第1章 单回路控制系统.ppt

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1、第1章单回路控制系统过程控制工程过程控制工程课程组课程组课程考核与参考资料课程考核与参考资料v考核：平时成绩：平时成绩 40%，包括出勤、平时练习、作业等、课程，包括出勤、平时练习、作业等、课程实验；期末考试（闭卷）实验；期末考试（闭卷）60%v主要参考资料：1、王树青编著，工业过程控制工程、王树青编著，工业过程控制工程.北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，20022、王骥程主编，化工过程控制工程、王骥程主编，化工过程控制工程.北京：化学工业出版社，北京：化学工业出版社，1991过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制工程过程控制工程课程组课程组

2、过程控制工程过程控制工程课程组课程组什么叫工业生产过程？什么叫工业生产过程？v 通常把原材料转变成产品并具通常把原材料转变成产品并具有一定生产规模的过程叫工业生有一定生产规模的过程叫工业生产过程。产过程。能能 源源原原 料料 公用工程公用工程 生产过程生产过程 （连续或间歇）（连续或间歇）付产品付产品产品产品废物废物（气、液、固）（气、液、固）市场市场过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的认识过程控制的认识v过程控制过程控制 一般是指工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的一般是指工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产过程的自动控制。自动

3、控制。vv被控参数种类被控参数种类被控参数种类被控参数种类 主要针对所谓六大参数主要针对所谓六大参数 温度温度 压力压力 流量流量 液位液位(或物位或物位)成分成分 物性物性（粘度，干点，冰点等）（粘度，干点，冰点等）（粘度，干点，冰点等）（粘度，干点，冰点等）过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的认识过程控制的认识vv过程控制领域过程控制领域过程控制领域过程控制领域 石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨石油化工：输油，炼油，乙烯，合成橡胶，合成氨 电力：火电厂电力：火电厂电力：火电厂电力：

4、火电厂 冶金：炼钢，炼铁，铝厂冶金：炼钢，炼铁，铝厂冶金：炼钢，炼铁，铝厂冶金：炼钢，炼铁，铝厂 生化：啤酒，制药生化：啤酒，制药生化：啤酒，制药生化：啤酒，制药 轻工：食品，漂染轻工：食品，漂染轻工：食品，漂染轻工：食品，漂染 环境：水处理，大气监测环境：水处理，大气监测环境：水处理，大气监测环境：水处理，大气监测 其它：农业，养殖业其它：农业，养殖业其它：农业，养殖业其它：农业，养殖业过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的特点过程控制的特点v被控过程的多样性被控过程的多样性 工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料加工成的产品是多样的。工业生产过程涉及到各种工业部门，其物料加工成的产

5、品是多样的。生产工艺各不相同，这些过程的机理不同，执行机构也不同。生产工艺各不相同，这些过程的机理不同，执行机构也不同。v被控过程属慢过程，且多属参数控制被控过程属慢过程，且多属参数控制 连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。连续工业生产过程大惯性和大滞后的特点决定了被控过程为慢过程。被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息（物性、成分、温度、压力、被控过程是物流变化的过程，伴随物流变化的信息（物性、成分、温度、压力、流量、液位或物位）表征为被控过程状态的参数，也是过程控制系统的被控变量。流量、液位或物位）表征为被控过程状态的参数，也是过程控制系统的被控变量。v控制方

6、案的多样性控制方案的多样性 传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控传统的模拟式过程检测控制仪表已经不能满足控制要求，因而采用计算机作为控制器组成计算机过程控制系统。）制器组成计算机过程控制系统。）从控制方法的角度看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。从控制方法的角度看，有单变量过程控制系统，也有多变量过程控制系统。控制算法多种多样，有控制算法多种多样，有PIDPID控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法控制、复杂控制，也有包括智能控制的先进控制方法等等。等等。过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制系统的分类过程控制系统的分类v按被控参数

7、分类：按被控参数分类：温度、压力、流量过程控制系统等温度、压力、流量过程控制系统等v按被控变量数分类：按被控变量数分类：单变量和多变量过程控制系统单变量和多变量过程控制系统v按设定值分类：按设定值分类：定值过程控制系统、随动（伺服）过程控制系统、程序定值过程控制系统、随动（伺服）过程控制系统、程序过过 程控制系统程控制系统v按参数性质分类：按参数性质分类：集中参数和分布参数过程控制系统集中参数和分布参数过程控制系统v按控制算法分类：按控制算法分类：简单、复杂、先进（高级）过程控制系统简单、复杂、先进（高级）过程控制系统v按控制器形式分类：按控制器形式分类：常规仪表和计算机控制系统常规仪表和计算

