《過程控制工程》邵裕森主編（第2版）PPT課件

《過程控制工程》邵裕森主編（第2版）PPT課件,過程控制工程,過程,控制工程,邵裕森,主編,PPT,課件 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院華南理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 2011年年 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章目錄目錄:第第1章章 緒論緒論第第2章章 檢測儀表檢測儀表第第3章章 控制儀表控制儀表第第4章章 執(zhí)行器及安全柵執(zhí)行器及安全柵第第5章章 被控過程的數(shù)學(xué)模型被控過程的數(shù)學(xué)模型第第6章章 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定第第7章章 復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第第8章章 先進(jìn)過程控制技術(shù)先進(jìn)過程控制技術(shù)第第9章章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第第10章章 過程控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例過程控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章主要參考書主要參考書v邵裕森、戴先中邵裕森、戴先中 過程控制工程過程控制工程（第（第2版）版）機(jī)械工業(yè)出版社機(jī)械工業(yè)出版社v金以慧金以慧 過程控制過程控制 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社 v王王驥驥程程 化化工工過過程程控控制制工工程程（第第2版版）化學(xué)工業(yè)出版社化學(xué)工業(yè)出版社，2003過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章第第1 1章章 緒論緒論 過程控制過程控制（Process control）是指連續(xù)生產(chǎn)過）是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。石油、化工、水利、電力、冶金、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)，都屬于領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)，都屬于過程控制過程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)。連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是：生產(chǎn)過程中的各種流體，在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過程中進(jìn)行著物理化體，在連續(xù)（或間歇）的流動(dòng)過程中進(jìn)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的轉(zhuǎn)換或傳遞。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。例如室內(nèi)溫度的控制。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章圖圖1 1為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過熱水加熱器，將送風(fēng)加熱后源源不斷送往恒溫通過熱水加熱器，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)的指示值察溫度計(jì)的指示值，并并隨時(shí)隨時(shí)判斷和決定如何操作閥判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。門來保證恒溫要求，然后進(jìn)行操作。在此人的作在此人的作用可分為三步：用可分為三步：眼看眼看 腦想腦想 手動(dòng)手動(dòng)送風(fēng)送風(fēng)回風(fēng)回風(fēng)恒溫室溫度計(jì)閥門閥門圖圖1 室溫人工控制示意圖室溫人工控制示意圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章眼眼看看用用傳傳感感器器或或變變送送器器將將溫溫度度信信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為控制器可接受的信號(hào)?？刂破骺山邮艿男盘?hào)。腦腦想想控控制制器器將將輸輸入入的的實(shí)實(shí)測測溫溫度度信信號(hào)號(hào)和和要要求求值值進(jìn)進(jìn)行行比比較較（相相減減求求偏偏差差),并并按按偏偏差差值值計(jì)計(jì)算算出出控控制制量。量。手手動(dòng)動(dòng)人人工工閥閥門門換換成成控控制制閥閥，按按控控制制信信號(hào)號(hào)自自動(dòng)改變開度。動(dòng)改變開度。人人工工控控制制受受制制于于人人的的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)和和注注意意力力，控控制制不不精精確確。而而自自動(dòng)動(dòng)控控制制按按設(shè)設(shè)定定好好的的方方案案進(jìn)進(jìn)行行計(jì)計(jì)算算控控制制，可可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂?。以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂啤＿^程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 過程控制系統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)的定義：定義：為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，藝參數(shù)的自動(dòng)控制，由相互聯(lián)系、制約的由相互聯(lián)系、制約的一些儀表、裝置及工一些儀表、裝置及工藝對(duì)象、設(shè)備構(gòu)成的藝對(duì)象、設(shè)備構(gòu)成的 一個(gè)整體。一個(gè)整體。圖圖2為室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)化儀表代替了人。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)送風(fēng)熱水熱水M回水回水41圖圖2 室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖室溫自動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖1熱水加熱器；熱水加熱器；3控制器；控制器；2傳感變送器；傳感變送器；4執(zhí)行器執(zhí)行器TCTT過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 在討論控制系統(tǒng)工作原理時(shí)，為清楚地表示自在討論控制系統(tǒng)工作原理時(shí)，為清楚地表示自動(dòng)控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用動(dòng)控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用原理框圖來表示控制系統(tǒng)。原理框圖來表示控制系統(tǒng)。如圖如圖2的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、的室溫控制系統(tǒng)是由溫度變送器、控制器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間和加熱器及房間組成。組成。