第1章 过程控制基础知识

1.3 过程控制系统的性能指标
1.3.1控制系统的过渡过程 控制系统的过渡过程： 系统从一个平衡状态过渡到另一 个平衡状态的过程。
过程控制系统的过渡过程，实质上就是控制作用不 断克服扰动作用的过程。
研究控制系统的过渡过程，对分析和改进控制系统 具有很重要的意义。 过渡过程直接反映控制系统质量的优劣，与生产过 程中的安全及产品的产量、质量有着密切的联系。
3．静态与动态的辩证关系
以哲理的观点看，在自动控制系统中，静态是暂时的、相对的、 有条件的，动态才是普遍的、绝对的、无条件的。 在生产过程中，扰动作用总是不断产生，控制作用不断去克服 扰动对被控变量的影响。所以，自动控制系统总是处在动态之 中。
1.3.2生产过程对控制系统运行的基本要求
生产过程要求自动控制系统运行时要 “稳、快、准” 。
常见的过渡过程形式
图1.9
定值控制系统过渡过程的几种形式
图1-3为一个过程控制系统的阶跃响应曲线。
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1.3.2 过程控制系统的性能指标
过程控制系统性能指标是衡量系统控制质量优劣 的依据，又称为质量指标（或品质指标）。 通常主要采用两类性能指标：单项性能指标和综 合 控制指标。
1.单项性能指标
单项性能指标是系统在单位阶跃输入作用下,被控 变量随时间变化的衰减振荡曲线来定义的。 单项性能指标是三个动态指标，一个静态指标。它 们分别是：衰减比n、超调量 与最大动态偏差、 回复时间Ts、余差e(∞)。 注意：这些控制指标仅适用于衰减振荡过程。
1．稳定性：
指系统受到外来作用后，其动态过程的振荡倾向 和系统恢复平衡的能力。 稳定的系统判断方式： 如果系统受到外来作用后，经过一段时间调整， 其被控变量可以达到新的稳定状态，这样的系统是 稳定的系统。 线性自动控制系统的稳定性是由系统结构参数所决定 的，与外界因素无关。因此，保证控制系统的稳定性， 是设计和操作人员的首要任务。
2．快速性
快速性是表明系统输出对输入响应的快慢程度。 提高响应速度、缩短过渡过程的时间，对提高系 统的控制效率和控制过程的精度都是有利的。 3．准确性 余差： 控制系统达到新的平衡状态时，被控变 量的稳态值与设定值之间的差值，为稳 态误差，也简称余差。
稳态误差是衡量控制系统静态控制精度的重要标 志。
1.1.2 过程控制系统组成 在生产过程中有各种各样的控制系统，下 图所示为几个简单控制系统的示例。
1.1.3自动控制系统的方框图
控制理论中的常用术语：


给定值：生产过程中所期望的参数值。 测量值：测量变送输出值。 偏差：给定值与测量值之差。 被控变量：生产过程希望控制好的变量。 操纵变量：控制阀操纵的变量。 扰动量：破坏系统平衡状态的外界因素。 控制作用：控制器输出对生产过程的影响。 扰动作用：扰动量对生产过程的影响。
1.3 生产过程对控制系统运行的基本要求 1.3.1 控制系统的动态与静态 控制系统的 过渡过程 系统或环节特性
自动控制系 统的输入
控制系统由一个平衡状态过渡到另 一个平衡状态的过程。 系统或环节的输入与输出的关系。
设定值的变化（或称设定作用) 扰动的变化（或称扰动作用）
控制系统的 过渡过程
控制系统的 静态过程 控制系统的 动态过程
被控变量不随时间变化的 平衡状态 被控变量随时间变化的状 态
1.静态（或稳态） 在自动控制系统中，被控变量不随时间变化的平 衡状态，称为系统的静态（或稳态）. 在保持平衡时环节的输出与输入关系称为环 节的静态特性。
2.动态（或暂态） 在自动控制系统中，被控变量随时间变化的状态， 称为系统的动态（或暂态）. 系统的动 态特性 系统处于动态时的输出与输入之间的 关系称为系统的动态特性。
任务一
过程控制基础知识
1.1 自动控制系统的组成
1.1.1 人工控制与自动控制
自动控制系统的组成
被控对象
控制器
执行器
测量变送
被控制的生产 过程或设备
接收测量来的 信号与给定值 比较，作出控 制决策送指令 给执行器
执行控制器指 令，改变操纵 变量，对生产 过程实施控制 作用
对被控变量进 行检测并转换 成标准统一号 送控制器
（1）衰减比n: 过渡过程曲线上两个同方向相邻峰值之比。
若用B表示第一个波的振幅，B′表示同方向第二 B 个波的振幅，则衰减比为: n
B1
衰减比是控制系统的稳定性指标 习惯上用n∶1表示衰减比。
若衰减比n＜1，过渡过程是发散振荡，系统不稳 定； 若衰减比n＝1，过渡过程是等幅振荡，系统在临 界稳定状态； 若衰减比n＞1，过渡过程是衰减振荡，n越大， 系统衰减越越快,系统越稳定。 衰减比一般取4∶1～10∶1，即大约两个周期后， 系统能趋于新的稳态。 通常，随动控制系统的衰减比要求为10∶1，定 值控制系统的衰减比为4∶1。 衰减比须视具体被控对象的不同来选取。
1.2 自动控制的分类或控制方式
1.2.1自动控制系统一般有两种基本控制方式： 1．开环控制系统 控制系统的输出信号对控制作用没有影响，则称为开环 控制系统，即系统的输出信号不反馈到输入端，不形成 信号传递的闭合环路的控制系统。 举例如下：下图是数控加工机床中广泛应用的精密定位 控制系统
开环控制系统原理方框图
2．闭环控制系统
控制系统的输出信号对控制作用有直接影响的控 制系统，称为闭环控制系统。在闭环控制系统中， 系统的输出信号通过反馈环节返回到输入端，形 成闭合环路，故又称为反馈控制系统。
如下图
1.2.2 自动控制系统按给定值变化分类 按设定值的变化将自动控制系统分为三类: 1．定值控制系统 设定值保持不变（为恒定值）的反馈控制系统 称为定值控制系统。 定值控制系统的基本任务就是要克服扰动对被 控变量的影响。
2． 随动控制系统 随动控制系统也称跟踪控制系统。这类控制系 统的特点是设定值在不断变化. 控制的目的是要使被控变量能够及时而准确地 跟踪设定值的变化.

3． 程序控制系统

程序控制系统的设定值是一个已知的时间函数.
在石油、化工、冶金、电力、陶瓷、轻工、制药等 工业生产中，定值控制系统占大多数，是主要的控 制系统，其次是程序控制系统与随动控制系统.