第一章過(guò)程控制系統(tǒng)概述

基本概念組成特點(diǎn)分類性能指標(biāo)發(fā)展歷程第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/141當(dāng)前第1頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過(guò)程控制與集散系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程：

是指物料經(jīng)過(guò)若干加工步驟而成為產(chǎn)品的過(guò)程.

生產(chǎn)過(guò)程的總目標(biāo)：

將原物料加工成預(yù)期的產(chǎn)品.過(guò)程控制的任務(wù):

了解工藝流程和動(dòng)靜態(tài)特性.實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的控制目標(biāo).過(guò)程控制的基本概念1.1

第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/142當(dāng)前第2頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院生產(chǎn)過(guò)程的要求：安全性,穩(wěn)定性,經(jīng)濟(jì)性

(1)安全性:生產(chǎn)過(guò)程中，確保人身和設(shè)備安全 是最重要和最基本的要求.

(2)穩(wěn)定性:系統(tǒng)抑制外部干擾、保持生產(chǎn)過(guò)程 長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的能力.

(3)經(jīng)濟(jì)性:低成本高效益是過(guò)程控制的另一個(gè)目標(biāo).

工業(yè)過(guò)程可以分為：連續(xù)過(guò)程工業(yè)、離散過(guò)程工業(yè)和間歇過(guò)程工業(yè).過(guò)程控制主要是指連續(xù)過(guò)程工業(yè)的過(guò)程控制過(guò)程控制與集散系統(tǒng)第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/143當(dāng)前第3頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)過(guò)程控制（Processcontrol）：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、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)，都屬于過(guò)程控制系統(tǒng)。連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程特征是：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)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。過(guò)程控制與集散系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/144當(dāng)前第4頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過(guò)程控制系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)1.2過(guò)程控制系統(tǒng)的一般性框圖

1．被控過(guò)程（或?qū)ο螅?/p>

2．檢測(cè)變送(用于生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的檢測(cè)與變送儀表)；

3．控制器；

4．執(zhí)行器(機(jī)構(gòu)).過(guò)程控制與集散系統(tǒng)第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/145當(dāng)前第5頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院名詞術(shù)語(yǔ)：（1）被控參數(shù)（變量）y(t)：被控過(guò)程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù),如溫度、壓力、流量、液位、成分等；（2）控制參數(shù)（亦稱操作變量控制介質(zhì)）q(t)：使被控參數(shù)保持期望值的物料量或能量；（3）干擾量f(t)：除被控參數(shù)外，作用于被控過(guò)程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；（4）設(shè)定值r(t)：與被控參數(shù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值；（5）反饋值z(mì)(t)：被控參數(shù)經(jīng)測(cè)量變送后的實(shí)際測(cè)量值；（6）偏差e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；（7）控制作用u(t)：控制器的輸出值。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/146當(dāng)前第6頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院控制器（或稱調(diào)節(jié)器）根據(jù)系統(tǒng)輸出量測(cè)值與設(shè)定值的偏差，按照一定的控制算法輸出控制量，對(duì)被控過(guò)程進(jìn)行控制。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如：調(diào)節(jié)閥）接受控制器（調(diào)節(jié)器）送來(lái)的控制信息調(diào)節(jié)被控量，達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。

過(guò)程的輸出信號(hào)通過(guò)檢測(cè)與變送儀表，反饋到控制器的輸入端，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/147當(dāng)前第7頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)1.開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)(open-loopcontrolsystem)是指被控對(duì)象的輸出(被控制量)對(duì)控制器(controller)的輸出沒(méi)有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來(lái)以形成任何閉環(huán)回路。2.閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loopcontrolsystem)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出(被控制量)會(huì)反送回來(lái)影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號(hào)與系統(tǒng)給定值信號(hào)相反，則稱為負(fù)反饋(NegativeFeedback)，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。error)描述，它表示系統(tǒng)輸出穩(wěn)態(tài)值與期望值之差﹔快是指控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性，通常用上升時(shí)間來(lái)定量描述。閉環(huán)控制系統(tǒng)的例子很多。比如人就是一個(gè)具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，眼睛便是傳感器，充當(dāng)反饋，人體系統(tǒng)能通過(guò)不斷的修正最后作出各種正確的動(dòng)作。如果沒(méi)有眼睛，就沒(méi)有了反饋回路，也就成了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。3.階躍響應(yīng)

