化工自动控制系统课件

化工自动控制系统化工自动控制系统1内容内容1 1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述2 2 自动控制系统自动控制系统3 3 控制系统控制系统过渡过程及品质指标过渡过程及品质指标内容1 自动化及仪表发展概述2 自动控制系统3 控制系统过渡21 1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述控制理论的发展控制理论的发展经典控制理论经典控制理论:2020世纪世纪4040年年2020世纪世纪5050年代年代Nyquist(1932)频域分析技术频域分析技术Bode(1945)图图根轨迹分析方法根轨迹分析方法(1948)特点：特点：主要从主要从输出输出与与输入量输入量的关系方面分析与研究的关系方面分析与研究问题。问题。适用范围：适用范围：线性定常的单输入、单输出控制系统。线性定常的单输入、单输出控制系统。以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控以传递函数为基础，在频率域对单输入单输出控制系统进行分析与设计制系统进行分析与设计PID控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一控制规律是古典控制理论最辉煌的成果之一1 自动化及仪表发展概述控制理论的发展经典控制理论:20世纪3现代控制理论现代控制理论:2020世纪世纪6060年代获得迅猛发展年代获得迅猛发展其主要内容为：其主要内容为：（基基础础）线线性性系系统统理理论论，最最优优控控制制理理 论，最佳估计理论，系统辨识等。论，最佳估计理论，系统辨识等。特特 点点：从从 输输 入入-状状 态态-输输 出出 的的 关关 系系 全全 面面 地地 分分 析析 与研究系统。与研究系统。适适 用用 范范 围围：不不 限限 于于 线线 性性 定定 常常 系系 统统，也也 适适 用用 于于 线线 形形时时变变，非非线线性性及及离离散散系系统统，多多输输 入、多输出入、多输出的情况。的情况。现代控制理论:20世纪60年代获得迅猛发展4大系统理论大系统理论:2020世纪世纪7070年代开始年代开始将现代控制理论与系统理论相结合将现代控制理论与系统理论相结合核心思想：核心思想：系统的分解与协调系统的分解与协调适用范围：适用范围：高维线性系统高维线性系统智能控制理论智能控制理论:不需要建立被控对象的数学模型不需要建立被控对象的数学模型大系统理论:20世纪70年代开始智能控制理论:不需要建立被控5控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展控制系统结构的发展控制系统结构的发展基地式基地式：2020世纪世纪5050年代，适用于单回路（就地式年代，适用于单回路（就地式液位控制器及自力式温度控制器）液位控制器及自力式温度控制器）单元组合式单元组合式（按功能划分，然后组合）：（按功能划分，然后组合）：DDZ,DDZ,QDZ QDZ 2020世纪世纪6060年代，之间用年代，之间用标准统一标准统一信号联系信号联系计算机计算机：DDC,DDC,2020世纪世纪7070年代年代 DCS DCS（集散控制系统）（集散控制系统）先进控制和优化控制先进控制和优化控制：CIPS,FCS CIPS,FCS 2020世纪世纪8080年代年代以后以后控制系统结构及仪表的发展6控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展 自动化仪表的发展自动化仪表的发展 模拟仪表模拟仪表 数字仪表数字仪表 智能仪表智能仪表控制系统结构及仪表的发展7当前自动控制系统发展的一些主要特点当前自动控制系统发展的一些主要特点生产装置实施先进控制成为发展主流生产装置实施先进控制成为发展主流过程优化受到普遍关注过程优化受到普遍关注传统的传统的DCSDCS在走向国际统一标准的开放式系统在走向国际统一标准的开放式系统综合自动化系统（综合自动化系统（CIPSCIPS）是发展方向是发展方向当前自动控制系统发展的一些主要特点82 2 自动控制系统自动控制系统 2 2.1.1自动控制系统自动控制系统 自动控制的必要性自动控制的必要性蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图锅炉设备的控制任务主锅炉设备的控制任务主要是：要是：根据生产负荷的需要，根据生产负荷的需要，供应供应一定规格（压力、温度）的一定规格（压力、温度）的蒸汽，蒸汽，同时同时使锅炉在安全、使锅炉在安全、经济的条件下运行。经济的条件下运行。锅炉设备的主要控制系锅炉设备的主要控制系统有：统有：（1）锅炉）锅炉汽包水位汽包水位的控制的控制（3）过热蒸汽系统的控制）过热蒸汽系统的控制（2）锅炉燃烧的控制）锅炉燃烧的控制2 自动控制系统 蒸汽汽包省煤器给水图1-1 锅炉9汽包水位是锅炉运行的主汽包水位是锅炉运行的主要指标，要指标，维持水位在一定维持水位在一定范围内范围内是锅炉安全运行的是锅炉安全运行的首要条件。首要条件。蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图水位过低：水位过低：汽包内水较少，负荷很大时，水的汽化速度加快，汽包内水较少，负荷很大时，水的汽化速度加快，汽包内水量急速减少，如不能及时得到控制，则会烧干，烧坏汽包内水量急速减少，如不能及时得到控制，则会烧干，烧坏水冷壁，甚至爆炸。