過程裝備控制技術主講：李宏燕聯系方式：Email:Lhy-208@163.com前言《過程裝備控制技術》課程簡介一課程基本情況

學分：4.5

總學時：86

授課學時：68

實驗學時：18

課程性質：專業基礎課

適應專業：過程裝備與控制工程專業先修課：過程控制原理、化工原理、過程流體機械、過程設備設計教材：王毅.過程裝備控制技術及應用,過程裝備與控制工程專業核心課程系列教材

二課程的性質與教學目的

本課程是過程裝備與控制工程專業的一門重要的專業基礎課。在技術發展的今天，過程裝備技術人員掌握自動控制系統及常用的儀表知識，不但對于工業生產的正常運行是必要的、而且對于化工工藝及裝備的設計改進也是必不可少的。三教學基本要求

掌握控制工程及自動化方面的基本知識和理論，掌握過程控制系統設計的基本要求，初步具有完成自動控制系統設計的能力。

前言《過程裝備控制技術》課程簡介教學環節、內容和學時分配（一）理論教學68學時第一章控制系統的基本概念6

學時第二章過程裝備控制基礎14第三章過程檢測技術22第四章過程控制裝置14第五章計算機控制系統6第六章典型過程控制系統應用方案6

前言《過程裝備控制技術》課程簡介(二）實踐教學18學時

前言《過程裝備控制技術》課程簡介（1）單容/雙容液位對象特性測定實驗2（2）液位傳感器的工作原理和校驗實驗2（3）水箱液位調節閥定值控制實驗2（4）管道壓力定值控制實驗2（5）加熱水箱溫度定值控制實驗2（6）水箱液位與管道流量的串級控制實驗2（7）流量變頻器定值控制實驗2（8）流量-液位前饋反饋控制實驗2（9）水箱液位位式控制實驗2（10）電動調節閥的流量特性測定實驗2（11）水箱液位PLC定值控制實驗2（12）工控組態軟件組態和控制實驗2合計（選做以上實驗項目中的9個實驗）18五參考書[1]厲玉鳴.化工儀表及自動化(第四版).化學工業出版社.2008.[2]厲玉鳴.化工儀表及自動化例題習題集.2008[3]陳詩滔.工業過程儀表與控制.中國輕工業出版社.2009,9[4]孫炳達.自動控制原理.機械工業出版社.2009,10[5]周春暉.化工過程控制原理.化學工業出版社.2010,9[6]陳守仁.自動檢測技術及儀表.機械工業出版社.2010[7]王驥程，祝和云.化工過程控制工程.化學工業出版.2011,5

前言《過程裝備控制技術》課程簡介六考核方式閉卷筆試總評成績=考試成績×60%+平時成績×20%+實驗成績×20%七上課要求1上課認真聽課、作好課堂筆記2課后及時復習、獨立完成作業遇有疑難問題、及時交流討論答疑時間和地點：星期三機械樓411

前言《過程裝備控制技術》課程簡介教學內容:§1.1化工生產自動化的主要內容§1.2控制系統的組成§1.3帶控制點的工藝流程圖§1.4自動控制系統方塊圖§1.5控制系統的分類§1.6自動控制系統的過渡過程和品質指標第1章自動控制系統基本知識教學要求

1掌握自動控制系統的組成，各環節的作用以及各環節之間的聯系。

2掌握方塊圖的畫法，對一個具體的控制系統來說，能準確指出被控對象、被控變量、操縱變量、擾動量等參數。

3掌握帶控制點流程圖上常用圖形符號的含義。

4掌握閉環控制系統在階躍擾動作用下，過渡過程的幾種基本形式及過渡過程品質指標的含義。

本章作業：Pg11：1、6、7、8、9、10；補充題1：求過渡過程性能指標。

本章思考題：Pg11：2、3、4、5、

HGJ7-87《化工過程檢測.控制系統設計符號統一規定》

第1章自動控制系統基本知識1．1概述過程裝備控制引言？化工生產過程自動化？含義、目的、發展第1章自動控制系統基本知識化工生產自動化的含義是化工、煉油、食品、輕工等化工類型生產過程自動化的簡稱。在化工設備上，配備上一些自動化裝置，代替操作人員的部分直接勞動，使生產在不同程度上自動地進行，這種用自動化裝置來管理化工生產過程的辦法，稱為化工自動化。1．1.0引言目的

