過程控制系統(tǒng)與自動(dòng)化儀表潘永湘第一章緒論

過程控制與自動(dòng)化儀表

范晶晶TEL明：指定教材：

《過程控制與自動(dòng)化儀表》潘永湘

機(jī)械工業(yè)出版社

第2版。參考書：《過程控制與自動(dòng)化儀表》張井崗

北京大

學(xué)出版社

第1版?？荚嚪绞剑涸嚲?/p>

本章要點(diǎn)1）掌握過程控制的定義、要求和任務(wù)，了解過程控制的發(fā)展?fàn)顩r；2）掌握過程控制系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、類型及其性能指標(biāo)；3）了解過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟和儀表的類型與發(fā)展；4）掌握儀表的信號(hào)制及防爆系統(tǒng)的構(gòu)成。第一章緒論

3第一章緒論

過程控制概述

過程控制泛指石油、化工、電力、冶金、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)過程自動(dòng)控制，其被控量通常為壓力、液位、流量、溫度、PH值等過程變量，是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。

作用：在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化中，過程控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來越大的作用。

4一、過程控制概述系統(tǒng)由被控過程和檢測(cè)控制儀表組成過程控制采用各種檢測(cè)儀表、控制儀表和計(jì)算機(jī)等自動(dòng)化工具，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)監(jiān)督和自動(dòng)控制。檢測(cè)儀表把工藝參數(shù)電信號(hào)或氣信號(hào)，反映生產(chǎn)過程狀況；控制儀表接受檢測(cè)信號(hào)對(duì)過程進(jìn)行控制。被控過程的多樣性生產(chǎn)規(guī)模不同、工藝要求各異、產(chǎn)品品種多樣導(dǎo)致過程的結(jié)構(gòu)形、動(dòng)態(tài)特性多樣。通常被控過程屬于多變量、大慣性、大時(shí)延、多變量特征，還有非線性與時(shí)變特性。（鍋爐、熱交換器、精餾塔）控制方案的多樣性被控對(duì)象復(fù)雜導(dǎo)致控制方案多樣性。單\多變量控制系統(tǒng)、常規(guī)儀表控制\計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)、提高控制品質(zhì)的和實(shí)現(xiàn)特定要求的控制系統(tǒng)。單回路、串級(jí)、前饋、比值、均勻、分程、選擇性、大時(shí)延、多變量系統(tǒng)，還有先進(jìn)過程控制系統(tǒng)(自適應(yīng)、預(yù)測(cè)、補(bǔ)償、智能、非線性控制等)。過程控制的特點(diǎn)5一、過程控制概述過程控制的控制過程多屬慢過程，而又多半屬參量控制 被控過程具有大慣性、大時(shí)延(滯后)等特點(diǎn)。主要對(duì)表征其生產(chǎn)過程的溫度、壓力、流量、液位、成分、PH等過程參量進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。（石油、化工、冶金、電力、輕工、制藥）定值控制是過程控制的一種主要控制形式 設(shè)定值恒定或在很小的范圍內(nèi)變化。 控制目的：如何減小或消除外界擾動(dòng)對(duì)被控量的影響，使被控量能控制在給定值上，使生產(chǎn)穩(wěn)定。過程控制的特點(diǎn)6一、過程控制概述安全性

針對(duì)易燃易爆特點(diǎn)設(shè)計(jì)；參數(shù)越線報(bào)警、鏈鎖保護(hù)；故障診斷，容錯(cuò)控制。穩(wěn)定性 抑制外界干擾，保證正常運(yùn)行。經(jīng)濟(jì)性 降低成本提高效率。掌握工藝流程和被控對(duì)象靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)用控制理論和一定的技術(shù)手段（計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化儀表）設(shè)及合理系統(tǒng)。過程控制的要求與任務(wù)7一、過程控制概述過程控制的功能結(jié)構(gòu)◆