給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥加熱器加熱器及房間及房間+e實(shí)測值實(shí)測值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 用通用名稱表示為：用通用名稱表示為：給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測值實(shí)測值 過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對(duì)生產(chǎn)過程中的過程控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是：對(duì)生產(chǎn)過程中的重要參數(shù)（溫度、壓力、流量、物位、成分、濕度重要參數(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。等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定規(guī)律變化。過程控制系統(tǒng)原理方框圖過程控制系統(tǒng)原理方框圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章基本概念：基本概念：被控對(duì)象：被控對(duì)象：需要實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)械或生產(chǎn)過程需要實(shí)現(xiàn)控制的設(shè)備、機(jī)械或生產(chǎn)過程稱為被控對(duì)象。稱為被控對(duì)象。被控變量：被控變量：對(duì)象內(nèi)要求保持一定數(shù)量（或按一定規(guī)對(duì)象內(nèi)要求保持一定數(shù)量（或按一定規(guī)律變化）的物理量稱為被控變量。律變化）的物理量稱為被控變量?？刂谱兞浚嚎刂谱兞浚菏軋?zhí)行器控制，用以使被控變量保持一受執(zhí)行器控制，用以使被控變量保持一定數(shù)值的物料或能量稱為控制變量。定數(shù)值的物料或能量稱為控制變量。干擾量：干擾量：除控制變量以外，作用于對(duì)象并引起被控除控制變量以外，作用于對(duì)象并引起被控變量變化的一切因素稱為干擾。當(dāng)控制變量確定以變量變化的一切因素稱為干擾。當(dāng)控制變量確定以后，其他所有未被選中的變量均稱為干擾量。后，其他所有未被選中的變量均稱為干擾量。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章設(shè)定值：設(shè)定值：工藝規(guī)定被控變量所要保持?jǐn)?shù)值的。工藝規(guī)定被控變量所要保持?jǐn)?shù)值的。偏差：偏差：偏差本應(yīng)是設(shè)定值與被控變量的實(shí)際值之差，偏差本應(yīng)是設(shè)定值與被控變量的實(shí)際值之差，但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實(shí)際值。但能獲取的信息是被控變量的測量值而非實(shí)際值。在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測量值之差定義為偏在控制系統(tǒng)中通常把設(shè)定值與測量值之差定義為偏差。差。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.1 過程控制的特點(diǎn)過程控制的特點(diǎn)過程控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：過程控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣 明顯區(qū)別于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)明顯區(qū)別于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)2控制方案豐富控制方案豐富 3控制對(duì)象大多屬于慢過程控制對(duì)象大多屬于慢過程4大多數(shù)工藝要求定值控制大多數(shù)工藝要求定值控制5大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測、控制儀表及裝置大多使用標(biāo)準(zhǔn)化的檢測、控制儀表及裝置過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.2 過程控制的發(fā)展概況過程控制的發(fā)展概況 過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自過程控制的發(fā)展歷程，就是過程控制裝置（自動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)的發(fā)展歷程。1.2.1過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程過程控制裝置與系統(tǒng)的發(fā)展過程1局部自動(dòng)化階段局部自動(dòng)化階段 （20世紀(jì)世紀(jì) 5060年代）年代）q自自動(dòng)動(dòng)化化儀儀表表安安裝裝在在現(xiàn)現(xiàn)場場生生產(chǎn)產(chǎn)設(shè)設(shè)備上，只具備簡單的測控功能。備上，只具備簡單的測控功能。q適用于小規(guī)模、局部過程控制。適用于小規(guī)模、局部過程控制。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章特點(diǎn)：特點(diǎn)：q自自動(dòng)動(dòng)化化儀儀表表劃劃分分成成各各種種標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)功功能能單單元元，按按需需要可以組合成各種控制系統(tǒng)。要可以組合成各種控制系統(tǒng)。q控控制制儀儀表表集集中中在在控控制制室室，生生產(chǎn)產(chǎn)現(xiàn)現(xiàn)場場各各處處的的參參數(shù)數(shù)通通過過統(tǒng)統(tǒng)一一的的模模擬擬信信號(hào)號(hào)，送送往往控控制制室室。操操作作人人員員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況?？梢栽诳刂剖冶O(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。q適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2模擬單元儀表控制階段模擬單元儀表控制階段（20世紀(jì)世紀(jì)6070年代）年代）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章巴基斯坦賈姆肖羅電廠巴基斯坦賈姆肖羅電廠 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3集散控制階段集散控制階段（20世紀(jì)世紀(jì)70年代中期至今）年代中期至今）計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)的的出出現(xiàn)現(xiàn)，大大大大簡簡化化了了控控制制功功能能的的實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)。最最初初，人人們們?cè)O(shè)設(shè)想想用用一一臺(tái)臺(tái)計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)取取代代所所有有回回路路的的控控制制儀儀表表，實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)直直接接數(shù)數(shù)字字控控制制（DDC，Direct Digital Control ）。但但DDC系系統(tǒng)統(tǒng)的的故故障障危危險(xiǎn)險(xiǎn)高高度度集集中中，一一旦旦計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)出出現(xiàn)現(xiàn)故故障障，就就會(huì)會(huì)造造成成所所有有控控制制回回路路癱癱瘓瘓，使使生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)險(xiǎn)加加大大。