制作廣西大學化工儀表與自動化廣西大學化學化工學院學習這門課的重要性：

自動制系統在化工領域的應用很普遍，比如：煉油廠、化肥廠、純堿生產過程、滌綸短纖維生產過程、制漿、造紙過程、制藥等等。工藝人員也應該充分了解所用的控制系統，以及控制系統的特性。這樣才能設計出合理、高效的生產工藝。第一章自動控制系統概述本章的主要內容：1.2自動化及儀表發展概述1.1自動控制系統1.3控制系統過渡過程及品質指標第一章自動控制系統概述蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包示意圖手動控制的步驟：(1)觀察液位數值；(2)把觀察到的實際數值與設定值加以比較，根據偏差的大小及變化情況做出判斷，并發布命令。(3)根據命令操作給水閥，使液位回到設定值。第一章自動控制系統概述1.1自動控制系統1.1.1自動控制的必要性蒸汽汽包省煤器給水

鍋爐汽包閉環自動控制系統示意圖1.1自動控制系統鍋爐汽包閉環自動控制系統的組成及方框圖1.1自動控制系統閉環控制：

在反饋控制系統中，被控變量送回輸入端，與設定值進行比較，根據偏差進行控制，控制被控變量，這樣，整個系統構成了一個閉環。閉環控制的特點（優點）：按偏差進行控制，使偏差減小或消除，達到被控變量與設定值一致的目的。

閉環控制的缺點：控制不夠及時；而且如果系統內部各環節配合不當，系統會引起劇烈震蕩，甚至會使系統失去控制。1.1自動控制系統1.1.2閉環控制與開環控制開環控制：根據擾動信號來控制操縱變量

開環控制的特點（優點）：不需要對被控變量進行測量，只根據輸入信號進行控制，控制很及時。開環控制的缺點：由于不測量被控變量，也不與設定值相比較，所以系統受到擾動作用使被控變量偏離設定值后，無法保證消除偏差，這是開環控制的缺點。

1.1自動控制系統

開環的液位控制系統（按擾動控制，又稱前饋控制）開環控制舉例1Ff

FT

LT

FdC

蒸汽汽包省煤器給水蒸汽汽包省煤器給水閉環控制系統示意圖1.1自動控制系統開環控制示意圖在研究自動控制系統時，為了更清楚的表示控制系統各環節的組成、特性和相互間的信號聯系，一般都采用方框圖。閉環控制系統組成1.1自動控制系統1.1.3自動控制系統的組成方框圖檢測元件和變送器的作用是把被控變量c(t)轉化為測量值y(t)。比較機構的作用是比較設定值r(t)與測量值y(t)并輸出其差值。控制裝置的作用是根據偏差的正負、大小及變化情況，按某種預定的控制規律給出控制作用u(t)。比較機構和控制裝置通常組合在一起，稱為控制器。執行器的作用是接受控制器送來的u(t)，相應地去改變操縱變量q(t)。系統中控制器以外的各部分組合在一起，即過程、執行器、檢測元件與變送器的組合稱為廣義對象。1.1自動控制系統閉環控制系統組成（1）信息：圖中的r(t)、y(t)、f(t)等盡管是實際的物理量，但它們是作為信息來轉換和作用的。圖中的每一部分稱為一個環節，作用于它的信息稱為該環節的輸入信號，它送出的信息稱為輸出信號。前一環節的輸出就是后一環節的輸入信號。每一環節的輸出信號與輸入信號之間的關系僅僅取決于該環節的特性。1.1自動控制系統重要概念：從整個系統來看，輸入信號：設定值、擾動

輸出信號：被控變量、測量值（2）閉環：按信息的流向來說（3）動態：物理量是時間的函數、是不斷變化的。擾動作用使被控變量偏離設定值，控制作用又使它回到設定值。

閉環控制系統組成1.1自動控制系統按設定值的不同情況，將自動控制系統分為三類:

