化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 化工儀表及自動化化工儀表及自動化第一章第一章 自動控制系統(tǒng)基本概念自動控制系統(tǒng)基本概念 化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 內(nèi)容提要內(nèi)容提要n 化工自動化的主要內(nèi)容化工自動化的主要內(nèi)容n 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n自動控制系統(tǒng)的基本組成自動控制系統(tǒng)的基本組成n自動控制系統(tǒng)的表示形式自動控制系統(tǒng)的表示形式n 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類n 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標n控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)n控制系統(tǒng)的過渡過程控制系統(tǒng)的過渡過程n控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標n影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素影響控制系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)的主要因素1化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第一節(jié)第一節(jié) 化工自動化的主要內(nèi)容化工自動化的主要內(nèi)容n1.自動檢測系統(tǒng)自動檢測系統(tǒng)n2.自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)自動信號和聯(lián)鎖保護系統(tǒng)n3.自動操縱及自動開停車系統(tǒng)自動操縱及自動開停車系統(tǒng)n4.自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)3利用各種檢測儀表對主要工藝參利用各種檢測儀表對主要工藝參數(shù)進行測量、指示或記錄的，稱數(shù)進行測量、指示或記錄的，稱為自動檢測系統(tǒng)。它代替了操作為自動檢測系統(tǒng)。它代替了操作人員對工藝參數(shù)的不斷觀察與記人員對工藝參數(shù)的不斷觀察與記錄，起到人的眼睛的作用。錄，起到人的眼睛的作用。圖1-1 熱交換器自動檢測系統(tǒng)示意圖當工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，當工藝參數(shù)超過了允許范圍，在事故即將發(fā)生以前，信號系統(tǒng)就自動地發(fā)出聲光信號，告誡操作人員注信號系統(tǒng)就自動地發(fā)出聲光信號，告誡操作人員注意，并及時采取措施。如工況已到達危險狀態(tài)時，意，并及時采取措施。如工況已到達危險狀態(tài)時，聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動采取緊急措施，打開安全閥或切聯(lián)鎖系統(tǒng)立即自動采取緊急措施，打開安全閥或切斷某些通路，必要時緊急停車，以防止事故的發(fā)生斷某些通路，必要時緊急停車，以防止事故的發(fā)生和擴大。它是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。和擴大。它是生產(chǎn)過程中的一種安全裝置。自動操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預先規(guī)定的步驟自動地對生自動操縱系統(tǒng)可以根據(jù)預先規(guī)定的步驟自動地對生產(chǎn)設(shè)備進行某種周期性操作。自動開停車系統(tǒng)可以產(chǎn)設(shè)備進行某種周期性操作。自動開停車系統(tǒng)可以按照預先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動地投入運按照預先規(guī)定好的步驟，將生產(chǎn)過程自動地投入運行或自動停車。行或自動停車。在受到外界干擾（擾動）的影響而偏離正常狀態(tài)時，在受到外界干擾（擾動）的影響而偏離正常狀態(tài)時，自動控制系統(tǒng)能自動地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍自動控制系統(tǒng)能自動地控制而回到規(guī)定的數(shù)值范圍內(nèi)。內(nèi)?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 4圖1-2 液位人工控制圖1-3 液位自動控制系統(tǒng)圖n人工操作與自動控制比較圖人工操作與自動控制比較圖控制速度和精度不能滿足大型控制速度和精度不能滿足大型現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要一、自動控制系統(tǒng)的基本組成一、自動控制系統(tǒng)的基本組成化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式 5組組成成自動化裝置自動化裝置被控對象被控對象測量元件與變送器測量元件與變送器自動控制器自動控制器執(zhí)行器執(zhí)行器化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n1.