測(cè)量變送與執(zhí)行測(cè)量變送裝置與執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)◆操作安全與環(huán)保保證生產(chǎn)安全、滿足環(huán)保要求的設(shè)備（獨(dú)立運(yùn)行）◆常規(guī)與高級(jí)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)過程參數(shù)的控制，滿足控制要求?！魧?shí)時(shí)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)操作工況（時(shí)間，成本，設(shè)備損耗）而設(shè)計(jì)的方案◆決策與計(jì)劃調(diào)度對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行合理計(jì)劃調(diào)度和正確決策，使企業(yè)利益最大化。8過程控制發(fā)展概況●20世紀(jì)40年代前后(手工階段)：手工操作狀態(tài)，憑經(jīng)驗(yàn)人工控制生產(chǎn)過程，勞動(dòng)生產(chǎn)率很低?！?0世紀(jì)50年代前后(儀表化與局部自動(dòng)化階段)：過程控制發(fā)展的第一個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了儀表化和局部自動(dòng)化。 主要特點(diǎn)：檢測(cè)和控制儀表-----采用基地式儀表和部分單元組合儀表(多數(shù)是氣動(dòng)儀表)； 過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)------單輸入、單輸出系統(tǒng)； 被控參數(shù)------溫度、壓力、流量和液位參數(shù)； 控制目的------保持這些參數(shù)的穩(wěn)定，消除或者減少對(duì)生產(chǎn)過程的主要擾動(dòng)； 理論-----頻率法和根軌跡法的經(jīng)典控制理論，解決單輸入單輸出的定值控制系統(tǒng)的分析和綜合問題。9過程控制發(fā)展概況●20世紀(jì)60年代(綜合自動(dòng)化階段)：檢測(cè)和控制儀表-----采用單元組合儀表(氣動(dòng)、電動(dòng))和組裝儀表，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字控制(DDC)和設(shè)定值控制(SPC)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)------多變量系統(tǒng)，各種復(fù)雜控制系統(tǒng)，如串級(jí)、比值、均勻控制、前饋、選擇性控制系統(tǒng)。控制目的------提高控制質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)特殊要求。理論-----除經(jīng)典控制理論，現(xiàn)代控制理論開始應(yīng)用。前饋控制-----按擾動(dòng)來控制，在擾動(dòng)可測(cè)的情況下，可以地提高控制質(zhì)量。選擇性控制-----在生產(chǎn)過程遇到不正常工況或被控量達(dá)到安全極限事，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的保護(hù)性控制。10過程控制發(fā)展概況●20世紀(jì)70年代以來(全盤自動(dòng)化階段)：發(fā)展到現(xiàn)代過程控制的新階段，這是過程控制發(fā)展的第三個(gè)階段。主要特點(diǎn)：檢測(cè)和控制儀表-----新型儀表、智能化儀表、微型計(jì)算機(jī)；過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-------由單→多變量系統(tǒng)，由PID控制規(guī)律→特殊控制規(guī)律，由定值控制→最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，由儀表控制系統(tǒng)→智能化計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)；理論-----現(xiàn)代控制理論應(yīng)用到過程控制領(lǐng)域，如狀態(tài)空間分析，系統(tǒng)辨識(shí)與狀態(tài)估計(jì)，最優(yōu)濾波與預(yù)測(cè)。集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)DCSFCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)｛全盤自動(dòng)化階段11集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)初衷：由于當(dāng)時(shí)的計(jì)算機(jī)體積龐大，價(jià)格非常昂貴，為了使計(jì)算機(jī)控制能與常規(guī)儀表控制相競(jìng)爭(zhēng)，企圖用一臺(tái)計(jì)算機(jī)來控制盡可能多的控制回路。外設(shè)過程控制計(jì)算機(jī)AIDIAODO

被控過程（對(duì)象）被控變量操作變量…………}{輸入子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng)優(yōu)越性：

從表面上看——信息集中，集中型計(jì)算機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)各種更復(fù)雜控制功能；便于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制和優(yōu)化生產(chǎn)。問題：由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)總體性能低，容量小，容易出現(xiàn)負(fù)荷過載，控制集中直接導(dǎo)致危險(xiǎn)集中，高度集中使系統(tǒng)變得十分“脆弱”。12

