自动控制系统的组成及其质量指标_
化工仪表及自动化(厉玉鸣)(第三版)第7章自动控制系统概述
第一位字母 被测变量
分析 电导率 密度 电压 流量 电流 时间或时间程序 物位 水分或湿度 压力或真空 数量或件数 放射性 速度或频率 温度 黏度 力 供选用 位置
后继字母 修饰词 功能
报警 控制（调节）
差 检测元件 比（分数） 指示 自动-手动操作器
积分、累积 安全
积分、累积 记录或打印 开关、联锁 传送 阀、挡板、百叶窗 套管 继动器或计算器 驱动、执行或未分类的终端执行机构
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）。
19
第三节 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。
9
第二节 自动控制系统的方块图
方块图中， x 指设定值；z 指输出信号；e 指偏差信 号；p 指发出信号；q 指出料流量信号；y 指被控变 量；f 指扰动作用。当x 取正值，z取负值，e= x- z， 负反馈；x 取正值，z取正值， e= x+ z，正反馈。
图7-6 自动控制系统方块图
10
第二节 自动控制系统的方块图
31
第三节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之五
（5）震荡周期或频率
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振 荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同 的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短 一些为好。
32
第三节 过渡过程和品质指标
举例
某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过 渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、 衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。
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
自动控制系统的基本知识(上篇)
自动控制系统的基本知识（上篇）在现代工业生产中，自动控制技术起着越来越重要的作用。
所谓自动控制，是指在人不直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象（如机器、设备或生产过程）自动地按照预定的规律运行或变化。
自动控制系统，是指能够对被控对象的工作状态进行自动控制的系统，一般是由控制装置和被控对象组成的。
各种自动控制系统都有衡量其性能优劣的具体性能指标。
控制装置在自动控制系统中起着十分重要的作用，自动调节系统中的调节器决定了系统的控制规律，对系统的控制技师有着很大影响。
理论简介自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学。
自动控制理论按其发展过程，可分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。
它的发展初期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，到五十年代末期，自动控制理论已经形成比较完整的体系，通常把这个时期以前所应用的自动控制理论，称为经典控制理论。
经典控制理论，以传递函数为基础，主要研究单输入、单输出的反馈控制系统，采用的主要研究方法有时域分析法、根轨迹和频率法。
进入六十年代以来，随着自动控制技术的发展，出现了新的控制理论一一现代控制理论。
现代控制理论，以状态空间法为基础，主要研究多变量、变参数、非线性、高精度及高效能等各种复杂控制系统。
现代控制理论已成功地应用在航天、航空、航海及工业生产等许多方面。
目前，现代控控制理论正在大系统工程、人工智能控制等方面向纵深发展。
经典控制理论和现代控制理论，两者相轴相成，各有其应用场合。