方框圖方框圖n在在研研究究自自動動控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)時時，為為了了便便于于對對系系統(tǒng)統(tǒng)分分析析研研究究，一一般都用方框圖來表示控制系統(tǒng)的組成。般都用方框圖來表示控制系統(tǒng)的組成。6二、自動控制的表示形式二、自動控制的表示形式帶有輸入輸出信號的方框比較點分支點圖1.4 方框的組成單元示意圖化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n下下頁頁圖圖為為液液位位自自動動控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)地地方方框框圖圖每每個個環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)表表示示組組成成系系統(tǒng)統(tǒng)的的一一個個部部分分，稱稱為為“環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)”。兩兩個個方方框框之之間間用用一一條條帶帶有有箭箭頭頭的的線線條條表表示示其其信信號號的的相相互互關(guān)關(guān)系系，箭箭頭頭指指向向方方框框表表示示為為這這個個環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的的輸輸入入，箭箭頭頭離離開開方方框框表表示示為為這這個個環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。的輸出。線旁的字母表示相互間的作用信號。6二、自動控制的表示形式二、自動控制的表示形式化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 n方方框框圖圖中中，x 指指設(shè)設(shè)定定值值；z 指指輸輸出出信信號號；e 指指偏偏差差信信號號；p 指指發(fā)發(fā)出出信信號號；q 指指出出料料流流量量信信號號；y 指指被被控控變變量量；f 指指擾擾動動作作用用。當當x 取取正正值值，z取取負負值值，e=x-z，負負反反饋；饋；x 取正值，取正值，z取正值，取正值，e=x+z，正反饋。，正反饋。第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n液位自動控制的方框圖液位自動控制的方框圖圖1-5液位自動控制系統(tǒng)方框圖7化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n其他控制系統(tǒng)其他控制系統(tǒng) 用同一種形式地方框圖可以代表不同的控制系統(tǒng)用同一種形式地方框圖可以代表不同的控制系統(tǒng)圖1-6 蒸汽加熱器溫度控制系統(tǒng) 當進料流量或溫度變化等因素引起出口物料溫度變化時，可以將該溫度變化測量后送至溫度控制器TC。溫度控制器的輸出送至控制閥，以改變加熱蒸汽量來維持出口物料的溫度不變。這個控制系統(tǒng)同樣可以這個控制系統(tǒng)同樣可以用用上頁中上頁中的方框圖表示的方框圖表示8化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n注注意意！方方框框圖圖中中的的每每一一個個方方框框都都代代表表一一個具體的裝置。個具體的裝置。9n方框與方框之間的連接線，只是代表方框之間的信號聯(lián)系，并不代表方框之間的物料聯(lián)系。方框之間連接線的箭頭也只是代表信號作用的方向，與工藝流程圖上的物料線是不同的。n工藝流程圖上的物料線是代表物料從一個設(shè)備進入另一個設(shè)備，而方框圖上的線條及箭頭方向有時并不與流體流向相一致。n自動控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n小結(jié)小結(jié)n自動控制系統(tǒng)是具有被控變量負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)是具有被控變量負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。n與自動檢測、自動操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)與自動檢測、自動操縱等開環(huán)系統(tǒng)比較，最本質(zhì)的區(qū)別，就在于自動控制系統(tǒng)有負反饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被別，就在于自動控制系統(tǒng)有負反饋，開環(huán)系統(tǒng)中，被控（工藝）變量是不反饋到輸入端的?？兀üに嚕┳兞渴遣环答伒捷斎攵说?。10舉例舉例化肥廠的造氣自動機就是典型的開環(huán)系統(tǒng)的例子化肥廠的造氣自動機就是典型的開環(huán)系統(tǒng)的例子自動操縱裝置自動操縱裝置對象對象操縱作用操縱作用工藝參數(shù)工藝參數(shù)操縱指令操縱指令圖1-7 自動操縱系統(tǒng)方框圖化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n小結(jié)小結(jié)開開環(huán)環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)：自自動動機機在在操操作作時時，一一旦旦開開機機，就就只只能能是是按按照照預預先先規(guī)規(guī)定定好好的的程程序序周周而而復復始始地地運運轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。