加快生產速度，降低生產成本，提高產品產量和質量；減輕勞動強度，改善勞動條件；能夠保證生產安全，防止事故發生或擴大，達到延長設備使用壽命，提高設備利用能力的目的；生產過程自動化的實現，能根本改變勞動方式，提高工人文化技術水平，為逐步地消滅體力勞動和腦力勞動之間的差別創造條件。1．1.0引言化工自動化的發展20世紀40年代以前絕大多數化工生產處于手工操作狀況，操作工人根據反映主要參數的儀表指示情況，用人工來改變操作條件，生產過程單憑經驗進行。低效率，花費龐大。20世紀50年代到60年代人們對化工生產各種單元操作進行了大量的開發工作，使得化工生產過程朝著大規模、高效率、連續生產、綜合利用方向迅速發展。1．1.0引言化工自動化的發展

20世紀70年代以來，化工自動化技術又有了新的發展已發展為綜合自動化，應用的領域和規模越來越大；顯示了知識密集化、高技術集成化的特點；智能化程度日益增加。20世紀末，計算機、信息技術的飛速發展，引發了自動化系統結構的變革1．1.0引言圖1-1寧東能源化工基地神華寧煤集團甲醇項目夜景1．1.0引言1.1.1化工自動化的主要內容化工過程生產自動化，包括以下四個主要內容:？1.自動檢測系統2.信號聯鎖保護系統3.自動操縱及自動開停車系統4.自動控制系統利用各種檢測儀表對主要工藝參數進行測量、指示或記錄。它代替操作人員對工藝參數的不斷觀察與記錄，起著眼睛的作用。往復壓縮機在線監測系統時間水箱供水口溫度水箱出水口溫度水箱溫度環境溫度2013/12/188:30-112013/12/188:3512.812.616.4-10.92013/12/188:4012.912.116.4-10.42013/12/188:451311.716.4-9.92013/12/188:5013.211.316.4-9.82013/12/188:5513.210.916.4-8.82013/12/189:0013.310.616.4-8.42013/12/189:0513.410.316.4-7.92013/12/189:1013.51016.4-化工自動化的主要內容1.自動檢測系統2.信號聯鎖保護系統3.自動操縱及自動開停車系統4.自動控制系統是生產過程中的安全裝置。當工藝參數超過了允許范圍，在事故即將發生前，信號聯鎖保護系統就自動地發生聲光信號，告誡操作人員注意，并及時采取措施。若工況已達危險狀態時，聯鎖系統立即自動采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車，以防事故發生和擴大。如高限液位和低限液位報警裝置

1.1.1化工自動化的主要內容1.自動檢測系統2.信號聯鎖保護系統3.自動操縱及自動開停車系統4.自動控制系統

可以根據預先規定的步驟自動的對生產設備進行某種周期性的操作。例如：煤氣發生爐的造氣過程。自動開停車系統可以按照預先規定好的步驟，將生產過程自動地投入運行或自動停車。吹風、上吹、下吹、二次上吹、吹凈1.1.1化工自動化的主要內容自動控制系統是自動化生產的核心部分，也是本課程了解和學習的重點特別提醒思考題P11：1什么叫生產過程自動化?生產過程自動化主要包括了哪些內容?

1.自動檢測系統2.信號聯鎖保護系統3.自動操縱及自動開停車系統4.自動控制系統

當某一設備的工藝條件發生變化時，自動控制系統能自動地排除各種干擾因素，使工藝參數始終保持在預先規定的數值范圍內，以保證生產維持正常或最佳的工藝操作狀態。1.1.2過程裝備控制的要求和任務主要參數，即溫度、壓力、流量、液位(或物位)、成分和物性三項要求：即安全性、經濟性和穩定性過程裝備控制的任務就是在了解、掌握工藝流程和生產過程的靜態和動態特性的基礎上，根據上述三項要求，應用理論對控制系統進行分析和綜合，最后采用合適的技術手段加以實現。1．2控制系統的組成1．2．1過程裝備的控制方法過程工業生產都是在一定的溫度、壓力、濃度、物位、流量下進行的。為了實現控制要求，通常有兩種方式可以選擇:人工控制自動控制

