化工自动化及仪表概述

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1、化工自动化及仪表化工自动化及仪表华东理工大学信息学院自动化系华东理工大学信息学院自动化系学习这门课的必要性学习这门课的必要性：1、自动控制系统应用非常普遍、自动控制系统应用非常普遍 用在国民生活的各个方面，化工领域的应用用在国民生活的各个方面，化工领域的应用更加普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过更加普遍，比如：炼油厂、化肥厂、纯碱生产过程、涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制程、涤纶短纤维生产过程、制浆、造纸过程、制药等等。药等等。2、工艺人员应该掌握一定的控制系统的知识、工艺人员应该掌握一定的控制系统的知识 才能设计合理的工艺，充分了解所用的控制才能设计合理的工艺，充分了解所用的控制系

2、统，以及控制系统的特性，便于使用与维护。系统，以及控制系统的特性，便于使用与维护。早期使用模拟仪表的中央控制室早期使用模拟仪表的中央控制室早期的早期的DCSDCS控制系统控制系统现在的现在的DCSDCS控制系统控制系统该课程的内容该课程的内容1、自动控制系统概述、自动控制系统概述2、过程特性、过程特性3、检测变送、检测变送4、显示仪表、显示仪表5、执行器、执行器6、控制器、控制器7、自动控制系统的设计、自动控制系统的设计8、复杂控制系统、复杂控制系统9、计算机控制系统、计算机控制系统1 1 自动控制系统概述自动控制系统概述本章的主要内容：本章的主要内容：1.1.1 1 自动化及仪表发展概述自动

3、化及仪表发展概述1.1.2 2 自动控制系统自动控制系统1.3 1.3 控制系统控制系统过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标1.1 1.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述控制理论的发展控制理论的发展经典控制理论经典控制理论:2020世纪世纪4040年代年代2020世纪世纪5050年代年代Nyquist(1932)频域分析技术频域分析技术Bode(1945)图图根轨迹分析方法根轨迹分析方法(1948)特点：特点：主要从主要从输出输出与与输入量输入量的关系方面分析与研究的关系方面分析与研究问题。问题。适用范围：适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。线性定常的单输入、单输出控制系统。

4、以以传递函数传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计制系统进行分析与设计PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一现代控制理论现代控制理论:2020世纪世纪6060年代获得迅猛发展年代获得迅猛发展其主要内容为：其主要内容为：（基础）线性系统理论，最优控制理（基础）线性系统理论，最优控制理 论，最佳估计理论，系统辨识等。论，最佳估计理论，系统辨识等。特点：特点：从从输入输入-状态状态-输出输出的关系全面地分析的关系全面地分析 与研究系统。与研究系统。适用范围：适用范围：不限于不限于线性定常系统线性定常系统

5、，也适用于，也适用于线线 形时变，非线性及离散系统，多输形时变，非线性及离散系统，多输 入、多输出入、多输出的情况。的情况。大系统理论大系统理论:2020世纪世纪7070年代开始年代开始将现代控制理论与系统理论相结合将现代控制理论与系统理论相结合智能控制理论智能控制理论:不需要建立被控对象的数学模型不需要建立被控对象的数学模型核心思想：核心思想：系统的分解与协调系统的分解与协调适用范围：适用范围：高维线性系统高维线性系统控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展控制系统结构的发展控制系统结构的发展基地式基地式：2020世纪世纪5050年代，适用于单回路（就地式液年代，适用于单回路（就地式

6、液位控制器及自力式温度控制器）位控制器及自力式温度控制器）单元组合式单元组合式（按功能划分，然后组合）：（按功能划分，然后组合）：有有DDZ,DDZ,QDZQDZ，2020世纪世纪6060年代，仪表之间用年代，仪表之间用标准统一标准统一信号联系信号联系计算机计算机：DDC,DDC,2020世纪世纪7070年代年代 DCS DCS（集散控制系统）（集散控制系统）先进控制和优化控制先进控制和优化控制：CIPSCIPS、FCSFCS，2020世纪世纪8080年代以年代以后后 自动化仪表的发展自动化仪表的发展模拟仪表模拟仪表数字仪表数字仪表智能仪表智能仪表当前自动控制系统发展的一些主要特点当前自动控制

