能源生产过程自动控制课件 第二节 自动控制系统的过渡过程及品质指标
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自动控制系统的过渡过程及品质指标 ppt课件
a=1时，是单位阶跃函数，记作l(t),则
0 t 0 r (t ) 1 t 0
则单位阶跃函数的拉式变换：
PPT课件
1 a ( s ) L[l (t )] s
3
• （2）速度函数 （斜坡函数） • 表示一匀速信号，该信号对时间的变化率是 一常数，斜坡函数等于阶跃函数对时间的积 分。
PPT课件
16
• 被校对象不同，对稳、快、准的技术要求也有所侧重。 • 例如：随动系统对“快”要求较高，而温度控制系统对 “稳”限制严格。 • 同一系统稳、快、准是相互制约的。 • 提高过程的快速性，常会诱发系统强烈振荡； • 改善平稳性，控制过程又可能延迟甚至最终精确度也有所 下降。
PPT课件
17
• 1.3 自动控制系统的过渡过程及品质指标 • 1.3.1 典型输入信号
• 为比较系统性能优劣，对于外作用信号和初始状态 做典型化处理。规定控制系统的初始状态均为零状 态，即在外作用信号加于系统的瞬时（t=0）之前， 系统是相对静止的，被控量和各阶导数相对于平衡 工作点的增量为零。 • 规定一些具有特殊形式的信号作为系统的输入信号， 这些典型的输入信号反映系统的大部分实际情况。
典型测试信号的选取： （1）选取输入信号的典型形式应大致反映系统的实际工作情 况； （2）要从系统工作最不利的情况出发来选取典型测试信号； （3）选取的典型信号要尽可能简单
PPT课件 2
（1）阶跃函数（表示参考输入量的一种瞬变） 指令的突然转换，电源突然接通，负荷突变等，均 可看作阶跃作用。
0 t 0 r (t ) a t 0
• 任何技术设备、机器和生产过程都必须按要求运行。 • 可将被操纵的机器设备称作被控对象，将表征其工况的关键参 数称作被控变量，而将这些工况参数所希望所要求达到的值称 作给定值。 • 控制系统任务：使被控对象的被控变量按给定值变化。 • 通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，被控变量变化的全 过程称为系统的动态过程。 PPT课件 14
0 t 0 r (t ) 1 t 0
则单位阶跃函数的拉式变换：
PPT课件
1 a ( s ) L[l (t )] s
3
• （2）速度函数 （斜坡函数） • 表示一匀速信号，该信号对时间的变化率是 一常数，斜坡函数等于阶跃函数对时间的积 分。
PPT课件
16
• 被校对象不同，对稳、快、准的技术要求也有所侧重。 • 例如：随动系统对“快”要求较高，而温度控制系统对 “稳”限制严格。 • 同一系统稳、快、准是相互制约的。 • 提高过程的快速性，常会诱发系统强烈振荡； • 改善平稳性，控制过程又可能延迟甚至最终精确度也有所 下降。
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• 1.3 自动控制系统的过渡过程及品质指标 • 1.3.1 典型输入信号
• 为比较系统性能优劣，对于外作用信号和初始状态 做典型化处理。规定控制系统的初始状态均为零状 态，即在外作用信号加于系统的瞬时（t=0）之前， 系统是相对静止的，被控量和各阶导数相对于平衡 工作点的增量为零。 • 规定一些具有特殊形式的信号作为系统的输入信号， 这些典型的输入信号反映系统的大部分实际情况。
典型测试信号的选取： （1）选取输入信号的典型形式应大致反映系统的实际工作情 况； （2）要从系统工作最不利的情况出发来选取典型测试信号； （3）选取的典型信号要尽可能简单
PPT课件 2
（1）阶跃函数（表示参考输入量的一种瞬变） 指令的突然转换，电源突然接通，负荷突变等，均 可看作阶跃作用。
0 t 0 r (t ) a t 0
• 任何技术设备、机器和生产过程都必须按要求运行。 • 可将被操纵的机器设备称作被控对象，将表征其工况的关键参 数称作被控变量，而将这些工况参数所希望所要求达到的值称 作给定值。 • 控制系统任务：使被控对象的被控变量按给定值变化。 • 通常将系统受到给定值或干扰信号作用后，被控变量变化的全 过程称为系统的动态过程。 PPT课件 14
自动控制系统的过渡过程和品质指标
被控对象
测量元件与变送器 自动控制器 执行器
自动控制系统的组成及表示形式
1、生产装置----被控对象
被控对象：在自动化系统中，将需要控制其工艺参 数的生产设备或机器——生产设备
在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自
动化装置外,还必须具有控制装置所控制的。 在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产
第四节 自动控自制动系控统制的系过统渡的过过程渡和品质指标 过程和品质指标
自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
非周期衰减过程 √
衰减振荡过程 √
第四节 自动控自制动系控统制的系过统渡的过过程渡和品质指标 过程和品质指标
等幅振 荡过程
对于控制质量要 求不高的场合， 如果被控变量允 许在工艺许可的 范围内振荡（主 要指在位式控制 时），才可采用。
自动控制系统的方块图
小结
自动控制系统是具有被控变量负反馈的 闭环系统。它与自动测量、自动操纵等开环 系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有 无负反馈存在。
操纵指令
操纵作用
自动操纵装置
对象
工艺参数
图1-13 自动操纵系统方块图
自动控制系统的方块图
小结
开环系统：自动机在操 作时，一旦开机，就只 能是按照预先规定好的 程序周而复始地运转。 这时被控变量如果发生 了变化，自动机不会自 动地根据被控变量的实 际工况来改变自己的操 作。
静态——被控变量不随时间而变化的平衡状 态（变化率为0，不是静止）。
自动控制系统的过渡 过程和品质指标
当一个自动控制系统的输入（给定和干扰） 和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相 对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变 送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态， 它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种 状态就是静态。