因因此此，DDC系系統(tǒng)統(tǒng)并并未未得得到到廣廣泛泛應(yīng)應(yīng)用。用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 80年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，年代初，隨著計(jì)算機(jī)性能提高、體積縮小，出現(xiàn)了內(nèi)裝出現(xiàn)了內(nèi)裝CPU的數(shù)字控制儀表?；诘臄?shù)字控制儀表?；?“集中管集中管理，分散控制理，分散控制”的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算的理念，在數(shù)字控制儀表和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)（集散型控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）。DCS系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分系統(tǒng)實(shí)行分層結(jié)構(gòu)，將控制故障風(fēng)險(xiǎn)分散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。散、管理功能集中。得到廣泛應(yīng)用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章隨隨著著CPU進(jìn)進(jìn)入入檢檢測測儀儀表表和和執(zhí)執(zhí)行行器器，自自動(dòng)動(dòng)化化儀儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化。表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？乜刂浦葡迪到y(tǒng)統(tǒng)也也出出現(xiàn)現(xiàn)了了由由智智能能儀儀表表構(gòu)構(gòu)成成的的現(xiàn)現(xiàn)場場總總線控制系統(tǒng)（線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)。FCS系系統(tǒng)統(tǒng)把把控控制制功功能能徹徹底底下下放放到到現(xiàn)現(xiàn)場場，依依靠靠現(xiàn)場智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制?，F(xiàn)場智能儀表便可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的檢測、控制。而而用用開開放放的的、標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化化的的通通信信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)現(xiàn)現(xiàn)場場總總線線，將將分分散散在在現(xiàn)現(xiàn)場場的的控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的通通信信連連接接起起來來，實(shí)現(xiàn)信息集中管理。實(shí)現(xiàn)信息集中管理。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.2.2過程控制策略與算法發(fā)展過程控制策略與算法發(fā)展 伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算伴隨著自動(dòng)化儀表的發(fā)展，過程控制策略與算法也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。法也經(jīng)歷了由簡單到復(fù)雜的發(fā)展歷程。以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的以經(jīng)典控制理論為基礎(chǔ)的PID（Proportional Integral Derivative）控制算法，由單回路控制發(fā)）控制算法，由單回路控制發(fā)展了串級(jí)控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、展了串級(jí)控制、比值控制、前饋控制、均勻控制、Smith預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。預(yù)估控制及選擇性控制等控制策略。隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解隨著現(xiàn)代控制理論和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)耦控制、推斷控制、預(yù)測控制、模糊控制、自適應(yīng)控制等控制策略與算法，也日趨完善?？刂频瓤刂撇呗耘c算法，也日趨完善。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章現(xiàn)代自代自動(dòng)控制技控制技術(shù)的主要特點(diǎn)：的主要特點(diǎn)：1、功能功能綜合化，控制與管理一體化已成合化，控制與管理一體化已成為趨勢，其其應(yīng)用用領(lǐng)域和域和規(guī)模越來越大。模越來越大。2、技技術(shù)密集化、系密集化、系統(tǒng)集成化，是控制技集成化，是控制技術(shù)、通、通訊技技術(shù)、計(jì)算機(jī)技算機(jī)技術(shù)相相結(jié)合的合的產(chǎn)物。物。3、系系統(tǒng)的智能化程度日益提高，控制精度越來的智能化程度日益提高，控制精度越來越高，控制手段日益豐富。越高，控制手段日益豐富。國內(nèi)外著名國內(nèi)外著名儀表生表生產(chǎn)企企業(yè)：西安：西安儀表廠、四川表廠、四川儀表公司、上海表公司、上海儀表公司、表公司、Foxboro、Siemens、Yokogawa、Rosemount、Honeywell 等公等公司。司。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章西安儀表廠西安儀表廠過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章渭河電廠渭河電廠過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章巴基斯坦古杜電廠巴基斯坦古杜電廠 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 核電廠核電廠 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章新疆煉油廠新疆煉油廠 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章武鋼武鋼 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章哈爾濱伊蘭煤氣哈爾濱伊蘭煤氣 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章哈爾濱伊蘭煤氣哈爾濱伊蘭煤氣過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章污水處理廠污水處理廠過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章哈爾濱第三水廠哈爾濱第三水廠 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章渭河化肥廠渭河化肥廠過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章?lián)P子石化揚(yáng)子石化過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章?lián)P子石化揚(yáng)子石化過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章?lián)P子石化揚(yáng)子石化 