（1）用眼觀察溫度計的指示值；（2）將觀察值與要求值進行比較，得出偏差的大小和方向，并傳遞給大腦；（3）大腦根據偏差的大小和方向，依據經驗決定開關閥門開度的大小和方向，并指令手去執行；（4）手根據大腦的指令去執行控制閥門的動作。exp1:換熱器管程出口溫度的控制1．2．1過程裝備的控制方法人工控制過程：圖1-2換熱器人工控制自動控制過程：（1）熱電阻——“眼睛”測得出口物料的溫度，并轉換成電信號，再由溫度變送器將電信號轉換成標準信號（2）控制器——“人腦”控制器將變送器送來的信號與要求值進行比較，得出偏差的大小和方向；（3）控制閥——“人手”，調節蒸汽加入量1．2．1過程裝備的控制方法圖1-3換熱器自動控制Exp2:水槽液位控制1243出水進水圖1-5貯槽水位控制系統1-貯槽；2-浮球；3-杠桿；4-針形閥圖1-4液位人工控制系統QiQ0h1．2．1過程裝備的控制方法表1-1人工控制與自動控制的比較人工控制自動控制檢測系統眼睛——觀察差壓變送器控制系統大腦——信息處理液位調節器操縱系統信號連鎖系統手動操作調節閥無自動調節閥有1．2．1過程裝備的控制方法在自動控制系統中，測量儀表、控制儀表、自動調節閥分別代替了人工控制中人的觀察、思考和手動操作，因而大大降低了人的勞動強度;同時由于儀表的信號測量、運算、傳輸、動作等速度遠遠高于人的觀察、思考和操作過程，因此自動控制可以滿足信號變化速度快、控制要求高的場合。結論：1．2．1過程裝備的控制方法1．2．2控制系統的組成測量元件和變送器調節器（控制器）執行器輔助裝置，如：給定裝置、轉換裝置、顯示儀表等控制系統的組成被控對象自動控制裝置被控對象：在自動控制系統中，工藝變量需要控制的生產設備或機器，如：換熱器、塔器、反應器、泵、壓縮機、管道、各種貯槽等。▲自動控制系統被控對象自動控制裝置測量元件與變送器

控制（調節）器執行器（控制閥）1．2．2控制系統的組成測量元件與變送器：用來感受被控變量的變化并將它轉換成一種特定的信號：如氣壓信號（0.02～0.1MPa）電流信號（0～10mA或4～20mA）▲自動控制系統被控對象自動控制裝置測量元件與變送器

控制（調節）器執行器（控制閥）1．2．2控制系統的組成控制（調節）器：將檢測元件及變送器送來的信號與工藝上需要保持的設定值信號進行比較，得出偏差的大小，根據偏差的大小及變化趨勢，按照預先設定好的控制規律進行運算后，將運算結果用特定的信號發送給執行器（控制閥）。▲自動控制系統被控對象自動控制裝置測量元件與變送器控制（調節）器執行器（控制閥）1．2．2控制系統的組成▲自動控制系統被控對象自動控制裝置測量元件與變送器

控制（調節）器執行器（控制閥）

執行器（控制閥）：接受控制器送來的信號，自動地改變閥門的開度，從而相應地改變流入（或流出）被控對象的物料流量或能量，克服擾動的影響，最終實現控制要求。常見的有：氣動薄膜執行器，電動執行器思考題P11：2自動控制系統主要是由哪幾個環節組成的?1．2．2控制系統的組成例1、如圖所示，為一換熱器溫度簡單控制系統，試分析該控制系統的組成，并簡要分析其控制過程。TCTT冷物料蒸汽熱物料1．2．2控制系統的組成圖1-6換熱器控制系統例2、如圖所示為一反應器溫度控制系統，試分析該控制系統的組成，并簡要分析其控制過程。TTTCAB冷卻水圖1-7反應器控制系統§1.3帶控制點的工藝流程圖帶控制點的工藝流程圖：在控制方案確定后，用自動控制系統設計規定的文字符號和圖形符號在工藝流程圖上標出相應的測量點、控制點、控制系統及自動信號與聯鎖保護系統等。流程圖中設備間連線表示物料流動的方向。HGJ7-87《化工過程檢測.控制系統設計符號統一規定》一圖形符號儀表:用直徑約10mm的細實線圓圈表示。測量點:是由工藝設備輪廓或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點,無特定的符號。連接線：儀表到測量點之間的信號連接線用細實線表示儀表的安裝位置見表1-1

