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1、任务一任务一 过程控制基础知识过程控制基础知识任务一 过程控制基础知识 1.1 自动控制系统的组成1.1.1 人工控制与自动控制自动控制系统的组成自动控制系统的组成被控对象被控对象测量变送测量变送控制器控制器执行器执行器被控制的生产被控制的生产过程或设备过程或设备执行控制器指执行控制器指令，改变操纵令，改变操纵变量，对生产变量，对生产过程实施控制过程实施控制作用作用接收测量来的接收测量来的信号与给定值信号与给定值比较，作出控比较，作出控制决策送指令制决策送指令给执行器给执行器对被控变量进对被控变量进行检测并转换行检测并转换成标准统一号成标准统一号送控制器送控制器1.1.2 过程控制系统组成过程
2、控制系统组成 在生产过程中有各种各样的控制系统，下在生产过程中有各种各样的控制系统，下图所示为几个简单控制系统的示例。图所示为几个简单控制系统的示例。 1.1.31.1.3自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图自动控制系统的方框图控制理论中的常用术语：控制理论中的常用术语：给定值：生产过程中所期望的参数值。给定值：生产过程中所期望的参数值。测量值：测量变送输出值。测量值：测量变送输出值。偏差：给定值与测量值之差。偏差：给定值与测量值之差。被控变量：生产过程希望控制好的变量。被控变量：生产过程希望控制好的变量。操纵变量：控制阀操纵的变量。操纵变量：控制阀操纵的变量。扰动量：
3、破坏系统平衡状态的外界因素。扰动量：破坏系统平衡状态的外界因素。控制作用：控制器输出对生产过程的影响。控制作用：控制器输出对生产过程的影响。扰动作用：扰动量对生产过程的影响。扰动作用：扰动量对生产过程的影响。1.2 自动控制的分类或控制方式自动控制的分类或控制方式1.2.1自动控制系统一般有两种基本控制方式：自动控制系统一般有两种基本控制方式：1开环控制系统开环控制系统 控制系统的输出信号对控制作用没有影响，则称为控制系统的输出信号对控制作用没有影响，则称为开环开环控制系统控制系统，即系统的输出信号不反馈到输入端，不形成，即系统的输出信号不反馈到输入端，不形成信号传递的闭合环路的控制系统。信号
4、传递的闭合环路的控制系统。 举例如下：下图是数控加工机床中广泛应用的精密定位举例如下：下图是数控加工机床中广泛应用的精密定位控制系统控制系统开环控制系统原理方框图开环控制系统原理方框图2闭环控制系统闭环控制系统控制系统的输出信号对控制作用有直接影响的控控制系统的输出信号对控制作用有直接影响的控制系统，称为制系统，称为闭环控制系统闭环控制系统。在闭环控制系统中，。在闭环控制系统中，系统的输出信号通过反馈环节返回到输入端，形系统的输出信号通过反馈环节返回到输入端，形成闭合环路，故又称为成闭合环路，故又称为反馈控制系统反馈控制系统。如下图如下图1.2.2 1.2.2 自动控制系统按给定值变化分类自动
5、控制系统按给定值变化分类自动控制系统按给定值变化分类自动控制系统按给定值变化分类 按设定值的变化将自动控制系统分为三类按设定值的变化将自动控制系统分为三类:1定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变（为恒定值）的反馈控制系统设定值保持不变（为恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。称为定值控制系统。 定值控制系统的基本任务就是要克服扰动对被定值控制系统的基本任务就是要克服扰动对被控变量的影响。控变量的影响。2 2 随动控制系统随动控制系统随动控制系统随动控制系统随动控制系统也称跟踪控制系统。这类控制系随动控制系统也称跟踪控制系统。这类控制系统的特点是设定值在不断变化统的特点是设定值在不断变化.