階躍響應(yīng)是指將一個(gè)階躍輸入（stepfunction）加到系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)的輸出。穩(wěn)態(tài)誤差是指系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后﹐系統(tǒng)的期望輸出與實(shí)際輸出之差?？刂葡到y(tǒng)的性能可以用穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)字來(lái)描述。穩(wěn)是指系統(tǒng)的穩(wěn)定性(stability)，一個(gè)系統(tǒng)要能正常工作，首先必須是穩(wěn)定的，從階躍響應(yīng)上看應(yīng)該是收斂的﹔準(zhǔn)是指控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、控制精度，通常用穩(wěn)態(tài)誤差來(lái)(Steady-state)

第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/148當(dāng)前第8頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

在此人的作用可分為三步：

眼看

腦想

手動(dòng)送風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計(jì)閥門圖

室溫人工控制示意圖第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述例：圖為人工控制室溫。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閥門來(lái)保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。2023/6/149當(dāng)前第9頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)眼看——用傳感器或變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號(hào)。腦想——控制器將輸入的實(shí)測(cè)溫度信號(hào)和要求值進(jìn)行比較（相減求偏差),并按偏差值計(jì)算出控制量。手動(dòng)——人工閥門換成控制閥，按控制信號(hào)自動(dòng)改變開(kāi)度。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，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂?。?章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/1410當(dāng)前第10頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

過(guò)程控制系統(tǒng)的定義：為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工藝對(duì)象、設(shè)備構(gòu)成的一個(gè)整體。圖為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了人?；仫L(fēng)恒溫室23送風(fēng)熱水M回水41圖2室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖1—熱水加熱器；3—控制器；2—傳感變送器；4—執(zhí)行器TCTT

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)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。

第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/1411當(dāng)前第11頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院

轉(zhuǎn)爐是煉鋼生產(chǎn)中的一種設(shè)備。熔融的鐵水裝入轉(zhuǎn)爐后，通過(guò)氧槍供給轉(zhuǎn)爐一定的氧氣，進(jìn)行吹氧。使鐵水中的碳氧化燃燒，不斷降低鐵水中的含碳量?？刂拼笛趿亢痛笛鯐r(shí)間，可以獲得不同品種的鋼產(chǎn)品。圖可見(jiàn)，從節(jié)流裝置1采集到的氧氣流量，送入流量變送器FT2，再經(jīng)過(guò)開(kāi)方器3，其結(jié)果送到流量控制器（調(diào)節(jié)器）FC4作為流量反饋值，與供氧量的設(shè)定值比較，得到偏差值，經(jīng)過(guò)流量控制器（調(diào)節(jié)器）FC4進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制信號(hào)，去控制調(diào)節(jié)閥5的開(kāi)度，從而改變供氧量的大小，以滿足生產(chǎn)工藝要求。

第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/1412當(dāng)前第12頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述過(guò)熱蒸汽控制2023/6/1413當(dāng)前第13頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院一．過(guò)程工業(yè)的特點(diǎn)過(guò)程控制是指連續(xù)過(guò)程工業(yè)，特點(diǎn)主要指連續(xù)過(guò)程生產(chǎn)，過(guò)程工業(yè)是十分復(fù)雜的大系統(tǒng)，存在不確定性、時(shí)變性以及非線性等因素，過(guò)程控制的難度是顯而易見(jiàn)的，工業(yè)過(guò)程生產(chǎn)環(huán)境惡劣，生產(chǎn)條件苛刻，采用智能控制方法和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。過(guò)程控制系統(tǒng)特點(diǎn)第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/1414當(dāng)前第14頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院二.過(guò)程控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

