第一章 自动控制系统基本概念.
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五种重要品质指标之二 2. 衰减比B/B’
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。
24
仪表自动化
第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
五种重要品质指标之三
3百度文库 余差C
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。有余差的控制过程称为有差调节，相应 的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。
8
仪表自动化
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续）
注意！方块图中的每一个方块都代表一 个具体的装置。
方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系， 并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也 只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不 同的。 工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个 设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向 相一致。 自动控制系统是一个闭环系统
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。
16
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第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标（续）
动态——被控变量随时间变化的不平衡状态 。 从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重 新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和 信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。 结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了 解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存 在的，是不可避免的，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。
6
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续） 液位自动控制的方块图
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方块图中， x 指液位设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号； p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量（液位）； f 指扰动作用（比如进料流量）。当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。
内容提要（续）
工艺管道及控制流程图
图形符号 字母代号 仪表位号
2
仪表自动化
第一节 化工自动化的主要内容
1. 自动检测系统
2. 自动信号和联锁保护系统 3. 自动操纵及自动开停车系统
利用各种检测仪表对主要工艺参 当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前， 数进行测量、指示或记录的，称 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对 信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注 为自动检测系统。它代替了操作 4. 自动控制系统 生产设备进行某种周期性操作。 人员对工艺参数的不断观察与记 意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时， 录，起到人的眼睛的作用。 参数在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状 联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切
25
第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
五种重要品质指标之四
4. 过渡时间
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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％）。
17
第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
二、控制系统的过渡过程
仪表自动化
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
举例
当干扰作用于对象，系统输 出 y 发生变化，在系统负反 馈作用下，经过一段时间， 系统重新恢复平衡。
图1-7 控制系统方块图
18
第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
11
仪表自动化
第三节 自动控制系统的分类
几种分类方法
按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统； 按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、 比例微分、比例积分微分等控制系统； 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定 值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系 统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序 控制系统。
仪表自动化
系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控 变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰 形式。 在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属 于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和 方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶 跃干扰。
19
仪表自动化
第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
其中第三种分类方法最普遍
12
仪表自动化
第三节 自动控制系统的分类（续）
1.定值控制系统
“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求 控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指 标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采 用定值控制系统。 2.随动控制系统（自动跟踪系统） 给定值随机变化，该系统的目的就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。如：导航雷达系 统，电视台的天线接收系统。
仪表自动化
非周期衰减过程
√
衰减振荡过程
√ 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。
等幅振荡过程
发散振荡过程
21
X
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标（续）
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三、控制系统的品质指标
控制系统的过渡过程是衡量控制品质的依据。
仪表自动化
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。
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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续） 其他控制系统
用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统。 当进料流量或温度变化 等因素引起出口物料温度变 化时，可以将该温度变化测 量后送至温度控制器 TC 。温 度控制器的输出送至控制阀， 以改变加热蒸汽量来维持出 口物料的温度不变。
图1-5 蒸汽加热器温度控制系统 这个控制系统同样可 以用上页中的方块图 表示
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
五种重要品质指标之五 5.振荡周期或频率
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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。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
采用阶跃干扰的优点： 这种形式的干扰比较突然、 危险，且对被控变量的影响 也最大。如果一个控制系统 能够有效地克服这种类型的 干扰，那么一定能很好地克 服比较缓和的干扰。
这种干扰的形式简单，容易 实现，便于分析、实验和计 算。
图1-8 阶跃干扰作用
20
第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标（续） 自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种 过程形式讨论控制系统的品质指标。
图1-10 过渡过程品质指标示意图
假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的 变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
五种重要品质指标之一
仪表自动化
1. 最大偏差A或超调量
9
仪表自动化
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续）
小结