水冷壁，甚至爆炸。水位过高：水位过高：影响汽包内的汽水影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸汽带水过多，分离，饱和水蒸汽带水过多，会使过热器管壁结构导致损坏，会使过热器管壁结构导致损坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，同时过热蒸汽温度急剧下降，作为汽轮机动力的话会损坏叶作为汽轮机动力的话会损坏叶片，影响运行的安全及经济性。片，影响运行的安全及经济性。汽包水位是锅炉运行的主要指标，维持水位在一定范围内是锅炉安全10手动控制的步骤：手动控制的步骤：蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水图图1-1 锅炉汽包示意图锅炉汽包示意图(2)把观察到的把观察到的实际数值实际数值与与设定值设定值加以比较，根加以比较，根据据偏差偏差的大小及变化情的大小及变化情况做出判断，并发布命况做出判断，并发布命令。令。(3)根据命令操作给水阀，根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。使液位回到设定值。(1)观察液位数值；观察液位数值；手动控制的步骤：蒸汽汽包省煤器给水图1-1 锅炉汽包示意图11蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包液位自动控制系统示意图锅炉汽包液位自动控制系统示意图锅炉汽包液位自动控制系统锅炉汽包液位自动控制系统蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包液位自动控制系统示意图锅炉汽包液12加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统13蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图术语术语被控过程（被控被控过程（被控对象对象）：自动控制系统中，自动控制系统中，工艺参数需要控工艺参数需要控制的生产过程、制的生产过程、设备或机器。设备或机器。被控过程：被控过程：锅炉汽包锅炉汽包被控变量：被控变量：汽包液位汽包液位被控变量：被控变量：被控过程内要求被控过程内要求保持设定值的工保持设定值的工艺参数艺参数蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统示意图术语被控过程：14操纵变量：操纵变量：受控制器操纵的受控制器操纵的用以克服干扰的用以克服干扰的影响，使被控变影响，使被控变量保持设定值的量保持设定值的物料量或能量物料量或能量扰动：扰动：除操纵变量外，除操纵变量外，作用于被控过程作用于被控过程并引起被控变量并引起被控变量变化的因素变化的因素操纵变量：操纵变量：水的流量水的流量扰动：扰动：水压力、蒸汽流量水压力、蒸汽流量蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图操纵变量：操纵变量：水的流量蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动15设定值：设定值：工艺参数所要求保工艺参数所要求保持的数值持的数值偏差：偏差：被控变量实际值与被控变量实际值与设定值之差设定值之差负反馈：负反馈：将被控变量送回输将被控变量送回输入端并与输入变量入端并与输入变量相减相减蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图设定值：蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统示意图16加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统被控过程被控过程：被控变量：被控变量：操纵变量：操纵变量：扰动：扰动：加热炉加热炉物料出口温度物料出口温度燃料油流量燃料油流量被加热原料油温度、燃料油热值等被加热原料油温度、燃料油热值等加热炉温度控制系统被控过程：被控变量：操纵变量：扰动：加热炉17闭环控制：闭环控制：在反馈控制系在反馈控制系统中，被控变量的统中，被控变量的值被送回输入端，值被送回输入端，与设定值进行比较，与设定值进行比较，根据偏差进行控制，根据偏差进行控制，控制被控变量，这控制被控变量，这样，整个系统构成样，整个系统构成了一个闭环。了一个闭环。蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图2 2.2.2闭环控制与开环控制闭环控制与开环控制 闭环控制：蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制系统示意图2.18闭环控制的特点（优点）闭环控制的特点（优点）：按按偏差偏差进行控制，使偏进行控制，使偏差减小或消除，达到被控差减小或消除，达到被控变量与设定值一致的目的。变量与设定值一致的目的。闭环控制的缺点闭环控制的缺点：控制不够及时；如果系控制不够及时；如果系统内部各环节配合不当，统内部各环节配合不当，系统会引起剧烈震荡，甚系统会引起剧烈震荡，甚至会使系统失去控制。