测量元件与变送器 自动控制器 执行器
自动控制系统的组成及表示形式
1、生产装置----被控对象
被控对象：在自动化系统中，将需要控制其工艺参 数的生产设备或机器——生产设备
在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自
动化装置外,还必须具有控制装置所控制的。 在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产
第四节 自动控自制动系控统制的系过统渡的过过程渡和品质指标 过程和品质指标
自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
非周期衰减过程 √
衰减振荡过程 √
第四节 自动控自制动系控统制的系过统渡的过过程渡和品质指标 过程和品质指标
等幅振 荡过程
对于控制质量要 求不高的场合， 如果被控变量允 许在工艺许可的 范围内振荡（主 要指在位式控制 时），才可采用。
自动控制系统的方块图
小结
自动控制系统是具有被控变量负反馈的 闭环系统。它与自动测量、自动操纵等开环 系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有 无负反馈存在。
操纵指令
操纵作用
自动操纵装置
对象
工艺参数
图1-13 自动操纵系统方块图
自动控制系统的方块图
小结
开环系统：自动机在操 作时，一旦开机，就只 能是按照预先规定好的 程序周而复始地运转。 这时被控变量如果发生 了变化，自动机不会自 动地根据被控变量的实 际工况来改变自己的操 作。
静态——被控变量不随时间而变化的平衡状 态（变化率为0，不是静止）。
自动控制系统的过渡 过程和品质指标
当一个自动控制系统的输入（给定和干扰） 和输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相 对稳定的平衡状态，系统的各个组成环节如变 送器、控制器、控制阀都不改变其原先的状态， 它们的输出信号也都处于相对静止状态，这种 状态就是静态。
自动控制系统概述ppt课件
号
号
1 就地安 装仪表
2 集中仪 表盘面 安装仪 表
3 就地仪 表盘面 安装仪 表
4
嵌在管道 中
集中仪表 盘后安装 仪表
5 就地仪表 盘后安装 仪表
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
对于处理两个或两个以上被测变量，具有相同或不同 功能的复式仪表时，可用两个相切的圆或分别用细实线圆 与细虚线圆相切表示（测量点在图纸上距离较远或不在同 一图纸上），如下图所示。
对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统 ）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时 的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也 经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标
信号常见形式 斜坡信号、脉冲信号、加速度信号和正弦信号、阶跃信号等。
执行器
液位自动控制系统方框图
每个方框表示组成系统的一个环节，两个方框之间用带箭 头的线段表示信号联系；进入方框的信号为环节输入，离 开方框的为环节输出。
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
注意！
方框图中的每一个方框都代表一个具体的装置。 方框与方框之间的连接线，只是代表方框之间的信号联 系，与工艺流程图上的物料线有区别。 “环节”的输入会引起输出的变化，而输出不会反过来直 接引起输入的变化。环节的这一特性称为“单向性” 。 自动控制系统是一个闭环系统
第二节 自动控制系统的基本组成及表示形式
用同一种形式的方框图可以代表不同的控制系统
蒸汽加热器温度控制系统
给定值x
偏差e
控制器输出p
控制器
干扰作用f
操纵变量q 执行器
对 象 被控变量y
过程控制系统
控制器正、反作用选择的判别式：
(控制器“±”)(控制阀“±”)(对象“±”)=“-”
过程控制系统
三、控制阀作用方式的选择
(一)、气开气关方式的选择 选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。 1、从生产的安全出发 2、从保证产品质量考虑 3、从降低原料和动力的损耗考虑 4、从介质特点考 (二)、执行机构正、反作用方式的选择
一般认为，n=4:1时稳定性好，但温度等慢变化过 程约取10:1为好，应根据实际情况灵活处理。
过程控制系统
2．超调量和最大动态偏差：
随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：
B1 100%
C
定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即
3．余差： A B1 C
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作用下， 余差为：
2、调节原理 当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的
变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而 控制介质流量。
电气阀门定位器
过程控制系统
执行机构 阀体
过程控制系统
反作用
理想流量特性
过程控制系统
在不考虑控制阀前后压差变化 时得到的流量特性称为理想流 量特性。
流量特性
工作流量特性
过程控制系统
一. 控制系统的静态与动态
●静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态 ●动态：被控变量随时间变化的不平衡状态
过程控制系统
二. 控制系统的过渡过程
●定义:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状 态的过程 , 称为系统的过渡过程。
过程控制系统
自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有以下所
示的几种基本形式。