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章蘭州石化蘭州石化 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章蘭州石化蘭州石化過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章學(xué)生在揚(yáng)子石化實(shí)習(xí)學(xué)生在揚(yáng)子石化實(shí)習(xí)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章測控專業(yè)學(xué)生在蘭州石化實(shí)習(xí)測控專業(yè)學(xué)生在蘭州石化實(shí)習(xí)過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章自來水廠自來水廠控制柜控制柜過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章控制柜觸摸顯示屏控制柜觸摸顯示屏過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章控制柜內(nèi)部控制柜內(nèi)部過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章控制柜內(nèi)控制柜內(nèi)PLC過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過程控制實(shí)驗(yàn)室過程控制實(shí)驗(yàn)室過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3 過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)分類及其性能指標(biāo)1.3.1過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)的分類過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參過程控制系統(tǒng)有多種分類方法。按所控制的參數(shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控?cái)?shù)來分，有溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號(hào)方式來分，有制系統(tǒng)等；按控制系統(tǒng)所處理的信號(hào)方式來分，有模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類型來模擬控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)；按照控制器類型來分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。分，有常規(guī)儀表控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等。但在討論控制原理時(shí)，常用的分類方法是按設(shè)但在討論控制原理時(shí)，常用的分類方法是按設(shè)定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。定值的形式或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.按設(shè)定值的形式分類按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值恒定不變。設(shè)定值恒定不變。2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)隨動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)定值隨時(shí)可能變化。設(shè)定值隨時(shí)可能變化。3）程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。設(shè)定值按預(yù)定的時(shí)間程序變化。給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測值實(shí)測值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2.按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1）反饋控制系統(tǒng)（閉環(huán)控制系統(tǒng)）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：控變量負(fù)反饋的控制系統(tǒng)。如：給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 變送器變送器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測值實(shí)測值反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。反饋控制系統(tǒng)是過程控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)）控制系統(tǒng)沒有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量控制系統(tǒng)沒有被控變量負(fù)反饋，不將被控變量引入到控制器輸入端。如：引入到控制器輸入端。如：測量值測量值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象 開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3）復(fù)合控制系統(tǒng)復(fù)合控制系統(tǒng) 前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。如：前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢互補(bǔ)。如：給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器1 變送器變送器1執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測值實(shí)測值 變送器變送器2控制器控制器2+前饋前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)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)。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，概括為制定的，概括為穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性和和快速性快速性。t0y y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2.1穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài) 1、穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)態(tài)把被控變量不隨時(shí)間變化的平衡狀態(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)（稱為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜態(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)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)，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。