8、机控制系统v按系统结构特点分类：按系统结构特点分类：反馈控制、前馈控制和复合控制反馈控制、前馈控制和复合控制过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制系统的分类过程控制系统的分类反馈控制反馈控制以偏差为依据，以减少或消除偏以偏差为依据，以减少或消除偏差为目的。在扰动未引起被控量差为目的。在扰动未引起被控量变化前，无控制作用，使控制不变化前，无控制作用，使控制不及时。！闭环及时。！闭环过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制系统的分类过程控制系统的分类前馈控制前馈控制扰动作为依据，以减少扰扰动作为依据，以减少扰动对被控量的影响。无法动对被控量的影响。无法消除偏差。！开环消除偏差。！开环过程

9、控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制系统的分类过程控制系统的分类复合控制复合控制前馈能及时克服主要扰前馈能及时克服主要扰动的影响，反馈能检查动的影响，反馈能检查控制效果，提高控制质控制效果，提高控制质量量过程控制工程过程控制工程课程组课程组工业生产过程控制系统发展过程工业生产过程控制系统发展过程v 自自1919世纪世界工业革命以后，工业生产过程由简单世纪世界工业革命以后，工业生产过程由简单到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的工到复杂，规模由小到大。至今，已有各种各样的工业生产过程，生产出多种多样的产品满足人们的生业生产过程，生产出多种多样的产品满足人们的生活需要。作为工业生产过程一部

10、分的工业生产过程活需要。作为工业生产过程一部分的工业生产过程控制系统也在不断发展和提高。现就控制系统也在不断发展和提高。现就工业自动化仪工业自动化仪表和计算机控制技术应用表和计算机控制技术应用两方面介绍工业生产过程两方面介绍工业生产过程控制系统发展过程。控制系统发展过程。过程控制工程过程控制工程课程组课程组自动化仪表技术的发展自动化仪表技术的发展年代年代工业发展状况工业发展状况仪表技术仪表技术2020世纪世纪5050年代年代化工化工钢铁钢铁纺织纺织造纸造纸电子管时代电子管时代仪表信号传输标准仪表信号传输标准（0.21.0kgf/cm20.21.0kgf/cm2气动信气动信号号采用真空电子管采用

11、真空电子管记录仪表为自动平衡型记录仪表为自动平衡型气动仪表控制器气动仪表控制器2020世纪世纪6060年代年代半导体技术（分立元件）半导体技术（分立元件）石油化工石油化工计算机计算机大型电站大型电站过程工业大型化过程工业大型化电动仪表开始应用电动仪表开始应用(II)(II)仪表控制室仪表控制室模拟流程图模拟流程图DDCDDC规模较小规模较小过程控制工程过程控制工程课程组课程组2020世纪世纪7070年代年代集成电路技术集成电路技术微处理器微处理器能源危机能源危机工业现代化工业现代化微机广泛应用微机广泛应用电动仪表电动仪表(III)(III)CADCAD自动机械工具自动机械工具机器人机器人DCS

12、DCS，PLCPLC2020世纪世纪8080年代年代办公自动化办公自动化数字化技术数字化技术通讯，网络技术通讯，网络技术对环境的重视对环境的重视数字化仪表，各种通信协议，数字化仪表，各种通信协议，如如RS-232RS-232智能化仪表，智能化仪表，微机微机化仪表化仪表先进控制软件先进控制软件DCSDCS功能扩展功能扩展 2020世纪世纪9090年代年代智能控制智能控制工业控制高要求工业控制高要求现场总线现场总线分析仪器的在线作用分析仪器的在线作用优化控制优化控制自动化仪表技术的发展自动化仪表技术的发展过程控制工程过程控制工程课程组课程组微机化的记录、控制仪微机化的记录、控制仪微机化的记录、控制

13、仪微机化的记录、控制仪表（智能化仪表）表（智能化仪表）表（智能化仪表）表（智能化仪表）我国首创的无纸我国首创的无纸我国首创的无纸我国首创的无纸无笔记录仪无笔记录仪无笔记录仪无笔记录仪自动化仪表技术的发展自动化仪表技术的发展过程控制工程过程控制工程课程组课程组计算机控制技术应用的发展计算机控制技术应用的发展 年代年代 计算机应用技术计算机应用技术2020世纪世纪6060年代年代计算机控制时代开始计算机控制时代开始主要用于直接数字控制（主要用于直接数字控制（DDCDDC）2020世纪世纪7070年代年代微型计算机的产生微型计算机的产生微处理机技术用于工业控制微处理机技术用于工业控制集散型计算机控制