6、控制的目的是要使被控变量能够及时而准确地控制的目的是要使被控变量能够及时而准确地跟踪设定值的变化跟踪设定值的变化.3 3 程序控制系统程序控制系统程序控制系统程序控制系统程序控制系统的设定值是一个已知的时间函数程序控制系统的设定值是一个已知的时间函数.在石油、化工、冶金、电力、陶瓷、轻工、制药等在石油、化工、冶金、电力、陶瓷、轻工、制药等工业生产中，定值控制系统占大多数，是主要的控工业生产中，定值控制系统占大多数，是主要的控制系统，其次是程序控制系统与随动控制系统制系统，其次是程序控制系统与随动控制系统.1.3.1 控制系统的动态与静态控制系统的动态与静态系统或环节特性系统或环节特性系统或环节
7、的输入与输出的关系。系统或环节的输入与输出的关系。1.31.3生产过程对控制系统运行的基本要求生产过程对控制系统运行的基本要求生产过程对控制系统运行的基本要求生产过程对控制系统运行的基本要求自动控制系自动控制系统的输入统的输入设定值的变化（或称设定作用设定值的变化（或称设定作用)扰动的变化（或称扰动作用）扰动的变化（或称扰动作用）控制系统的控制系统的过渡过程过渡过程控制系统由一个平衡状态过渡到另控制系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。一个平衡状态的过程。1.静态（或稳态）静态（或稳态）在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的平在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的平衡状态，称为系统
8、的静态（或稳态）衡状态，称为系统的静态（或稳态）.在保持平衡时环节的输出与输入关系称为环节在保持平衡时环节的输出与输入关系称为环节的静态特性。的静态特性。控制系统的控制系统的过渡过程过渡过程控制系统的控制系统的静态过程静态过程被控变量不随时间变化的被控变量不随时间变化的平衡状态平衡状态控制系统的控制系统的动态过程动态过程被控变量随时间变化的状被控变量随时间变化的状态态在自动控制系统中，被控变量随时间变化的状态，在自动控制系统中，被控变量随时间变化的状态，称为系统的动态（或暂态）称为系统的动态（或暂态）.2.动态（或暂态）动态（或暂态）系统处于动态时的输出与输入之间的系统处于动态时的输出与输入之
9、间的关系称为系统的动态特性。关系称为系统的动态特性。系统的动系统的动态特性态特性3静态与动态的辩证关系静态与动态的辩证关系以哲理的观点看，在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的、以哲理的观点看，在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的、有条件的，动态才是普遍的、绝对的、无条件的。有条件的，动态才是普遍的、绝对的、无条件的。在生产过程中，扰动作用总是不断产生，控制作用不断去克服在生产过程中，扰动作用总是不断产生，控制作用不断去克服扰动对被控变量的影响。所以，自动控制系统总是处在动态之扰动对被控变量的影响。所以，自动控制系统总是处在动态之中。中。1.3.21.3.2生产过程对控制系统运行的基本要求生
10、产过程对控制系统运行的基本要求生产过程对控制系统运行的基本要求生产过程对控制系统运行的基本要求生产过程要求自动控制系统运行时要生产过程要求自动控制系统运行时要 “稳、快、准稳、快、准” 。1稳定性：稳定性： 指系统受到外来作用后，其动态过程的振荡倾向和指系统受到外来作用后，其动态过程的振荡倾向和系统恢复平衡的能力。系统恢复平衡的能力。 如果系统受到外来作用后，经过一段时间调整，如果系统受到外来作用后，经过一段时间调整，其被控变量可以达到新的稳定状态，这样的系统是其被控变量可以达到新的稳定状态，这样的系统是稳定的系统。稳定的系统。稳定的系统判断方式：稳定的系统判断方式：线性自动控制系统线性自动控
11、制系统的稳定性是由的稳定性是由系统结构参数系统结构参数所决定所决定的，与外界因素无关。因此，保证控制系统的稳定性，的，与外界因素无关。因此，保证控制系统的稳定性，是设计和操作人员的首要任务。是设计和操作人员的首要任务。2 2快速性快速性快速性快速性快速性是表明系统输出对输入响应的快慢程度。快速性是表明系统输出对输入响应的快慢程度。提高响应速度、缩短过渡过程的时间，对提高系提高响应速度、缩短过渡过程的时间，对提高系统的控制效率和控制过程的精度都是有利的。统的控制效率和控制过程的精度都是有利的。3准确性准确性余差：余差：控制系统达到新的平衡状态时，被控变控制系统达到新的平衡状态时，被控变量的稳态值
12、与设定值之间的差值，为稳量的稳态值与设定值之间的差值，为稳态误差，也简称余差。态误差，也简称余差。稳态误差是衡量控制系统静态控制精度的重要标稳态误差是衡量控制系统静态控制精度的重要标志。志。1.3 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标1.3.1控制系统的过渡过程控制系统的过渡过程系统从一个平衡状态过渡到另一系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。个平衡状态的过程。控制系统的过渡过程：控制系统的过渡过程：过程控制系统的过渡过程，实质上就是控制作用不过程控制系统的过渡过程，实质上就是控制作用不断克服扰动作用的过程。断克服扰动作用的过程。研究控制系统的过渡过程，对分析和改进控制系统研究