至会使系统失去控制。蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图闭环控制的特点（优点）：蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽包自动控制19开环控制的特点开环控制的特点（优点）：（优点）：不需要对被控变量不需要对被控变量进行测量，只根据进行测量，只根据输入信号进行控制，输入信号进行控制，控制很及时。控制很及时。开环控制：开环控制：根据根据扰动扰动信号的变化来进行控制。信号的变化来进行控制。1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水开环控制的特点（优点）：开环控制：根据扰动信号的变化来进行控20开环控制的缺点：开环控制的缺点：由于不测量被控变量，由于不测量被控变量，也不与设定值相比较，也不与设定值相比较，所以系统受到其他扰所以系统受到其他扰动作用后，被控变量动作用后，被控变量偏离设定值，无法消偏离设定值，无法消除偏差，这是开环控除偏差，这是开环控制的制的缺点缺点。1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水开环控制的缺点：1Ff FT LT FdC21 开环的液位控制系统开环的液位控制系统 （按扰动控制，又称前馈控制）（按扰动控制，又称前馈控制）开环控制与闭环控制实例比较开环控制与闭环控制实例比较1Ff FT LT FdC 蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图 开环的液位控制系统（按扰动控制，又称前馈控制）开环控制与222 2.3.3自动控制系统的组成及方框图自动控制系统的组成及方框图 在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制在研究自动控制系统时，为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系，一般都采用方框图。每个都采用方框图。每个方框方框表示组成系统的一个表示组成系统的一个环节环节，两个方框两个方框之间用之间用带箭头的线段带箭头的线段表示表示信号信号联系；进入方联系；进入方框的信号为框的信号为环节输入，环节输入，离开方框的为离开方框的为环节输出。环节输出。闭环控制系统组成闭环控制系统组成2.3自动控制系统的组成及方框图 闭环控制系统组成23检测元件和变送器检测元件和变送器的作用是把被控变量的作用是把被控变量c(t)c(t)转化为测转化为测量值量值y(t)y(t)。比较机构比较机构的作用是比较设定值的作用是比较设定值r(t)r(t)与测量值与测量值y(t)y(t)并输并输出其差值。出其差值。控制装置控制装置的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用按某种预定的控制规律给出控制作用u(t)u(t)。比较机构比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。和控制装置通常组合在一起，称为控制器。执行器执行器的作用是接受控制器送来的的作用是接受控制器送来的u(t)u(t)，相应地去改相应地去改变操纵变量变操纵变量q(t)q(t)。系统中控制器以外的各部分组合在一起，即系统中控制器以外的各部分组合在一起，即过程、执过程、执行器、检测元件与变送器行器、检测元件与变送器的组合称为的组合称为广义对象广义对象。检测元件和变送器的作用是把被控变量c(t)转化为测量值y(t24闭环闭环控制控制系统系统组成组成在分析控制系统的工作过程时几个重要的概念：在分析控制系统的工作过程时几个重要的概念：（1 1）信息：）信息：图中的图中的r(t)r(t)、y(t)y(t)、f(t)f(t)等尽管是实际的等尽管是实际的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的物理量，但它们是作为信息来转换和作用的。图中的每一部分称为一个每一部分称为一个环节环节，作用于它的信息称为该环节，作用于它的信息称为该环节的的输入信号输入信号，它送出的信息称为，它送出的信息称为输出信号输出信号。前一环节。前一环节的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出信的输出就是后一环节的输入信号。每一环节的输出信号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。号与输入信号之间的关系仅仅取决于该环节的特性。闭环控制系统组成在分析控制系统的工作过程时几个重要的概念：25从整个系统来看，输入信号：从整个系统来看，输入信号：设定值和扰动设定值和扰动 输出信号：输出信号：被控变量、测量值被控变量、测量值（2 2）闭环：）闭环：按信息的流向来说按信息的流向来说（3 3）动态：）动态：物理量是时间的函数、是不断变化的。物理量是时间的函数、是不断变化的。扰扰动作用动作用使被控变量偏离设定值，使被控变量偏离设定值，控制作用控制作用又使它回到又使它回到设定值。设定值。闭环闭环控制控制系统系统组成组成从整个系统来看，输入信号：闭环控制系统组成262 2.4.