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区 别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被 控（工艺）变量是不反馈到输入端的。
举例
化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子
操纵指令
自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将 态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数 断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生 生产过程自动地投入运行或自动停车。 图1-1 热交换器自动检测系统示意图 值范围内。 和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。
3
第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
人工操作与自动控制比较图
仪表自动化
图1-2 人工操作图
图1-3 液位自动控制系统图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
4
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第二节 自动控制系统的基本组成 及方块图 （续）
自动控制系统的组成
测量元件与变送器 自动化装置 组 成 被控对象 自动控制器
执行器
5
第二节 自动控制系统的基本组成及 方块图（续）
13
仪表自动化
第三节 自动控制系统的分类（续）
3.程序控制系统（顺序控制系统） 给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生 产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间 歇生产过程中应用比较普通。如：合成纤维锦纶生产 中的熟化罐温度控制，金属热处理的温度控制。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标
图1-4 液位自动控制系统方块图
7
仪表自动化
几个名词的含义
被控变量：要保持恒定或需要调节的变量。 干扰（扰动）作用：引起被控变量波动的外来因素称为干 扰，它是作用于对象的输入信号。 比较机构：是控制器的一个组成部分，不是一个独立的仪 表。图中单独画出来是为了能更清楚地说明控制器的比较 作用。 操纵变量：具体实现控制作用的变量叫做操纵变量。 反馈：把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节 重新返回到输入端的做法叫做反馈。
举例
仪表自动化
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℃）。
图1-11 温度控制系统过渡过程曲线
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
解：最大偏差A＝230-200＝30℃ 余差C＝205-200＝５℃
最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的 最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的 峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器 的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏 差的允许值有所限制。 超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
液位自动控制的方块图
仪表自动化
在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一 般都用方块图来表示控制系统的组成。 下页图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组 成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一 条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方 块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环 节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。
自动操纵装置
操纵作用
对象
工艺参数
10
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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续）
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 比较 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。 闭环系统： 有针对性 地根据被控变量的变 化情况而改变控制作 用的大小和方向 ，从 而使系统的工作状态 始终等于或接近于所 希望的状态。
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第一章 自动控制系统基本概念
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内容提要
化工自动化的主要内容 自动控制系统的基本组成及方块图 自动控制系统的分类 自动控制系统的过渡过程和品质指标
控制系统的静态与动态 控制系统的过渡过程 控制系统的品质指标 影响控制系统过渡过程品质的主要因素
1
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一、控制系统的静态与动态
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自动控制目的： 希望将被控变量保持在一个不变的给定
值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流 出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。 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）。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
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。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
五种重要品质指标之三
3百度文库 余差C
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。有余差的控制过程称为有差调节，相应 的系统称为有差系统。反之就为无差调节和无差系统。
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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续）
注意！方块图中的每一个方块都代表一 个具体的装置。
方块与方块之间的连接线，只是代表方块之间的信号联系， 并不代表方块之间的物料联系。方块之间连接线的箭头也 只是代表信号作用的方向，与工艺流程图上的物料线是不 同的。 工艺流程图上的物料线是代表物料从一个设备进入另一个 设备，而方块图上的线条及箭头方向有时并不与流体流向 相一致。 自动控制系统是一个闭环系统
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。
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第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标（续）
动态——被控变量随时间变化的不平衡状态 。 从干扰作用破坏静态平衡，经过控制，直到系统重 新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和 信号都处于变动状态之中，这种状态叫做动态。 结论：在自动化工作中，了解系统的静态是必要的，但是了 解系统的动态更为重要。因为在生产过程中，干扰是客观存 在的，是不可避免的，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。
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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续） 液位自动控制的方块图
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方块图中， x 指液位设定值；z 指输出信号；e 指偏差信号； p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变量（液位）； f 指扰动作用（比如进料流量）。当x 取正值，z取负值，e= x- z，负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。
内容提要（续）
工艺管道及控制流程图
图形符号 字母代号 仪表位号
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第一节 化工自动化的主要内容
1. 自动检测系统
2. 自动信号和联锁保护系统 3. 自动操纵及自动开停车系统
利用各种检测仪表对主要工艺参 当工艺参数超过了允许范围，在事故即将发生以前， 数进行测量、指示或记录的，称 自动操纵系统可以根据预先规定的步骤自动地对 信号系统就自动地发出声光信号，告诫操作人员注 为自动检测系统。它代替了操作 4. 自动控制系统 生产设备进行某种周期性操作。 人员对工艺参数的不断观察与记 意，并及时采取措施。如工况已到达危险状态时， 录，起到人的眼睛的作用。 参数在受到外界干扰（扰动）的影响而偏离正常状 联锁系统立即自动采取紧急措施，打开安全阀或切
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
五种重要品质指标之四
4. 过渡时间
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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％）。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
二、控制系统的过渡过程
仪表自动化
系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。
举例
当干扰作用于对象，系统输 出 y 发生变化，在系统负反 馈作用下，经过一段时间， 系统重新恢复平衡。