7、系统发展的一些主要特点过程优化受到普遍关注过程优化受到普遍关注传统的传统的DCSDCS在走向国际统一标准的开放式系统在走向国际统一标准的开放式系统综合自动化系统（综合自动化系统（CIPSCIPS）是发展方向是发展方向1.2 1.2 自动控制系统自动控制系统 1.2.11.2.1自动控制系统自动控制系统 自动控制的必要性自动控制的必要性蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图锅炉设备的控制任务主锅炉设备的控制任务主要是：要是：根据生产负荷的需要，根据生产负荷的需要，供应供应一定规格（压力、温度）的一定规格（压力、温度）的蒸汽，蒸汽，同时同时使锅炉在安全、使锅炉

8、在安全、经济的条件下运行。经济的条件下运行。锅炉设备的主要控制系锅炉设备的主要控制系统有：统有：（1）锅炉）锅炉汽包水位汽包水位的控制的控制（3）过热蒸汽系统的控制）过热蒸汽系统的控制（2）锅炉燃烧的控制）锅炉燃烧的控制汽包水位是锅炉运行的主要汽包水位是锅炉运行的主要指标，指标，维持水位在一定范围维持水位在一定范围内内是锅炉安全运行的首要条是锅炉安全运行的首要条件。件。蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图水位过高：水位过高：影响汽包内的汽影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸汽带水过水分离，饱和水蒸汽带水过多，会使过热器管壁结垢导多，会使过热器管壁结垢导致损坏，

9、同时过热蒸汽温度致损坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，作为汽轮机动力急剧下降，作为汽轮机动力的话会损坏叶片，影响运行的话会损坏叶片，影响运行的安全及经济性。的安全及经济性。蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图水位过低：水位过低：汽包内水较汽包内水较少，负荷很大时，水的少，负荷很大时，水的汽化速度加快，汽包内汽化速度加快，汽包内水量急速减少，如不能水量急速减少，如不能及时得到控制，则会烧及时得到控制，则会烧干，烧坏水冷壁，甚至干，烧坏水冷壁，甚至爆炸。爆炸。手动控制的步骤：手动控制的步骤：蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示

10、意图(2)把观察到的把观察到的实际数值实际数值与与设定值设定值加以比较，根加以比较，根据据偏差偏差的大小及变化情的大小及变化情况做出判断，并发布命况做出判断，并发布命令。令。(3)根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。使液位回到设定值。(1)观察液位数值；观察液位数值；LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包液位自动控制系统示意图锅炉汽包液位自动控制系统示意图锅炉汽包液位自动控制系统锅炉汽包液位自动控制系统LT：Level TransmitterLC：Level Controller T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉温度自动控制系统加热

11、炉温度自动控制系统TT：Temperature TransmitterTC：Temperature Controller管式加热炉较为管式加热炉较为常见，温度的高常见，温度的高低直接影响产品低直接影响产品质量，温度过高质量，温度过高物料在加热炉中物料在加热炉中会分解，甚至会会分解，甚至会结焦，会烧坏炉结焦，会烧坏炉管管 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图术语术语过程（被控对象过程（被控对象）：自动控制系统中，自动控制系统中，工艺参数要满足要工艺参数要满足要求需要控制求需要控制的生产的生产过程、设备或机器过程、设备或机器。过程：

12、过程：锅炉汽包锅炉汽包被控变量：被控变量：被控过程内要求保被控过程内要求保持设定值持设定值的工艺参的工艺参数数被控变量：被控变量：汽包液位汽包液位操纵变量：操纵变量：受控制器操纵的受控制器操纵的用以克服干扰的用以克服干扰的影响，使被控变影响，使被控变量保持设定值量保持设定值的的物料量或能量物料量或能量扰动：扰动：除操纵变量外，除操纵变量外，作用于被控过程作用于被控过程并引起被控变量并引起被控变量变化变化的因素的因素操纵变量：操纵变量：进水流量进水流量 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图扰动：扰动：进水压力、蒸汽流量进水压力、蒸