14、系统产生（集散型计算机控制系统产生（DCSDCS）小型机开始在企业管理中应用小型机开始在企业管理中应用2020世纪世纪8080年代年代微机广泛在工厂管理信息系统中应用（微机广泛在工厂管理信息系统中应用（MISMIS）DCSDCS大量在工业控制中应用大量在工业控制中应用先进控制技术在工业上的应用先进控制技术在工业上的应用2020世纪世纪9090年代年代工业生产过程自动化（工业生产过程自动化（PAPA），工厂自动化（），工厂自动化（FAFA）计算机集成制造技术（计算机集成制造技术（CIMSCIMS，CIPSCIPS）企业资源规划（企业资源规划（ERPERP）现场总线控制技术发展（现场总线控制技术发

15、展（Field BusField Bus）过程控制工程过程控制工程课程组课程组DCS CONTROL DCS CONTROL SYSTEMSYSTEM过程控制工程过程控制工程课程组课程组 工业生产过程自动化工业生产过程自动化 为了使一个工业生产过程或一个企业良好、高效地运行，都离为了使一个工业生产过程或一个企业良好、高效地运行，都离不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。不开对整个生产过程物料、能源、人力等的管理、组织和运作。要达到此目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及时的要达到此目的，必须对工业生产过程的信息、数据进行及时的检测和控制。因此，生产计划、生产调度、安全稳定

16、地生产与检测和控制。因此，生产计划、生产调度、安全稳定地生产与操作等，都离不开自动化技术。一个企业生产过程管理与控制操作等，都离不开自动化技术。一个企业生产过程管理与控制的递阶（分层）结构如下图所示。的递阶（分层）结构如下图所示。过程控制工程过程控制工程课程组课程组企业生产过程管理与控制的递阶结构企业生产过程管理与控制的递阶结构 决策决策调度调度 优化监控优化监控 先进控制先进控制 常规控制常规控制生产过程生产过程过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制与其它相关学科过程控制与其它相关学科控制工程控制工程控制原理控制原理与方法与方法最优化最优化方法与技术方法与技术化工原理化工原理与对象机理

17、与对象机理测量与控制测量与控制仪表仪表计算机计算机与网络技术与网络技术系统仿真系统仿真技术技术过程控制工程过程控制工程课程组课程组 数学数学应用数学应用数学控制论控制论过程控制理论过程控制理论控制工程控制工程控制论与应用的关系控制论与应用的关系过程控制工程过程控制工程课程组课程组课程的知识模块课程的知识模块v理论理论 1.常规单回路控制系统常规单回路控制系统 2.提高响应曲线性能指标的控制系统提高响应曲线性能指标的控制系统 主要包括：串级、前馈、大纯滞后控制、解耦控制主要包括：串级、前馈、大纯滞后控制、解耦控制 3.按某些特定要求而开发的控制系统按某些特定要求而开发的控制系统 主要包括：比值、

18、均匀、分程、选择控制主要包括：比值、均匀、分程、选择控制 4.流体输送设备控制流体输送设备控制 5.传热设备控制传热设备控制 6.精镏塔控制精镏塔控制 7.反应器控制反应器控制v实验实验 1.单回路控制系统单回路控制系统设计设计（必做）（必做）2.串级控制系统设计（必做）串级控制系统设计（必做）3.前馈控制系统（选作）前馈控制系统（选作）过程控制工程过程控制工程课程组课程组第一章第一章 单回路控制系统单回路控制系统过程控制工程过程控制工程课程组课程组 主要教学内容主要教学内容单回路控制系统单回路控制系统2.2.受控变量与操纵变量的选择受控变量与操纵变量的选择3.3.调节阀气开、气关方式确定，流

19、量特性的选择调节阀气开、气关方式确定，流量特性的选择4.4.工业常用控制律及其选择工业常用控制律及其选择5.5.控制系统的投运以及控制器参数整定控制系统的投运以及控制器参数整定1.1.控制系统组成、质量指标、可控程度控制系统组成、质量指标、可控程度过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控制系统的组成v主要内容主要内容 1.1.控制系统的由来控制系统的由来 2.2.简单控制系统的组成简单控制系统的组成 3.3.控制系统的一些术语和目标控制系统的一些术语和目标通过这通过这讲讲的学习，我们可以得到以下收的学习，我们可以得到以下收获：获：过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控

