過程控制基礎知識第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二任務一過程控制基礎知識

1.1自動控制系統(tǒng)的組成1.1.1人工控制與自動控制第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二自動控制系統(tǒng)的組成被控對象測量變送控制器執(zhí)行器被控制的生產(chǎn)過程或設備執(zhí)行控制器指令，改變操縱變量，對生產(chǎn)過程實施控制作用接收測量來的信號與給定值比較，作出控制決策送指令給執(zhí)行器對被控變量進行檢測并轉換成標準統(tǒng)一號送控制器第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.1.2過程控制系統(tǒng)組成

在生產(chǎn)過程中有各種各樣的控制系統(tǒng)，下圖所示為幾個簡單控制系統(tǒng)的示例。

第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.1.3自動控制系統(tǒng)的方框圖第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二控制理論中的常用術語：給定值：生產(chǎn)過程中所期望的參數(shù)值。測量值：測量變送輸出值。偏差：給定值與測量值之差。被控變量：生產(chǎn)過程希望控制好的變量。操縱變量：控制閥操縱的變量。擾動量：破壞系統(tǒng)平衡狀態(tài)的外界因素?？刂谱饔茫嚎刂破鬏敵鰧ιa(chǎn)過程的影響。擾動作用：擾動量對生產(chǎn)過程的影響。第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.2自動控制的分類或控制方式1.2.1自動控制系統(tǒng)一般有兩種基本控制方式：1．開環(huán)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的輸出信號對控制作用沒有影響，則稱為開環(huán)控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)的輸出信號不反饋到輸入端，不形成信號傳遞的閉合環(huán)路的控制系統(tǒng)。

舉例如下：下圖是數(shù)控加工機床中廣泛應用的精密定位控制系統(tǒng)第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二開環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖2．閉環(huán)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的輸出信號對控制作用有直接影響的控制系統(tǒng)，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出信號通過反饋環(huán)節(jié)返回到輸入端，形成閉合環(huán)路，故又稱為反饋控制系統(tǒng)。如下圖第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.2.2自動控制系統(tǒng)按給定值變化分類