集散控制系統(tǒng)DCS●

80年代---集散控制系統(tǒng)(DCS)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。系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是分散的(生產(chǎn)過程是分散系統(tǒng))，但過程控制的監(jiān)視、管理是集中的。優(yōu)點(diǎn)：將計(jì)算機(jī)分布到車間或裝置。使系統(tǒng)的危險(xiǎn)分散，提高系統(tǒng)的可靠性，方便靈活地實(shí)現(xiàn)各種新型的控制規(guī)律與算法，實(shí)現(xiàn)最佳管理?？刂品稚?/p>

管理集中13過程控制發(fā)展概況集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成：過程輸入-輸出接口：又叫數(shù)據(jù)采集站，數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)一步的加工，操作站的顯示與打印。過程控制單元：又稱基本控制器，是集散控制系統(tǒng)的核心。不同的集散控制系統(tǒng)其差別較大。高速數(shù)據(jù)通路：實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)各處理機(jī)之間數(shù)據(jù)傳送。管理(上位)計(jì)算機(jī)：進(jìn)行集中管理與最佳控制，實(shí)現(xiàn)信息-控制-管理一體化。CRT操作站：是集散控制系統(tǒng)的人-機(jī)接口裝置。執(zhí)行監(jiān)控操作、系統(tǒng)組態(tài)、編程、動(dòng)態(tài)流程圖顯示以及部分生產(chǎn)管理?！?4

控制層網(wǎng)絡(luò)管理層網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)Web服務(wù)器

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

操作站

工程師站DCS的物理層次示意15過程控制發(fā)展概況●90年代以來現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(fieldbuscontrolsystem)

是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)和現(xiàn)代儀器儀表技術(shù)的最新發(fā)展成果。它將具有數(shù)字通信能力的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并同上一層監(jiān)控級(jí)、管理級(jí)聯(lián)系起來成為全分布式的新型控制網(wǎng)絡(luò)。計(jì)算機(jī)集成過程控制CIPS

(compututerintergratedprocesssystem)

以企業(yè)整體優(yōu)化為目標(biāo)（市場(chǎng)營(yíng)銷、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、原材料選擇、產(chǎn)品分配、成本管理、工藝過程控制與優(yōu)化），以計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)為主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)管理與控制一體化。p616定義是連接智能現(xiàn)場(chǎng)裝置和自動(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)。支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字通訊·雙向數(shù)據(jù)通信能力避免了反復(fù)進(jìn)行A/D、D/A的轉(zhuǎn)換·把控制任務(wù)下移到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)測(cè)量控制一體化

全分散

本質(zhì)特點(diǎn)評(píng)價(jià)·已成為全世界范圍自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)·涉及整個(gè)自動(dòng)化和儀表的工業(yè)“革命”

FCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)17現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）FCS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)過程的檢測(cè)、控制。18現(xiàn)場(chǎng)總線式變送器現(xiàn)場(chǎng)總線式閥門定位器安全防爆工業(yè)以太網(wǎng)安全防爆總線非安全防爆總線19控制室控制臺(tái)流程圖20儀表盤操作員站21操作員站CRT工業(yè)流程圖22