四 控制器的选择
(控制器“±”)(控制阀“±”)(对象“±”)=“-”
过程控制系统
三、控制阀作用方式的选择
(一)、气开气关方式的选择 选气开还是气关式，由生产工艺的要求决定。 1、从生产的安全出发 2、从保证产品质量考虑 3、从降低原料和动力的损耗考虑 4、从介质特点考 (二)、执行机构正、反作用方式的选择
一般认为，n=4:1时稳定性好，但温度等慢变化过 程约取10:1为好，应根据实际情况灵活处理。
过程控制系统
2．超调量和最大动态偏差：
随动控制系统中，超调量（Overshoot）σ定义为：
B1 100%
C
定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即
3．余差： A B1 C
它是控制系统的最终稳态偏差e(∞)。在阶跃输入作用下， 余差为：
2、调节原理 当口径A和差压(P1-P2)一定时，流量Q仅随阻尼的
变化而变化。改变阀门的开启程度，可改变流通阻力而 控制介质流量。
电气阀门定位器
过程控制系统
执行机构 阀体
过程控制系统
反作用
理想流量特性
过程控制系统
在不考虑控制阀前后压差变化 时得到的流量特性称为理想流 量特性。
流量特性
工作流量特性
过程控制系统
一. 控制系统的静态与动态
●静态：被控变量不随时间而变化的平衡状态 ●动态：被控变量随时间变化的不平衡状态
过程控制系统
二. 控制系统的过渡过程
●定义:系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状 态的过程 , 称为系统的过渡过程。
过程控制系统
自动控制系统在阶跃干扰作用下的过渡过程有以下所
示的几种基本形式。
四 控制器的选择
第2章 自动控制系统的性能指标及要求
3. 等幅振荡过程 被控变量在给定值附近来回波动，且波动幅度保持不变， 这种情况称为等幅振荡过程，如图2-4（c）所示。 4. 发散振荡过程 被控变量来回波动，且波动幅度逐渐变大，即偏离给定值 越来越远，这种情况称为发散振荡过程，如图2-4（d）所示。
图2-4 过渡过程的几种基本形式
2.4 自动控制系统的性能指标
在随动控制系统中，通常用超调量来描述被控变量偏 离给定值最大程度。在图2-5中超调量用B来表示。从图中 可以看出，超调量B是第一个峰值A与新稳定值C之差，即 B=A－C。
如果系统的新稳定值等于给定值，那么最大偏差A也 就与超调量B相等了。一般超调量以百分数表示，即
B 100% C
(2-2)
指标采用偏差积分性能指标的形式。 下列公式中，式中，J为目标函数值；e为动态偏差。
J f (e, t )dt
0
(2-5)
通常采用4种表达形式：
（1）偏差积分（IE）
f (e, t ) e, J edt
0
(2-6) (2-7)
（2）平方偏差积分（ISE）
f (e, t ) e 2 , J e 2 dt
图2-1 控制系统动态过程曲线
图2-2 控制系统动态过程
由于被控对象的具体情况不同，各系统对稳、快、准 的要求应有所侧重。而且同一个系统，稳、快、准的要求 是相互制约的。提高动态过程的快速性，可能会引起系统 的剧烈振荡，改善系统的平稳性，控制过程又可能很迟缓 ，甚至会使系统的稳态精度很差。分析和解决这些矛盾， 将是自动控制理论学科讨论的重要内容。
稳定是控制系统能够运行的首要条件，因此只有当 动态过程收敛时，研究系统的动态性能才有意义。控制 系统的过渡过程是衡量控制性能的依据。由于在多数情 况下，都希望得到衰减振荡过程，所以取衰减振荡的过 渡过程形式来讨论控制系统的性能指标。通常在阶跃函 数作用下，测定或计算系统的动态性能。一般认为，阶 跃输入对系统来说是最严峻的工作状态。如果系统在阶 跃函数作用下的动态性能满足要求，那么系统在其它形 式的函数作用下，其动态性能也是令人满意的。
自动控制系统概述
第一节 自动控制系统的组成
自动控制系统的组成：控制器、执行器、被控对象及 测量变送环节四部分组成。
自动控制系统方块图
第一节 自动控制系统的组成
在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自动
化装置外,还必须具有控制装置所控制的生产设备。
在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设
备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简 称对象。
第四节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之四
（4） 过渡时间
从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平 衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态 值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再 越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过 渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±５％（也有 的规定为±２％）。
第四节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之五
（5）震荡周期或频率
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振 荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同 的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短 一些为好。
第四节 过渡过程和品质指标
举例 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过 渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、 衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。
阶跃干扰作用
第四节 过渡过程和品质指标
自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
非周期衰减过程 √
衰减震荡过程
√