儀表及測量點的表示§1.3帶控制點的工藝流程圖表1-2儀表安裝位置的圖形符號表示§1.3帶控制點的工藝流程圖①儀表圓圈的上半圓內：用英文字母表示被測變量和儀表的功能。第一位字母表示被測變量；第二位起后續字母表示儀表功能。②儀表圓圈的下半圓內：用阿拉伯數字表示儀表的位置編號。第一位數字表示工段號；第二位起后續數字表示儀表的序號。常見被測變量和儀表功能的字母代號見表3§1.3帶控制點的工藝流程圖二字母代號√√√√√√√√√√表1-3常見被測變量和儀表功能的字母代號§1.3帶控制點的工藝流程圖圖1-8帶控制點的工藝流程圖——表示測量點在塔頂的壓力指示控制儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號為2，儀表序號為07。——表示測量點在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀表為就地安裝儀表，工段號為2，儀表序號為06。PIC207PI206LIC201——表示測量點在回流罐封頭處的液位指示控制儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號為2，儀表序號為01。例3讀圖§1.3帶控制點的工藝流程圖③①②——表示測量點在塔的下部溫度記錄控制儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號為2，儀表序號為10。FR212TRC210LICA202HL——表示測量點在塔的下部的液位指示、報警控制儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號為2，儀表序號為02。H、L表示儀表具有高、低報警功能。——表示測量點在進口管線上的孔板流量記錄儀表，儀表安裝在集中儀表盤面上，工段號為2，儀表序號為12。圖1-8帶控制點的工藝流程圖§1.3帶控制點的工藝流程圖⑥⑤④一自動控制系統方塊圖：是用一個方塊代表自動控制系統中的一個組成環節，用箭頭表示兩個環節的信號聯系和傳遞方向，用規定的字母表示方塊間相互作用的信號參數。特別提醒§1.4自動控制系統方塊圖圖1-9簡單控制系統方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量思考題P11：3什么是自動控制系統的方框圖?它與工藝流程圖有什么不同?自動控制系統的方框圖是由傳遞方框、信號線、綜合點、分支點構成的表示控制系統組成和作用的圖形。其中每一個方塊代表系統中的一個組成部分，方塊內填入表示其自身特性的數學表達式；方塊間用帶有箭頭的線段表示相互間的關系及信號的流向。采用方塊圖可直觀地顯示出系統中各組成部分以及它們之間的相互影響和信號的聯系，以便對系統特性進行分析和研究。工藝流程圖則是以形象的圖形、符號、代號，表示出工藝過程選用的化工設備、管路、附件和儀表自控等的排列及連接，借以表達在一個化工生產中物料和能量的變化過程，即原料→成品全過程中物料和能量發生的變化及其流向。1.4自動控制系統方塊圖二自動控制系統中的常用術語被控變量y——被控對象內要求保持設定值的工藝參數。測量值ym——由檢測元件檢測到的被控變量的實際值。設（給）定值ys——被控變量的預定值。圖1-9簡單控制系統方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.4自動控制系統方塊圖操縱變量m——受控制器操縱的，用以克服干擾的影響，使被控變量保持設定值的物料量或能量。擾動量f——除操縱變量外，作用于被控對象并引起被控變量變化的因素。例如換熱器圖1-9簡單控制系統方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.4自動控制系統方塊圖偏差信號e=

ym－ys——被控變量的實際測量值與設定值之差。控制信號u——控制器按輸入的偏差信號按一定規律計算得到的量。圖1-9簡單控制系統方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.4自動控制系統方塊圖反饋——把系統（或環節）的輸出信號直接或經過一些環節重新引回到輸入端的做法。負反饋——反饋信號的作用與設定信號相反，使偏差信號減弱的反饋（e=ym－

ys），叫負反饋。正反饋——使偏差信號加強的反饋，即（e=ys+

ym）。圖1-9簡單控制系統方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.4自動控制系統方塊圖三例題講解