13、汽流量设定值：设定值：工艺参数所要求工艺参数所要求保持的数值保持的数值偏差：偏差：被控变量实际值被控变量实际值与设定值之差与设定值之差负反馈：负反馈：将被控变量送回将被控变量送回输入端并与输入输入端并与输入变量相减变量相减 LT LC 设 定 值输入 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 T 被加热原料 TT TC 燃料油 出口温度 加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统过程过程：被控变量：被控变量：操纵变量：操纵变量：扰动：扰动：加热炉加热炉物料出口温度物料出口温度燃料油流量燃料油流量被加热原料油温度、燃料油热值等被加热原料油温度、燃料油热

14、值等闭环控制：闭环控制：在反馈控制系统在反馈控制系统中，被控变量的值被中，被控变量的值被送回输入端，与设定送回输入端，与设定值进行比较，根据偏值进行比较，根据偏差去控制被控变量，差去控制被控变量，这样，整个系统构成这样，整个系统构成了一个闭环。了一个闭环。1.2.21.2.2闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制 LT LC 设 定 值输入 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图闭环控制的特点（优闭环控制的特点（优点）点）：按按偏差偏差进行控制，使偏差进行控制，使偏差减小或消除，达到被控变减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。量与设定值一

15、致的目的。闭环控制的缺点闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系统控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，系内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚至统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。会使系统失去控制。LT LC 设 定 值输入 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图开环控制的特点开环控制的特点（优点）：（优点）：不需要对被控变量进不需要对被控变量进行测量，只根据输入行测量，只根据输入信号进行控制，信号进行控制，控制控制很及时。很及时。开环控制：开环控制：根据根据扰动扰动信号的变化来进行控制。信号的变化来进行控制。1Ff FT LT F

16、dC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水开环的液位控制系统又称前馈控制。开环的液位控制系统又称前馈控制。由于不测量被控由于不测量被控变量，也不与设定值变量，也不与设定值相比较，所以系统受相比较，所以系统受到其他扰动作用后，到其他扰动作用后，被控变量偏离设定值，被控变量偏离设定值，无法消除偏差，这是无法消除偏差，这是开环控制的开环控制的缺点缺点。1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水开环控制的缺点：开环控制的缺点：开环控制与闭环控制实例比较开环控制与闭环控制实例比较1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤

17、器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图闭环控制闭环控制开环控制开环控制1.2.31.2.3自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图 在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系统各环节之间的关系，也可采用统各环节之间的关系，也可采用方框图方框图（方块图方块图）。每）。每个个方框方框表示组成系统的一个表示组成系统的一个环节环节，两个方框两个方框之间用之间用带箭带箭头的线段头的线段表示表示信号信号联系；进入方框的信号为联系；进入方框的信号为环节输入，环节输入，离开方框的为离开方框的为环节输出。环节输出。控制装置执行器

18、过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环控制系统组成闭环控制系统组成检测元件和变送器检测元件和变送器的作用是把被控变量的作用是把被控变量c(t)c(t)转化为测转化为测量值量值y(t)y(t)。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值比较机构比较机构的作用是比较设定值的作用是比较设定值r(t)r(t)与测量值与测量值y(t)y(t)并输并输出其差值。出其差值。闭环控制系统组成闭环控制系统组成控制装置控制装置的作

19、用是根据偏差的正负、大小及变化情况，的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)u(t)。比较机构比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。和控制装置通常组合在一起，称为控制器。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值执行器执行器的作用是接收控制器送来的的作用是接收控制器送来的u(t)u(t)，相应地去改相应地去改变操纵变量变操纵变量q(t)q(t)。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)

20、y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值 通常将通常将过程、执行器、检测元件与变送器过程、执行器、检测元件与变送器的组的组合称为合称为广义对象广义对象。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环闭环控制控制系统系统组成组成几个重要概念：几个重要概念：（1 1）信息：）信息：图中的图中的r(t)r(t)、y(t)y(t)、f(t)f(t)等既是实际的等既是实际的物理量，又作为信息来转换和作用。前一环节的输出物理量，又作为信息来转换和作用。前一环节的输出是后一环节的输入信号。每

