整定。特別是要設(shè)計(jì)高質(zhì)量的、新型復(fù)雜的控制方案時(shí)，如前饋控制、自適應(yīng)控制、計(jì)算機(jī)最優(yōu)控制等等，由于涉及到過(guò)程的數(shù)學(xué)模型問(wèn)題，更離不開(kāi)對(duì)被控對(duì)象特性的研究。

6/9/2023571.3被控對(duì)象特性

過(guò)程特性是指當(dāng)被控量（操縱變量或擾動(dòng)變量）發(fā)生變化時(shí)，其輸出變量（被控變量）隨時(shí)間的變化規(guī)律。多數(shù)工業(yè)過(guò)程的特性分為四種類(lèi)型。

（1）自衡的非振蕩過(guò)程；（2）無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程；（3）自衡的振蕩過(guò)程；（4）具有反向特性的過(guò)程。6/9/202358（1）自衡的非振蕩過(guò)程。該類(lèi)過(guò)程在階躍輸入信號(hào)作用下的輸出響應(yīng)曲線沒(méi)有振蕩地從一個(gè)穩(wěn)態(tài)趨向于另一個(gè)穩(wěn)態(tài)。例如：液位儲(chǔ)罐在進(jìn)料閥開(kāi)度增大時(shí)，原來(lái)的穩(wěn)定液位會(huì)上升，由于出料閥開(kāi)度未變，隨著液位的升高，靜壓增大，出料流量也增大，因此，液位上升逐漸變慢，直到液位達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定位置。傳遞函數(shù)：6/9/202359

（2）無(wú)自衡的非振蕩過(guò)程。該過(guò)程沒(méi)有自衡能力，它在階躍輸入信號(hào)作用下輸出響應(yīng)曲線無(wú)振蕩地從一個(gè)穩(wěn)態(tài)一直上升或下降，不能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。例如：某些液位儲(chǔ)罐的出料閥采用定量泵排出，當(dāng)進(jìn)料閥開(kāi)度階躍變化時(shí)，液位會(huì)一直上升到溢出或下降到排空。傳遞函數(shù)：6/9/202360

（3）自衡的振蕩過(guò)程。該過(guò)程具有自衡能力，它在階躍輸入信號(hào)作用下輸出呈現(xiàn)衰減振蕩特性，最終過(guò)程會(huì)趨于新的穩(wěn)態(tài)值。6/9/202361

（4）具有反向特性的過(guò)程。該類(lèi)過(guò)程在階躍輸入信號(hào)作用下開(kāi)始與終止時(shí)出現(xiàn)反向的變化。

該類(lèi)過(guò)程的典型例子就是鍋爐水位。6/9/202362（a）手動(dòng)控制（b）自動(dòng)控制鍋爐汽包液位控制蒸汽汽包省煤器給水LTLC蒸汽汽包省煤器給水玻管液位計(jì)

當(dāng)蒸汽用量階躍增加時(shí)，引起蒸汽壓力突然下降，汽包水位由于水的閃急汽化，造成虛假水位上升，但因用汽量的增加，最終，水位反而下降。這類(lèi)過(guò)程由于控制器根據(jù)水位的上升會(huì)做出減少給水量的誤操作，因此，控制這類(lèi)過(guò)程最為困難。6/9/202363描述對(duì)象特性的參數(shù)：（放大系數(shù)、時(shí)間常數(shù)、滯后時(shí)間）

12L儲(chǔ)液槽F1F2以?xún)?chǔ)液槽對(duì)象為例：水經(jīng)過(guò)閥門(mén)１不斷地流入水槽，水槽內(nèi)的水又通過(guò)閥門(mén)２不斷流出，工藝上要求水槽液位Ｌ保持一定數(shù)值。此處，水槽就是被控對(duì)象，液位Ｌ就是被控量。如果閥門(mén)２的開(kāi)度不變，而閥門(mén)１的開(kāi)度變化，則此閥門(mén)１的開(kāi)度變化就是引起液位Ｌ變化的擾動(dòng)因數(shù)。這里所指的對(duì)象特性是指當(dāng)閥門(mén)１的開(kāi)度發(fā)生變化，也就是輸入水量F1發(fā)生變化時(shí)，液位Ｌ是如何變化的。

