工業(yè)過程控制緒論學(xué)習(xí)教案

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1、會(huì)計(jì)學(xué)1工業(yè)過程控制工業(yè)過程控制(kngzh)緒論緒論第一頁，共69頁。第1章 緒論第2章 檢測(cè)儀表(ybio)第3章 控制儀表(ybio)第4章 執(zhí)行器及安全柵第5章 被控過程的數(shù)學(xué)模型第6章 簡單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與參數(shù)整定第7章 復(fù)雜控制系統(tǒng)本課程主要(zhyo)內(nèi)容第1頁/共68頁第二頁，共69頁。教材王再英等 過程控制及儀表 機(jī)械工業(yè)(gngy)出版社 ，2006主要參考書林錦國， 過程控制系統(tǒng)儀表 裝置 東南大學(xué)出版社 ，2001侯志林， 過程控制與自動(dòng)化儀表 機(jī)械工業(yè)(gngy)出版社 ，1999邵玉森， 過程控制及儀表 高教出版社 ，1999第2頁/共68頁第三頁，共69頁。學(xué)習(xí)學(xué)

2、習(xí)(xux)本課程的目本課程的目的的第3頁/共68頁第四頁，共69頁。 第一章第一章 緒論緒論了解過程控制系統(tǒng)的發(fā)展了解過程控制系統(tǒng)的發(fā)展(fzhn)歷程，特點(diǎn)歷程，特點(diǎn)理解過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)的含義理解過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)的含義掌握簡單控制系統(tǒng)的組成，過程控制系統(tǒng)的分掌握簡單控制系統(tǒng)的組成，過程控制系統(tǒng)的分類類第4頁/共68頁第五頁，共69頁。第1章 緒論(xln) 過程控制（Process control）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(yjn)、輕工、紡織、制藥、建材、核能、環(huán)境工程等許多領(lǐng)域的生產(chǎn)過程的控制，都屬于過程控制。連續(xù)生產(chǎn)過程的特征是

3、：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)行著物理化學(xué)反應(yīng)、物質(zhì)能量的傳遞或轉(zhuǎn)換。例如室內(nèi)溫度的控制。第5頁/共68頁第六頁，共69頁。圖1 為人工控制室溫。假設(shè)在冬季，室內(nèi)加溫是通過將熱風(fēng)送往恒溫室。為保證恒溫室溫符合要求(yoqi)，操作人員要隨時(shí)觀察溫度計(jì)的指示值，并隨時(shí)判斷和決定如何操作閥門來保證恒溫要求(yoqi)，然后進(jìn)行操作。 在此人的作用可分為(fn wi)三步： 眼看 腦想 手動(dòng)送送風(fēng)風(fēng)回回風(fēng)風(fēng)恒溫室溫度計(jì)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第6頁/共68頁第七頁，共69頁。手動(dòng)自動(dòng)控制閥代替人工閥門，按控制信號(hào)(xnho)自動(dòng)改變開度。眼看

4、用傳感器或變送器將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制器可接受的信號(hào)。腦想控制器將輸入的實(shí)測(cè)溫度信號(hào)和要求值進(jìn)行比較（相減求偏差(pinch) ,并按偏差(pinch)值計(jì)算出控制量。送送風(fēng)風(fēng)回回風(fēng)風(fēng)恒溫室溫度計(jì)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第7頁/共68頁第八頁，共69頁。1熱水熱水(r shu)加熱器；加熱器；2傳感變送器；傳感變送器；3控制器；控制器；4執(zhí)行器執(zhí)行器人工控制受制于人(shu zh y rn)的經(jīng)驗(yàn)和注意力，控制不精確。而自動(dòng)控制按設(shè)定好的方案進(jìn)行計(jì)算控制，可以做到精確的、恰當(dāng)?shù)目刂啤D2為室溫自動(dòng)控制，自動(dòng)化儀表代替了人。回回風(fēng)風(fēng)恒溫室23送風(fēng)送風(fēng)熱水熱水M回水