這這時時被被控控變變量量如如果果發(fā)發(fā)生生了了變變化化，自自動動機機不不會會自自動動地地根根據(jù)據(jù)被被控控變變量量的的實實際際工工況況來改變自己的操作。來改變自己的操作。比較比較閉閉環(huán)環(huán)系系統(tǒng)統(tǒng)：有有針針對對性性地地根根據(jù)據(jù)被被控控變變量量的的變變化化情情況況而而改改變變控控制制作作用用的的大大小小和和方方向向，從從而而使使系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工作作狀狀態(tài)態(tài)始始終終等等于于或或接接近近于于所所希望的狀態(tài)。希望的狀態(tài)。11化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 2.管道及儀表流程圖管道及儀表流程圖n管道及儀表流程圖（管道及儀表流程圖（PID Piping and Instrumention diagram）是自控設(shè)計的文字代號、圖形符號在工藝流程）是自控設(shè)計的文字代號、圖形符號在工藝流程圖上描述生產(chǎn)過程控制的原理圖，是控制系統(tǒng)設(shè)計、施工圖上描述生產(chǎn)過程控制的原理圖，是控制系統(tǒng)設(shè)計、施工中采用的一種圖示形式。管道及儀表流程圖在工藝流程圖中采用的一種圖示形式。管道及儀表流程圖在工藝流程圖的基礎(chǔ)上，按其流程順序，標出相應的測量點、控制點、的基礎(chǔ)上，按其流程順序，標出相應的測量點、控制點、控制系統(tǒng)及自動信號與連鎖保護系統(tǒng)等。在控制方案確定控制系統(tǒng)及自動信號與連鎖保護系統(tǒng)等。在控制方案確定以后，由工藝人員和自控人員共同研究繪制。以后，由工藝人員和自控人員共同研究繪制。33第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 34圖1-8脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖舉例左左圖圖是是乙乙烯烯生生產(chǎn)產(chǎn)過過程程中中脫脫乙乙烷烷塔塔的的工工藝藝管管道道及及控控制制流流程程圖圖 舉例舉例化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n（1）圖形符號）圖形符號n測量點（包括檢出元件、取樣點）測量點（包括檢出元件、取樣點）35 檢試點是由工藝設(shè)備輪廓線或工藝管線引到儀表圓圈的連接線的起點，一般無特定的圖形符號，如下圖所示。必要時，檢測元件也可以用象形或圖形符號表示。圖1-9 測試點的一般表示方法化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式n連接線連接線36 通用的儀表信號線均以細實線表示。連接線表示交叉及相接時，采用下圖的形式。必要時也可用加箭頭的方式表示信號的方向。在需要時，信號線也可按氣信號、電信號、導壓毛細管等采用不同的表示方式以示區(qū)別。圖1-10 聯(lián)系線的表示法化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 工藝管道及控制流程圖工藝管道及控制流程圖儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號儀表（包括檢測、顯示、控制）的圖形符號 儀表的圖形符號是一個細實線圓圈，直徑約10mm，對于不同的儀表安裝位置的圖形符號如下表所示。37化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 工藝管道及控制流程圖工藝管道及控制流程圖38序序號號安裝位安裝位置置圖形符號圖形符號備注備注序序號號安裝位置安裝位置圖形符圖形符號號備注備注1就地安就地安裝儀表裝儀表嵌在管道嵌在管道中中4集中儀表集中儀表盤后安裝盤后安裝儀表儀表2集中儀集中儀表盤面表盤面安裝儀安裝儀表表 5就地儀表就地儀表盤面安裝盤面安裝儀表儀表3就地儀就地儀表盤面表盤面安裝儀安裝儀表表表1-1 儀表安裝位置的圖形符號表示化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 工藝管道及控制流程圖工藝管道及控制流程圖39 對于處理兩個或兩個以上被測變量，具有相同或不同功能的復式儀表時，可用兩個相切的圓或分別用細實線圓與細虛線圓相切表示（測量點在圖紙上距離較遠或不在同一圖紙上），如下圖所示。圖1-11 復式儀表的表示法化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 工藝管道及控制流程圖工藝管道及控制流程圖n（2）字母代號）字母代號 在控制流程圖中，用來表示儀表的小圓圈的上半圓內(nèi)，一般寫有兩位（或兩位以上）字母，第一位字母表示被測變量，后繼字母表示儀表的功能，常用字母代號見下表。