图1-7 控制系统方块图
18
第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
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仪表自动化
第三节 自动控制系统的分类
几种分类方法
按被控变量来分类，如温度、压力等控制系统； 按控制器具有的控制规律来分类，如比例、比例积分、 比例微分、比例积分微分等控制系统； 将控制系统按照工艺过程需要控制的被控变量的给定 值是否变化和如何变化来分类，这样可将自动控制系 统分为三类，即定值控制系统、随动控制系统和程序 控制系统。
仪表自动化
系统在过渡过程中，被控变量是随时间变化的。被控 变量随时间的变化规律首先取决于作用于系统的干扰 形式。 在生产中，出现的干扰是没有固定形式的，且多半属 于随机性质。在分析和设计控制系统时，为了安全和 方便，常选择一些定型的干扰形式，其中常用的是阶 跃干扰。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
其中第三种分类方法最普遍
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第三节 自动控制系统的分类（续）
1.定值控制系统
“定值” 是恒定给定值的简称。工艺生产中，若要求 控制系统的作用是使被控制的工艺参数保持在一个生产指 标上不变，或者说要求被控变量的给定值不变，就需要采 用定值控制系统。 2.随动控制系统（自动跟踪系统） 给定值随机变化，该系统的目的就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。如：导航雷达系 统，电视台的天线接收系统。
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非周期衰减过程
√
衰减振荡过程
√ 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。
等幅振荡过程
发散振荡过程
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X
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三、控制系统的品质指标
控制系统的过渡过程是衡量控制品质的依据。
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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。
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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续） 其他控制系统
用同一种形式的方块图可以代表不同的控制系统。 当进料流量或温度变化 等因素引起出口物料温度变 化时，可以将该温度变化测 量后送至温度控制器 TC 。温 度控制器的输出送至控制阀， 以改变加热蒸汽量来维持出 口物料的温度不变。
图1-5 蒸汽加热器温度控制系统 这个控制系统同样可 以用上页中的方块图 表示
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
五种重要品质指标之五 5.振荡周期或频率
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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。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
采用阶跃干扰的优点： 这种形式的干扰比较突然、 危险，且对被控变量的影响 也最大。如果一个控制系统 能够有效地克服这种类型的 干扰，那么一定能很好地克 服比较缓和的干扰。
这种干扰的形式简单，容易 实现，便于分析、实验和计 算。
图1-8 阶跃干扰作用
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第四节 自动控制系统的过渡过程和品质指标（续） 自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
多数情况下，希望得到衰减振荡过程，在此取这种 过程形式讨论控制系统的品质指标。
图1-10 过渡过程品质指标示意图
假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的 变化曲线如上图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
五种重要品质指标之一
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1. 最大偏差A或超调量
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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续）
小结
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统。 与自动检测、自动操纵等开环系统比较，最本质的区 别，就在于自动控制系统有负反馈，开环系统中，被 控（工艺）变量是不反馈到输入端的。
举例
化肥厂的造气自动机就是典型的开环系统的例子
操纵指令
自动开停车系统可以按照预先规定好的步骤，将 态时，自动控制系统能自动地控制而回到规定的数 断某些通路，必要时紧急停车，以防止事故的发生 生产过程自动地投入运行或自动停车。 图1-1 热交换器自动检测系统示意图 值范围内。 和扩大。它是生产过程中的一种安全装置。
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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图
人工操作与自动控制比较图
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图1-2 人工操作图
图1-3 液位自动控制系统图
控制速度和精度不能满足大型 现代化生产的需要
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第二节 自动控制系统的基本组成 及方块图 （续）
自动控制系统的组成
测量元件与变送器 自动化装置 组 成 被控对象 自动控制器
执行器
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第二节 自动控制系统的基本组成及 方块图（续）
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第三节 自动控制系统的分类（续）
3.程序控制系统（顺序控制系统） 给定值变化，但它是一个已知的时间函数，即生 产技术指标需按一定的时间程序变化。这类系统在间 歇生产过程中应用比较普通。如：合成纤维锦纶生产 中的熟化罐温度控制，金属热处理的温度控制。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标
图1-4 液位自动控制系统方块图
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几个名词的含义
被控变量：要保持恒定或需要调节的变量。 干扰（扰动）作用：引起被控变量波动的外来因素称为干 扰，它是作用于对象的输入信号。 比较机构：是控制器的一个组成部分，不是一个独立的仪 表。图中单独画出来是为了能更清楚地说明控制器的比较 作用。 操纵变量：具体实现控制作用的变量叫做操纵变量。 反馈：把系统（或环节）的输出信号直接或经过一些环节 重新返回到输入端的做法叫做反馈。
举例
仪表自动化
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℃）。
图1-11 温度控制系统过渡过程曲线
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
解：最大偏差A＝230-200＝30℃ 余差C＝205-200＝５℃
最大偏差是指在过渡过程中，被控变量偏离给定值的 最大数值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的 峰值。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器 的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏 差的允许值有所限制。 超调量也可以用来表征被控变量偏离给定值的程度。
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第四节 自动控制系统的过渡过程 和品质指标（续）
液位自动控制的方块图
仪表自动化
在研究自动控制系统时，为了便于对系统分析研究，一 般都用方块图来表示控制系统的组成。 下页图为液位自动控制系统的方块图，每个环节表示组 成系统的一个部分，称为“环节”。两个方块之间用一 条带有箭头的线条表示其信号的相互关系，箭头指向方 块表示为这个环节的输入，箭头离开方块表示为这个环 节的输出。线旁的字母表示相互间的作用信号。
自动操纵装置
操纵作用
对象
工艺参数
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第二节 自动控制系统的基本组成及方块图（续）
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 比较 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。 闭环系统： 有针对性 地根据被控变量的变 化情况而改变控制作 用的大小和方向 ，从 而使系统的工作状态 始终等于或接近于所 希望的状态。
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第一章 自动控制系统基本概念
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内容提要
化工自动化的主要内容 自动控制系统的基本组成及方块图 自动控制系统的分类 自动控制系统的过渡过程和品质指标
控制系统的静态与动态 控制系统的过渡过程 控制系统的品质指标 影响控制系统过渡过程品质的主要因素
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一、控制系统的静态与动态
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自动控制目的： 希望将被控变量保持在一个不变的给定
值上，这只有当进入被控对象的物料量（或能量）和流 出对象的物料量（或能量）相等时才有可能。 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）。
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