5、回水41TCTT圖2 室溫自動(dòng)控制示意圖第8頁/共68頁第九頁，共69頁。 過程控制系統(tǒng)的定義：過程控制系統(tǒng)的定義： 為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，由相互聯(lián)系的為實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，由相互聯(lián)系的自動(dòng)化儀表、裝置自動(dòng)化儀表、裝置(zhungzh)及被控對(duì)象、工藝設(shè)備構(gòu)及被控對(duì)象、工藝設(shè)備構(gòu)成的成的 一個(gè)整體，又稱自動(dòng)控制系統(tǒng)。一個(gè)整體，又稱自動(dòng)控制系統(tǒng)。 回回風(fēng)風(fēng)恒溫室23送風(fēng)送風(fēng)熱水熱水M回水回水41TCTT第9頁/共68頁第十頁，共69頁。 在討論控制系統(tǒng)工作原理時(shí)，為清楚在討論控制系統(tǒng)工作原理時(shí)，為清楚(qng chu)地表地表示自動(dòng)控制系統(tǒng)各組成部分的作用及相互關(guān)系，一般用示

6、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)閥和加熱器及房間組成。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和加熱器及房間組成。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(cè)值實(shí)測(cè)值第10頁/共68頁第十一頁，共69頁。 過程控制系統(tǒng)方框圖通常用標(biāo)準(zhǔn)(biozhn)名稱表示。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(cè)值實(shí)測(cè)值回回風(fēng)風(fēng)恒溫室23送風(fēng)送風(fēng)熱

7、水熱水M回水回水41TCTT第11頁/共68頁第十二頁，共69頁。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、濕度等）進(jìn)行控制，使其保持恒定或按一定(ydng)規(guī)律變化。1.1 過程控制的特點(diǎn)1控制對(duì)象復(fù)雜、控制要求多樣2控制方案豐富 3控制對(duì)象大多屬于慢過程參數(shù)控制4大多數(shù)工藝要求定值控制5通常使用標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化儀表及裝置 第12頁/共68頁第十三頁，共69頁。1.2 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（自動(dòng)化儀表）與系統(tǒng)(xtng)的發(fā)展歷程。過程控制裝置與系統(tǒng)(xtng)的發(fā)展過程1局部自動(dòng)化階段 （20世紀(jì) 5060年代）q自動(dòng)化儀

8、表安裝在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備上，只具備(jbi)簡單的測(cè)控功能。q適用于小規(guī)模、局部過程控制。第13頁/共68頁第十四頁，共69頁。特點(diǎn)：自動(dòng)化儀表劃分成各種標(biāo)準(zhǔn)功能(gngnng)單元，按需要可以組合成各種控制系統(tǒng)?？刂苾x表集中在控制室，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)各處的參數(shù)通過統(tǒng)一的模擬信號(hào)，送往控制室。操作人員可以在控制室監(jiān)控生產(chǎn)流程各處的狀況。適用于生產(chǎn)規(guī)模較大的多回路控制系統(tǒng)。2模擬(mn)單元儀表控制階段（20世紀(jì)6070年代）第14頁/共68頁第十五頁，共69頁。 第15頁/共68頁第十六頁，共69頁。 80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CPU的數(shù)字控制儀表。基于 “集中管理，分散控制”

9、的理念(l nin)，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，集中、分散相結(jié)合的集散型控制系統(tǒng)DCS得以流行。 DCS系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，管理功能集中于上層，工藝控制分散在下層。集管理方便、控制故障風(fēng)險(xiǎn)分散之優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。第16頁/共68頁第十七頁，共69頁。第17頁/共68頁第十八頁，共69頁。如今，隨著CPU進(jìn)入檢測(cè)儀表和執(zhí)行器，自動(dòng)化儀表徹底實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化?？刂葡到y(tǒng)也出現(xiàn)了由智能儀表構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)(xinchng)總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)。 FCS系統(tǒng)把控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)(xinchng)，依靠現(xiàn)場(chǎng)(xinchng)智能儀表便可實(shí)現(xiàn)

10、生產(chǎn)過程的檢測(cè)、控制。而用開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)(xinchng)總線，將分散在現(xiàn)場(chǎng)(xinchng)的控制系統(tǒng)的通信連接起來，實(shí)現(xiàn)信息集中管理。第18頁/共68頁第十九頁，共69頁。第19頁/共68頁第二十頁，共69頁。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(lln)為基礎(chǔ)的PID （Proportional Integral Derivative）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、Smith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(lln)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，解耦