例題1：鍋爐是化工、煉油等企業中常見的主要設備。汽包水位是影響蒸汽質量及鍋爐安全的一個十分重要的參數。水位過高，會使蒸汽帶液，降低了蒸汽的質量和產量，甚至會損壞后續設備。而水位過低，輕則影響汽液平衡，重則燒干鍋爐甚至引起爆炸。因此，必須對汽包水位進行嚴格的控制。下圖是一鍋爐汽包水位控制示意圖，要求：

1）指出該系統中被控對象、被控變量、操縱變量、擾動變量各是什么？

2）畫出該控制系統的方塊圖。

LTLC冷水蒸汽汽包加熱室圖1-10鍋爐汽包水位控制示意圖1.4自動控制系統方塊圖解：（1）被控對象：被控變量：操縱變量：擾動量：(2)鍋爐汽包水位控制系統方塊圖：控制器執行器鍋爐汽包測量元件與變送器LsLf(干擾變量）Lme=Lm－LsumLTLC冷水蒸汽汽包加熱室鍋爐汽包；鍋爐汽包的水位；鍋爐給水量；冷水溫度、壓力、蒸汽壓力、流量、燃燒狀況等1.4自動控制系統方塊圖例2如圖所示是一反應器溫度控制系統示意圖。工藝要求反應器內的溫度保持不變。試畫出該溫度控制系統的方框圖，并指出該控制系統中的被控對象、被控變量、操縱變量、干擾作用各是什么？TTTCAB冷卻水圖1-11反應器溫度控制系統示意圖1.4自動控制系統方塊圖例3、如圖所示為一液位簡單控制系統，工藝要求液位保持為某一數值，試畫出該液位控制系統的方框圖，并指出該控制系統中的被控對象、被控變量、操縱變量、干擾作用各是什么？LTLCqv1qv2圖1-12水槽液位控制系統示意圖1.4自動控制系統方塊圖例4如圖所示為一自力式貯槽水位控制系統，試畫出該系統的方塊圖，并指出系統中被控對象、被控變量、操縱變量、干擾作用是什么？1243出水進水圖1-13貯槽水位控制系統1-貯槽；2-浮球；3-杠桿；4-針形閥1.4自動控制系統方塊圖

例5如圖所示，一換熱器出口溫度控制系統中，工藝要求熱物料出口溫度保持為某一定值。試畫出該控制系統的方框圖，并指出該系統的被控對象、被控變量、操縱變量、干擾作用各是什么？圖1-14換熱器溫度控制系統TCTT冷物料蒸汽熱物料1.4自動控制系統方塊圖例6在石油化工生產中，常常利用液態丙烯汽化吸收裂解氣體的熱量，是裂解氣體的溫度下降到規定的數值上。如圖所示是一個丙烯冷卻器溫度控制系統。被冷卻的物料是乙烯裂解氣，其溫度要求控制在（15±1.5）℃。試畫出該系統的方框圖，并指出系統中被控對象、被控變量和操縱變量、干擾作用各是什么？TCTT氣態丙烯乙烯裂解氣液態丙烯丙烯冷卻器圖1-15換熱器溫度控制系統1.4自動控制系統方塊圖1畫法方塊圖要注意的幾個要點：

①組成控制系統的環節用“方塊”表示

②信號聯系箭頭符號不能丟

③負反饋負號不能丟

④對某一具體的控制系統來說，應指出被控對象、被控變量、操縱變量、干擾變量是什么？

⑤給定值、被控變量不是環節，不用方塊表示2理解負反饋閉環系統的含義

把系統（或環節）的輸出信號直接或經過一些環節重新引回到輸入端的做法，叫反饋；使偏差信號減弱的反饋，叫負反饋。要點歸納1.4自動控制系統方塊圖溫度控制系統[2]壓力控制系統流量控制系統液位控制系統[3]成分控制系統