21、一环节的输出信号与输入是后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。从整个系统来看，输入信号：从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动设定值和扰动 输出信号：输出信号：被控变量（或测量值）被控变量（或测量值）控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环闭环控制控制系统系统组成组成（2 2）闭环：）闭环：按信息的流向来说按信息的流向来说（3 3）动态：）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。物理量是时间的函数、是不断变化的。

22、扰动作用扰动作用使被控变量偏离设定值，使被控变量偏离设定值，控制作用控制作用又使它回又使它回到设定值。到设定值。控制装置执行器过程检测元件、变送器r(t)比较机构-e(t)u(t)q(t)y(t)f(t)c(t)扰动广义对象被控变量测量值控制器设定值闭环闭环控制控制系统系统组成组成1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类:定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统设定值保持不变（为一恒

23、定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。称为定值控制系统。1.2.4 1.2.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类随动控制系统随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。统的输出（被控变量）随之而变化。程序控制系统程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。即根据需要按一定时间程序变化。热物料 冷物料 蒸汽 例题：例题：下图为直接蒸汽加热器的工艺流程图，要下图为直接蒸汽加热器的工艺流程图，要求画出以热物料的出口温度为被控

24、变量，蒸汽求画出以热物料的出口温度为被控变量，蒸汽流量为操纵变量的控制系统带检测控制点的工流量为操纵变量的控制系统带检测控制点的工艺流程图，指明该控制系统中的被控变量、操艺流程图，指明该控制系统中的被控变量、操纵变量、过程以及主要扰动，画出控制方案的纵变量、过程以及主要扰动，画出控制方案的方块图。方块图。蒸汽加热器蒸汽加热器解：解：热物料 冷物料 蒸汽 TT TC蒸汽加热器控制系统蒸汽加热器控制系统带检测控制点带检测控制点的工艺流程的工艺流程图如下：图如下：蒸汽加热器控制系统的蒸汽加热器控制系统的方块图方块图如下：如下：TC 蒸汽阀 r(t)-e(t)u(t)q(t)f c(t)蒸汽加热器 T

25、T 1.31.3自动控制系统的过渡过程及品质指标自动控制系统的过渡过程及品质指标 LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图1.3.11.3.1静态与动态静态与动态控制系统的输入有控制系统的输入有设定设定作用作用和和扰动作用扰动作用。静态（定态）静态（定态）：当输入：当输入恒定不变时，整个系统恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，各个环节将暂不动作，它们的输出都处于它们的输出都处于相对相对静止静止状态。此时输入与状态。此时输入与输出之间的关系称为系输出之间的关系称为系统的静态特性。统的静态特性

26、。环节环节的静态特性的静态特性动态：动态：由于输入的变由于输入的变化，输出随时间变化，化，输出随时间变化，其间的关系称为系统其间的关系称为系统的动态特性。也就是的动态特性。也就是说，从输入变化开始，说，从输入变化开始，经过控制直到再建立经过控制直到再建立静态，在这段时间中，静态，在这段时间中，整个系统的各个环节整个系统的各个环节和变量都处于变化的和变量都处于变化的过程之中，这种状态过程之中，这种状态称为动态。称为动态。LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图环节环节的动态特性的动态特性1.3.21.3.2自动控制系统的过渡过程自动控

27、制系统的过渡过程 当自动控制系统的当自动控制系统的输入发生变化后，被控输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间变量（即输出）随时间不断变化，它随时间变不断变化，它随时间变化的过程称为系统的过化的过程称为系统的过渡过程。渡过程。也就是系统从也就是系统从一个平衡状态一个平衡状态(静态静态)过过渡到另一个平衡状态渡到另一个平衡状态（静态静态）的过程。）的过程。LT LC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图1.3.21.3.2自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程 所有正常工作的反馈系统都是稳定系统所有正常工作的反馈系统都是稳定系统,对于对