11、控制、推斷控制、預(yù)測(cè)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。 第20頁/共68頁第二十一頁，共69頁。第21頁/共68頁第二十二頁，共69頁?？刂乒裼|摸(ch m)顯示屏第22頁/共68頁第二十三頁，共69頁?？刂乒駜?nèi)部第23頁/共68頁第二十四頁，共69頁。控制柜內(nèi)PLC第24頁/共68頁第二十五頁，共69頁。過程過程(guchng)控制控制實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)室第25頁/共68頁第二十六頁，共69頁。第26頁/共68頁第二十七頁，共69頁。1. 按設(shè)定值的形式分類1）定值控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 設(shè)定值恒定不變。2）隨動(dòng)控制系統(tǒng)(kn zh x tn)設(shè)定值隨時(shí)可能變化。3）

12、程序控制系統(tǒng)(kn zh x tn)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(cè)值實(shí)測(cè)值第27頁/共68頁第二十八頁，共69頁。2. 按系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類1）反饋(fnku)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)，具有被控變量負(fù)反饋(fnku)的控制系統(tǒng)。如： 反饋控制系統(tǒng)是過程(guchng)控制最基本的結(jié)構(gòu)形式。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(cè)值實(shí)測(cè)值第28頁/共68頁第二十九頁，共69頁。2）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制

13、系統(tǒng)）前饋控制系統(tǒng)（開環(huán)控制系統(tǒng)） 控制系統(tǒng)沒有被控變量控制系統(tǒng)沒有被控變量(binling)負(fù)反饋，不將被控負(fù)反饋，不將被控變量變量(binling)引入到控制器輸入端。如：引入到控制器輸入端。如：測(cè)量值測(cè)量值被控變量被控變量干擾干擾f 控制器控制器執(zhí)行執(zhí)行器器被控對(duì)象被控對(duì)象開環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖 變送變送器器第29頁/共68頁第三十頁，共69頁。3）復(fù)合控制系統(tǒng)）復(fù)合控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。如：前饋與反饋相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)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)行執(zhí)行器器被控對(duì)被控對(duì)象象+e實(shí)測(cè)值實(shí)測(cè)值 變送器變送器

14、2控制器控制器2前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)原理框圖加法加法器器第30頁/共68頁第三十一頁，共69頁。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(dzh)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)?？刂葡到y(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。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(cè)值實(shí)測(cè)值第31頁/共68頁第三十二頁，共69頁。穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)(dngti) 1、穩(wěn)態(tài)、穩(wěn)態(tài) 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)（靜被控變

15、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)）。態(tài)）。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(cè)值實(shí)測(cè)值靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty第32頁/共68頁第三十三頁，共69頁。靜態(tài)特性(txng)靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系。Kxy當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的輸入和輸出均恒定不變時(shí)，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(jnxng)，物料和能量仍然有進(jìn)有出，只是平穩(wěn)進(jìn)行(jnxng)沒有改變就是了。 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(cè)值實(shí)測(cè)

16、值第33頁/共68頁第三十四頁，共69頁。2、動(dòng)態(tài)被控變量隨時(shí)間變化的不平衡(pnghng)狀態(tài)稱為系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。當(dāng)干擾破壞了系統(tǒng)的平衡(pnghng)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(pnghng)。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(cè)值實(shí)測(cè)值靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty第34頁/共68頁第三十五頁，共69頁。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(binhu)關(guān)系。靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty)()()(tftxty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

17、 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(cè)值實(shí)測(cè)值第35頁/共68頁第三十六頁，共69頁。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)從原來的平衡控制系統(tǒng)的輸入變化后，系統(tǒng)從原來的平衡(pnghng)狀態(tài)，經(jīng)過動(dòng)態(tài)過程到達(dá)新的平衡狀態(tài)，經(jīng)過動(dòng)態(tài)過程到達(dá)新的平衡(pnghng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。狀態(tài)的動(dòng)態(tài)歷程稱為系統(tǒng)的過渡過程。 靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)ty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(cè)值實(shí)測(cè)值第36頁/共68頁第三十七頁，共69頁。系統(tǒng)的過渡響應(yīng)受內(nèi)部和外部兩種因素的影響。 1、