对于控制质量要求不 高的场合，如果被控
等幅震荡过程 ？变的量范允围许内在振工荡艺（许主可要
指在位式控制时）， 才可采用。
发散震荡过程
X
自动控制系统的分类、渡过程和品质指标(doc 40页)
自动控制系统的分类、渡过程和品质指标(doc 40页)生影响的系统，称为开环控制系统。
把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。
反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；反之为正反馈。
在闭环控制系统中，把输出信号（被控变量）经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种系统的输出信号直接或经过一些环节返回到系统的输入端的做法叫反馈。
负反馈反馈信号能使原来的信号减弱。
与原来信号方向相反。
正反馈反馈信号能使原来信号加强。
自动控制系统控制方法基本上是采用负反馈的方法。
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，§1.3自动控制系统的分类1. 按被控参数分类：温度、流量、压力、液位等控制系统。
2. 按控制系统所处理的信号方式来分：有模拟控制系统与数字控制系统。
模拟信号：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号，可转换为电信号。
在生产过程中任何连续变化的物理量和物理量都属于模拟信号。
数字信号：以离散形式出现的不连续的信号，数字量的增减只能一个一个单位增加或减小。
模拟信号和数字信号可以互相转换。
4.按控制器具有的控制规律分类：位式自动控制系统、比例（P）、比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)等控制系统。
5. 按控制系统的复杂程度简单控制复杂控制：均匀控制、串级控制、前馈控制（1）定值控制系统：被控变量的给定值恒定不变。
定值控制系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，（2）随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值是不断变化的且无规律，是随机变化的。
随动控制系统控制的目的，是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。
（3）程序控制系统（顺序控制系统）：工艺参数的给定值按一定的规律变化，是已知的时间函数。
即设定值按一定的时间程序变化。
9. 按信号种类分类：气动控制系统，电动控制系统§1.4 自动控制系统的过渡过程和品质指标在自动化领域内要研究两种状态：静态和动态。
第10章 过程控制系统基本概念解读
刘玉长
第二节过程控制系统过渡过程和品质指标 一、静态与动态
在自动控制中，把被控量不随时间而变化 的平衡状态称为系统的静态，而把被控量随时间 而变化的不平衡状态称为系统的动态。 在生产过程中，扰动是客观存在，且是不 可避免的，因此了解系统的静态是必要的，但是 了解系统的动态更为重要。
刘玉长
二、自动控制系统的过渡过程
刘玉长
几个基本概念
单容过程：只有一个容积，一个容量系数
和一个时间常数。
自衡特性：对象在扰动作用，其平衡受到
破坏，在没有操作人员或控制器的干预下， 自动恢复平衡的特性。
无平衡特性：平衡状态下，一旦受到破坏，
无法自行重建平衡。
自衡率 ：表示自衡能力。一般希望它大一
些，即在很大干扰下，被控变量变化很少。
刘玉长
三、控制系统的工程表示
自动控制系统有两种表示方法，即方框图 与工艺控制流程图(或称管道仪表流程图)【需遵 循 “GB/T 2625-1981 过程检测和控制流程图用 图形符号和文字代号” 或其它行业标准】。
蒸汽
LT
PV
LC
MV
SV 期望值 控制器 SV LC
控制阀 V 检测变送 LT
锅炉
实际值
要求:
稳
快
准
三、控制系统的品质指标
控制系统性能指标是根据系统在零初使条 件(输出量和输入量的各阶导数为0)下的单位阶 跃响应曲线计算得到的。 实际控制系统的瞬态响应曲线不同，其性 能指标定义也不一样。因为衰减振荡是一种比较 好的响应曲线，故以下针对衰减振荡过程进行介 绍【注意，有的过程不允许出现振荡】。
刘玉长
(四)稳定时间ts
从阶跃扰动开始作用起至被控量又建立新 的平衡状态止，这一段时间叫做稳定时间 ( 或称 过渡时间)。 工程上规定当被控量达到稳定值的±5%(或 ±2%)的范围内时，就认为被控量已经达到了稳 定值。按这个规定，稳定时间就是从扰动开始作 用之时起，直至被控量进入稳定值的±5%( 或 ±2%)的范围内所经历的时间。 稳定时间短，表示过渡过程进行得比较迅 速，这时即使扰动频繁出现，系统也能适应，系 统质量较高。 刘玉长
自动控制系统的过渡过程
1、常用的基本调节规律有： 比例（P)、积分（I）、微分（D）。
调节器及基本调节规律
1.1 比例控制（P） 它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入变化量
成比例。起数学表达式为：
C KP e
从该表达式看出：比例控制克服偏差及时、有力。要 使调节器有输出就必须要有偏差存在，因此比例控制始 终是有偏差存在的。
对控制系统性能的要求概括为三方面：稳，准，快
稳定性（稳）：控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的 动态性能（快）： 系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好 稳态性能（准）： 过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量
稳定性
系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系 统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的 数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。
性能，应用范围广。 各种化工过程常用的控制规律如下： 液位：一般控制要求不高，用P或PI控制作用。 流量：一般用PI控制作用。 压力：用P或PI控制作用。 温度：用PID控制作用。