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)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)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty2、動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)把把被被控控變變量量隨隨時(shí)時(shí)間間變變化化的的不不平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。即即控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)從從一一個(gè)個(gè)平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)過過渡渡到到另另一一個(gè)個(gè)平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)的的過過渡渡過過程程。當(dāng)當(dāng)干干擾擾破破壞壞了了系系統(tǒng)統(tǒng)的的平平衡衡時(shí)時(shí)，被被控控變變量量就就會(huì)會(huì)發(fā)發(fā)生生變變化化，而而控控制制器器、控控制制閥閥等等自自動(dòng)動(dòng)化化裝裝置置就就要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。要產(chǎn)生控制作用來使系統(tǒng)恢復(fù)平衡。動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性在在動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)過過程程中中系系統(tǒng)統(tǒng)各各環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的輸輸入入輸輸出出變化關(guān)系。變化關(guān)系。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.3.2.2控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(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。為系統(tǒng)的過渡過程。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部內(nèi)部和和外部外部兩種因素的影響。兩種因素的影響。給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測值實(shí)測值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1、內(nèi)部因素：系統(tǒng)特性、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。結(jié)構(gòu)所決定的。2、外部因素：輸入信號(hào)、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)。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)。是階躍信號(hào)和正弦信號(hào)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章v 階階躍躍信信號(hào)號(hào)的的輸輸入入突突然然，對(duì)對(duì)被被控控變變量量的的影影響響也也最最大大。如如果果一一個(gè)個(gè)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)能能夠夠有有效效地地克克服服這這種種干干擾擾，那么對(duì)其它比較緩和的干擾也能很好地克服。那么對(duì)其它比較緩和的干擾也能很好地克服。v 階階躍躍信信號(hào)號(hào)的的形形式式簡簡單單，容容易易實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)，便便于于分分析析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。故更多使用階躍信號(hào)。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)在如圖，輸入信號(hào)在 t=0時(shí)，階躍上升幅度為時(shí)，階躍上升幅度為 A，其，其后保持。表達(dá)為后保持。表達(dá)為 f(t)=A (t)Atf（t）過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程有過程有四種四種形式：形式：單調(diào)衰減過程單調(diào)衰減過程 被控變量在給定值的被控變量在給定值的一側(cè)作一側(cè)作單調(diào)單調(diào)變化，最后穩(wěn)定變化，最后穩(wěn)定在某一數(shù)值上在某一數(shù)值上。振蕩衰減過程振蕩衰減過程 被被控控變變量量上上下下波波動(dòng)動(dòng)，但但幅幅度度逐逐漸漸減減少少，最最后后穩(wěn)穩(wěn)定定在某一數(shù)值上。在某一數(shù)值上。t0a0a過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章等幅振蕩過程等幅振蕩過程 被被控控變變量量在在給給定定值值附附近近來來回回波波動(dòng)動(dòng)，且且波波動(dòng)動(dòng)幅幅度度保持不變。保持不變。振蕩發(fā)散過程振蕩發(fā)散過程 被被控控變變量量來來回回波波動(dòng)動(dòng)，且且波波動(dòng)動(dòng)幅幅度度逐逐漸漸變變大大，離離給定值越來越遠(yuǎn)。給定值越來越遠(yuǎn)。t0aa0t過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章過渡過程的分類過渡過程的分類 （1）穩(wěn)定的過渡過程穩(wěn)定的過渡過程 單調(diào)衰減衰減過程和衰減振程和衰減振蕩過程是程是穩(wěn)定的定的過渡渡過程。程。被控被控變量量經(jīng)過一段一段時(shí)間后，逐后，逐漸趨向原來的或新的平向原來的或新的平衡狀衡狀態(tài)。衰減振衰減振蕩過程的程的過渡渡過程程較短，短，經(jīng)常采用。常采用。單調(diào)過程的程的過渡渡過程程較慢慢，被控，被控變量量長時(shí)間地偏地偏離離給定定值，一般不采用，只是在生，一般不采用，只是在生產(chǎn)上不允上不允許被控被控變量有波量有波動(dòng)的情況下才采用。的情況下才采用。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章（2）不穩(wěn)定過渡過程不穩(wěn)定過渡過程 發(fā)散散振振蕩過程程中中，被被控控變量量不不但但不不能能達(dá)達(dá)到到平平衡衡狀狀態(tài)，而而且且逐逐漸遠(yuǎn)離離給定定值，它它將將導(dǎo)致致被被控控變量量超超越越工工藝允允許范范圍，這是生是生產(chǎn)上所不允上所不允許的。的。（3）臨界過渡過程臨界過渡過程 處于于穩(wěn)定定與與不不穩(wěn)定定之之間，一一般般也也認(rèn)為是是不不穩(wěn)定定過程程，生生產(chǎn)上上一一般般不不采采用用。只只是是某某些些控控制制要要求求不不高高的的場合，如位式控制合，如位式控制時(shí)，只能達(dá)到只能達(dá)到這種效果。種效果。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 1.3.2.3控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)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?？刂葡到y(tǒng)的過渡過過程和結(jié)果的要求來衡量的?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程曲線是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。