常用术语1）被控对象被控对象是一个设备，由一些机械或电器零件组成，其功能是完成某些特定的动作，这些动作通常是系统最终输出的目标2）系统系统是由一些部件组成的，用以完成一定的任务。
3）环节环节是系统的一个组成部分，它由控制系统中的一个或多个部件组成，其任务是完成系统工作过程中的局部过程。
4）扰动扰动是一种对系统的输出量产生反作用的信号或因素。
若扰动产生于系统内部，则称为内扰；若其来自于系统外部，则称为外抗。
自动控制系统概述
第一节 自动控制系统的组成
自动控制系统的组成：控制器、执行器、被控对象及 测量变送环节四部分组成。
自动控制系统方块图
第一节 自动控制系统的组成
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生产设备。
在自动控制系统中,将需要控制其工艺参数的生产设
备、机器、一段管道或设备的一部分叫做被控对象,简 称对象。
第四节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之四
（4） 过渡时间
从干扰作用发生的时刻起，直到系统重新建立新的平 衡时止，过渡过程所经历的时间叫过渡时间。一般在稳态 值的上下规定一个小范围，当被控变量进入该范围并不再 越出时，就认为被控变量已经达到新的稳态值，或者说过 渡过程已经结束这个范围一般定为稳态值的±５％（也有 的规定为±２％）。
第四节 过渡过程和品质指标
五种重要品质指标之五
（5）震荡周期或频率
过渡过程同向两波峰（或波谷）之间的间隔时间叫振 荡周期或工作周期，其倒数称为振荡频率。在衰减比相同 的情况下，周期与过渡时间成正比，一般希望振荡周期短 一些为好。
第四节 过渡过程和品质指标
举例 某换热器的温度控制系统在单位阶跃干扰作用下的过 渡过程曲线如下图所示。试分别求出最大偏差、余差、 衰减比、振荡周期和过渡时间（给定值为200℃）。
阶跃干扰作用
第四节 过渡过程和品质指标
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 √
衰减震荡过程
√
对于控制质量要求不 高的场合，如果被控
等幅震荡过程 ？变的量范允围许内在振工荡艺（许主可要
指在位式控制时）， 才可采用。
发散震荡过程
X
自动控制系统的组成及其质量指标
自动控制系统的组成及其质量指标自动控制系统是指通过传感器、执行器、控制器和反馈装置等组成的系统，用来实现对其中一过程或设备进行自动调节和控制的一种装置。
它是现代工业生产中的重要组成部分，广泛应用于各个领域，如工厂生产线、交通系统、环境控制等。
1.传感器：传感器是自动控制系统中的输入设备，用于获取被控制对象的参数或状态信息。
常用的传感器有光电传感器、温度传感器、压力传感器等。
传感器能够将被测量的物理量转换为电子信号，传输至控制器进行处理。
2.执行器：执行器是自动控制系统中的输出设备，用于根据控制信号执行相应的操作。
常见的执行器有电动阀门、电动机、气动阀门等。
执行器能够根据控制器的信号实现对被控制对象的控制或操作。
3.控制器：控制器是自动控制系统中的核心部件，用于接受传感器采集到的数据并进行处理，产生相应的控制信号。
常用的控制器有PLC（可编程逻辑控制器）、DCS（分布式控制系统）、PID控制器等。
控制器的主要任务是根据设定的控制算法对输入信号进行处理，产生输出信号控制执行器的工作状态。
4.反馈装置：反馈装置是自动控制系统中的重要组成部分，用于将被控对象的状态信息反馈给控制器，以实现对系统的闭环控制。
常见的反馈装置有位置传感器、速度传感器等。
反馈装置能够及时将被控对象的实际状态反馈给控制器，使得控制器能够根据实际情况对控制信号进行调整。
1.稳定性：稳定性是指控制系统在任何扰动条件下都能保持稳定的性能。
对于一个稳定的控制系统，无论输入条件如何变化，系统的输出都能回到期望状态，并保持在一个可接受的范围内。
2.精度：精度是指控制系统在给定输入情况下能够实现预期的输出。
对于一个精度较高的控制系统，其输出与预期输出的误差较小，能够满足控制要求。
3.响应时间：响应时间是指控制系统从接收到输入信号开始产生输出信号所需要的时间。
