浅谈自动控制系统的过渡过程及品质指标
能源生产过程自动控制课件 第二节 自动控制系统的过渡过程及品质指标
2) 近代控制理论（状态方程 离散化 状态方程
（连续型）
（离散型）
时域分析，可分析MIMO系统
优化控制、极点配置等。
3）先进控制技术 用来控制那些常规控制无法适应的复杂工业过程控 制问题的控制技术。
核心内容： 数据采集处理和软测量技术 动态过程特性的辨识，数学模型的建立
一）单项控制指标
1.静态偏差e(∞)
e(∞)=c0-c(∞) 2.衰减比n和衰减率ψ
衰减比n：两个相邻同向波峰值之比， n=c1/c3。
衰减率ψ：每经过一个周期以后，波动幅 度衰减的百分数， ψ=(c1-c3)/c1。
3.最大动态偏差emax和超调量Mp
最大动态偏差：被控量第一个波的峰值与 给定值之差， emax=c1-c0。
机理建模方法，多变量系统动态辨识，神经网络， GP
先进控制策略研究 模型预测控制（MPC）、动态矩阵控制（DMC）、 预测函数控制（PFC）、推断控制（IC）、内模控 制（IMC）、模糊控制（FC）、神经元控制（NNC）
先进控制的实施 目标的确定， 实施平台DCS、PLC 完善底层的PID控制回路
这些问题的存在，使得当时的应用满足不了工 业生产的迅速发展。
分层计算机控制系统 监督计算机控制（SCC）+模拟控制器控制系统
SCC+DDC控制系统
3）集散型控制系统的开创期（70年代中期）
1975年Honeywell公司推出的TDC2000集散控制系统 是一个具有许多微处理器的分级控制系统，以分 散的控制系统来适应分散的过程对象，实现控制 系统的功能分散、负荷分散，从而危险也分散。
第三节 过程控制系统的发展概况
1.仪表自动化阶段 40年代前后，采用笨重的基地式仪表，生产
自动控制系统的过渡过程和品质指标
测量元件与变送器 自动控制器 执行器
自动控制系统的组成及表示形式
1、生产装置----被控对象
被控对象：在自动化系统中，将需要控制其工艺参 数的生产设备或机器——生产设备
在自动控制系统的组成中,除必须具有前面所述的自
动化装置外,还必须具有控制装置所控制的。 在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产
第四节 自动控自制动系控统制的系过统渡的过过程渡和品质指标 过程和品质指标
自动控制系统在阶跃干扰作用下过渡过程的四种形式
非周期衰减过程 √
衰减振荡过程 √
第四节 自动控自制动系控统制的系过统渡的过过程渡和品质指标 过程和品质指标
等幅振 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。
自动控制系统的方块图
小结
自动控制系统是具有被控变量负反馈的 闭环系统。它与自动测量、自动操纵等开环 系统比较,最本质的差别,就在于控制系统有 无负反馈存在。
操纵指令
操纵作用
自动操纵装置
对象
工艺参数
图1-13 自动操纵系统方块图
自动控制系统的方块图
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。
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）。
自动控制系统的过渡 过程和品质指标
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。
自动控制系统过渡过程和质量指标(工业仪表自动化)
01
衰减比：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。在右图中用 n=B/B′表示。
01
余差：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。在右图中用C表 示。
01
阶跃干扰：在某一瞬间t0干扰突然阶跃式 地加入系统，并保持在这个幅值不变。阶 跃干扰比较突然、比较危险、对控制系统 的影响最大，如果一个控制系统，能有效 克服阶跃干扰，肯定能很好地克服其它变 化比较缓和的各种干扰。 这种干扰的形式简单，容易实现，便于分 析、实验和计算。
图 1 阶跃干扰作用
02
02
（4）发散振荡过程 被控变量始终在某一幅 值的上下波动。幅度越 来越大。
图5 发散振荡过程
02