1．控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣石油化工過(guò)程、鋼鐵生產(chǎn)中的冶煉過(guò)程、核工業(yè)中的動(dòng)力核反應(yīng)過(guò)程。過(guò)程控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象（被控量）是多樣的。2．控制方案豐富生產(chǎn)工業(yè)的特點(diǎn)、被控過(guò)程的多樣性決定控制方案的多樣性。系統(tǒng)硬件和控制算法、軟件設(shè)計(jì)。

3．控制對(duì)象大多屬于慢過(guò)程連續(xù)工業(yè)過(guò)程大慣性和大滯后的特點(diǎn)決定了被控過(guò)程為慢過(guò)程。4．大多數(shù)工藝要求定值控制被控參數(shù)的設(shè)定值為一個(gè)定值，減小或消除外界干擾，使被控量盡量保持接近或等于設(shè)定值。5．大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)、控制儀表及裝置第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述2023/6/1415當(dāng)前第15頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)儀表控制系統(tǒng)：由被控過(guò)程和過(guò)程檢測(cè)控制儀表兩部分組成。控制方法上:單變量過(guò)程控制系統(tǒng)、多變量過(guò)程控制系統(tǒng)?？刂扑惴ǎ篜ID控制、智能控制等。過(guò)程控制的目的：保持過(guò)程中的有關(guān)參數(shù)為一定值或按一定規(guī)律變化。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1416當(dāng)前第16頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)過(guò)程控制多種分類方法：

按被控參數(shù)分類：溫度、壓力、流量、液位或物位控制系統(tǒng)、物性控制系統(tǒng)、成分控制系統(tǒng)。按被控量數(shù)分類：?jiǎn)巫兞窟^(guò)程控制系統(tǒng)、多變量過(guò)程控制系統(tǒng)按參數(shù)性質(zhì)分類： 集中參數(shù)控制系統(tǒng)、分布參數(shù)控制系統(tǒng)按控制算法分類： 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)、復(fù)雜控制系統(tǒng)、先進(jìn)或高級(jí)控制系統(tǒng)按控制器形式分類： 常規(guī)儀表過(guò)程制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)過(guò)程控制系統(tǒng)第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1417當(dāng)前第17頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)按設(shè)定值分類： 定值控制系統(tǒng)、隨動(dòng)（伺服）控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)1、定值控制系統(tǒng)：是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最多的一種過(guò)程控制系統(tǒng)。在運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)被控量的給定值是不變的。有時(shí)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，被控量的給定值保持在規(guī)定的小范圍附近波動(dòng)。定值控制系統(tǒng)在于恒定，要求克服干擾，使系統(tǒng)的被控參數(shù)能穩(wěn)、準(zhǔn)、快地保持接近或等于設(shè)定值。2、隨動(dòng)控制系統(tǒng)：是一種被控量的給定值隨時(shí)間任意變化的控制系統(tǒng)。它的主要作用是克服一切擾動(dòng)，使被控量隨時(shí)跟蹤給定值。隨動(dòng)（伺服）控制系統(tǒng)的主要目標(biāo)是跟蹤，即穩(wěn)、準(zhǔn)、快地跟蹤設(shè)定值。3、程序控制系統(tǒng)：其給定值按預(yù)定的時(shí)間程序來(lái)變化。如機(jī)械工業(yè)中的退火爐的溫度控制系統(tǒng)，其給定值是按升溫、保溫、逐次降溫等程序變化的。家用電器中應(yīng)用定值控制系統(tǒng)的也很多，如電腦控制的洗衣機(jī)、電飯煲等。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1418當(dāng)前第18頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類：1）反饋控制；2）前饋控制；3）復(fù)合控制。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1419當(dāng)前第19頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)1）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)，具有被控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如：

給定值被控變量干擾f

控制器變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e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。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1420當(dāng)前第20頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)2）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，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：測(cè)量值被控量干擾f

控制器執(zhí)行器被控對(duì)象

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1421當(dāng)前第21頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)3）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：給定值被控變量干擾f

控制器1變送器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－變送器控制器2++前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1422當(dāng)前第22頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)

1.3

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，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。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)。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)則是一種綜合性指標(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，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1423當(dāng)前第23頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)