18、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(shr)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(shr)信號(hào)。 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(cè)值實(shí)測(cè)值第37頁/共68頁第三十八頁，共69頁。生產(chǎn)中，干擾是隨機(jī)出現(xiàn)(chxin)的，對(duì)系統(tǒng)的影響也各不相同。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)，時(shí)域分析時(shí)經(jīng)常使用階躍信號(hào)。 Atf（t）tf（t）第38頁/共68頁第三十九頁，

19、共69頁。階躍信號(hào)特點(diǎn)：階躍信號(hào)變化突然，對(duì)被控(bi kn)變量的影響最大。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)的形式簡單，容易實(shí)現(xiàn)，便于分析、實(shí)驗(yàn)和計(jì)算。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）第39頁/共68頁第四十頁，共69頁。 在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程在階躍輸入的擾動(dòng)作用下，定值控制系統(tǒng)過渡過程(guchng)有四種形式：有四種形式： 單調(diào)衰減過程 被控(bi kn)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。 振蕩衰減過程 被控(

20、bi kn)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。t0a0a第40頁/共68頁第四十一頁，共69頁。等幅振蕩過程 被控變量在給定值附近來回波動(dòng)(bdng)，且波動(dòng)(bdng)幅度保持不變。 振蕩發(fā)散過程 被控變量來回波動(dòng)(bdng)，且波動(dòng)(bdng)幅度逐漸變大，離給定值越來越遠(yuǎn)。t0aa0t第41頁/共68頁第四十二頁，共69頁。第42頁/共68頁第四十三頁，共69頁。第43頁/共68頁第四十四頁，共69頁。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(gngy)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

21、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)。 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(cè)值實(shí)測(cè)值第44頁/共68頁第四十五頁，共69頁。二者階躍響應(yīng)(xingyng)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。(a)干擾階躍響應(yīng)t0y y(b)給定階躍響應(yīng)0ty y階躍響應(yīng)有給定(i dn)階躍響應(yīng)和干擾階躍響應(yīng)兩類：第45頁/共68頁第四十六頁，共69頁。干擾(gnro)階躍響應(yīng)和給定階躍響應(yīng)的區(qū)別：(a)干擾階躍響應(yīng)t0y y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)

22、測(cè)值實(shí)測(cè)值第46頁/共68頁第四十七頁，共69頁。(b) 給定階躍響應(yīng)0ty y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(cè)值實(shí)測(cè)值第47頁/共68頁第四十八頁，共69頁。1. 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)(kn zh x tn)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)(cnsh)過渡過程的單項(xiàng)特征量作為性能指標(biāo)，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，因此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)

23、。第48頁/共68頁第四十九頁，共69頁。1）衰減(shui jin)比n和衰減(shui jin)率衰減比衰減比 n 和衰減率和衰減率 是表示是表示(biosh)系統(tǒng)穩(wěn)定程度系統(tǒng)穩(wěn)定程度的指標(biāo)。設(shè)第一個(gè)波振幅為的指標(biāo)。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()TpTSTt13yny131yy11yn 第49頁/共68頁第五十頁，共69頁。n大于1，系統(tǒng)(xtng)穩(wěn)定。隨著n的增大，過渡過程逐漸由衰減振蕩趨向于單調(diào)過程。試驗(yàn)證明：衰減比在 4: 1到10:1之間時(shí)

24、，過渡過程的衰減程度合適，過渡過程較短。衰減比n與衰減率之間有簡單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：n = 4:110:1 就相當(dāng)于 = 75 %90% yry1y3Cy()TpTSTt13yny第50頁/共68頁第五十一頁，共69頁。最大動(dòng)態(tài)偏差(pinch)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(pinch)A和超調(diào)量 最大動(dòng)態(tài)偏差(pinch)表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度。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第51頁/共68頁第五十二頁，共69頁。 有時(shí)也采用超調(diào)量來表示被控參數(shù)

25、偏離設(shè)定值的程度， 的定義(dngy)是第一個(gè)波振幅與最終穩(wěn)態(tài)值y()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()TpTSTt1y100%y()第52頁/共68頁第五十三頁，共69頁。3）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)(kn zh x tn)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第53頁/共68頁第五十四頁，共69頁。4）調(diào)節(jié)

26、時(shí)間Ts和振蕩頻率 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(fnwi)內(nèi)，就認(rèn)為過渡過程結(jié)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第54頁/共68頁第五十五頁，共69頁。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)(do sh)稱為振蕩頻率 f = 1/T對(duì)應(yīng)(duyng)的角頻率 = 2 /T第