20、制系统的组成控制系统的由来控制系统的由来v人工控制系统人工控制系统（1 1）检测）检测 用用眼睛眼睛观察观察液位计液位计（测量元件）实际液（测量元件）实际液位的指示值位的指示值（2 2）运算（思考）运算（思考）大脑大脑根据眼睛观测到的实际液根据眼睛观测到的实际液位值与给定值进行比较，得出偏差的大小和方向，位值与给定值进行比较，得出偏差的大小和方向，然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。然后根据操作经验，经思考、决策后发出命令。（3 3）执行）执行 根据大脑发出的命令，通过根据大脑发出的命令，通过手手去改变去改变阀阀门门开度，以改变出口流量开度，以改变出口流量QoQo，从而使液位保持在，从而

21、使液位保持在所需高度上。所需高度上。局限性：控制速度和精度上都满足不了大型局限性：控制速度和精度上都满足不了大型现代化生产的需要。现代化生产的需要。过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控制系统的组成控制系统的由来控制系统的由来v液位自动控制系统液位自动控制系统（1 1）检测）检测 用眼睛观察用眼睛观察 测量元件测量元件（2 2）运算（思考）运算（思考）大脑大脑 液位控制器液位控制器（3 3）执行）执行 通过手去改变阀门通过手去改变阀门开度开度 控制阀控制阀眼眼脑脑手手控制在日常生活中无处不在！控制在日常生活中无处不在！过程控制工程过程控制工程课程组课程组 系统控制组成系统控制组成

22、被控对象、测量变送器、被控对象、测量变送器、执行器、控制器执行器、控制器控制系统的组成控制系统的组成过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控制系统的组成v被控对象（也称被控过程）被控对象（也称被控过程）是指被控制的生产设备或装置。是指被控制的生产设备或装置。v测量变送器测量变送器 用于测量被控变量，并按一定规律将其转换为标准信号作用于测量被控变量，并按一定规律将其转换为标准信号作为输出。例如，用热电阻或热电偶测量温度，并用温度变送器转换为统为输出。例如，用热电阻或热电偶测量温度，并用温度变送器转换为统一气压信号（一气压信号（0.020.020.1MPa0.1MPa）或直流电流信号（

23、）或直流电流信号（0 010mA10mA或或4 420mA20mA）。）。v控制器控制器(也称调节器也称调节器)将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏将被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差信号，并按一定的规律给出控制信号。差信号，并按一定的规律给出控制信号。v执行器执行器 接收控制器送来的命令信号，相应地去改变控制阀的开度。最接收控制器送来的命令信号，相应地去改变控制阀的开度。最常用的执行器是气动薄膜控制阀，在采用电动控制器的场合，控制器的常用的执行器是气动薄膜控制阀，在采用电动控制器的场合，控制器的输出还需要经电输出还需要经电气转换器将统一的电流信号转换成统一的气压信号。气转换器将

24、统一的电流信号转换成统一的气压信号。过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的组成控制系统的组成方块图方块图过程控制工程过程控制工程课程组课程组方块图说明方块图说明（1 1）每个方块代表控制系统的一个）每个方块代表控制系统的一个环节环节（2 2）方块图中连线为）方块图中连线为信号线信号线，不是，不是物料线物料线。（3 3）箭头代表信号作用方向）箭头代表信号作用方向（4 4）控制系统具有）控制系统具有单向性单向性，输入影响输出，输入影响输出（5 5）信号沿箭头方向前进又回到原起点）信号沿箭头方向前进又回到原起点闭环闭环v特点：自控系统具有被控变量负反馈的闭合回路特点：自控系统具有被控变量负反

25、馈的闭合回路 过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的术语过程控制的术语v被控变量：被控变量：过程内要求保持过程内要求保持设定值的物理量设定值的物理量 v操纵变量：操纵变量：使被控变量保持使被控变量保持在设定值的物料量或能量在设定值的物料量或能量v设定值：设定值：被控变量要求达被控变量要求达到的预定值到的预定值v干扰变量：干扰变量：引起被控变量变引起被控变量变化的一切外界因素化的一切外界因素v控制通道控制通道v干扰通道干扰通道过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的术语过程控制的术语v问题：控制变量？操纵变量？被控变量？干扰？问题：控制变量？操纵变量？被控变量？干扰？过程控制工程过