13、控制系统的过渡过程，对分析和改进控制系统具有很重要的意义。具有很重要的意义。过渡过程直接反映控制系统质量的优劣，与生产过过渡过程直接反映控制系统质量的优劣，与生产过程中的安全及产品的产量、质量有着密切的联系。程中的安全及产品的产量、质量有着密切的联系。图1.9定值控制系统过渡过程的几种形式常见的过渡过程形式常见的过渡过程形式图图1-3为一个过程控制系统的阶跃响应曲线。为一个过程控制系统的阶跃响应曲线。1.3.2 过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 过程控制系统性能指标是衡量系统控制质量优劣的依据，又称为质量指标（或品质指标）。 通常主要采用两类性能指标：单项性能指标和综合 控制指标。
14、1.单项性能指标单项性能指标 单项性能指标是系统在单位阶跃输入作用下,被控 变量随时间变化的衰减振荡曲线来定义的。单项性能指标是三个动态指标，一个静态指标。它们分别是：衰减比n、超调量 与最大动态偏差、回复时间Ts、余差e()。注意：这些控制指标仅适用于衰减振荡过程。（1 1）衰减比）衰减比n:n:过渡过程曲线上两个同方向相邻峰值之比。若用B表示第一个波的振幅，B表示同方向第二个波的振幅，则衰减比为:衰减比是控制系统的稳定性指标 若衰减比n1，过渡过程是发散振荡，系统不稳定； 若衰减比n1，过渡过程是等幅振荡，系统在临界稳定状态； 若衰减比n1，过渡过程是衰减振荡，n越大，系统衰减越越快,系统
15、越稳定。 衰减比一般取41101，即大约两个周期后，系统能趋于新的稳态。 通常，随动控制系统的衰减比要求为101，定值控制系统的衰减比为41。 衰减比须视具体被控对象的不同来选取。习惯上用n1表示衰减比。 （2）超调量 与最大动态偏差 。超调量和最大动态偏差是表征被控变量偏离参比变量的超调程度，是衡量过渡过程动态精确度（即准确性）的一个动态指标。它也反映了控制系统的稳定性。 在随动控制系统中，超调量是一个反映被控变量偏离新稳态值最大程度的指标。C是输出的最终稳态值，B是输出超过最终稳态值的最大振幅（即第一个波峰的幅值）。 在定值控制系统中，最终稳态值很小或趋近于零，因此，仍用 作为超调情况的指
16、标就不合适了。通常改用最大动态偏差 来代替超调程度.最大动态偏差:被控变量偏离设定值的最大程度也等于最大振幅B与最终稳态值C之和的绝对值若用增量形式描述参数变化,则最大动态偏差就是最大指示值.最大动态偏差或超调量越大，生产过程瞬时偏离设定值就越远。在实际工作中，最大动态偏差不允许超过工艺所允许的最大值。（如存在爆炸极限的化学反应），需限制最大动态偏差的允许值.（3）回复时间Ts回复时间又称为过渡过程时间，表示控制系统过渡过程的长短,即被控变量从原稳态值达到新稳态值所需要的时间.工程上用“被控变量开始变化到进入稳态值附近5%或2%范围内所需要的时间”作为过渡过程的回复时间Ts。控制系统的快速性也
17、可以用振荡频率w 来表示振荡频率也可作为控制系统的快速性指标。定值控制系统常用振荡频率来衡量控制过程的快慢。（4）余差）余差e(),也称也称残余偏差残余偏差 余差又称残余偏差或静差，是控制系统的最终稳态偏差e()，即过渡过程终了时被控变量的设定值与新稳态值之差，即对于定值控制系统，x0，则有e()C必须说明，以上这些控制指标在不同的控制系统中各有其重要性，而且相互之间又有着内在的联系。如果要要求同时满足这几个控制指标是不可能的。应根据工艺生产的具体要求分清主次，区别轻重，对于主要的控制指标应优先保证。2综合控制指标 单项性能指标分别只代表系统一个方面的性能.这些指标往往相互影响、相互制约，难以
18、同时满足要求。 综合控制指标又称为偏差的积分性能指标，常用于分析系统的动态响应性能。名 称公 式特 点控 制 结 果适 用 范 围 绝对偏差积分 鉴定指标（IAE） 把不同时刻、不同幅值的偏差等同对待 各方面的性能比较均衡 一般用于评定定值控制系统的质量指标 偏差平方积分鉴定指标（ISE） 对大偏差敏感 最大偏差小但回复时间长 一般用于评定定值控制系统的质量指标 时间与偏差绝对值乘积的积分鉴定指标（ITAE） 对初期偏差不敏感而对后期偏差敏感 最大偏差大但回复时间短 一般用于评定随动控制系统的质量指标对于存在余差的控制系统，由于余差e()不为零，因此，积分指标都将趋于无穷大，这时，可用e(t)
19、-e()-y(t)-y()代替偏差项进行积分运算。 过程控制系统控制质量的好坏，取决于组成控制系统的各个环节，特别是被控对象（过程）的特性。自动控制装置应按被控过程的特性加以选择和调整，才能达到预期的控制质量。如果被控过程和自动控制装置两者配合不当，或在过程控制系统运行中自动控制装置的性能或过程特性发生变化，都会影响到过程控制系统的控制质量，这些问题将在控制系统的设计过程中应充分注意。1 1、熟悉控制系统的组成环节，各组成环节的作、熟悉控制系统的组成环节，各组成环节的作用？用？2 2、掌握控制理论常用术语。背得。、掌握控制理论常用术语。背得。3 3、控制系统方块图的绘制。、控制系统方块图的绘制。4、自动控制系统有哪些基本方式？、自动控制系统有哪些基本方式？5、控制系统的分类控制系统的分类6 、控制系统的动态、静态。、控制系统的动态、静态。