按設定值的變化將自動控制系統(tǒng)分為三類:1．定值控制系統(tǒng)設定值保持不變（為恒定值）的反饋控制系統(tǒng)稱為定值控制系統(tǒng)。定值控制系統(tǒng)的基本任務就是要克服擾動對被控變量的影響。第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二2．隨動控制系統(tǒng)隨動控制系統(tǒng)也稱跟蹤控制系統(tǒng)。這類控制系統(tǒng)的特點是設定值在不斷變化.控制的目的是要使被控變量能夠及時而準確地跟蹤設定值的變化.第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二3．程序控制系統(tǒng)程序控制系統(tǒng)的設定值是一個已知的時間函數(shù).在石油、化工、冶金、電力、陶瓷、輕工、制藥等工業(yè)生產(chǎn)中，定值控制系統(tǒng)占大多數(shù)，是主要的控制系統(tǒng)，其次是程序控制系統(tǒng)與隨動控制系統(tǒng).第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.3.1控制系統(tǒng)的動態(tài)與靜態(tài)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)特性系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的輸入與輸出的關系。1.3生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)運行的基本要求自動控制系統(tǒng)的輸入設定值的變化（或稱設定作用)擾動的變化（或稱擾動作用）控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）在自動控制系統(tǒng)中，被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)，稱為系統(tǒng)的靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）.在保持平衡時環(huán)節(jié)的輸出與輸入關系稱為環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性。控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的靜態(tài)過程被控變量不隨時間變化的平衡狀態(tài)控制系統(tǒng)的動態(tài)過程被控變量隨時間變化的狀態(tài)第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二在自動控制系統(tǒng)中，被控變量隨時間變化的狀態(tài)，稱為系統(tǒng)的動態(tài)（或暫態(tài)）.2.動態(tài)（或暫態(tài)）系統(tǒng)處于動態(tài)時的輸出與輸入之間的關系稱為系統(tǒng)的動態(tài)特性。系統(tǒng)的動態(tài)特性3．靜態(tài)與動態(tài)的辯證關系以哲理的觀點看，在自動控制系統(tǒng)中，靜態(tài)是暫時的、相對的、有條件的，動態(tài)才是普遍的、絕對的、無條件的。在生產(chǎn)過程中，擾動作用總是不斷產(chǎn)生，控制作用不斷去克服擾動對被控變量的影響。所以，自動控制系統(tǒng)總是處在動態(tài)之中。第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.3.2生產(chǎn)過程對控制系統(tǒng)運行的基本要求生產(chǎn)過程要求自動控制系統(tǒng)運行時要“穩(wěn)、快、準”。1．穩(wěn)定性：指系統(tǒng)受到外來作用后，其動態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)恢復平衡的能力。如果系統(tǒng)受到外來作用后，經(jīng)過一段時間調整，其被控變量可以達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。穩(wěn)定的系統(tǒng)判斷方式：線性自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是由系統(tǒng)結構參數(shù)所決定的，與外界因素無關。因此，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是設計和操作人員的首要任務。第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二2．快速性快速性是表明系統(tǒng)輸出對輸入響應的快慢程度。提高響應速度、縮短過渡過程的時間，對提高系統(tǒng)的控制效率和控制過程的精度都是有利的。3．準確性余差：控制系統(tǒng)達到新的平衡狀態(tài)時，被控變量的穩(wěn)態(tài)值與設定值之間的差值，為穩(wěn)態(tài)誤差，也簡稱余差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)靜態(tài)控制精度的重要標志。第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二1.3過程控制系統(tǒng)的性能指標1.3.1控制系統(tǒng)的過渡過程系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程：過程控制系統(tǒng)的過渡過程，實質上就是控制作用不斷克服擾動作用的過程。研究控制系統(tǒng)的過渡過程，對分析和改進控制系統(tǒng)具有很重要的意義。過渡過程直接反映控制系統(tǒng)質量的優(yōu)劣，與生產(chǎn)過程中的安全及產(chǎn)品的產(chǎn)量、質量有著密切的聯(lián)系。第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二圖1.9定值控制系統(tǒng)過渡過程的幾種形式常見的過渡過程形式第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

圖1-3為一個過程控制系統(tǒng)的階躍響應曲線。第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

1.3.2過程控制系統(tǒng)的性能指標

過程控制系統(tǒng)性能指標是衡量系統(tǒng)控制質量優(yōu)劣的依據(jù)，又稱為質量指標（或品質指標）。通常主要采用兩類性能指標：單項性能指標和綜合控制指標。1.單項性能指標單項性能指標是系統(tǒng)在單位階躍輸入作用下,被控變量隨時間變化的衰減振蕩曲線來定義的。單項性能指標是三個動態(tài)指標，一個靜態(tài)指標。它們分別是：衰減比n、超調量

與最大動態(tài)偏差、回復時間Ts、余差e(∞)。注意：這些控制指標僅適用于衰減振蕩過程。第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二（1）衰減比n:過渡過程曲線上兩個同方向相鄰峰值之比。若用B表示第一個波的振幅，B′表示同方向第二個波的振幅，則衰減比為:第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二衰減比是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性指標若衰減比n＜1，過渡過程是發(fā)散振蕩，系統(tǒng)不穩(wěn)定；若衰減比n＝1，過渡過程是等幅振蕩，系統(tǒng)在臨界穩(wěn)定狀態(tài)；若衰減比n＞1，過渡過程是衰減振蕩，n越大，系統(tǒng)衰減越越快,系統(tǒng)越穩(wěn)定。衰減比一般取4∶1～10∶1，即大約兩個周期后，系統(tǒng)能趨于新的穩(wěn)態(tài)。通常，隨動控制系統(tǒng)的衰減比要求為10∶1，定值控制系統(tǒng)的衰減比為4∶1。衰減比須視具體被控對象的不同來選取。習慣上用n∶1表示衰減比。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