27、55頁/共68頁第五十六頁，共69頁。調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩頻率是衡量系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。另外(ln wi)還有峰值時(shí)間Tp也是衡量系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。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。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第56頁/共68頁第五十七頁，共69頁。 例 某換熱器的溫度控制系統(tǒng)(kn zh x tn)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(pinch) A = 230-20

28、0 = 30余差 C= 205-200 = 5衰減比 n = y1: y3 = 25:5 = 5:1第57頁/共68頁第五十八頁，共69頁。振蕩周期 T = 20 5 = 15 （min）設(shè)被控變量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的土2，就認(rèn)為(rnwi)過渡過程結(jié)束，則誤差區(qū)域=205 （ 2） 4.1在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為4.1畫一區(qū)域（陰影線）。曲線進(jìn)入時(shí)間點(diǎn) Ts = 22min第58頁/共68頁第五十九頁，共69頁。 控制系統(tǒng)的單項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)小結(jié)穩(wěn)定性 衰減(shui jin)比n = 4:110:1最佳 準(zhǔn)確性 余差C小好 最大偏差 A 小好快速性 過渡時(shí)間 Ts 短好 振蕩周期 T 短好各品質(zhì)

29、指標(biāo)之間既有聯(lián)系、又有制約。例如，過分減小最大偏差，會(huì)使過渡時(shí)間變長。因此，應(yīng)根據(jù)具體工藝情況分清主次，對(duì)生產(chǎn)過程有決定性意義的主要品質(zhì)指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。第59頁/共68頁第六十頁，共69頁。2. 系統(tǒng)階躍響應(yīng)的綜合性能指標(biāo)偏差積分 單項(xiàng)指標(biāo)雖然(surn)清晰明了，但如何全面統(tǒng)籌考慮比較困難。因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)，就可以全面反映控制系統(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第60頁/共68頁第六十一頁，共69頁。tyrCy()yrCy()t偏差積分的原

30、始(yunsh)定義：偏差的定義存在(cnzi)分歧： e (t) = y(t) - y(r) 如有余差則積分無窮大 e (t) = y(t) - y() 不能表達(dá)余差0dt)t ( eIE第61頁/共68頁第六十二頁，共69頁。偏差積分指標(biāo)(zhbio)有以下幾種形式：偏差積分IE（Integral of Error）0( )IEe t dt缺點(diǎn)：正負(fù)偏差會(huì)抵消，掩蓋缺點(diǎn)：正負(fù)偏差會(huì)抵消，掩蓋(yngi)了系統(tǒng)了系統(tǒng)的振蕩程度。的振蕩程度。tyrCy()第62頁/共68頁第六十三頁，共69頁。絕對(duì)(judu)偏差積分IAE （Integral Absolute value of Error）

31、 排除了正負(fù)偏差排除了正負(fù)偏差(pinch)抵消的可抵消的可能。能。0dt)t ( eIAEtyrCy()第63頁/共68頁第六十四頁，共69頁。 平方(pngfng)偏差積分ISE（Integral of Squared Error）排除了正負(fù)偏差抵消(dxio)的可能，并對(duì)偏差幅度敏感。 02dt)t (eISEtyrCy()第64頁/共68頁第六十五頁，共69頁。時(shí)間與絕對(duì)(judu)偏差乘積積分ITAE （Integral of Time multiplied by the Absolute value of Error） 排除了正負(fù)偏差(pinch)抵消的可能，并對(duì)調(diào)節(jié)時(shí)間敏感。 0

32、dt)t ( etITAEtyrCy()第65頁/共68頁第六十六頁，共69頁。 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)結(jié)構(gòu)和控制系統(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。系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的特性。 從第二章開始從第二章開始(kish)，將分別討論控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的，將分別討論控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的特性、各種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性及設(shè)計(jì)方法。特性、各種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性及設(shè)計(jì)方法。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(cè)值實(shí)測(cè)值第66頁/共68頁第六十七頁，共69頁。作業(yè)(zuy)（P12）：第1-2、1-7、1-10題第67頁/共68頁第六十八頁，共69頁。感謝您的觀看(gunkn)。第68頁/共68頁第六十九頁，共69頁。