核電廠

23新疆煉油廠

24武鋼

25哈爾濱伊蘭煤氣

26哈爾濱伊蘭煤氣27污水處理廠28哈爾濱第三水廠

29揚(yáng)子石化30揚(yáng)子石化31揚(yáng)子石化

32蘭州石化

33蘭州石化34自來水廠控制柜35控制柜觸摸顯示屏36控制柜內(nèi)部37控制柜內(nèi)PLC38過程控制實(shí)驗(yàn)室39例1:一貯罐液位控制系統(tǒng)。要求貯罐液位保持一定，以滿足生產(chǎn)需要；圖中液位變送器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成了一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。分析:貯罐液位由液位變送器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到控制器，與給定值相比較，控制器按比較得到的偏差，以一定的控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行器的動(dòng)作，通過改變貯罐液體出料的流量，從而使貯罐液位保持在與給定值基本相等的數(shù)值上。過程控制系統(tǒng)組成40控制器被控對(duì)象變送器zxe=x-z-uqy干擾溫度（壓力、液位、流量）變送器、在線成分分析儀（通常輸出：4~20mA、1～5V等標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)）液位開關(guān)、料位開關(guān)、接近開關(guān)(通常輸出on/off信號(hào))傳感器（Pt100、熱電偶……）……通常安裝于控制室通常安裝于現(xiàn)場(chǎng)顯示儀表基本環(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）閥門：調(diào)節(jié)閥、電磁閥、氣動(dòng)閥…泵：開關(guān)泵、變頻泵控制閥過程控制系統(tǒng)組成41過程控制系統(tǒng)的組成電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制流程圖氣鼓產(chǎn)生飽和蒸汽，經(jīng)減溫器到過熱器產(chǎn)生過熱蒸汽。圖中溫度變送器、控制器和執(zhí)行器構(gòu)成了一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。1熱電阻，2變送器，3調(diào)節(jié)器，4調(diào)節(jié)閥例2:電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。要求過熱蒸汽溫度約460度。

42過程控制的組成過程控制系統(tǒng)一般性框圖被控參數(shù)（亦稱系統(tǒng)輸出）y(t)：被控過程內(nèi)要求保持穩(wěn)定的工藝參數(shù)；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；干擾量f(t)：作用于被控過程并引起被控參數(shù)變化的各種因數(shù)；設(shè)定值r(t)：與被控參數(shù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)定值；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；偏差e(t)：設(shè)定值與反饋值之差；控制作用u(t)：控制器的輸出值。43過程控制的分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類：◆反饋控制，前饋控制系統(tǒng)，復(fù)合控制系統(tǒng)反饋控制系統(tǒng)-----反饋控制系統(tǒng)是根據(jù)系統(tǒng)被控量與給定位的偏差進(jìn)行工作的，最后達(dá)到消除或減小偏差的目的，偏差值是控制的依據(jù)。又稱閉環(huán)控制系統(tǒng)。是過程控制系統(tǒng)中最基本的一種。前面的液位控制系統(tǒng)，就是一反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)可采用多回路反饋控制系統(tǒng)。44前饋控制系統(tǒng)-----直接根據(jù)擾動(dòng)量的大小進(jìn)行工作的，擾動(dòng)是控制的依據(jù)。不構(gòu)成閉合回路，故也稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。由于前饋控制是一種開環(huán)控制，無法檢查控制的效果，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中是不能單獨(dú)應(yīng)用的。

過程控制系統(tǒng)的分類45前饋—反饋控制系統(tǒng)(復(fù)合控制系統(tǒng))

前饋開環(huán)控制的主要優(yōu)點(diǎn)：能針對(duì)主要擾動(dòng)迅速及時(shí)克服對(duì)被控量的影響。反饋控制的主要優(yōu)點(diǎn)：克服其他擾動(dòng)，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)能準(zhǔn)確地使被控量控制在給定值上。構(gòu)成的前饋—反饋控制系統(tǒng)可以提高控制質(zhì)量。

過程控制系統(tǒng)的分類46過程控制的分類按系統(tǒng)的設(shè)定值不同分為：◆定值控制-----系統(tǒng)被控量(溫度、壓力、流量、液位、成分等)的給定值保持在某一定值(或在某一很小范圍內(nèi)不變)中。例如前述的例子就是定值控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入信號(hào)是擾動(dòng)信號(hào)?！綦S動(dòng)控制系統(tǒng)-----被控量的給定值隨時(shí)間任意地變化的控制系統(tǒng)。作用：克服一切擾動(dòng)，使被控量及時(shí)跟蹤給定值變化。例如在加熱爐燃燒過程控制，控制系統(tǒng)就要使空氣量跟隨燃料的變化自動(dòng)控制空氣量的大小從而保證達(dá)到最佳燃燒?！舫绦颍樞颍┛刂葡到y(tǒng)-----被控量的給定值是按預(yù)定的時(shí)間程序而變化的?？刂频哪康模菏贡豢亓堪匆?guī)定的程序自動(dòng)變化。例如機(jī)械工業(yè)中的退火爐的溫度控制系統(tǒng)。47過程控制系統(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)，控制系統(tǒng)抵制干擾、糾正被控變量的過程，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)。控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是根據(jù)工藝對(duì)控制的要求來制定的，概括為穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。t0y48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過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)49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)過渡到另一個(gè)平衡狀態(tài)的過渡過程。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)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動(dòng)態(tài)特性—在動(dòng)態(tài)過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出變化關(guān)系。過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)50控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動(dòng)態(tài)過程到達(dá)新的平衡狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部?jī)煞N因素的影響。給定值被控量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對(duì)象