（5）非周期发散过程 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。
图6 非周期发散过程
02
小结
1、过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡状态 的过程。 2、过渡过程五种基本形式分别为：非周期衰减过程、衰减 振荡过程、等幅振荡过程、发散振荡过程和非周期发散过 程。
02
02
在一个自动控制系统投入运行时，时时刻刻都有干扰作 用于控制系统，从而破坏了正常的工艺生产状态。因此， 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。所以，一个自动控制系统在正常工作 时，总是处于一波未平，一波又起，波动不止，往复不息 的动态过程中。显然，研究自动控制系统的重点是要研究 系统的动态。
t2
t3
自动控制系统的过渡过程2
过渡过程的指标
过渡过程的质量指标包括衰减比（B/B′)、余差(C)、 最大偏差(A)、过渡过程时间和振荡周期
过渡过程的指标
①衰减比（n）：它是衡量系统稳定程度的指标。 有n>1;n=1和n<1三种情况。一般希望n在4-10范围 内较为理想。 ②最大偏差A：它是描述被控变量偏离设定值最大 程度的指标。 ③余差C:它是控制系统过渡过程结束时，被控变 量的新稳态值与设定值之间的偏差。 ④过渡时间：指被控变量从原有稳态值到新稳态 值的±5%或±3%所需时间。 ⑤振荡周期：过渡过程同向两波峰之间的时间间 隔。在衰减比相同时，周期与过渡时间成正比。
C K I
1 edt 或 C edt TI
从该表达式看出：其输出信号的大小，不仅与偏差 的大小有关，还与偏差存在的时间长短有关。所以，积 分控制是一种没有偏差的控制（理想情况下）。
调节器及基本调节规律
1.3 微分控制（D） 它的控制规律是：调节器的输出变化量与输入偏差随时 间的微分成正比，数学表达式为：
对控制系统性能的要求概括为三方面：稳，准，快
稳定性（稳）：控制系统运行的必要条件，不稳定的系统是不能工作的
动态性能（快）： 系统动态响应的快速性，系统的过渡过程越短越好
稳态性能（准）： 过渡过程结束，到达稳态后系统的控制精度的度量
稳定性
系统在受到扰动作用后自动返回原来的平衡状态的能力。如果系统受到扰动作用（系 统内或系统外）后，能自动返回到原来的平衡状态，则该系统是稳定的。稳定系统的 数学特征是其输出量具有非发散性；反之，系统是不稳定系统。
自动控制系统的过渡过程
热工测量与自动控制
静态与动态
一、静态：受控参数（控制信号）相对稳定在允许的范围
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。
自动控制系统的分类渡过程和品质指标
自动控制系统的分类渡过程和品质指标绪论自动化技术在工业、农业、科技与人们的日常生活中发挥着重要的作用。
自动化技术作为国家高科技的重要构成部分，其水平高低已成为衡量国家科技实力与各个行业现代化水平的重要标志。
化工、炼油、食品、轻工等化工类型生产过程自动化简称化工自动化。
即在化工设备上，配备一些自动化装置，自动测量生产过程中的重要工艺参数，并与计算机（或者自动操纵装置）、执行机构相配合实现对生产过程的自动操纵。
这种用自动化装置来管理化工生产过程叫化工自动化。
实现化工生产自动化目的（重要意义）1．加快生产速度，降低生产成本，提高产品产量与质量。
2．减轻劳动强度，改善劳动条件，使工人从繁重的劳动中解脱出来。
3．保证安全生产，防止事故发生与扩大，延长设备使用寿命，提高设备利用能力。
4．改变劳动方式，使工人逐步由体力劳动转向脑力劳动。
构成一个完整的生产过程操纵系统通常有操纵器、执行器、被控过程（或者被控对象）与测量变送器四个环节，其中操纵器、执行器与测量变送器都属于检测操纵仪表。
通常认为自动操纵系统由检测操纵仪表与被控过程（被控对象）两部分构成。
大型化、现代化、多品种、精细化的过程生产系统生产自动化的进展过程可分为三个阶段。
第一阶段：使用一些自动检测仪表检测要紧工艺参数，第二阶段：使用先进的自动检测仪表与操纵系统第三阶段：开始使用电子计算机操纵，生产过程操纵的进展由原先车间集中操纵转向工厂综合自动化进展（平面化管理），这是目前自动化进展的一个重要方向。
实现化工生产过程自动化，通常要包含自动检测、自动保护、自动操纵与自动操纵等方面的内容。