③余差C:它是控制系统过渡过程结束时，被控变 量的新稳态值与设定值之间的偏差。
④过渡时间：指被控变量从原有稳态值到新稳态 值的±5%或±3%所需时间。
⑤振荡周期：过渡过程同向两波峰之间的时间间 隔。在衰减比相同时，周期与过渡时间成正比。
调节器及基本调节规律
调节器是自动控制系统的重要组成部分。它将生产过 程被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差，根据 偏差的正负、大小和变化趋势，按照一定的运算规律输出 控制信号，送往执行器，实现对生产过程的自动控制。
调节器及基本调节规律
1.2 积分控制（I） 它的控制规律是：调节器பைடு நூலகம்输出变化量与输入偏差
调节器及基本调节规律
1.1 比例控制（P） 它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入变化量
成比例。起数学表达式为：
C KP e
从该表达式看出：比例控制克服偏差及时、有力。要 使调节器有输出就必须要有偏差存在，因此比例控制始 终是有偏差存在的。
对控制系统性能的要求概括为三方面：稳，准，快
稳定性（稳）：控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的 动态性能（快）： 系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好 稳态性能（准）： 过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量
稳定性
系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系 统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的 数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。
性能，应用范围广。 各种化工过程常用的控制规律如下： 液位：一般控制要求不高，用P或PI控制作用。 流量：一般用PI控制作用。 压力：用P或PI控制作用。 温度：用PID控制作用。
③余差C:它是控制系统过渡过程结束时，被控变 量的新稳态值与设定值之间的偏差。
④过渡时间：指被控变量从原有稳态值到新稳态 值的±5%或±3%所需时间。
⑤振荡周期：过渡过程同向两波峰之间的时间间 隔。在衰减比相同时，周期与过渡时间成正比。
调节器及基本调节规律
调节器是自动控制系统的重要组成部分。它将生产过 程被控变量的测量值与设定值进行比较，得出偏差，根据 偏差的正负、大小和变化趋势，按照一定的运算规律输出 控制信号，送往执行器，实现对生产过程的自动控制。
调节器及基本调节规律
1.2 积分控制（I） 它的控制规律是：调节器பைடு நூலகம்输出变化量与输入偏差
自动控制系统概述ppt课件
求： z f (x)
拉普拉斯变换
拉氏变换的实质：将实变量t的函数f（t），变换成复变量s（s=α+jβ）的函数F（s）。
F (s) f (t)estdt L[ f (t)] 0
其中： f (t) 为原函数， F(s) 为拉氏变换式（或象函数）
记为：
拉氏 变换 F(s) L[ f (t)]
第一节 自动控制系统的组成
进
料
口
调
节
器
变
送
器
执 行 器
进
料
口
调
节
器
变
送
器
进 料 口
变 送 器
控 制 站
执
执
行
行
器
器
控制系统的 4 个基本环节：
被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器
几个常用术语 ：
（1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 （2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控
y (t ) B
e()
Sp
B
C
稳定误差范围： 2％ 或者 5％的新稳态值
0
t1
t2
t3
t
超调量σ： B/C *100%
衰 减 比n： n B / B
余差 e(∞)： e()
过渡时间tp： 振荡周期：
t p t3 t2 t1
自动控制系统希望的结果： •最大偏差（超调量）？ •答：越小越好 •衰减比？
的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏 差。
第二节 自动控制系统的方块图：
一、信号和变量：
+
拉普拉斯变换
拉氏变换的实质：将实变量t的函数f（t），变换成复变量s（s=α+jβ）的函数F（s）。
F (s) f (t)estdt L[ f (t)] 0
其中： f (t) 为原函数， F(s) 为拉氏变换式（或象函数）
记为：
拉氏 变换 F(s) L[ f (t)]
第一节 自动控制系统的组成
进
料
口
调
节
器
变
送
器
执 行 器
进
料
口
调
节
器
变
送
器
进 料 口
变 送 器
控 制 站
执
执
行
行
器
器
控制系统的 4 个基本环节：
被控对象、检测仪表(测量变送环节)、控制器、执行器
几个常用术语 ：
（1）被控对象 需要实现控制的设备、机械或生产过程称为被控对象，简称对象。 （2）被控变量 对象内要求保持一定数值（或按某一规律变化）的物理量称为被控
y (t ) B
e()
Sp
B
C
稳定误差范围： 2％ 或者 5％的新稳态值
0
t1
t2
t3
t
超调量σ： B/C *100%
衰 减 比n： n B / B
余差 e(∞)： e()
过渡时间tp： 振荡周期：
t p t3 t2 t1
自动控制系统希望的结果： •最大偏差（超调量）？ •答：越小越好 •衰减比？
的测量值而非实际值，因此，在控制系统中通常把设定值与测量值之差定义为偏 差。
第二节 自动控制系统的方块图：
一、信号和变量：
+
自动控制系统基本概念
给定值的作用 6. 偏差：给定值与被调参数测量值之差
7
五、自动控制分类 1. 自动检测系统：P、Q、T、H检测 2. 自动保护系统：对参数的保护控制 3. 定值控制系统：将参数稳定在一定范围,
又称自动调节系统 4. 自动操纵系统：程序控制 5. 随动控制系统：自动跟踪系统
8
六、自动控制系统的方框图 1、方框图：反映系统各组成部分之间的相
4
二、自动控制系统的定义 • 自动控制是在人不直接参与的情况下,利
用外加的设备或装置,使整个生产过程或 工作机械被控对象自动地按预定规律运 行,或使某个参数被控参数按预定要求变 化.