1、穩(wěn)態(tài)—把被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(tài)稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(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)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)有改變就是了。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)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1424當(dāng)前第24頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)ty2、動(dòng)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)。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)的過(guò)渡過(guò)程。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—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。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1425當(dāng)前第25頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)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。系統(tǒng)的過(guò)渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部?jī)煞N因素的影響。

1、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)的結(jié)構(gòu)所決定的。

2、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)，其中常用的是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1426當(dāng)前第26頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)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，那么對(duì)其它比較緩和的干擾也能很好地克服。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)。如圖，輸入信號(hào)在t=0時(shí)，階躍上升幅度為A，其后保持。表達(dá)為

f(t)=

A(t)Atf（t）第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1427當(dāng)前第27頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程有四種形式：

①單調(diào)衰減過(guò)程被控變量在給定值的一側(cè)作單調(diào)變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。②振蕩衰減過(guò)程被控變量上下波動(dòng)，但幅度逐漸減少，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上。①t0θa②0θa第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1428當(dāng)前第28頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)③等幅振蕩過(guò)程被控變量在給定值附近來(lái)回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度保持不變。

④振蕩發(fā)散過(guò)程被控變量來(lái)回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度逐漸變大，離給定值越來(lái)越遠(yuǎn)。④t0θa③θa0t第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1429當(dāng)前第29頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)過(guò)渡過(guò)程的分類（1）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)。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，被控變量長(zhǎng)時(shí)間地偏離給定值，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。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1430當(dāng)前第30頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)（2）不穩(wěn)定過(guò)渡過(guò)程發(fā)散振蕩過(guò)程中，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。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1431當(dāng)前第31頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述1。階躍響應(yīng)性能指標(biāo)：蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1432當(dāng)前第32頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)1）．衰減比和衰減率衰減比等于兩個(gè)相鄰?fù)虿ǚ逯抵?。衡量振蕩過(guò)程衰減程度的指標(biāo)。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述衰減率經(jīng)過(guò)一個(gè)周期以后，波動(dòng)幅度衰減的百分?jǐn)?shù)。衡量振蕩過(guò)程衰減程度的另一種指標(biāo)。

是衡量過(guò)度過(guò)程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)(于遞減比含義相同).一般取=0.75～0.9。蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1433當(dāng)前第33頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)的衰減比為4：1到10：1，相當(dāng)于衰減率=0.75到0.9。若衰減率=0.75,大約振蕩兩個(gè)波系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

2）.最大動(dòng)態(tài)偏差和超調(diào)量最大動(dòng)態(tài)偏差是指在階躍響應(yīng)中，被控參數(shù)偏離其最終穩(wěn)態(tài)值的最大偏差量，表現(xiàn)在過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始的第一個(gè)波峰。超調(diào)量為最大動(dòng)態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比。最大動(dòng)態(tài)偏差是過(guò)程控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1434當(dāng)前第34頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)3）.余差殘余偏差（穩(wěn)態(tài)誤差、靜差）

是指過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控量新的穩(wěn)態(tài)值與設(shè)定值的差值。它是過(guò)程控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。4）.調(diào)節(jié)時(shí)間ts和振蕩頻率調(diào)節(jié)時(shí)間ts是從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到結(jié)束的時(shí)間。理論上它應(yīng)該為無(wú)限長(zhǎng)。一般認(rèn)為當(dāng)被控量進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的5%范圍內(nèi)，就算過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束，這時(shí)所需時(shí)間就是調(diào)節(jié)時(shí)間.

調(diào)節(jié)時(shí)間是過(guò)程控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1435當(dāng)前第35頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)過(guò)渡過(guò)程的振蕩頻率是振蕩周期的倒數(shù)，即

在同樣的振蕩頻率下，衰減比越大則調(diào)節(jié)時(shí)間越短；當(dāng)衰減比相同時(shí)，則振蕩頻率越高，調(diào)節(jié)時(shí)間越短。振蕩頻率在一定程度上也可作為衡量過(guò)程控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1436當(dāng)前第36頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)穩(wěn)定性衰減比n=4:1~10:1最佳

準(zhǔn)確性余差C小好最大偏差A(yù)