自动检测系统: 利用各类检测仪表对要紧工艺参数进行自动检测、指示或者记录，“熟悉”生产进行的情况。
1．自动信号与连锁保护系统：是生产中的一种安全装置。
自动信号与连锁保护系统: 对某此关键性参数设有自动信号联锁装置，当工艺参数超过了同意范围，系统自动地发出声光报警信号，以提示及时采取措施。
1.3-自动控制系统的过渡过程及品质指标
一般认为被控变量进入新稳态值的5%（或2%）范围内就已达到。
Ts越小，表示系统恢复稳定快。Ts越大，表示系统恢复稳定慢。
y Ts
0
t
控制系统的品质指标-5
振荡周期------------“快”
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间 反映了自动控制系统克服干扰的能力。
生产要求：尽量短
y
T
0
t
§1.4.4 影响过渡过程的主要因素
工艺过程（被控对象）
与自动控制系统相关的工艺部分。
自动化装置
为实现自动控制所必需的自动化仪表设备。 过渡过程品质的好坏，在很大程度上决定于对象的性质。
自动化装置的选择和调整不当，会直接影响控制质量。
自动化装置的性能也会影响控制质量。 自动化装置应按对象性质加以选择和调整，两者要很好地配合。
a为恒值
该函数可用来检测系统匀速运动的性能。 船闸匀速升降，数控机床加工斜面时的进给指令均可看作是斜坡作 用。
a=1时，r（t）=t称为单位速度函数
速度函数的拉式变换：
a F ( s ) L[ at ] 2 s
• 3）加速度函数 （抛物线函数） • （抛物线输入函数表示匀加速信号，由速度函数对时间积分得 到。）
使用典型测试信号的原因： （1）实际系统的输入信号常具有不确定性，而且其函数形 式往往不能以解析法表示； （2）分析和设计控制系统需要有一个队各种系统进行比较 的基准； （3）系统对典型测试信号的响应特性与系统对实际输入信 号的响应之间存在差距。 （4）典型测试信号是简单的时间函数，便于对控制系统进 行数学处理和实验分析。
若对脉动函数的宽度Δ取极限，则得单位脉冲函数：
∞ 0 t=0 t≠0
自动控制系统的分类、渡过程和品质指标(doc 40页)
自动控制系统的分类、渡过程和品质指标(doc 40页)生影响的系统，称为开环控制系统。
把系统(或环节)的输出信号直接或经过一些环节重新引回到输人端的做法叫做反馈。
反馈信号的作用方向与设定信号相反，即偏差信号为两者之差，这种反馈叫做负反馈；反之为正反馈。
在闭环控制系统中，把输出信号（被控变量）经过测量元件和变送器后，又返回到系统的输入端，与给定值进行比较，这种系统的输出信号直接或经过一些环节返回到系统的输入端的做法叫反馈。
负反馈反馈信号能使原来的信号减弱。
与原来信号方向相反。
正反馈反馈信号能使原来信号加强。
自动控制系统控制方法基本上是采用负反馈的方法。
自动控制系统是具有被控变量负反馈的闭环系统，§1.3自动控制系统的分类1. 按被控参数分类：温度、流量、压力、液位等控制系统。
2. 按控制系统所处理的信号方式来分：有模拟控制系统与数字控制系统。
模拟信号：在时间上是连续变化的，在任何瞬时都可以确定其数值的信号，可转换为电信号。
在生产过程中任何连续变化的物理量和物理量都属于模拟信号。
数字信号：以离散形式出现的不连续的信号，数字量的增减只能一个一个单位增加或减小。
模拟信号和数字信号可以互相转换。
4.按控制器具有的控制规律分类：位式自动控制系统、比例（P）、比例积分(PI)、比例微分(PD)、比例积分微分(PID)等控制系统。
5. 按控制系统的复杂程度简单控制复杂控制：均匀控制、串级控制、前馈控制（1）定值控制系统：被控变量的给定值恒定不变。
定值控制系统的基本任务是克服扰动对被控变量的影响，（2）随动控制系统（自动跟踪系统）：给定值是不断变化的且无规律，是随机变化的。
随动控制系统控制的目的，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。
（3）程序控制系统（顺序控制系统）：工艺参数的给定值按一定的规律变化，是已知的时间函数。
即设定值按一定的时间程序变化。
9. 按信号种类分类：气动控制系统，电动控制系统§1.4 自动控制系统的过渡过程和品质指标在自动化领域内要研究两种状态：静态和动态。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。