40化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 字母字母第一位字母第一位字母后繼字母后繼字母被測變量被測變量修飾詞修飾詞功能功能ACDEFIKLMPQRSTVWYZ分析分析電導率電導率密度密度電壓電壓流量流量電流電流時間或時間程序時間或時間程序物位物位水分或濕度水分或濕度壓力或真空壓力或真空數(shù)量或件數(shù)數(shù)量或件數(shù)放射性放射性速度或頻率速度或頻率溫度溫度黏度黏度力力供選用供選用位置位置差差比（分數(shù)）比（分數(shù)）積分、累積積分、累積安全安全報警報警控制（調(diào)節(jié)）控制（調(diào)節(jié)）檢測元件檢測元件指示指示自動自動-手動操作器手動操作器積分、累積積分、累積記錄或打印記錄或打印開關(guān)、聯(lián)鎖開關(guān)、聯(lián)鎖傳送傳送閥、擋板、百葉窗閥、擋板、百葉窗套管套管繼動器或計算器繼動器或計算器驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動、執(zhí)行或未分類的終端執(zhí)行機構(gòu)表1-2 被測變量和儀表功能的字母代號41化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式42舉例舉例以以脫脫乙乙烷烷塔塔控控制制流流程程圖圖，來來說說明明如如何何以以字字母母代代號號的組合來表示被測變量和儀表功能。的組合來表示被測變量和儀表功能。塔塔頂頂?shù)牡膲簤毫α乜刂浦葡迪到y(tǒng)統(tǒng)中的PIC-207，其中第一位字母P表示被測變量為壓力，第二位字母I表示具有指示功能，第三位字母C表示具有控制功能，因此，PIC的組合就表示一臺具有指示功能的壓力控制器。該控制系統(tǒng)是通過改變氣相采出量來維持塔壓穩(wěn)定的?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式表示形式 回回流流罐罐液液位位控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中的LIC-201是一臺具有指示功能的液位控制器，它是通過改變進入冷凝器的冷劑量來維持回流罐中液位穩(wěn)定的。塔塔下下部部的的溫溫度度控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中的TRC-210表示一臺具有記錄功能的溫度控制器，它是通過改變進入再沸器的加熱蒸汽量來維持塔底溫度恒定的。塔塔底底的的液液位位控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)中的LICA-202代表一臺具有指示、報警功能的液位控制器，它是通過改變塔底采出量來維持塔釜液位穩(wěn)定的。43化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第二節(jié)第二節(jié) 自動控制系統(tǒng)的基本組成及自動控制系統(tǒng)的基本組成及表示形式表示形式n（3）儀表位號）儀表位號44 儀儀表表位位號號是由字母代號組合和阿拉伯數(shù)字編號兩部分組成。阿拉伯數(shù)字編號寫在圓圈的下半部，其第一位數(shù)字表示工段號，后續(xù)數(shù)字（二位或三位數(shù)字）表示儀表序號。舉例舉例脫乙烷塔的工藝管道及控制流程圖中PIC-206表示測量點在加熱蒸汽管線上的蒸汽壓力指示儀表，該儀表為就地安裝，工段號為2，儀表序號為06?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第三節(jié)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類n幾種分類方法幾種分類方法n按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；按被控變量來分類，如溫度、壓力等控制系統(tǒng)；n按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、按控制器具有的控制規(guī)律來分類，如比例、比例積分、比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；比例微分、比例積分微分等控制系統(tǒng)；n將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定將控制系統(tǒng)按照工藝過程需要控制的被控變量的給定值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系值是否變化和如何變化來分類，這樣可將自動控制系統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序統(tǒng)分為三類，即定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。12其中第三種分類方法最普遍其中第三種分類方法最普遍化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第三節(jié)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類 “定值”是恒定給定值的簡稱。工藝生產(chǎn)中，若要求控制系統(tǒng)的作用是使被控制的工藝參數(shù)保持在一個生產(chǎn)指標上不變，或者說要求被控變量的給定值不變，就需要采用定值控制系統(tǒng)。131.1.定值控制方法定值控制方法定值控制方法定值控制方法2.2.2.2.隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）隨動控制系統(tǒng)（自動跟蹤系統(tǒng)）給定值隨機變化，該系統(tǒng)的目的就是使所控制的工藝參數(shù)準確而快速地跟隨給定值的變化而變化。