小好快速性

過(guò)渡時(shí)間Ts短好

振蕩周期T短好各品質(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，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。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1437當(dāng)前第37頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)例：某發(fā)酵過(guò)程工藝規(guī)定操作溫度為45±5℃，現(xiàn)設(shè)計(jì)一定值控制系統(tǒng)，在階躍擾動(dòng)作用下的曲線如下圖所示，試確定該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、超調(diào)量和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。解：穩(wěn)態(tài)誤差=41-40=1℃衰減比=4:1

超調(diào)量=（45-41）/41=9.75%過(guò)渡過(guò)程時(shí)間=23min。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1438當(dāng)前第38頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)

[例]

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。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過(guò)渡時(shí)間。

解：最大偏差A(yù)=230-200=30℃余差C=205-200=5℃衰減比n=y1:

y3=25:5=5:1第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1439當(dāng)前第39頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)振蕩周期T

=20–5=15（min）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)程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205×（±2％）＝±4.1℃在新穩(wěn)態(tài)值（205℃）兩側(cè)以寬度為±4.1℃畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn)Ts=22min第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1440當(dāng)前第40頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)2.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)——偏差積分單項(xiàng)指標(biāo)雖然清晰明了，但如何統(tǒng)籌考慮比較困難。而偏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)，就可以全面反映控制系統(tǒng)的品質(zhì)。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yry1y3Cy(∞)TpTSTt第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1441當(dāng)前第41頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)tyrCy(∞)yrCy(∞)t偏差積分的原始定義：IE=∫e(t)dt∞0偏差的定義存在分歧：

e(t)=y(t)-y(∞)

不能表達(dá)余差e(t)=y(t)-y(r)

如有余差則積分無(wú)窮大第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1442當(dāng)前第42頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：(1)偏差絕對(duì)值積分：

(2)偏差平方值積分：

(3)偏差絕對(duì)值與時(shí)間乘積積分：

(4)時(shí)間乘偏差平方積分:缺點(diǎn)：不能保證衰減率第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1443當(dāng)前第43頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)①偏差積分IE（IntegralofError）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yry1y3Cy(∞)TpTSTt缺點(diǎn)：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1444當(dāng)前第44頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)②絕對(duì)偏差積分IAE（IntegralAbsolutevalueofError）

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yry1y3Cy(∞)TpTSTt

排除了正負(fù)偏差抵消的可能。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1445當(dāng)前第45頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)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yry1y3Cy(∞)TpTSTt

③平方偏差積分ISE（IntegralofSquaredError）對(duì)大偏差敏感

第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1446當(dāng)前第46頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)④時(shí)間與絕對(duì)偏差乘積積分ITAE（IntegralofTimemultipliedbytheAbsolutevalueofError）

對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間敏感

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yry1y3Cy(∞)TpTSTt第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1447當(dāng)前第47頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)過(guò)程控制的進(jìn)展1.4在二十世紀(jì)40年代以前，處于手工操作狀態(tài)，操作工人通過(guò)對(duì)火候、冷熱、色澤、形狀等的觀察來(lái)調(diào)整生產(chǎn)過(guò)程。二十世紀(jì)50年代前后，實(shí)現(xiàn)儀表控制和局部自動(dòng)化。采用的是基地式儀表和部分組合儀表，、氣動(dòng)式，單輸入/單輸出、4大參數(shù)穩(wěn)定、經(jīng)典控制理論。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。適用于小規(guī)模、局部過(guò)程控制。二十世紀(jì)60年代隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，采用單元組合儀表（包括氣動(dòng)與電動(dòng)）以及組裝儀表。以4～20mA和0～10mA電動(dòng)模擬信號(hào)為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電動(dòng)模擬控制系統(tǒng)。第1章過(guò)程控制系統(tǒng)概述蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/6/1448當(dāng)前第48頁(yè)\共有51頁(yè)\編于星期三\7點(diǎn)1946年世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生。1959年工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（ProcessControlComputer,如TR300等）便在化肥廠和煉油廠試用于控制生產(chǎn)過(guò)程。60年代中期