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类:定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。称为定值控制系统。2.4 自动控制系统的分类272 2.4.4 自动控制系统的分类自动控制系统的分类随动控制系统随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。统的输出（被控变量）随之而变化。程序控制系统程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化即根据需要按一定时间程序变化 2.4 自动控制系统的分类28课堂作业：课堂作业：下图为直接蒸汽加热器的工艺流程图，要下图为直接蒸汽加热器的工艺流程图，要求画出以热物料的出口温度为被控变量，蒸汽求画出以热物料的出口温度为被控变量，蒸汽流量为操纵变量的带检测控制点的工艺流程图，流量为操纵变量的带检测控制点的工艺流程图，指明该控制系统中的被控变量、操纵变量、过指明该控制系统中的被控变量、操纵变量、过程以及主要扰动，画出该控制方案的方块图，程以及主要扰动，画出该控制方案的方块图，蒸汽加热器蒸汽加热器课堂作业：下图为直接蒸汽加热器的工艺流程图，要求画出293 3自动控制系统的过渡过自动控制系统的过渡过程及品质指标程及品质指标3 3.1.1静态与动态静态与动态 控制系统的输入有控制系统的输入有设定作用设定作用和和扰动作用扰动作用。静态（定态）静态（定态）：当输入：当输入恒定不变时，整个系统恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，各个环节将暂不动作，它们的输出都处于它们的输出都处于相对相对静止静止状态。此时输入与状态。此时输入与输出之间的关系称为系输出之间的关系称为系统的静态特性。统的静态特性。环节环节的静态特性的静态特性蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图3自动控制系统的过渡过程及品质指标蒸汽汽包省煤器给水 锅炉汽30动态：动态：由于输入的变由于输入的变化，输出随时间变化，化，输出随时间变化，其间的关系称为系统其间的关系称为系统的动态特性。也就是的动态特性。也就是说，从输入开始，经说，从输入开始，经过控制直到再建立静过控制直到再建立静态，在这段时间中，态，在这段时间中，整个系统的各个环节整个系统的各个环节和变量都处于变化的和变量都处于变化的过程之中，这种状态过程之中，这种状态称为动态。称为动态。环节环节的动态特性的动态特性蒸汽蒸汽汽包汽包省煤器省煤器给水给水 锅炉汽包自动控制系统示意图锅炉汽包自动控制系统示意图动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间的关系称为系统的动313 3.2.2自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状也就是系统从一个平衡状态态(静态静态)过渡到另一个平衡状态（过渡到另一个平衡状态（静态静态）的过程。）的过程。所有正常工作的反馈系统都是稳定系统所有正常工作的反馈系统都是稳定系统,对于对于一个稳定的系统一个稳定的系统,要分析其要分析其稳定性、准确性和快速稳定性、准确性和快速性性，常以，常以阶跃作用为输入阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程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，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。且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。3.2自动控制系统的过渡过程32定值控制系统过渡过程的形式定值控制系统过渡过程的形式(阶跃扰动阶跃扰动)发散振荡发散振荡单调发散单调发散等幅振荡等幅振荡衰减振荡衰减振荡单调衰减单调衰减稳定的过稳定的过渡过程渡过程最常最常用用定值控制系统过渡过程的形式(阶跃扰动)发散振荡稳定的过渡过33单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）稳定性、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性3 3.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标综合控制指标综合控制指标单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程）3.3 自动控制系统的品34最最大大动动态态偏偏差差或或超超调调量量是是描描述述被被控控变变量量偏偏离离设设定定值值最最大大程程度度的的物物理理量量，是是衡衡量量过过渡渡过过程程稳稳定定性性的的一一个个动动态态指标。指标。对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个指被控变量第一个振荡波振荡波的的峰值与设定值峰值与设定值之差。之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值。