化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第三節(jié)第三節(jié) 自動控制系統(tǒng)的分類自動控制系統(tǒng)的分類3.3.程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）程序控制系統(tǒng)（順序控制系統(tǒng)）給定值變化，但它是一個已知的時間函數(shù)，即生產(chǎn)技術(shù)指標需按一定的時間程序變化。這類系統(tǒng)在間歇生產(chǎn)過程中應用比較普通。14化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標 n一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)一、控制系統(tǒng)的靜態(tài)與動態(tài)15自自動動控控制制目目的的：希希望望將將被被控控變變量量保保持持在在一一個個不不變變的的給給定定值值上上，這這只只有有當當進進入入被被控控對對象象的的物物料料量量（或或能能量量）和和流流出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。出對象的物料量（或能量）相等時才有可能。靜靜態(tài)態(tài)被被控控變變量量不不隨隨時時間間而而變變化化的的平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)（變變化化率率為為0，不是靜止）。，不是靜止）。化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標 當當一一個個自自動動控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的輸輸入入（給給定定和和干干擾擾）和和輸輸出出均均恒恒定定不不變變時時，整整個個系系統(tǒng)統(tǒng)就就處處于于一一種種相相對對穩(wěn)穩(wěn)定定的的平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)，系系統(tǒng)統(tǒng)的的各各個個組組成成環(huán)環(huán)節(jié)節(jié)如如變變送送器器、控控制制器器、控控制制閥閥都都不不改改變變其其原原先先的的狀狀態(tài)態(tài)，它它們們的的輸輸出出信信號號也也都都處處于于相相對對靜靜止止狀狀態(tài)態(tài)，這種狀態(tài)就是這種狀態(tài)就是靜態(tài)靜態(tài)。16化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標17動態(tài)動態(tài)被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)被控變量隨時間變化的不平衡狀態(tài)。從干擾作用破壞靜態(tài)平衡，經(jīng)過控制，直到系統(tǒng)重新建立平衡，在這一段時間中，整個系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)和信號都處于變動狀態(tài)之中，這種狀態(tài)叫做動態(tài)。結(jié)論：結(jié)論：在自動化工作中，了解系統(tǒng)的靜態(tài)是必要的，但是了解系統(tǒng)的動態(tài)更為重要。因為在生產(chǎn)過程中，干擾是客觀存在的，是不可避免的，就需要通過自動化裝置不斷地施加控制作用去對抗或抵消干擾作用的影響，從而使被控變量保持在工藝生產(chǎn)所要求控制的技術(shù)指標上?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標n二、控制系統(tǒng)的過渡過程二、控制系統(tǒng)的過渡過程n系統(tǒng)由一個平衡狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)的過程。18當干擾作用于對象，系統(tǒng)輸出y發(fā)生變化，在系統(tǒng)負反饋作用下，經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)重新恢復平衡。舉例舉例圖1-12 控制系統(tǒng)方框圖化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標n系統(tǒng)在過渡過程中，被控變量是隨時間變化的。被控變量隨時間的變化規(guī)律首先取決于作用于系統(tǒng)的干擾形式。n在生產(chǎn)中，出現(xiàn)的干擾是沒有固定形式的，且多半屬于隨機性質(zhì)。在分析和設(shè)計控制系統(tǒng)時，為了安全和方便，常選擇一些定型的干擾形式，其中常用的是階躍干擾。19化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標采用階躍干擾的優(yōu)點：采用階躍干擾的優(yōu)點：這種形式的干擾比較突然、危險，且對被控變量的影響也最大。如果一個控制系統(tǒng)能夠有效地克服這種類型的干擾，那么一定能很好地克服比較緩和的干擾。這種干擾的形式簡單，容易實現(xiàn)，便于分析、實驗和計算。圖1-13 階躍干擾作用20化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標n自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式自動控制系統(tǒng)在階躍干擾作用下過渡過程的四種形式21非周期衰減過程非周期衰減過程衰減震蕩過程衰減震蕩過程等幅震蕩過程等幅震蕩過程 發(fā)散震蕩過程發(fā)散震蕩過程X X？