程曲線是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)品質(zhì)的樣本。最典型的最典型的控制控制性能測試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階性能測試是給系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。躍信號(hào)，觀察其階躍響應(yīng)的品質(zhì)。階階躍躍響響應(yīng)應(yīng)分分給給定定階階躍躍響響應(yīng)應(yīng)和和干干擾擾階階躍躍響響應(yīng)應(yīng)兩兩類類。其其階階躍躍響響應(yīng)應(yīng)曲曲線線有有所所不不同同，但但反反映映的的控控制制系系統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。統(tǒng)的性能指標(biāo)是一致的。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：干擾階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測值實(shí)測值(a)干擾階躍響應(yīng)干擾階躍響應(yīng)t0y y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章給定值給定值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測值實(shí)測值(b)給定階躍響應(yīng)給定階躍響應(yīng)0ty y過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的單項(xiàng)性能指標(biāo)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)的單項(xiàng)性能指標(biāo)包含了對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性、準(zhǔn)準(zhǔn)確性確性和和快速性快速性三方面的評(píng)價(jià)。三方面的評(píng)價(jià)?？刂菩阅苤笜?biāo)有單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指標(biāo)兩類控制性能指標(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)。論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章1）衰減比）衰減比n和衰減率和衰減率設(shè)第一個(gè)波振幅為設(shè)第一個(gè)波振幅為 y1、第三個(gè)波振幅為、第三個(gè)波振幅為 y3圖圖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)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章衰減比衰減比 n 和衰減率和衰減率 是表示是表示系統(tǒng)穩(wěn)定系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。程度的指標(biāo)。n大于大于1，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。隨著n的增大，過渡過程的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過程。逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過程。試驗(yàn)證明：試驗(yàn)證明：衰減比在衰減比在 4:1到到10:1之間時(shí)，過渡過之間時(shí)，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比衰減比n與衰減率與衰減率之間有簡單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：之間有簡單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：n=4:110:1 就相當(dāng)于就相當(dāng)于=75%90%yry1y3Cy()TpTSTt過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章最大動(dòng)態(tài)偏差是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)。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）最大動(dòng)態(tài)偏差A(yù)和超調(diào)量和超調(diào)量 最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大最大動(dòng)態(tài)偏差表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。即程度。即:A=ymax-r 圖圖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)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 有時(shí)也采用超調(diào)量有時(shí)也采用超調(diào)量來表示被控參數(shù)偏離設(shè)定來表示被控參數(shù)偏離設(shè)定值的程度，值的程度，的定義是第一個(gè)波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值的定義是第一個(gè)波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y()之比。即之比。即圖圖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)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章3）余差）余差C 過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值過渡過程結(jié)束后，被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y()與設(shè)與設(shè)定值之間的殘余偏差叫做余差，也稱靜差。是衡量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)?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)。C=y()-r圖圖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)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章4）調(diào)節(jié)時(shí)間）調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和振蕩頻率和振蕩頻率 Ts是指從是指從過過渡渡過過程開始到程開始到過過渡渡過過程程結(jié)結(jié)束所需的束所需的時(shí)間時(shí)間。當(dāng)被控參數(shù)與。當(dāng)被控參數(shù)與穩(wěn)態(tài)值間穩(wěn)態(tài)值間的偏差的偏差進(jìn)進(jìn)入入穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值的的5%（或（或2%）范）范圍圍內(nèi)，就內(nèi)，就認(rèn)為過認(rèn)為過渡渡過過程程結(jié)結(jié)束。束。圖圖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)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量控制系統(tǒng)快速性的調(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)。