28、于一个稳定的系统一个稳定的系统,要分析其要分析其稳定性、准确性和快速稳定性、准确性和快速性性，常以，常以阶跃作用为输入阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，其他类型的干扰都是阶跃信号的变种。其他类型的干扰都是阶跃信号的变种。定值控制系统过渡过程的形式定值控制系统过渡过程的形式(阶跃扰动阶跃扰动)c(t)(e)单调衰减(c)等幅振荡(b)单调发散(d)衰减振荡(a)发散振荡 c(t)c(t)c(t)c(t)t t t t t 发散振荡发散振荡单调发散单调发散等幅振荡等幅振荡衰减振荡衰减振荡

29、单调衰减单调衰减稳定的过稳定的过渡过程渡过程最常最常用用单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性1.3.3 1.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标综合控制指标综合控制指标最大动态偏差或超调量是描述最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值被控变量偏离设定值最最大程度的物理量，是衡量过渡过程大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性稳定性的一个的一个动态动态指标指标。对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个指被控变量第一个振荡波振荡波的的峰值与设定

30、值峰值与设定值之差。之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为A A（1 1）最大动态偏差（）最大动态偏差（e emaxmax）或超调量（或超调量（）稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()R(0)R(0)最大偏差最大偏差表示系统的被控变量瞬间偏离表示系统的被控变量瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。间越长，对稳定正常生产越不利。要求小。要求小。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极反应器的化合物爆

31、炸极限、触媒烧结温度极限等，限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。都会对最大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干扰的连续出现，即当第一同时考虑到干扰的连续出现，即当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，了，偏差有可能是叠加的，所以偏差有可能是叠加的，所以在决定最大在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。在在设定作用下设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，的控制系统（随动控制系统）中，通常采用通常采用超调量超调量这个指标来表示被控变量偏离这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度。设定值的程度。A超调量定

32、义超调量定义：第一第一个波的峰值与最终个波的峰值与最终稳态值之差，即稳态值之差，即B=A-C,如果系统的如果系统的新稳态值等于设定新稳态值等于设定值，那么最大偏差值，那么最大偏差就等于超调量。一就等于超调量。一般超调量以百分数般超调量以百分数给出。给出。100%BCytBBC0衰减比是衡量过渡过程衰减比是衡量过渡过程稳定性稳定性的动态指标。的动态指标。定义：第一个波的定义：第一个波的振幅振幅与同方向第二个波的与同方向第二个波的振幅振幅之比。之比。（2 2）衰减比）衰减比n nBnB衰减比衰减比n n稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()BnB衰减比衰减比n n n1:n1:衰减振荡。衰减振荡

33、。n n越大，则控制系统的稳定越大，则控制系统的稳定度越高，当度越高，当n n趋于无穷大时，控制系统的过趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。渡过程接近于非振荡过程。CtyBBA0n=1:n=1:等幅振荡。等幅振荡。n1:n1:发散振荡。发散振荡。n n越小，意味着控制系统的越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，振荡过程越剧烈，稳定度也越低，根据实际操作经验，根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应，与此对应的的衰减比在衰减比在4:14:1到到10:110:1的的范围内。范围内。衰

34、减率：衰减率：BBB衰减比衰减比4:14:1衰减率衰减率0.750.75衰减比衰减比10:110:1衰减衰减率率0.900.90CtyBBA0稳态特性稳态特性（3 3）余差）余差e定义：定义：控制系统过渡过程终了时控制系统过渡过程终了时设定值设定值与与被控被控变量稳态值变量稳态值之差之差。()ery 余差是反映控制余差是反映控制准确性准确性的一个重要的一个重要稳稳态指标态指标，理论上希望其为零，实际上不超，理论上希望其为零，实际上不超过预定的范围即可。过预定的范围即可。上图中，上图中，()eryC 在控制系统中，在控制系统中，对余差的要求取决于对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好生

35、产过程的要求，并不是越小越好。例如。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。温度控制要求高，余差就要小一些。稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()（4 4）回复时间（过渡时间）回复时间（过渡时间）回复时间表示控制系统过渡过程的长短。回复时间表示控制系统过渡过程的长短。ST稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要理论上讲，控