26、程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v过程控制的目标：过程控制的目标：通过调节操纵变量，以克服各种通过调节操纵变量，以克服各种扰动的影响，使被控变量保持在设扰动的影响，使被控变量保持在设定值定值v应用过程控制系统的主要原因：应用过程控制系统的主要原因：（1 1）安全性：确保生产过程中人身与设备）安全性：确保生产过程中人身与设备的安全，保护或减少生产过程对环境的影的安全，保护或减少生产过程对环境的影响；响；（2 2）稳定性：确保产品质量与产量的长期）稳定性：确保产品质量与产量的长期稳定，以抑制各种外部干扰；稳定，以抑制各种外部干扰；（3 3）经济性：实现效益最大化或成本最小）经济性

27、：实现效益最大化或成本最小化。化。过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v举例：闪蒸分离过程举例：闪蒸分离过程v安全性安全性v环保环保v设备保护设备保护v稳定性稳定性v产品质量产品质量v利润利润分离器中分离器中过高的压过高的压力非常危力非常危险险过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v安全性安全性v环保环保v设备保护设备保护v稳定性稳定性v产品质量产品质量v利润利润不能将碳氢不能将碳氢化合物释放化合物释放到空气中到空气中过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v安全性安全性v环保环保v设备保护设备保护v稳定性稳定性v产

28、品质量产品质量v利润利润没有流体将会没有流体将会损坏泵损坏泵过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v安全性安全性v环保环保v设备保护设备保护v稳定性稳定性v产品质量产品质量v利润利润使物料的流速使物料的流速保持平稳保持平稳过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v安全性安全性v环保环保v设备保护设备保护v稳定性稳定性v产品质量产品质量v利润利润通过调节解热通过调节解热量来保证关键量来保证关键组分的含量组分的含量过程控制工程过程控制工程课程组课程组过程控制的目标过程控制的目标v安全性安全性v环保环保v设备保护设备保护v稳定性稳定性v产品质量产品质

29、量v利润利润节约热能节约热能过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的性能指标控制系统的性能指标控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程v 稳态：稳态：受控变量不随时间变化的平衡状态受控变量不随时间变化的平衡状态受控变量不随时间变化的平衡状态受控变量不随时间变化的平衡状态 v 动态：受控变量随时间变化的不平衡状态动态：受控变量随时间变化的不平衡状态v 过渡过程：过渡过程：自动控制系统在动态阶段中，受控变量从一个稳自动控制系统在动态阶段中，受控变量从一个稳自动控制系统在动态阶段中，受控变量从一个稳自动控制系统在动态阶段中，受控变量从一个稳态到另一个稳态随时间变化的过程态到另一个稳态随时间变化的过

30、程态到另一个稳态随时间变化的过程态到另一个稳态随时间变化的过程 过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的性能指标（续）控制系统的性能指标（续）影响过渡过程的因素影响过渡过程的因素影响过渡过程的因素影响过渡过程的因素 与干扰类型、幅值有关，与组成自动控制系统各个与干扰类型、幅值有关，与组成自动控制系统各个与干扰类型、幅值有关，与组成自动控制系统各个与干扰类型、幅值有关，与组成自动控制系统各个环节特性有关环节特性有关环节特性有关环节特性有关 过渡过程的基本类型过渡过程的基本类型 非周期过程和振荡过程非周期过程和振荡过程非周期过程和振荡过程非周期过程和振荡过程 过程控制工程过程控制工程课程组课

31、程组过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的性能指标（续）控制系统的性能指标（续）v性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应平稳、准确、迅速地回复（或趋定值发生变化后，应平稳、准确、迅速地回复（或趋近）到给定值上。近）到给定值上。v生产过程对控制系统的要求可概括为：生产过程对控制系统的要求可概括为：系统必须是稳定的；（系统必须是稳定的；（稳定性稳定性）最基本的要求最基本的要求系统应能提供尽可能好的稳态调节；（系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确性准确性）系统应能提供尽可能快的过渡过程。（系统应能提供尽可能快的过渡过程

32、。（快速性快速性）过程控制工程过程控制工程课程组课程组控制系统的性能指标（续）控制系统的性能指标（续）性能指标性能指标 定义：定义：评价控制系统性能优劣的指标评价控制系统性能优劣的指标 出发点：对控制系统的基本要求出发点：对控制系统的基本要求 分类：分类：（1 1 1 1）以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标）以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标）以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标）以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标 （2 2 2 2）偏差积分性能指标）偏差积分性能指标）偏差积分性能指标）偏差积分性能指标 过程控制工程过程控制工程课程组课程组以阶跃响应曲线特征参数作为性能指