對對于于控控制制質(zhì)質(zhì)量量要要求求不不高高的的場場合合，如如果果被被控控變變量量允允許許在在工工藝藝許許可可的的范范圍圍內(nèi)內(nèi)振振蕩蕩（主主要要指指在在位位式式控控制制時時），才可采用。才可采用。化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標n三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標三、控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標n控制系統(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)的過渡過程是衡量品質(zhì)的依據(jù)。22圖1-15 過渡過程品質(zhì)指標示意圖 假定自動控制系統(tǒng)在階躍輸入作用下，被控變量的變化曲線如上圖所示，這是屬于衰減振蕩的過渡過程 多數(shù)情況下，希望得到衰減振蕩過程，在此取這種過程形式討論控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標23五種重要品質(zhì)指標之一五種重要品質(zhì)指標之一1.最大偏差或超調(diào)量最大偏差或超調(diào)量 最大偏差是指在過渡過程中，被控變量偏離給定值的最大數(shù)值。在衰減振蕩過程中，最大偏差就是第一個波的峰值。特別是對于一些有約束條件的系統(tǒng)，如化學反應器的化合物爆炸極限、觸媒燒結(jié)溫度極限等，都會對最大偏差的允許值有所限制。超調(diào)量也可以用來表征被控變量偏離給定值的程度?；瘜W工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標2.衰減比衰減比 衰減比是衰減程度的指標，它是前后相鄰兩個峰值的比。習慣表示為 n:1，一般 n 取為410之間為宜。五種重要品質(zhì)指標之二五種重要品質(zhì)指標之二24化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標五種重要品質(zhì)指標之三五種重要品質(zhì)指標之三3.余差余差 當過渡過程終了時，被控變量所達到的新的穩(wěn)態(tài)值與給定值之間的偏差叫做余差，或者說余差就是過渡過程終了時的殘余偏差。有余差的控制過程稱為有差調(diào)節(jié)，相應的系統(tǒng)稱為有差系統(tǒng)。反之就為無差調(diào)節(jié)和無差系統(tǒng)。25化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標五種重要品質(zhì)指標之四五種重要品質(zhì)指標之四4.過渡時間過渡時間 從干擾作用發(fā)生的時刻起，直到系統(tǒng)重新建立新的平衡時止，過渡過程所經(jīng)歷的時間叫過渡時間。一般在穩(wěn)態(tài)值的上下規(guī)定一個小范圍，當被控變量進入該范圍并不再越出時，就認為被控變量已經(jīng)達到新的穩(wěn)態(tài)值，或者說過渡過程已經(jīng)結(jié)束這個范圍一般定為穩(wěn)態(tài)值的（也有的規(guī)定為）。26化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標五種重要品質(zhì)指標之五五種重要品質(zhì)指標之五5.5.震蕩周期或頻率震蕩周期或頻率 過渡過程同向兩波峰（或波谷）之間的間隔時間叫振蕩周期或工作周期，其倒數(shù)稱為振蕩頻率。在衰減比相同的情況下，周期與過渡時間成正比，一般希望振蕩周期短一些為好。27化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標28某換熱器的溫度控制系統(tǒng)在單位階躍干擾作用下的過渡過程曲線如下圖所示。試分別求出最大偏差、余差、衰減比、振蕩周期和過渡時間（給定值為200）。舉例舉例圖1-16 溫度控制系統(tǒng)過渡過程曲線化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標解解 最大偏差最大偏差A A230-200230-2003030余差余差C C205-200205-200由圖上可以看出，第一個波峰值由圖上可以看出，第一個波峰值B B230-205230-2052525，第二個波峰值第二個波峰值BB21021020520555，故衰減比應為故衰減比應為B:BB:B25:525:55:15:1。振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，振蕩周期為同向兩波峰之間的時間間隔，故周期故周期T T20-520-51515（minmin）29化學工業(yè)出版社化學工業(yè)出版社 第四節(jié)第四節(jié) 自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)的過渡過程和品質(zhì)指標 分分析析 過渡時間與規(guī)定的被控變量限制范圍大小有關(guān)，假定被控變量進入額定值的2，就可以認為過渡過程已經(jīng)結(jié)束，那么限制范圍為200（2）4，這時，可在新穩(wěn)態(tài)值（205）兩側(cè)以寬度為畫一區(qū)域，上圖中以畫有陰影線