定值控制系統、隨動控制系統、程序控制系統。定值控制系統

設定值保持不變（為一恒定值）的反饋控制系統稱為定值控制系統。

隨動控制系統

設定值不斷變化，且事先是不知道的，并要求系統的輸出（被控變量）隨之而變化。

程序控制系統

設定值也是變化的，但它是一個已知的時間函數，即根據需要按一定時間程序變化1.1自動控制系統1.1.4自動控制系統的分類1.2自動化及儀表發展概述控制理論的發展經典控制理論:20世紀40年～20世紀50年代以傳遞函數為基礎，在頻率域對單輸入單輸出控制系統進行分析與設計Nyquist(1932)頻域分析技術Bode(1945)圖根軌跡分析方法(1948)特點：主要從輸出與輸入量的關系方面分析與研究問題。適用范圍：線性定常的單輸入、單輸出控制系統。PID控制規律是古典控制理論最輝煌的成果之一第一章自動控制系統概述現代控制理論:20世紀60年代獲得迅猛發展其主要內容為：線性系統理論（基礎），最優控制理論（核心），最佳估計理論，系統辨識等。特點：從輸入-狀態-輸出的關系全面地分析與研究系統。適用范圍：不限于線性定常系統，也適用于線性時變，非線性及離散系統，多輸入、多輸出的情況。1.2自動化及儀表發展概述基地式：20世紀50年代，適用于單回路單元組合式（按功能）：20世紀60年代，之間用標準統一信號聯系DDZ,QDZ計算機：20世紀70年代DDC,DCS（集散控制系統;集中管理、分散控制）先進控制和優化控制：20世紀80年代以后CIPS（綜合自動化系統）,FCS（現場總線控制系統）

自動化儀表的發展經歷了如下過程：

模擬儀表數字儀表智能儀表。1.2自動化及儀表發展概述控制系統結構及儀表的發展早期的DCS控制系統1.2自動化及儀表發展概述1.2自動化及儀表發展概述1.2自動化及儀表發展概述

模擬式顯示儀表用標尺、指針、曲線等方法顯示或記錄被測變量1.2自動化及儀表發展概述數字式直接用數字量顯示或記錄被測變量智能儀表不僅具有顯示功能，還具有運算、數據存儲和回顯、通信等多種功能

控制系統的輸入有設定作用和擾動作用。靜態（定態）：當輸入恒定不變時，整個系統若能建立平衡，系統中各個環節將暫不動作，它們的輸出都處于相對靜止狀態。此時輸入與輸出之間的關系稱為系統的靜態特性。第一章自動控制系統概述1.3自動控制系統的過渡過程及品質指標1.3.1靜態與動態1.3過渡過程及品質指標動態：由于輸入的變化，輸出隨時間變化，其間的關系稱為系統的動態特性。也就是說，從輸入開始，經過控制直到再建立靜態，在這段時間中，整個系統的各個環節和變量都處于變化的過程之中，這種狀態稱為動態。當自動控制系統的輸入發生變化后，被控變量（即輸出）隨時間不斷變化，它隨時間而變化的過程稱為系統的過渡過程。也就是系統從一個平衡狀態過渡到另一個平衡狀態的過程。

對于一個穩定的系統（所有正常工作的反饋系統都是穩定系統）要分析其穩定性、準確性和快速性，常以階躍作用為輸入時的被控變量的過渡過程為例，因為階躍作用很典型，實際上也經常遇到，且這類輸入變化對系統來講是比較嚴重的情況。

1.3過渡過程及品質指標1.3.2自動控制系統的過渡過程定值控制系統過渡過程的幾種形式(階躍擾動情況下)

發散振蕩單調發散等幅振蕩衰減振蕩單調衰減1.3過渡過程及品質指標單項控制指標（僅適用于衰減振蕩過程）穩定性、準確性和快速性1.3.3自動控制系統的品質指標綜合控制指標1.3過渡過程及品質指標最大動態偏差或超調量是描述被控變量偏離設定值最大程度的物理量，是衡量過渡過程穩定性的一個動態指標。