33、标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标vv初始条件初始条件初始条件初始条件系统处于平稳状态（稳态）系统处于平稳状态（稳态）系统处于平稳状态（稳态）系统处于平稳状态（稳态）加阶跃干扰加阶跃干扰加阶跃干扰加阶跃干扰 以衰减震荡过程为例：在以衰减震荡过程为例：在单位阶跃输入情况下，对单位阶跃输入情况下，对于定值系统典型过程曲线于定值系统典型过程曲线如下：如下：过程控制工程过程控制工程课程组课程组以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标vv1

34、 1 1 1）衰减比）衰减比）衰减比）衰减比 N N N N 定义：第一个波峰与第二个波峰之定义：第一个波峰与第二个波峰之定义：第一个波峰与第二个波峰之定义：第一个波峰与第二个波峰之比比比比 N=B/BN=B/BN=B/BN=B/B 工程意义：反映过程稳定性一个指工程意义：反映过程稳定性一个指工程意义：反映过程稳定性一个指工程意义：反映过程稳定性一个指标标标标 N1 N1 N1 N1 衰减振荡衰减振荡衰减振荡衰减振荡 N=1 N=1 N=1 N=1 等幅振荡等幅振荡等幅振荡等幅振荡 N1 N1 N1 N1 N1 N1 N1 非周期非周期非周期非周期 工程上希望工程上希望工程上希望工程上希望 4

35、:1-10:1 4:1-10:1 4:1-10:1 4:1-10:1 2 2 2 2）超调量）超调量）超调量）超调量 超调量：第一个波峰与稳态值之超调量：第一个波峰与稳态值之超调量：第一个波峰与稳态值之超调量：第一个波峰与稳态值之差除以稳态值的百分比差除以稳态值的百分比差除以稳态值的百分比差除以稳态值的百分比 工程意义：反映过程稳定性一个工程意义：反映过程稳定性一个工程意义：反映过程稳定性一个工程意义：反映过程稳定性一个指标指标指标指标超调量：超调量：衰减比：衰减比：过程控制工程过程控制工程课程组课程组以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作

36、为性能指标以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标(续续续续)vv3 3 3 3）最大偏差）最大偏差）最大偏差）最大偏差A A A A 最大偏差：单位阶跃扰动下，最大振最大偏差：单位阶跃扰动下，最大振最大偏差：单位阶跃扰动下，最大振最大偏差：单位阶跃扰动下，最大振幅幅幅幅B B B B与稳态值与稳态值与稳态值与稳态值C C C C之和的绝对值之和的绝对值之和的绝对值之和的绝对值 工程意义：表示偏离设定值的程度工程意义：表示偏离设定值的程度工程意义：表示偏离设定值的程度工程意义：表示偏离设定值的程度 i i i i）偏差愈大，时间域长，离生产状态）偏差愈大，时间域长，离生产状态）偏差愈大，时间域长，离

37、生产状态）偏差愈大，时间域长，离生产状态愈远。愈远。愈远。愈远。ii ii ii ii）工艺不希望，甚至引起生产事故。）工艺不希望，甚至引起生产事故。）工艺不希望，甚至引起生产事故。）工艺不希望，甚至引起生产事故。vv4 4 4 4）余差）余差）余差）余差 余差：过渡过程终了时的残余偏差余差：过渡过程终了时的残余偏差余差：过渡过程终了时的残余偏差余差：过渡过程终了时的残余偏差 工程意义：反映控制准确性的重要指工程意义：反映控制准确性的重要指工程意义：反映控制准确性的重要指工程意义：反映控制准确性的重要指标标标标 生产中一般希望生产中一般希望生产中一般希望生产中一般希望 愈小愈好（不超愈小愈好（

38、不超愈小愈好（不超愈小愈好（不超过某一个预定范围）过某一个预定范围）过某一个预定范围）过某一个预定范围）*一般由工艺人员提出受控变量的波动一般由工艺人员提出受控变量的波动一般由工艺人员提出受控变量的波动一般由工艺人员提出受控变量的波动范围所规定范围所规定范围所规定范围所规定余差：余差：最大偏差：最大偏差：过程控制工程过程控制工程课程组课程组以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标标标标(续续续续)vv5 5 5 5）调节时间（恢复时间）调节时间（恢复时间）调节时间（恢复时间）调节时间（恢复时间）TsTsT