指標(biāo)。過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的過渡過程中相鄰兩同向波峰（或波谷）之間的時(shí)間間隔叫振蕩周期時(shí)間間隔叫振蕩周期T，其倒數(shù)稱為振蕩頻率，其倒數(shù)稱為振蕩頻率 f=1/T圖圖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)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 另外還有峰值時(shí)間另外還有峰值時(shí)間Tp（又稱上升時(shí)間），是指過（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)。時(shí)間。也是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。圖圖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)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 例例 某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為某換熱器的溫度控制系統(tǒng)給定值為200。在在階階躍躍干干擾擾作作用用下下的的過過渡渡過過程程曲曲線線如如圖圖所所示示。試試求求最最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間。大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時(shí)間。解：解：最大偏差最大偏差 A=230-200=30余差余差 C=205-200=5衰減比衰減比 n=y1:y3=25:5=5:1過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)q穩(wěn)定性穩(wěn)定性 衰減比衰減比n=4:110:1最佳最佳 q準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性 余差余差C小好小好 最大偏差最大偏差 A 小好小好q快速性快速性 過渡時(shí)間過渡時(shí)間 Ts 短好短好 振蕩周期振蕩周期 T 短好短好各各品品質(zhì)質(zhì)指指標(biāo)標(biāo)之之間間既既有有聯(lián)聯(lián)系系、又又有有矛矛盾盾。例例如如，過過分分減減小小最最大大偏偏差差，會(huì)會(huì)使使過過渡渡時(shí)時(shí)間間變變長長。因因此此，應(yīng)應(yīng)根根據(jù)據(jù)具具體體工工藝藝情情況況分分清清主主次次，對(duì)對(duì)生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程有有決決定定性性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章2.系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)偏差積分偏差積分 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)?？刂葡到y(tǒng)的品質(zhì)。圖圖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)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章tyrCy()yrCy()t偏差積分的原始定義：偏差積分的原始定義：IE=e(t)dt0偏差的定義存在分歧：偏差的定義存在分歧：e(t)=y(t)-y()不能表達(dá)余差不能表達(dá)余差 e(t)=y(t)-y(r)如有余差則積分無窮大如有余差則積分無窮大過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：偏差積分指標(biāo)有以下幾種形式：偏差積分偏差積分IE（Integral of Error）圖圖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)：不能保證系缺點(diǎn)：不能保證系統(tǒng)是衰減振蕩。統(tǒng)是衰減振蕩。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章絕對(duì)偏差積分絕對(duì)偏差積分IAE（Integral Absolute value of Error）圖圖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)排除了正負(fù)偏差抵消的可能。偏差抵消的可能。過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章圖圖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 平方偏差積分平方偏差積分ISE（Integral of Squared Error）對(duì)大偏差敏感對(duì)大偏差敏感 過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章時(shí)間與絕對(duì)偏差乘積積分時(shí)間與絕對(duì)偏差乘積積分ITAE （Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error）對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間敏感對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間敏感 圖圖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)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章 1.3.2.4影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素 控制系統(tǒng)的過渡響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)主要取決于系統(tǒng)控制系統(tǒng)的過渡響應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)主要取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性。結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性。從第二章開始，將分別討論控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的從第二章開始，將分別討論控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性、各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性及設(shè)計(jì)方法。特性、各種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性及設(shè)計(jì)方法。給定值給定值被控量被控量干擾干擾f 控制器控制器 傳感器傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象+e實(shí)測值實(shí)測值過程控制系統(tǒng)與儀表過程控制系統(tǒng)與儀表 第第1章章學(xué)習(xí)本課程的目的學(xué)習(xí)本課程的目的理解理解自控系自控系統(tǒng)的工作原理及各的工作原理及各環(huán)節(jié)的作的作用，用，能能設(shè)計(jì)出合理的自出合理的自動(dòng)控制方案。控制方案。掌握掌握基本控制基本控制規(guī)律及其控制器參數(shù)律及其控制器參數(shù)對(duì)被被控控過程的影響，程的影響，能能對(duì)自自動(dòng)控制系控制系統(tǒng)進(jìn)行行調(diào)試和和維護(hù)。