为A A（1 1）最大动态偏差（）最大动态偏差（e emaxmax）或超调量（或超调量（）稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量35最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。正常生产越不利。要求小。要求小。特别是对于一些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，爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最都会对最大偏差的允许值有所限制。大偏差的允许值有所限制。同时考虑到干扰会不断出现，当第一个同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。时，要根据工艺情况慎重选择。最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的36在在设设定定作作用用下下的的控控制制系系统统（随随动动控控制制系系统统）中中，通通常常采采用用超超调调量量这这个个指指标标来来表表示示被被控控变变量量偏偏离离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。设定值的程度，一般超调量以百分数给出。A超调量定义超调量定义：第第一个波的峰值与一个波的峰值与最终稳态值之差，最终稳态值之差，即即B=A-C,如果如果系统的新稳态值系统的新稳态值等于设定值，那等于设定值，那么最大偏差就等么最大偏差就等于超调量。于超调量。ytBBC0在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个37衰减比是衡量过渡过程衰减比是衡量过渡过程稳定性稳定性的动态指标。的动态指标。定义：第一个波的定义：第一个波的振幅振幅与同方向第二个波的与同方向第二个波的振幅振幅之比。之比。（2 2）衰减比）衰减比n n衰减比衰减比n n稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。（2）衰减比n衰减比n38衰减比衰减比n n n1:n1:衰衰减减振振荡荡。n n越越大大，则则控控制制系系统统的的稳稳定定度度也也越越高高，当当n n趋趋于于无无穷穷大大时时，控控制制系系统统的的过渡过程接近于非振荡过程。过渡过程接近于非振荡过程。n=1:n=1:等幅振荡。等幅振荡。n1:n1:衰减振荡。n越大，则控制系统的稳定度也越高39根据实际操作经验，根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两个波左右一般希望过渡过程有两个波左右，与此对应，与此对应的的衰减比在衰减比在4:14:1到到10:110:1的的范围内。范围内。衰减率：衰减率：衰减比衰减比4:14:1衰减率衰减率0.750.75衰减比衰减比10:110:1衰减率衰减率0.900.90CtyBBA0稳态特性稳态特性根据实际操作经验，为保持足够的稳定裕度，一般希望过渡过程有两40（3 3）余差）余差定义：定义：控制系统过渡过程终了时控制系统过渡过程终了时设定值设定值与与被控被控变量稳态值变量稳态值之差之差。余差是反映控制余差是反映控制准确性准确性的一个重要稳的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。的范围。（3）余差定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值41上图中，上图中，在控制系统中，在控制系统中，对余差的要求取决于对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好生产过程的要求，并不是越小越好。例如。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。温度控制要求高，余差就要小一些。稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()上图中，在控制系统中，对余差的要求取决于生产42（4 4）回复时间（过渡时间）回复时间（过渡时间）回复时间表示控制系统过渡过程的长短。回复时间表示控制系统过渡过程的长短。定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。限长的时间。稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()（4）回复时间（过渡时间）回复时间表示控制系统过渡过程的长短43实际上，实际上，被控变量接近于新稳态值的被控变量接近于新稳态值的 或或 或或 的范围内且不再越出时的范围内且不再越出时为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般为止所经历的时间，可计为过渡时间。一般希望过渡时间长希望过渡时间长oror短？短？ytBB5%A0Ts短一些短一些！实际上，被控变量接近于新稳态值的 或 或44（5 5）振荡频率（或振荡周期）振荡频率（或振荡周期）在衰减比相同条件下，振荡周期与回复时间成在衰减比相同条件下，振荡周期与回复时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。