• 自动调节系统是利用自动化装置克服干 扰,把偏离给定值的被调参数调回到给定 值上的系统.
5
三、自动控制系统的组成
31
四微分控制D控制
• 控制器的输出变化量与偏差变化速度成 正比.
P
TD
de dt
• 对变化速度快的偏差,微分调节输出变化 值也大,有超前调节功能.
• 对不变化的偏差,微分控制不起作用,也不 能消除余差.
32
阶跃输入时微分调节器特性
33
微分时间对过渡过程的影响
34
五比例积分微分PID控制系统 1. 控制器的输出为三部分输出之和. 2. 当偏差刚出现时,微分作用立即变化因
•
它根据偏差是否存在来动作.它的输出与偏差对时间的
积分成比例,只有当余差完全消失,积分作用才停止.其实质就是消
除余差.但积分作用缓慢,使最大动偏差增大,延长了控制时间.用
积分时间TI表示其作用的强弱,TI越小,积分作用越强,积分作用太
强时,也易引起振荡.
• 微分控制
.它的输出与输入偏差变化
7
五、自动控制分类 1. 自动检测系统：P、Q、T、H检测 2. 自动保护系统：对参数的保护控制 3. 定值控制系统：将参数稳定在一定范围,
又称自动调节系统 4. 自动操纵系统：程序控制 5. 随动控制系统：自动跟踪系统
8
六、自动控制系统的方框图 1、方框图：反映系统各组成部分之间的相
4
二、自动控制系统的定义 • 自动控制是在人不直接参与的情况下,利
用外加的设备或装置,使整个生产过程或 工作机械被控对象自动地按预定规律运 行,或使某个参数被控参数按预定要求变 化.
• 自动调节系统是利用自动化装置克服干 扰,把偏离给定值的被调参数调回到给定 值上的系统.
5
三、自动控制系统的组成
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四微分控制D控制
• 控制器的输出变化量与偏差变化速度成 正比.
P
TD
de dt
• 对变化速度快的偏差,微分调节输出变化 值也大,有超前调节功能.
• 对不变化的偏差,微分控制不起作用,也不 能消除余差.
32
阶跃输入时微分调节器特性
33
微分时间对过渡过程的影响
34
五比例积分微分PID控制系统 1. 控制器的输出为三部分输出之和. 2. 当偏差刚出现时,微分作用立即变化因
•
它根据偏差是否存在来动作.它的输出与偏差对时间的
积分成比例,只有当余差完全消失,积分作用才停止.其实质就是消
除余差.但积分作用缓慢,使最大动偏差增大,延长了控制时间.用
积分时间TI表示其作用的强弱,TI越小,积分作用越强,积分作用太
强时,也易引起振荡.
• 微分控制
.它的输出与输入偏差变化
自动控制系统的基本概念 ppt课件
由外部加到系统中的变量，它不受系统中其他变量的影响和控制。
输出信号
由系统或元件产生的变量，其中最受关注的输出信号又称为被控变
量。
20。20/12/27
21
输入信号的响应 由某一个输入信号产生的输出信号又称为该输入信
号的响应。
反馈信号
是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信 号，一般与被控变量成正比。
②试画出此自动控制系统的方框图。
2020③/12试/27分析出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制？
26
2020/12/27
27
2020/12/27
28
反馈
f 干扰作用
给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
p
操纵变量
控制阀 q
被控变量
对象
y
测量值
测量元件 变送器
通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的 输入端。
测量值
测量元件 变送器
18
操纵变量
受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变 量保持设定值的物料量或能量。
干扰量
除操纵变量以外，作用于被控对象并引起被控变量变
化的因数。
f 干扰作用
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给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
p
操纵变量
控制阀 q
被控变量
对象
y
测量值
测量元件 变送器
19
❖室温控制系统、直流电机转速控制系统
2020/12/27
42
随动控制系统
输入信号是变化规律未知的任意时间函数 ；
系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与 输入信号的误差保持在规定的范围内；
输出信号
由系统或元件产生的变量，其中最受关注的输出信号又称为被控变
量。
20。20/12/27
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输入信号的响应 由某一个输入信号产生的输出信号又称为该输入信
号的响应。
反馈信号
是被控变量经传感器等元件变换并返回到输入端的信 号，一般与被控变量成正比。
②试画出此自动控制系统的方框图。