39、sTs 定义：从系统受扰后至受控变量又建立新的平衡的最短时间为止，定义：从系统受扰后至受控变量又建立新的平衡的最短时间为止，定义：从系统受扰后至受控变量又建立新的平衡的最短时间为止，定义：从系统受扰后至受控变量又建立新的平衡的最短时间为止，一般规定进入稳态值一般规定进入稳态值一般规定进入稳态值一般规定进入稳态值 5%5%5%5%或或或或2%2%2%2%范围内经历的时间。范围内经历的时间。范围内经历的时间。范围内经历的时间。工程意义：反映过程快慢、长短标志（快速性指标）工程意义：反映过程快慢、长短标志（快速性指标）工程意义：反映过程快慢、长短标志（快速性指标）工程意义：反映过程快慢、长短标志（快

40、速性指标）在在在在N N N N一定相同情况下，一定相同情况下，一定相同情况下，一定相同情况下，TsTsTsTs愈短，过程愈快，适应性愈强，质量愈好。愈短，过程愈快，适应性愈强，质量愈好。愈短，过程愈快，适应性愈强，质量愈好。愈短，过程愈快，适应性愈强，质量愈好。5%Ts过程控制工程过程控制工程课程组课程组以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标标标标(续续续续)vv6 6 6 6）振荡周期）振荡周期）振荡周期）振荡周期 T T T T 定义：从第一个波峰到第二个波峰的时间定义：从第一个波峰到第二个波峰的

41、时间定义：从第一个波峰到第二个波峰的时间定义：从第一个波峰到第二个波峰的时间 周期倒数为振荡频率周期倒数为振荡频率周期倒数为振荡频率周期倒数为振荡频率 工程意义：在工程意义：在工程意义：在工程意义：在N N N N一定情况下周期愈短，频率愈高一定情况下周期愈短，频率愈高一定情况下周期愈短，频率愈高一定情况下周期愈短，频率愈高,反映过程快慢的标反映过程快慢的标反映过程快慢的标反映过程快慢的标志志志志5%T过程控制工程过程控制工程课程组课程组以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指以阶跃响应曲线特征参数作为性能指标标标标(续续续续)各指标之间

42、关系各指标之间关系:v有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）v对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性。v应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的品质指标要求。满足主要的品质指标要求。过程控制工程过程控制工程课程组课程组偏差积分性能指标偏差积分性能指标 vv引入原因引入原因引入原因引入原因 阶跃响应品质指标阶跃响应品质指标阶跃响应品质指标阶跃响应品质指标 i i i i）初始条件为零）初始条件为零）初始条件为零）初始条件为

43、零 ii ii ii ii）加阶跃（干扰）输入）加阶跃（干扰）输入）加阶跃（干扰）输入）加阶跃（干扰）输入 控制系统输入信号非单一的，对于其它干扰情况下需控制系统输入信号非单一的，对于其它干扰情况下需控制系统输入信号非单一的，对于其它干扰情况下需控制系统输入信号非单一的，对于其它干扰情况下需 建立一个广义的评价函数建立一个广义的评价函数建立一个广义的评价函数建立一个广义的评价函数偏差积分评价指标偏差积分评价指标偏差积分评价指标偏差积分评价指标vv偏差积分性能指标偏差积分性能指标偏差积分性能指标偏差积分性能指标 它是以控制系统瞬时误差函数它是以控制系统瞬时误差函数它是以控制系统瞬时误差函数它是以

44、控制系统瞬时误差函数e(t)e(t)e(t)e(t)为泛函数的积分评价系统的系为泛函数的积分评价系统的系为泛函数的积分评价系统的系为泛函数的积分评价系统的系统品质指标。它是用一个数（最小）来衡量一个系统的优劣是否统品质指标。它是用一个数（最小）来衡量一个系统的优劣是否统品质指标。它是用一个数（最小）来衡量一个系统的优劣是否统品质指标。它是用一个数（最小）来衡量一个系统的优劣是否处于最佳状态的一种方法。处于最佳状态的一种方法。处于最佳状态的一种方法。处于最佳状态的一种方法。过程控制工程过程控制工程课程组课程组偏差积分性能指标偏差积分性能指标（续）（续）v常用的误差性能评价指标常用的误差性能评价指