正比；振荡频率与回复时间成反比。定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为称为振荡周期或工作周期振荡周期或工作周期。其倒数称为。其倒数称为振荡振荡频率。频率。（5）振荡频率（或振荡周期）在衰减比相同条件下，振荡周期与回45其它一些次要指标：其它一些次要指标：振荡次数：振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。的次数。“理想过渡过程两个波理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。荡两次就能稳定下来。上升时间：上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。峰所需要的时间。稳态特性稳态特性CtyBBA0y(y()其它一些次要指标：“理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振荡两46总结：总结：主要指标有：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。要根据实际情况来定。原则：对生产过程有决定性意义的主要品质原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。指标应该优先保证。总结：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实际的47例题：例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别干扰下的过渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（设定值为（设定值为200200）。()()解解：(1)(1)最大偏差：最大偏差：(2)(2)余差：余差：()()例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如48(3)(3)衰减比：衰减比：第一个波的振幅第一个波的振幅第二个波的振幅第二个波的振幅()()衰减比衰减比(3)衰减比：第一个波的振幅第二个波的振幅()()衰减比49(4)4)过渡时间：过渡时间：过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为关，假设为 ，就可以认为过渡过程已经结，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为束，那么限制范围为()那么，在新稳态值（那么，在新稳态值（205205）两侧以限制范围）两侧以限制范围为宽度画一区域，被控变量进入该区域而且为宽度画一区域，被控变量进入该区域而且不不再越出再越出，那么进入的时间就是，那么进入的时间就是TsTs。因此，过渡。因此，过渡时间为时间为2222min.min.(4)过渡时间：过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，50例题例题2 2：图：图a a和图和图b b为换热器的两种控制方案，目的都是为换热器的两种控制方案，目的都是控制热物料出口温度恒定。控制热物料出口温度恒定。1.1.比较它们的不同之处；比较它们的不同之处；2.2.指出图指出图a a中的被控变量、操纵变量、过程及主要中的被控变量、操纵变量、过程及主要扰动。扰动。例题2：图a和图b为换热器的两种控制方案，目的都是控制热物料51例例3 3：图：图a a为流量控制系统，主要克服阀前压力为流量控制系统，主要克服阀前压力P1P1波动来稳波动来稳定流量定流量Q1Q1。图。图b b是储槽液位控制系统，主要克服是储槽液位控制系统，主要克服Q1Q1和和Q2Q2流量流量变化的扰动，保持液位稳定。变化的扰动，保持液位稳定。1 1）说明两图中各控制系统的被控变量、操纵变量、过程及）说明两图中各控制系统的被控变量、操纵变量、过程及主要扰动；主要扰动；2 2）若采用图）若采用图a a系统来控制液位，试比较与图系统来控制液位，试比较与图b b系统的不同点。系统的不同点。图a图b例3：图a为流量控制系统，主要克服阀前压力P1波动来稳定流量52例例4 4：某发酵过程工艺规定操作温度为：某发酵过程工艺规定操作温度为(402)(402)。考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大考虑到发酵效果，控制过程中温度偏离给定值最大不能超过不能超过66。现设计一定值控制系统，在阶跃扰。现设计一定值控制系统，在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线如图所示。动作用下的过渡过程曲线如图所示。试确定该系统的试确定该系统的最大偏差、衰减比、余差、过渡时最大偏差、衰减比、余差、过渡时间间等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要等过渡过程指标，并回答该系统能否满足工艺要求求?例4：某发酵过程工艺规定操作温度为(402)。考虑到发酵53