36、制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。无限长的时间。实际上，实际上，被控变量接近于新稳态值的某一范被控变量接近于新稳态值的某一范围（围（）内且不再越出时为止所经历的时）内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间长希望过渡时间长oror短？短？2%ytBB2%A0Ts短一些短一些！（5 5）振荡频率（或振荡周期）振荡频率（或振荡周期）在衰减比相同条件下，在衰减比相同条件下，振荡周期振荡周期与与回复时间回复时间成成正比；正比；振荡频率振荡频率与与回复时间回复时间成反比。成反比。定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔定义：过渡过程同向两波峰之间的

37、时间间隔称为称为振荡周期或工作周期振荡周期或工作周期。其倒数称为。其倒数称为振荡振荡频率。频率。其它一些次要指标：其它一些次要指标：振荡次数：振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。的次数。“理想过渡过程两个波理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。荡两次就能稳定下来。上升时间：上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。峰所需要的时间。稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()小结：小结：主要指标有：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。渡时间。在实际的系统中

38、如何确定这些指标，在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。要根据实际情况来定。原则：对生产过程有决定性意义的主要品质原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。指标应该优先保证。例题：例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（设定值为（设定值为200200）。max23020030e()()解解：(1)(1)最大偏差：最大偏差：(2)(2)余差：余差：2002055C ()()22 20 200

39、 205 210 230 5 t/min 温度(3)(3)衰减比：衰减比：第一个波的振幅第一个波的振幅第二个波的振幅第二个波的振幅23020525B 2102055B()()衰减比衰减比25:55:1n 22 20 200 205 210 230 5 t/min 温度(4)4)过渡时间：过渡时间：过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为关，假设为 ，就可以认为过渡过程已经结，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为束，那么限制范围为2%200(2%)4 ()那么，在新稳态值（那么，在新稳态值（205205）两侧以限制范围）两侧以限制范围为宽度

40、画一区域，被控变量进入该区域而且为宽度画一区域，被控变量进入该区域而且不不再越出再越出，那么进入的时间就是，那么进入的时间就是TsTs。因此，过渡。因此，过渡时间为时间为2222min.min.22 20 200 205 210 230 5 t/min 温度 例题例题2 2：图：图a a和图和图b b为换热器的两种控制方案，目的都是为换热器的两种控制方案，目的都是控制热物料出口温度恒定。控制热物料出口温度恒定。（1 1）比较它们的不同之处；）比较它们的不同之处；（2 2）指出图）指出图a a中的被控变量、操纵变量、过程及中的被控变量、操纵变量、过程及主要扰动。主要扰动。例例3 3：图：图a a

41、为流量控制系统，主要克服阀前压力为流量控制系统，主要克服阀前压力P1P1波动来稳波动来稳定流量定流量Q1Q1。图。图b b是储槽液位控制系统，主要克服是储槽液位控制系统，主要克服Q1Q1和和Q2Q2流流量变化的扰动，保持液位稳定。量变化的扰动，保持液位稳定。（1 1）说明两图中各控制系统的被控变量、操纵变量、）说明两图中各控制系统的被控变量、操纵变量、过程及主要扰动；过程及主要扰动；（2 2）若采用图）若采用图a a系统来控制液位，试比较与图系统来控制液位，试比较与图b b系统的系统的不同点。不同点。FTFCQ1 Q2 LThP1 Q1 Q2 LThP1 LC图a图b本章内容总结：本章内容总结

42、：4 4、自动控制系统的品质指标、自动控制系统的品质指标1 1、自动控制系统的组成及主要的专业术语、自动控制系统的组成及主要的专业术语2 2、自动控制系统控制方案的表达方式、自动控制系统控制方案的表达方式3 3、闭环控制的开环控制的区别、闭环控制的开环控制的区别5 5、常用的标准信号、常用的标准信号课堂作业课堂作业：某发酵过程工艺规定操作温度为：某发酵过程工艺规定操作温度为(40)(40)。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过能超过66。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用。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。下的过渡过程曲线如图所示。试确定该系统的试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时间最大偏差、衰减比、余差、过渡时间等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求?演讲完毕，谢谢观看！