+e實(shí)測(cè)值－過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)511、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)。過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)52

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）過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)53

在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有四種形式：①單調(diào)衰減過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過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)54③等幅振蕩過程被控變量在給定值附近來回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度保持不變。④振蕩發(fā)散過程被控變量來回波動(dòng)，且波動(dòng)幅度逐漸變大，離給定值越來越遠(yuǎn)。④t0θa③θa0t過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)55過渡過程的分類

（1）穩(wěn)定的過渡過程單調(diào)過程和衰減振蕩過程是穩(wěn)定的過渡過程。被控變量經(jīng)過一段時(shí)間后，逐漸趨向原來的或新的平衡狀態(tài)。衰減振蕩過程的過渡過程較短，經(jīng)常采用。單調(diào)過程的過渡過程較慢，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。過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)56（2）不穩(wěn)定過渡過程發(fā)散振蕩過程中，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）臨界過渡過程處于穩(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。過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)57

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)控制過程和結(jié)果的要求來衡量的。控制系統(tǒng)的過渡過程曲線是評(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)階躍信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。階躍響應(yīng)分給定階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類。其階躍響應(yīng)曲線有所不同，但反映的控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)58干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：給定值被控變量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－干擾階躍響應(yīng)t0y過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)59給定值被控變量干擾f

控制器

傳感器執(zhí)行器被控對(duì)象+e實(shí)測(cè)值－給定階躍響應(yīng)0ty60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)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三方面的評(píng)價(jià)。

控制性能指標(biāo)有單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)兩類單項(xiàng)性能指標(biāo)以控制系統(tǒng)被控參數(shù)過渡過程的單項(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程，所以以衰減振蕩的過渡過程形式為例，討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。61過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)單項(xiàng)時(shí)域性能指標(biāo):(1)衰減比n（衰減率φ）兩個(gè)相鄰的同向波峰值之比，衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，反映了振蕩的衰減程度。衰減率定義為一個(gè)周期后波動(dòng)幅度衰減的程度:

為了保證系統(tǒng)有一定穩(wěn)定裕度，衰減比一般為為4：1—10：1時(shí)，則衰減率為0.75—0.9。62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)。(2)最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量σ

最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即:A=ymax-r

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(∞)TpTSTtA過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)63

有時(shí)也采用超調(diào)量σ來表示被控參數(shù)偏離設(shè)定值的程度，σ的定義是最大動(dòng)態(tài)偏差與最終穩(wěn)態(tài)值y(∞)之比。即閉環(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過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)二階系統(tǒng)：643）余差C

過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設(shè)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)。C=

y(∞)-r

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過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)654）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率ω

Ts是指從過渡過程開始到過渡過程結(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±5%（或±2%）范圍內(nèi)，就認(rèn)為過渡過程結(jié)束。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yry1y3y(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)66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)。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時(shí)間間隔叫振蕩周期T

，其倒數(shù)稱為振蕩頻率

f=1/T

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yry1y3y(∞)TpTSTt過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)67

另外還有峰值時(shí)間Tp（又稱上升時(shí)間），是指過渡過程開始，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)。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過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)68[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渡過程曲線如圖所示。試求最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(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過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)69振蕩周期

T

=20–5=15

（