2020③/12试/27分析出水量突然增大时，该系统如何实现水位控制？
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反馈
f 干扰作用
给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
p
操纵变量
控制阀 q
被控变量
对象
y
测量值
测量元件 变送器
通过测量变送装置将被控变量的测量值送回到系统的 输入端。
测量值
测量元件 变送器
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操纵变量
受控制器操纵的，用以克服干扰的影响，使被控变 量保持设定值的物料量或能量。
干扰量
除操纵变量以外，作用于被控对象并引起被控变量变
化的因数。
f 干扰作用
2020/12/27
给定值 x
偏差 _e
z
控制器输出
控制器
p
操纵变量
控制阀 q
被控变量
对象
y
测量值
测量元件 变送器
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❖室温控制系统、直流电机转速控制系统
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随动控制系统
输入信号是变化规律未知的任意时间函数 ；
系统的任务是使被控变量按照同样规律变化并与 输入信号的误差保持在规定的范围内；
浅谈自动控制系统的过渡过程及品质指标
浅谈⾃动控制系统的过渡过程及品质指标⽬录⼀、系统的静态和动态 (1)⼆、⾃动控制系统的过渡过程 (1)三、⾃动控制系统的品质指标 (2)四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素 (4)五、提交控制系统过渡过程及品质指标的措施 (4)六、结论 (5)浅谈⾃动控制系统的过渡过程及品质指标[内容摘要] ⾃动控制⼀般是指对系统的⼯业⽣产过程或是对具体的某⼀⼯艺⽣产流程，设备的⾃动控制，就是⽤⼀些⾃动装置与仪表等技术⼯具来代替⼈的操作，⾃动完成某些有规律的⽣产活动，这种⽤⾃动装置与仪表控制⽣产过程的⼯艺也称⽣产过程⾃动化。
[关键词]静态动态⾃运控制系统被控变量⼀、系统的静态和动态世间⼀切物质都处于相对的，⽭盾的运动状态，静是相对的，动是绝对的。
在定值控制系统中，把被控变量不随时间⽽变化的平衡状态称为静态（或稳态），⽽把被控变量随时间⽽变化的⾮平衡状态称为动态。
⼆、⾃动控制系统的过渡过程在⾃动控制系统的动态过程中，被控变量不断变化，它随时间⽽变化的过程称为⾃动控制系统的过渡过程，也是系统从⼀个平衡状态过渡到另⼀个平衡状态的过程。
⾃动控制系统的过渡过程是控制作⽤不断克服⼲扰作⽤的过程。
这种运动过程是控制作⽤与⼲扰作⽤这时⽭盾在系统内⽃争的过程，当这⼀对⽭盾达到统⼀时，过渡过程也就完成。
在⽣产中，出现的⼲扰是没有固定形式的，⼜将过渡过程分为以下四种：1、⾮振荡的单调过渡过程：被控变量在给定值的某⼀侧作缓慢变化，没有来回波动，最后稳定在某⼀数值上。
2、衰减振荡过程：被控变量上下波动，但幅度逐渐减⼩，最后稳定在某⼀数值上。
3、等幅振荡过程：被控变量上下波动，幅度逐渐变⼤。
4、发散振荡过程：被控变量始终在某⼀幅值的上下波动。
上述四种过渡过程的基本形成可以归纳为三类：（1）稳定的过渡过程；（2）不稳定的过渡过程；（3）过渡过程介于稳定和不稳定之间；三、⾃动控制系统的品质指标如图7-6：现在假定讨论的是定值控制系统，在t=0时，出现⼀个幅度为E=1的单位阶跃⼲扰。
过程控制系统基本概念(讲座20)
4
图 4 温度控制系统过渡过程曲线 解：最大偏差 A＝230-200＝30℃ 余差 C＝205-200＝５℃
由图上可以看出，第一个波峰值 B＝230-205＝25℃， 第二个波峰值 B′＝210－205＝5℃， 故衰减比应为 B:B′＝25:5＝5:1。 振荡周期为同向两波峰之间的时间间隔，故周期 T＝20-5＝15（min） 分析：过渡时间与规定的被控变量限制范围大小有关，假定被控变量进入额 定值的±2％，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为 200×（±2％） ＝±4℃，这时，可在新稳态值（205℃）两侧以宽度为±４℃画一区域，上图中 以画有阴影线的区域表示，只要被控变量进入这一区域且不再越出，过滤过程就 可以认为已经结束。因此，从图 4 可以看出，过渡时间为 22min。 4、影响控制系统过渡过程品质的主要因素 一个自动控制系统可以概括成两大部分，即工艺过程部分（被控对象）和自 动化装置部分。前者指与该自动控制系统有关的部分。后者指为实现自动控制所 必需的自动化仪表设备，通常包括测量与变送装置、控制器和执行器等三部分。 对于一个自动控制系统，过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的 性质。例如在前所述的温度控制系统中，属于对象性质的主要因素有：换热器的 负荷大小，换热器的结构、尺寸、材质等，换热器内的换热情况、散热情况及结 垢程度等。不同自动化系统要具体分析。 5、工艺管道及控制流程图 工艺流程和控制方案的确定后，根据工艺设计给出的流程图，按其流程顺序 标注出相应的测量点、控制点、控制系统及自动信号与联锁保护系统等，便成了 工艺管道及控制流程图（PID 图） 。 6、自动控制系统的基本组成及方块图 液位自动控制的方块图为例