對于定值控制系統，過渡過程的最大動態偏差是指被控變量第一個波的峰值與設定值之差。在上圖中，最大偏差就是第一個波的峰值，為A=B+C。

（1）最大動態偏差（emax）或超調量（σ）CtyBB’A0穩態特性1.3過渡過程及品質指標擾動作用設定值穩態值最大偏差表示系統瞬間偏離給定值的最大程度。若偏差越大，偏離的時間越長，對穩定正常生產越不利。要求小。特別是對于一些有約束條件的系統，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。

同時考慮到干擾會不斷出現，當第一個干擾還未清除時，第二個干擾可能又出現了，偏差有可能是疊加的，所以要限制最大偏差的允許值。因此，在決定最大偏差的允許值時，要根據工藝情況慎重選擇。1.3過渡過程及品質指標ytBB’C0在設定作用下的控制系統（隨動控制系統）中，通常采用超調量這個指標來表示被控變量偏離設定值的程度，一般超調量以百分數給出。A超調量定義：第一個波的峰值與最終穩態值之差，即B=A-C,如果系統的新穩態值等于設定值，那么最大偏差就等于超調量。1.3過渡過程及品質指標設定作用新設定值穩態值衰減比是衡量過渡過程穩定性的動態指標。定義：第一個波的振幅與同方向第二個波的振幅之比。

（2）衰減比n衰減比nCtyBB’A0穩態特性1.3過渡過程及品質指標衰減比n

n>1:衰減振蕩。n越大，則控制系統的穩定度也越高，當n趨于無窮大時，控制系統的過渡過程接近于非振蕩過程。

n=1:等幅振蕩。

n<1:發散振蕩。n越小，意味著控制系統的振蕩過程越劇烈，穩定度也越低，1.3過渡過程及品質指標根據實際操作經驗，為保持足夠的穩定裕度，一般希望過渡過程有兩個波左右，與此對應的衰減比在4:1到10:1的范圍內。衰減率：衰減比4:1——衰減率0.75衰減比10:1——衰減率0.90CtyBB’A0穩態特性1.3過渡過程及品質指標（3）余差定義：控制系統過渡過程終了時設定值與被控變量穩態值之差。

余差是反映控制準確性的一個重要穩態指標，一般希望其為零，或不超過預定的范圍。1.3過渡過程及品質指標上圖中，

在控制系統中，對余差的要求取決于生產過程的要求，并不是越小越好。例如儲槽液位，余差可大一些；化學反應器的溫度控制要求高，余差就要小一些。CtyBB’A0穩態特性1.3過渡過程及品質指標（4）回復時間（過渡時間）TS回復時間表示控制系統過渡過程的長短。定義：控制系統在受到階躍外作用后，被控變量從原有穩態值達到新的穩態值所需要的時間。理論上講，控制系統要完全達到新的平衡狀態需要無限長的時間。1.3過渡過程及品質指標實際上，被控變量接近于新穩態值的5％，或3％或2％的范圍內且不再越出時為止所經歷的時間，可計為過渡時間。一般希望過渡時間短一些。ytBB’5%A0Ts1.3過渡過程及品質指標（5）振蕩頻率（或振蕩周期）ω在衰減比相同條件下，周期與過渡時間成正比；振蕩頻率與回復時間成反比。定義：過渡過程同向兩波峰之間的時間間隔稱為振蕩周期或工作周期。其倒數稱為振蕩頻率。1.3過渡過程及品質指標其它一些次要指標：振蕩次數：是指在過渡過程內被控變量振蕩的次數。“理想過渡過程兩個波”：是指過渡過程振蕩兩次就能穩定下來。上升時間：是指干擾開始作用起到第一個波峰所需要的時間。1.3過渡過程及品質指標總結：主要指標有：最大偏差、衰減比、余差、過渡時間。在實際的系統中如何確定這些指標，要根據實際情況來定。原則：對生產過程有決定性意義的主要品質指標應該優先保證。1.3過渡過程及品質指標例：二階裝置典型的單位階躍響應曲線如圖所示1.3過渡過程及品質指標例題：某換熱器的溫度調節系統在單位階躍干擾下的過渡過程曲線如下圖所示。試