6/9/202364當(dāng)通過(guò)閥１流入水槽的流量F1等于流出水槽的流量F2時(shí)，槽內(nèi)液位就保持在L0不變。如果假定在某時(shí)刻突然開(kāi)大閥門(mén)1，并設(shè)輸入水槽流量變化?Ｆ，則由于閥2開(kāi)度未變，液位Ｌ上升，Ｌ上升，液體靜壓加大，使得輸出流量F2也隨之增加，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，F(xiàn)1等于F2，即輸入與輸出平衡，故Ｌ穩(wěn)定在一新的數(shù)值L2。Ｌ的變化開(kāi)始快以后逐漸變慢，最后穩(wěn)定在L2不變，其原因乃是開(kāi)始時(shí)F1與F2差別大，以后由于Ｌ的增加，F(xiàn)1與F2的差別逐漸減小直到完全消除。由此可得水流量變化?Ｆ與液位變化?Ｌ的變化曲線如圖所示。此曲線可以描述對(duì)象特性。盡管不同對(duì)象可以作出不同的變化曲線，但基本上都可以用幾個(gè)主要物理量來(lái)說(shuō)明對(duì)象的特性。

液位和流量變化曲線FF1F10L2L0?Ｆ?LF1F212L儲(chǔ)液槽F1F26/9/2023651、放大系數(shù)K

由上例可知，在穩(wěn)定狀態(tài)下，一定的?F對(duì)應(yīng)著一定的?L，且令K為?L與?F之比，用數(shù)學(xué)表示，即K＝?L/?F或?L＝K?F。放大系數(shù)K是一個(gè)靜態(tài)特性參數(shù)，只與被控量的變化過(guò)程起點(diǎn)與終點(diǎn)有關(guān)，而與被控量的變化過(guò)程沒(méi)有關(guān)系。利用放大系數(shù)K，可以獲得任何幅值階躍擾動(dòng)（輸入變化值）對(duì)被控量（輸出變化值）的靜態(tài)影響；K愈大（或愈?。?，則輸入對(duì)輸出穩(wěn)定值的影響愈大（或愈?。?。顯然，不同擾動(dòng)通過(guò)不同通道進(jìn)入對(duì)象時(shí)，對(duì)輸出的影響各不相同，也即對(duì)象的放大系數(shù)是不同的。6/9/2023661、放大系數(shù)K

因此：在考慮控制方案時(shí)，應(yīng)分析各種擾動(dòng)對(duì)被控量的影響，比較它們的放大系數(shù)，分析它們的可控性能，選擇放大系數(shù)較大，可控性能較好的作為操縱量，以利于迅速克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。6/9/2023672、時(shí)間常數(shù)Tc

時(shí)間常數(shù)Tc是說(shuō)明被控量變化快慢的參數(shù)。從大量的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，有的對(duì)象受到擾動(dòng)作用后，被控量變化很快，能較迅速地達(dá)到了穩(wěn)定值；有的對(duì)象，被控量要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到新的穩(wěn)定值，由圖可以看出，不同對(duì)象，其時(shí)間常數(shù)不同，當(dāng)受到階躍擾動(dòng)時(shí)，其響應(yīng)曲線是不一樣的。

水槽液位單容對(duì)象

時(shí)間常數(shù)Tc的求解方法：上圖所示的水槽對(duì)象是沒(méi)有滯后的單容對(duì)象，其響應(yīng)曲線是一條指數(shù)曲線，被控量液位Ｌ經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后，穩(wěn)定在一新的數(shù)值L’；由o點(diǎn)作響應(yīng)曲線的切線交L’于B，則ob即為時(shí)間常數(shù)Tc。一般說(shuō)來(lái)，時(shí)間常數(shù)Tc小，則對(duì)象慣性小，被控量變化速度大，不易控制。6/9/2023683、滯后時(shí)間τ

有的對(duì)象在受到擾動(dòng)作用后，被控量不是立即變化，而是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才開(kāi)始變化。