§1.5控制系統的分類2按控制器的控制規律分：比例（P）Proportion比例積分（PI)Integral比例微分(PD)Differential比例積分微分(PID)1按被控變量分：3按給定值的特點分：定值控制系統隨動控制系統程序控制系統給定值恒定不變的控制系統。定值控制系統的作用是克服擾動對被控變量的影響，使被控變量最終回到給定值或其附近。以后無特殊說明控制系統均指定值控制系統而言。1.5控制系統的分類3按給定值的特點分：定值控制系統隨動控制系統程序控制系統隨動控制系統的設定值是不斷變化的。隨動控制系統的作用是使被控變量能盡快地、準確無誤的跟蹤設定值的變化而變化。

1.5控制系統的分類3按給定值的特點分：定值控制系統隨動控制系統程序控制系統程序控制系統的設定值也是變化，但它是一個已知的時間函數，即設定值按一定的時間程序變化。1.5控制系統的分類4按系統輸出信號對操縱變量影響分：是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯系的自動控制系統，系統輸出變量會影響操縱變量。閉環控制開環控制是指控制器與被控對象之間只有順向控制沒有反向聯系的自動控制系統，操縱變量不受系統輸出信號的影響（反饋回路斷開或調節器置于手操狀態），如按設定值進行控制，按擾動進行控制。

圖示思考題P11：5什么是閉環控制?什么是開環控制?定值控制系統為什么必須是一個閉環負反饋系統?1.5控制系統的分類簡單控制系統[4]復雜控制系統是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個控制器和一個執行器所構成的單回路控制系統。如圖17圖1-17簡單控制系統方塊圖被控變量干擾作用y給定值控制器執行器被控對象f測量元件與變送器yse=ym－ysumym偏差－控制信號操縱變量1.5控制系統的分類5按系統的復雜程度劃分：5按系統的復雜程度劃分：

簡單控制系統

復雜控制系統[5]是指由多個被控對象、多個檢測元件及變送器、多個控制器和多個執行器所構成的多回路控制系統。如圖1-18圖1-18串級復雜控制系統1.5控制系統的分類6按系統克服干擾的方法劃分：

1.5控制系統的分類反饋控制系統前饋控制系統前饋--反饋控制系統6按系統克服干擾的方法劃分：

P6：△y=△y1+△y2=0前饋完全補償1.5控制系統的分類反饋控制系統前饋控制系統前饋--反饋控制系統6按系統克服干擾的方法劃分：

1.5控制系統的分類反饋控制系統前饋控制系統前饋--反饋控制系統靜態：被控變量不隨時間而變化的平衡狀態。動態：被控變量隨時間變化的不平衡狀態。▲§1.6控制系統的過渡過程及其性能指標

一控制系統的靜態和動態二控制系統的過渡過程1典型干擾輸入信號的形式①階躍干擾A0t0t12t20tAt②斜坡干擾③拋物線干擾0tδ（t）④單位脈沖干擾：2自動控制系統在階躍干擾作用下的過渡過程①②③④

圖1-18過渡過程的幾種基本形式ytyyy①非周期衰減過程：系統受到擾動作用后，被控變量在給定值的某一側做緩慢變化，沒有來回波動，最終穩定在某一數值上。由于過渡速度慢、時間長，一般不采用思考題P11：8什么是自動控制系統的過渡過程？在階躍干擾作用下有哪幾種基本形式？其中哪些能滿足自動控制的要求，哪些不能？為什么？1.6控制系統的過渡過程及其性能指標：2自動控制系統在階躍干擾作用下的過渡過程①②③④

圖1-18過渡過程的幾種基本形式ytyyy1.6控制系統的過渡過程及其性能指標②衰減振蕩過程：它表明當系統受到擾動作用后，被控變量上下波動，且幅度逐漸減小，經過一段時間最后穩定在某一數值上。我們希望得到的：2自動控制系統在階躍干擾作用下的過渡過程①②③④