（2）超調量

與最大動態(tài)偏差。超調量和最大動態(tài)偏差是表征被控變量偏離參比變量的超調程度，是衡量過渡過程動態(tài)精確度（即準確性）的一個動態(tài)指標。它也反映了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。①在隨動控制系統(tǒng)中，超調量是一個反映被控變量偏離新穩(wěn)態(tài)值最大程度的指標。C是輸出的最終穩(wěn)態(tài)值，B是輸出超過最終穩(wěn)態(tài)值的最大振幅（即第一個波峰的幅值）。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二第24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二②在定值控制系統(tǒng)中，最終穩(wěn)態(tài)值很小或趨近于零，因此，仍用作為超調情況的指標就不合適了。通常改用最大動態(tài)偏差

來代替超調程度.最大動態(tài)偏差:被控變量偏離設定值的最大程度也等于最大振幅B與最終穩(wěn)態(tài)值C之和的絕對值若用增量形式描述參數(shù)變化,則最大動態(tài)偏差就是最大指示值.第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二最大動態(tài)偏差或超調量越大，生產(chǎn)過程瞬時偏離設定值就越遠。在實際工作中，最大動態(tài)偏差不允許超過工藝所允許的最大值。（如存在爆炸極限的化學反應），需限制最大動態(tài)偏差的允許值.（3）回復時間Ts回復時間又稱為過渡過程時間，表示控制系統(tǒng)過渡過程的長短,即被控變量從原穩(wěn)態(tài)值達到新穩(wěn)態(tài)值所需要的時間.工程上用“被控變量開始變化到進入穩(wěn)態(tài)值附近±5%或±2%范圍內所需要的時間”作為過渡過程的回復時間Ts。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二控制系統(tǒng)的快速性也可以用振蕩頻率w來表示振蕩頻率也可作為控制系統(tǒng)的快速性指標。定值控制系統(tǒng)常用振蕩頻率來衡量控制過程的快慢。第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

（4）余差e(∞),也稱殘余偏差余差又稱殘余偏差或靜差，是控制系統(tǒng)的最終穩(wěn)態(tài)偏差e(∞)，即過渡過程終了時被控變量的設定值與新穩(wěn)態(tài)值之差，即對于定值控制系統(tǒng)，x＝0，則有e(∞)＝－C必須說明，以上這些控制指標在不同的控制系統(tǒng)中各有其重要性，而且相互之間又有著內在的聯(lián)系。如果要要求同時滿足這幾個控制指標是不可能的。應根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求分清主次，區(qū)別輕重，對于主要的控制指標應優(yōu)先保證。第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二2．綜合控制指標

單項性能指標分別只代表系統(tǒng)一個方面的性能.這些指標往往相互影響、相互制約，難以同時滿足要求。

綜合控制指標又稱為偏差的積分性能指標，常用于分析系統(tǒng)的動態(tài)響應性能。名稱公式特點控制結果適用范圍

絕對偏差積分鑒定指標（IAE）

把不同時刻、不同幅值的偏差等同對待

各方面的性能比較均衡

一般用于評定定值控制系統(tǒng)的質量指標

偏差平方積分鑒定指標（ISE）

對大偏差敏感

最大偏差小但回復時間長一般用于評定定值控制系統(tǒng)的質量指標

時間與偏差絕對值乘積的積分鑒定指標（ITAE）對初期偏差不敏感而對后期偏差敏感最大偏差大但回復時間短一般用于評定隨動控制系統(tǒng)的質量指標第29頁，共31頁，2023年，2月20日，星期二

對于存在余差的控制系統(tǒng)，由于余差e(∞)不為零，因此，積分指標都將趨于無窮大，這時，可用e(t)-e(∞)＝-[y(t)-y(∞)]代替偏差項進行積分運算。過程控制系統(tǒng)控制質量的好壞，取決于組成控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，特別是被控對象（過程）的特性。自動控制裝置應按被控過程的特性加以選擇和調整，才能達到預