τ0

測(cè)點(diǎn)在管道上的蒸汽直接加熱器及其特性FF1F10T2T1?F?TF1F2lTF蒸汽水溶液

6/9/2023693、滯后時(shí)間τ

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，純滯后的現(xiàn)象是普遍存在的，因?yàn)榭刂崎y門(mén)等的安裝位置與對(duì)象本身之間總有一段距離，輸入量（或輸出量）的改變和信息的傳遞均需要時(shí)間；另外在被控量雖已發(fā)生變化，但要在顯示儀表上反映出來(lái)，也有一個(gè)信息傳遞的問(wèn)題，因此我們把純滯后也叫做傳遞滯后。傳遞滯后隨調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與檢測(cè)元件之間安裝距離的增加而增大。傳遞滯后給自動(dòng)控制帶來(lái)很大的困難，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)，控制裝置無(wú)能為力，控制器不可能在感受到偏差以前就發(fā)出控制信號(hào)，所以在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，應(yīng)當(dāng)盡可能地避免或減小過(guò)程的傳遞滯后。

6/9/202370

注意：

放大系數(shù)K是用來(lái)表征對(duì)象靜態(tài)特性的參數(shù)，而時(shí)間常數(shù)Tc和滯后時(shí)間τ都是用來(lái)表征對(duì)象受到擾動(dòng)作用后被控量是如何變化的，因此它們是反映對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)。

6/9/202371注意：

最后還應(yīng)指出，對(duì)象的特性還與其負(fù)荷變化有關(guān)。所謂對(duì)象的負(fù)荷，是指對(duì)象的生產(chǎn)能力或運(yùn)行能力。負(fù)荷的改變，是由生產(chǎn)需要決定的。當(dāng)負(fù)荷在生產(chǎn)允許的極限范圍內(nèi)變化時(shí)，設(shè)備就正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但是負(fù)荷變化后，對(duì)象的各種阻力就會(huì)改變，以致使對(duì)象的容量、放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)等對(duì)象特性亦會(huì)改變；另外負(fù)荷變化，物料輸送量或輸送速度也會(huì)隨之而變，因而也會(huì)影響傳遞滯后。總之，被控對(duì)象在不同負(fù)荷下，它的特性參數(shù)是不同的。在設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，就應(yīng)當(dāng)考慮到負(fù)荷變化的影響，使系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)適應(yīng)對(duì)象負(fù)荷的變化，保證控制的質(zhì)量要求。6/9/2023721.4過(guò)程動(dòng)態(tài)模型的建立

一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)由被控過(guò)程和檢測(cè)控制儀表兩部分組成。因此，系統(tǒng)的控制品質(zhì)取決于被控過(guò)程和檢測(cè)控制儀表的特性。由于過(guò)程控制儀表的特性是可以人為改變的，以適應(yīng)不同被控過(guò)程的需要。因此，系統(tǒng)控制品質(zhì)的優(yōu)劣，主要取決于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的了解和建立被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。建立過(guò)程動(dòng)態(tài)模型的方法：（1）系統(tǒng)辨識(shí)法（2）機(jī)理建模法（3）混合方法

6/9/202373系統(tǒng)辨識(shí)方法

根據(jù)過(guò)程輸入輸出數(shù)據(jù)確定過(guò)程模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)的建模方法稱(chēng)為系統(tǒng)辨識(shí)方法，建立的模型稱(chēng)為黑箱模型。

根據(jù)所建立模型的參數(shù)不同，系統(tǒng)辨識(shí)法可分為非參數(shù)模型辨識(shí)和參數(shù)模型辨識(shí)兩類(lèi)方法。上面介紹的四類(lèi)過(guò)程特性是用非參數(shù)模型辨識(shí)建立的模型。非參數(shù)模型的過(guò)程特性參數(shù)可用曲線擬合法估計(jì)。參數(shù)模型辨識(shí)方法根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)用參數(shù)估計(jì)的方法確定參數(shù)模型中的有關(guān)參數(shù)值。常用的參數(shù)模型有自回歸模型、擴(kuò)展自回歸模型。參數(shù)估計(jì)的方法有最小二乘法、最大似然法、儀表變量法、兩步法。6/9/202374系統(tǒng)辨