圖1-18過渡過程的幾種基本形式ytyyy1.6控制系統的過渡過程及其性能指標③等幅振蕩過程：系統受到擾動作用后，被控變量在給定值附近來回波動且波動幅值保持不變。即被控變量在設定值的某一范圍內來回波動，而不能穩定下來。一般不采用，如工藝上允許被控變量在一定范圍內波動，則可采用。：2自動控制系統在階躍干擾作用下的過渡過程①②③④

圖1-18過渡過程的幾種基本形式ytyyy1.6控制系統的過渡過程及其性能指標④發散振蕩過程：它表明當系統受到擾動作用后，被控變量來回波動，且波動幅度逐漸增大，即被控變量偏離設定值越來越遠，以至超越工藝允許范圍。應盡量避免。3控制系統的性能指標最大偏差(或超調量)、衰減比、余差、回復時間等以系統受到單位階躍輸入作用后的響應曲線表示；偏差積分性能指標——是希望輸出與系統實際輸出之間誤差的某個函數的積分。平方誤差積分指標(ISE)、時間乘平方誤差的積分指標(ITSE)絕對誤差積分指標(IAE)、時間乘絕對誤差的積分指標(ITAE)1.6控制系統的過渡過程及其性能指標1

最大偏差A：被控量偏離給定值的最大數值。A小一些較好。

超調量σ：被控變量偏離給定值的程度。（y(∞)：新穩定值）2衰減比n=B1：B2：指過渡過程曲線上同方向第一個波的峰值與第二個波的峰值之比。n：1=4：1～10：1tsB2C圖1-19過渡過程品質指標示意圖AB1TtsB2Cy(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’以階躍響應曲線表示：1.6控制系統的過渡過程及其性能指標衰減比n——同方向的相鄰兩個波峰之比，n=B1:B2注意n越小，衰減程度越小；n越大，衰減程度越快；n=1時，系統為等幅振蕩過程；n<1時，系統為發散振蕩過程；n﹥1時，系統為衰減振蕩過程；n→∞時，系統為單調過程；選擇n在4：1～10：1之間1.6控制系統的過渡過程及其性能指標衰減比對過渡過程的影響？：3余差e：指過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩態值與設定值之間的差值。一般e越小越好4過渡時間ts：指控制系統受到擾動作用后，被控變量從原穩定狀態回復到新的平衡狀態（±5%的范圍內）所經歷的最短時間。5振蕩周期T（或頻率）：指過渡過程兩個同向波峰之間的間隔時間，其倒數為振蕩頻率。tsB2e圖1-19過渡過程品質指標示意圖AB1TtsB2ey(tp)B1Ty(∞)yyy0y0y(∞)y0’1.6控制系統的過渡過程及其性能指標平方誤差積分指標(ISE)偏差積分性能指標有余差時，偏差ISE對同一偏差面積由于離設定值遠近不同引起的目標值J是不同的，遠離者目標值J大于臨近者，即ISE對大偏差敏感，若用于調整控制器參數，則所得的過渡過程不會出現大偏差；1.6控制系統的過渡過程及其性能指標平方誤差積分指標(ISE)時間乘平方誤差的積分指標(ITSE)偏差積分性能指標有余差時，偏差ITSE指標兼有ISE指標和ITAE指標的特點，用于調整控制器參數，可以得到比較理想的結果。1.6控制系統的過渡過程及其性能指標平方誤差積分指標(ISE)時間乘平方誤差的積分指標(ITSE)絕對誤差積分指標(IAE)有余差時，偏差IAE指標是偏差面積積分，沒考慮偏差面積距離設定值的遠近；偏差積分性能指標1.6控制系統的過渡過程及其性能指標平方誤差積分指標(ISE)時間乘平方誤差的積分指標(ITSE)絕對誤差積分指標(IAE)時間乘絕對誤差的積分指標(ITAE)有余差時，偏差ITAE指標將偏差面積用時間來加權，考慮了偏差積分面積出現的時間；對初始偏差不敏感，對后期偏差敏感；用于調整控制器參數其過渡過程的初始偏差較大，但過渡時間較短；偏差積分性能指標1.6控制系統的過渡過程及其性能指標控制系統的各種性能指標是彼此相關、相互約束的，不可能出現同時都是最好的情況。確定性能指標時應主要看能否滿足工藝的要求。注意1.6控制系統的過渡過程及其性能指標例1某化學反應器工藝規定操作溫度為900±10℃，考慮安全因素，調節過程中溫度偏離給定值最大不得超過80℃。現設計一定值控制系統，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線如圖所示。其中y0=900℃，y1=908℃，y2=918℃，y3=950℃，t1=9min，t2=45min，t3=47min，試確定該系統的最大偏差，衰減比，余差，振蕩周期和過渡時間（按被控變量進入±1%新穩態來確定），并分析該系統能否滿足工藝要求？y2y3y1y0t1t2t3t/min1.6控制系統的過渡過程及其性能指標例2某一貯槽液位控制系統，工藝要求貯槽液位為（30±2）m，控制過程中液位偏離給定值最大不能超過12m，現設計一定值控制系統，在階躍擾動作用下的過渡過程曲線如圖所示，y0=30m，y1=32m，y2=34m，y3=40m，t1=6min，t2=18min，t3=21min。試確定該系統的最大偏差，衰減比，余差，振蕩周期，過渡時間（按被控變量進入±2%新穩態值來確定），并分析該系統能否滿足工藝要求？y2y3y1y0t1t2t3t/min1.6控制系統的過渡過程及其性能指標例3有一蒸汽加熱器的溫度控制系統，現因生產需要，要求出口物料溫度從80℃提高到81℃，當儀表給定值階躍變化后，被控變量的變化曲線如圖所示，試求該系統的過渡過程品質指標：超調量、衰減比和余差。圖中y1=80.7,y2=80.9,y3=81,y4=81.5.y3y4y1y2t/min1.6控制系統的過渡過程及其性能指標補充作業題1：某化學反應器工藝規定操作溫度為（800±10）℃。為確保生產安全，控制中溫度最高不得超過850℃。現設計的溫度控制系統，在最大階躍擾動下的過渡過程曲線如下圖所示。