副变量类型 温度 压力 流量 液位
副控制器比例度 δ2／％ 20 ～60 30 ～70 40 ～80 20 ～80
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2) 近代控制理论（状态方程 离散化 状态方程
（连续型）
（离散型）
时域分析，可分析MIMO系统
优化控制、极点配置等。
3）先进控制技术 用来控制那些常规控制无法适应的复杂工业过程控 制问题的控制技术。
核心内容： 数据采集处理和软测量技术 动态过程特性的辨识，数学模型的建立
一）单项控制指标
1.静态偏差e(∞)
e(∞)=c0-c(∞) 2.衰减比n和衰减率ψ
衰减比n：两个相邻同向波峰值之比， n=c1/c3。
衰减率ψ：每经过一个周期以后，波动幅 度衰减的百分数， ψ=(c1-c3)/c1。
3.最大动态偏差emax和超调量Mp
最大动态偏差：被控量第一个波的峰值与 给定值之差， emax=c1-c0。
机理建模方法，多变量系统动态辨识，神经网络， GP
先进控制策略研究 模型预测控制（MPC）、动态矩阵控制（DMC）、 预测函数控制（PFC）、推断控制（IC）、内模控 制（IMC）、模糊控制（FC）、神经元控制（NNC）
先进控制的实施 目标的确定， 实施平台DCS、PLC 完善底层的PID控制回路
这些问题的存在，使得当时的应用满足不了工 业生产的迅速发展。
分层计算机控制系统 监督计算机控制（SCC）+模拟控制器控制系统
SCC+DDC控制系统
3）集散型控制系统的开创期（70年代中期）
1975年Honeywell公司推出的TDC2000集散控制系统 是一个具有许多微处理器的分级控制系统，以分 散的控制系统来适应分散的过程对象，实现控制 系统的功能分散、负荷分散，从而危险也分散。
第三节 过程控制系统的发展概况
1.仪表自动化阶段 40年代前后，采用笨重的基地式仪表，生产
设备就地分散的局部自动控制。
不同设备之间或同一设备中的不同控制系 统之间没有或很少有联系。 50年代～60年代，出现了电动与气动单元组 合仪表和巡回检测装置，采用集中监控与 集中操作的控制系统，实现了工厂仪表化 和局部自动化。
控制功能齐全，可以实现模拟仪表难以实现的功 能和先进控制；
容易实现整个系统的最优控制；
应用灵活，控制回路的增删、控制方案的变化可 由软件实现；
改善了人机接口，大量的模拟仪表盘可用一个CRT 来替代。
集中型计算机控制存在的问题：
集中的脆弱性；
性能问题；
开发周期，由于控制水平的不断提高，新的要求 不断提出，使得软件越来越复杂，造成开枪周期 的不断增加。
3.综合自动化阶段
90年代开始，在自动化工具上推出了现场总 线控制技术，过程进入综合自动化阶段。
综合自动化系统包括生产计划和调度、操作 优化、基层控制和先进控制等内容的递阶 控制系统。
4.控制理论的发展
1）经典控制理论（40年代末50年代初） 系统描述
系统方程线性化 线性方程 拉氏变换 传递函数 频域描述，适合于SISO的定常线性系统 设计方法 PID整定规则、Bode图、根轨迹法 有手工痕迹
1962年，英国帝国工业公司（ICI）安装计算机控制 系统替代全部模拟仪表，系统的功能不变。
直接数字控制（DDC）
计算机运算速度不够快，不能在合理的时间内得 出数据，快速过程不能很好地控制。
集中型计算机控制系统
几十个甚至几百个回路的变量的显示、操作和控制 集中在单一计算机上实现。
与常规仪表控制系统相比：
第二节 自动控制系统的过渡过程及品质 指标
一、静态特性与动态特性 静态特性 动态特性 二、自动控制系统的过渡过程 过渡过程：系统的输入发生变化后，被控
量跟随输入量随时间变化进而达到新平衡 的过程。
激励信号：阶跃信号。 过渡过程的几种形式
三、自动控制系统的性能指标
对于控制的要求，可以概括为稳定性、准确 性和快速性。
2.计算机控制阶段
1） 过程计算机控制的初创时期（50年代）
计算机与过程装置之间没有任何物理上的联系， 只起“离线”作用，作为数值运算工具；
扩充了对控制器的设定值和执行器的位置值的计 算，由操作人员完成对设定值或位置值的操作；
50年代后期，提供了计算机与装置之间的接口， 采用直接连接的方法进行计算机与变送器和执行 器之间的信号双向传递，实现对过程的检测、监 视、管理和控制；
超调量：被控量第一个波的峰值与稳态值 之差占稳态值的百分比，
Mp
c1 c() 100% c()
4.过渡过程时间ts和振荡频率ω
二）综合控制指标 1.平方积分指标ISE
J e2 (t)dt 0
2.绝对值积分指标IAE
J 0 | e(t) | dt
3.时间乘以绝对值的积分指标ITAE
J 0 | e(t) | tdt
传递的信号为电气信号，计算机与装置距 离不能太大，计算机所控制和管理的装置 量很少，大多为单回路控制；
1959年，美国德克萨斯州的Port Arthur炼 油厂正式投运了世界上第一台过程控制计 算机TRW300，主要用于数据记录，带部分 控制。
2）集中式计算机控制系统发展时期（60年代-70年 代初）