自动控制系统过渡过程及品质指标共24页文档
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
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
自动控制系统的过渡过程和品质指标
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。
自动控制系统过渡过程和质量指标(工业仪表自动化)
01
衰减比：衰减比是衰减程 度的指标，它是前后相邻 两个峰值的比。习惯表示 为 n:1，一般 n 取为4～ 10之间为宜。在右图中用 n=B/B′表示。
01
余差：当过渡过程终了 时，被控变量所达到的新 的稳态值与给定值之间的 偏差叫做余差，或者说余 差就是过渡过程终了时的 残余偏差。在右图中用C表 示。
01
阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式 地加入系统，并保持在这个幅值不变。阶 跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统 的影响最大，如果一个控制系统，能有效 克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变 化比较缓和的各种干扰。 这种干扰的形式简单，容易实现，便于分 析、实验和计算。
图 1 阶跃干扰作用
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02
（4）发散振荡过程 被控变量始终在某一幅 值的上下波动。幅度越 来越大。
图5 发散振荡过程
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（5）非周期发散过程 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。
图6 非周期发散过程
02
小结
1、过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态 的过程。 2、过渡过程五种基本形式分别为：非周期衰减过程、衰减 振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程和非周期发散过 程。
02
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在一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都有干扰作 用于控制系统，从而破坏了正常的工艺生产状态。因此， 就需要通过自动化装置不断地施加控制作用去对抗或抵消 干扰作用的影响，从而使被控变量保持在工艺生产所要求 控制的技术指标上。所以，一个自动控制系统在正常工作 时，总是处于一波未平，一波又起，波动不止，往复不息 的动态过程中。显然，研究自动控制系统的重点是要研究 系统的动态。
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t3
自动控制系统的分类渡过程和品质指标
自动控制系统的分类渡过程和品质指标绪论自动化技术在工业、农业、科技与人们的日常生活中发挥着重要的作用。
自动化技术作为国家高科技的重要构成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力与各个行业现代化水平的重要标志。
化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化简称化工自动化。
即在化工设备上，配备一些自动化装置，自动测量生产过程中的重要工艺参数，并与计算机（或者自动操纵装置）、执行机构相配合实现对生产过程的自动操纵。
这种用自动化装置来管理化工生产过程叫化工自动化。
实现化工生产自动化目的（重要意义）1．加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量与质量。
2．减轻劳动强度，改善劳动条件，使工人从繁重的劳动中解脱出来。
3．保证安全生产，防止事故发生与扩大，延长设备使用寿命，提高设备利用能力。
4．改变劳动方式，使工人逐步由体力劳动转向脑力劳动。
构成一个完整的生产过程操纵系统通常有操纵器、执行器、被控过程（或者被控对象）与测量变送器四个环节，其中操纵器、执行器与测量变送器都属于检测操纵仪表。
通常认为自动操纵系统由检测操纵仪表与被控过程（被控对象）两部分构成。
大型化、现代化、多品种、精细化的过程生产系统生产自动化的进展过程可分为三个阶段。
第一阶段：使用一些自动检测仪表检测要紧工艺参数，第二阶段：使用先进的自动检测仪表与操纵系统第三阶段：开始使用电子计算机操纵，生产过程操纵的进展由原先车间集中操纵转向工厂综合自动化进展（平面化管理），这是目前自动化进展的一个重要方向。
实现化工生产过程自动化，通常要包含自动检测、自动保护、自动操纵与自动操纵等方面的内容。
自动检测系统: 利用各类检测仪表对要紧工艺参数进行自动检测、指示或者记录，“熟悉”生产进行的情况。
1．自动信号与连锁保护系统：是生产中的一种安全装置。
自动信号与连锁保护系统: 对某此关键性参数设有自动信号联锁装置，当工艺参数超过了同意范围，系统自动地发出声光报警信号，以提示及时采取措施。
自动控制系统的过渡过程及品质指标分解26页PPT
谢谢！
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
自动控制系统的过渡过程及品质指标分 解
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
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。
环保仪表与自动化 1.3 自动控制系统的过渡过程及品质保证 - 副本
0 r(t)
t
速度函数
at
0
t
1.3.2 静态
静态与动态
给定值恒定、无干扰，被控参数无变化 暂时的、相对的、有条系统能否重新建立平衡状态
1.3.3
过渡过程
单调过程 非周期发散过程 衰减震荡过程
等幅震荡过程
发散震荡过程
1.3.3
过渡过程
02
03
04
• 品质指标
1.3.1
典型输入信号
系统响应时间反应系统性能 通过分析典型外加作用信号和初始状态下的系统的性能，来判断
系统的优劣
初始状态：相对静止、被控量和各阶倒数的增量为零（零状态） 外加信号：反应系统大部分状态、简单、最不利
1.3.1
典型输入信号
r(t) a
阶跃函数
• 静态和动态 • 过渡过程
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y
自动控制系统中，理想条件下，随 着时间（t）的延长，被控量（y） 与给定值（x0）的关系
y
x0 t
1.3.4
品质指标
稳定值
给定值
1.3.4
品质指标
自动控制系统稳定运行，系统
主要品质指标应满足的要求 最大偏差A：小 过渡时间ts：短 余差C：小
衰减比Y：小
震荡周期Tp：短
自动控制系统的过渡过程
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
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。
自动控制系统的组成及其质量指标
发散振荡的品质指标
• 过渡时间？？？ • 峰值时间？？？
自动控制系统的组成及其质量指标
对控制系统的性能要求
• 稳：动态过程的振荡倾向和系统重新恢 复平衡工作状态的能力
•过 程1
•过 程2
自动控制系统的组成及其质量指标
准：
• 系统过渡到新的平衡工作状态后或系统 受到扰动后重新恢复平衡后，最终保持 的精度，反映了动态后期的性能
输入到控制器中，经过控制器加工运算，输出 一个和偏差 成一定关系的控制量 ，去调节 执行机构，改变输入到控制对象中的能量 ，
克服干扰造成的影响，使被控参数又趋于给定 值。可见，负反馈控制的实质是以偏差克服偏 差的控制过程。自动控制系统的基本功能是信 号的测量、变送、比较和加工。
自动控制系统的组成及其质量指标
自动控制系统在干扰和控制的共同作用下， 从一个稳定状态变化到另一个稳定状态期间 被控参数随时间的变化过程称为自动控制系 统的过渡过程。自动控制系统过渡过程也就 是系统的动态特性，它包括静态和动态。研 究过渡过程的目的就是为了研究控制系统的 品质。
自动控制系统的组成及其质量指标
系统的静态和动态
• 静态：输入不变，调节系统在调节器的 自动调节作用下，被调量不再随时间变 化的平衡状态
标
• 余差（e） ：系统过渡过程终了时给定值与被控参 数稳定值之差
• 最大偏差（A）：被控参数第一个波的峰值与给 定值的差
• 衰减比（n）：振荡过程的第一个波的振幅与第二 个波的振幅之比
• 衰减率（f）：经过一个周期后，波动幅度衰减的 百分比
• 控进制入（新过 的渡 稳过 定程 值） 的时5%间或（2t%s）范：围系内统所过需渡的过时程间曲线 • 峰值时间（tp）：系统过渡过程曲线到达第一个峰