（1）分別求出最大偏差A、超調量B、余差C、衰減比n、過渡時間Ts（溫度進入±1%新的穩定值即示為系統已穩定）和震蕩周期。（2）分析此溫度控制系統是否滿足工藝要求？T/℃845815

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800720T/min251.6控制系統的過渡過程及其性能指標第1章控制系統的基本概念作業講評本章作業：Pg11：1、6、7、8、9、10補充題1：求過渡過程性能指標。本章思考題：Pg11：2、3、4、5、P11：6在圖1-11的換熱器出口溫度控制系統中，工藝要求熱物料出口溫度保持為某一設定值。①

試畫出該控制系統的方框圖；②

方框圖中各環節的輸入信號和輸出信號是什么?整個系統的輸入信號和輸出信號又是什么?③系統在遇到干擾作用(例如冷物料流量突然增大Δqv)時,該系統是如何實現自動控制的?

p11：題6：解答：①換熱器出口溫度控制系統控制器執行器換熱器測量元件及變送器TsTf(干擾變量）Tme=Tm－Tsum正正反第1章控制系統的基本概念作業講評②各環節的輸入和輸出信號分別如下：

輸入輸出換熱器操縱變量m（蒸汽流量）、干擾變量f被控變量（管程出口溫度T）測量元件與變送器管程出口溫度T、管程出口溫度的測量值Tm控制器偏差e=Tm－Ts控制信號u執行器控制信號u操縱變量m（蒸汽流量）整個系統的輸入信號：溫度給定值Ts、干擾變量f；輸出信號：管程出口溫度T

控制器執行器換熱器測量元件及變送器TsTf(干擾變量）Tme=Tm－Tsum正正反③系統在遇到干擾作用(例如冷物料流量突然增大Δqv)時,該系統是如何實現自動控制的?答：冷物料流量突然增大Δqv時，換熱器管程的出口溫度受到干擾將降低，溫度測量變送器將檢測到的信號送給控制器，控制器的輸入偏差信號e

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