45、标 偏差积分偏差积分偏差积分偏差积分IEIEIEIE 平方偏差积分平方偏差积分平方偏差积分平方偏差积分ISEISEISEISE 绝对偏差积分绝对偏差积分绝对偏差积分绝对偏差积分IAEIAEIAEIAE 时间绝对值偏差积分时间绝对值偏差积分时间绝对值偏差积分时间绝对值偏差积分ITAEITAEITAEITAE不能保证控制系统具有不能保证控制系统具有合适的衰减比合适的衰减比侧重于抑制过程中的大侧重于抑制过程中的大偏差偏差具有较快的过渡过程和具有较快的过渡过程和不大的超调量不大的超调量对初始偏差不敏感，对对初始偏差不敏感，对后期偏差敏感后期偏差敏感过程控制工程过程控制工程课程组课程组典型被控过程典型被

46、控过程v纯滞后过程纯滞后过程 1 1、纯滞后、纯滞后 输入变化后，输输入变化后，输出量并不立即改变，而经过一段时出量并不立即改变，而经过一段时间后才反映出来，这段时间称为纯间后才反映出来，这段时间称为纯滞后。滞后。2 2 2 2、化工对象引入纯滞后的原因、化工对象引入纯滞后的原因、化工对象引入纯滞后的原因、化工对象引入纯滞后的原因 1)1)1)1)物料（能量）的传输物料（能量）的传输物料（能量）的传输物料（能量）的传输 2)2)2)2)温度及特性参数温度及特性参数温度及特性参数温度及特性参数 3)3)3)3)元件本身特性（成分仪表）元件本身特性（成分仪表）元件本身特性（成分仪表）元件本身特性（

47、成分仪表）4)4)4)4)安装位置安装位置安装位置安装位置过程控制工程过程控制工程课程组课程组n 单容过程单容过程 1 1、单容过程：只有一个容积，一个容量系数和一个时间常数、单容过程：只有一个容积，一个容量系数和一个时间常数 2 2、几个概念、几个概念自衡特性自衡特性 ：对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控制器的干预下，对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控制器的干预下，过程自动恢复平衡状态的特性过程自动恢复平衡状态的特性a)a)自衡过程反应曲线自衡过程反应曲线(1)(1)(1)(1)出水阀静压变化出水阀静压变化出水阀静压变化出水阀静压变化 排出流量排出流量排出

48、流量排出流量Q Q Q Q0 0 0 0 变化变化变化变化QiQoH(t)过程控制工程过程控制工程课程组课程组 无自衡特性无自衡特性 ：对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控对象在扰动作用下，其平衡受到破坏，在没有操作人员或控制器的干预下，制器的干预下，无法自行重建平衡无法自行重建平衡无法自行重建平衡无法自行重建平衡(2)(2)(2)(2)泵转速不变泵转速不变泵转速不变泵转速不变 排出流量排出流量排出流量排出流量Q Q Q Q0 0 0 0恒定恒定恒定恒定QiQoH(t)QHiQoA过程控制工程过程控制工程课程组课程组n 多容过程多容过程 有多个容积，多个容量系数和多个时间常数有

49、多个容积，多个容量系数和多个时间常数n 物料平衡方程物料平衡方程：n 流体运动方程：流体运动方程：过程控制工程过程控制工程课程组课程组n 具有反向特性的过程具有反向特性的过程 定义：定义：某些过程其阶跃响应初始情况与响应最终情况相反某些过程其阶跃响应初始情况与响应最终情况相反（1 1）冷水增加，气泡减少，水位下降）冷水增加，气泡减少，水位下降（2 2）蒸汽量恒定，液位随进水量增加而增加）蒸汽量恒定，液位随进水量增加而增加y1(t)1t2y(t)y2(t)y过程控制工程过程控制工程课程组课程组（3 3）两种作用的结果，总特性为）两种作用的结果，总特性为方块图方块图当当K K2 2T T1 1 K

50、 K1 1时，响应初期，占主导地位，过程出现反向响应。时，响应初期，占主导地位，过程出现反向响应。当当K K2 2T T1 1 10 1,，所以，所以1K可以省略为可以省略为K。又又两种情况时，两种情况时，Kf是相同的。所以，有：是相同的。所以，有：若想评价一个系统好与坏，若想评价一个系统好与坏，I比比II好好，则：，则：*结论：一般来说结论：一般来说,一个系统如前条件一个系统如前条件,Kmaxwc大大,可控程度越高。可控程度越高。过程控制工程过程控制工程课程组课程组Kmaxwc的求取的求取 系统临界振荡时：系统临界振荡时：开环系统相角为开环系统相角为 即即 求得求得wc，与，与K无关无关，只