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。图7-6是这种单位阶跃干扰作用下的衰减振荡过程示意图。因为在多数情况下，都希望得到图7-6中所示曲线那样的过渡过程，所以，下面我们用它来作为衡量控制系统质量的依据，从而给出习惯上所用的以下几个品质指标。

1、余差C

余差就是过渡过程终了时的残余偏差，也叫静差。在图7-6中以C

表示也就是被控变量新的稳定值与给定值的差值，其值可以是正也可以是负。在生产中，给定值是生产要求的技术指标，所以被控变量越接近给定值越好，但是，实际上并不需要每个系统的余差都是越小越好。

2、最大偏差的超调量A

最大偏差就是被控变量偏离给定值的最大值，也就是图7-6中的第一个波的峰值A。最大偏差值表示工艺状态偏离给定值的状态，偏离程度大，偏离时间长，这是系统不希望的。

3、衰减比λ

表示衰减程度的指标称衰减比，也就是曲中前后两个相邻波的峰值之比，即B：B1，习惯上用λ：B1表示。根据经验，衰减比宜选在4：1至10：1之间。

4、过渡时间（或回复时间）Ts

从干扰作用产生后，到过渡到另一个新的平衡状态所需的时间就是过渡时间。从理论上讲，衰减振荡过渡过程要求达到新的平衡需要无限长的时间，但是一般认为被控变量回复到允许范围△（△一般为稳态值的±5%）内就达到稳定，过渡过程结束。所以，过渡时间是从干扰开始作用时起到被控变量达到稳态值的±5%范围的这段时间。

5、其他指标

还有一些品质指标，如振荡周期，振荡次数。所谓振荡周期是指过渡过程同向两个波峰之间的间隔时间；而振荡次数则是指在过渡过程时间内的振荡频率。

综上所述，过渡过程的品质指标主要有余差、衰减比，最大念头或

超调量，过渡时间等。这些指标在不同的系统中各有其重要性，且相互间有联系。因此，应根据具体情况分清主次区别轻重，对于主要指标应优先予以保证。

四、影响控制系统过渡过程品质的主要因素

从前面的讨论中得知，一个自动控制系统由工艺过程部分（也包括实现工艺过程中的设备等）都对控制质量有影响。

然而，在诸多因素中，被控对象自身的性能对系统的控制质量在很大程度上起着决定性的作用。自动化装置部分指的是为实现自动控制所必需的自动化仪器设备，通常是变送器，控制器和控制阀这三部分。

影响对象性质的因素主要有：换热器的负荷大小，换热器的结构尺寸，材质以及换热器结垢程度等。对已有生产装置，对象特征一般都是基本确定了的，很难加以改变，自动化装置应按对象性质和控制要求加以选择和调整，两者要配合得当，否则会直接影响控制变量。

五、提交控制系统过渡过程及品质指标的措施

1、人工调节和自动调节

（1）观察（检测），用眼睛观察玻璃液位计中液位高度，并将信息通过神经系统传递给大脑中枢；

（2）思考（运算），命令大脑将观察到的液位与工艺规定的液位加以比较，计算出偏差；然后根据比偏差的大小及变化的趋势，思考决策，再发出操作指令。

（3）执行，根据大脑发生的指令，通过手去改变出口流量，进而改变液位。

2、其自动化装置分为三部分

（1）测量元件与变送器，用于测量液位，并将测得的液位转化成标准信号输出。

（2）控制器：接受变送器送来的信号，并与工艺要求的液位高度进行比较，计算出偏差的大小，并按某种运算规律算出结果，再将其标准信号发送到执行器。

（3）执行器：在油（气）生产过程中使用的执行器主要有气动薄膜控制阀和电动执行机构，简称控制阀。它接受控制器传来的操作指令信号，改变阀门的开度以改变物料或能量的大小，从而起到控制作用。

六、总结

总之，影响自运控制系统过渡过程品质的因素很多，在系统设计和运行过程中，必须抓住“被控对象”特征这一主要矛盾，制订方案采取措施。在以后的学习和生活中，将对组成自动控制系统的各环节——被控对象、变送器、控制器和执行器分别加以了解，只有充分了解这些环节的作用和特征后，才能进一步研究和分析自动控制系统，提高控制质量。

参考文献

[1] 辜忠涛主编控制与调节仪表

[2] 吴勤勤主编控制仪表及装置

[3] 刘铁范主编钻井仪表