对于一些需要实现快速调节的系统，较短的响应时间是非常重要的指标。
4.鲁棒性：鲁棒性是指控制系统对于参数变化或外部扰动的抗干扰能力。
自动控制系统的过渡过程及品质指标分解
• (2)动态
• 生产过程中干扰不断产生，自动控制系统的静态随时被打破， 使被控参数变化。在这个过程中，系统各环节都处于运动状 态，所以称为动态。
控制过程：动态
控制
静态
干扰
动态
控制
新的静态
过渡过程：系统由一个平衡状态过渡到另一个平衡过程
静态是暂时的，动态是普遍的
干扰作用使被控变量偏离给定值，打破平衡，控制作用使被控
给定值恒定不变。 （例：液位控制系统） 作用：克服扰动对被控变量的影响，使被控变量回到设定值。
随动控制系统（自动跟踪系统）
给定值不断地随机变化。 （例：比值控制系统） 作用：使被控变量能够尽快、准确无误地跟踪设定值的变化而变化。
控制系统的品质指标-1
最大偏差A（超调量B ）------------“稳”
• （3）衰减振荡过程 • 被控变量在给定值附近上下波动，但振幅逐渐减小， 最终能回到给定值，如图1.27(c)所示。 • （4）等幅振荡过程 • 被控变量在给定值附近上下波动且振幅不变，最终也 不能回到给定值，如图1.27(d)所示。
• （5）发散振荡过程 • 被控变量在给定值附近来回波功，而且振幅逐渐增大， 偏离给定值越来越远，如图所示。
• 1.3 自动控制系统的过渡过程及品质指标 • 1.3.1 典型输入信号
• 为比较系统性能优劣，对于外作用信号和初始状态 做典型化处理。规定控制系统的初始状态均为零状 态，即在外作用信号加于系统的瞬时（t=0）之前， 系统是相对静止的，被控量和各阶导数相对于平衡 工作点的增量为零。 • 规定一些具有特殊形式的信号作为系统的输入信号， 这些典型的输入信号反映系统的大部分实际情况。
C=y(∞)-X 反映了控制的精确程度，希望余差足够小。 C≠0，有余差，有差调节，有差系统。 C = 0，无余差，无差调节，无差系统。
石油化工自动化及仪表概论2自动控制系统的性能指标及要求
(2-8)
（4）时间乘以偏差绝对值的积分（ITAE）
f (e,t) e t, J 0 etdt
(2-9)
例2-1 某化学反应器工艺规定操作温度为900±7℃。考虑 安全因素，生产过程中温度偏离给定值最大不得超过 45℃。现在设计的温度控制系统在最大阶跃干扰作用下 的过渡过程曲线如图2-6所示。试求系统的过渡过程品质 指标：最大偏差，余差，衰减比和过渡时间。根据这些 指标确定该控制系统能否满足题中所给的工艺要求，请 说明理由。
动态指标。它是阶跃响应曲线上前后相邻的两个同向波的
幅值之比，用符号n表示，即
n B B'
式中 B——第一个波的幅值
(2-1)
B——第二个波的幅值
B和B的幅值均以新稳态值为准进行计算。
2. 最大偏差和超调量
最大偏差是指过渡过程中，被控变量偏离给定值的最 大值。在衰减振荡过程中，最大偏差就是第一个波的峰值 ，如图2-5中以A表示。
差系统。没有余差的控制过程称为无差调节，相应的系统
称为无差系统。
4．调节时间 调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间，又称为
过渡时间。 过渡过程要绝对地达到新的稳态，理论上需要无限长的
时间。但一般认为当被控变量进入新稳态值 5%或 2%范内, 并保持在该范围内时，过渡过程结束，此时所需要的时间称 为调节时间。调节时间是反映控制系统快速性的一个指标。
稳定性和快速性反映了系统在控制过程中的性能。系 统在跟踪过程中，被控量偏离给定值越小，偏离的时间越 短，说明系统的动态精度偏高，如图2-2中的曲线②所示 。
3. 准确性 是指系统在动态过程结束后，其被控变量（或反馈量
）对给定值的偏差而言，这一偏差即为稳态误差，它是衡 量系统稳态精度的指标，反映了动态过程后期的性能。
自动控制系统的基本概念
自动控制系统的基本概念第一节自动控制系统的组成及分类一、自动控制系统的组成在工业生产中，各种生产工艺过程都必须在规定的工况条件下进行。
如精馏塔的塔顶温度或塔底温度要保持在期望值，化学反应器内的反应温度要保持稳定，锅炉汽包水位要维持在规定范围内，调和作业时的配比关系要达到规定的比值范围等。
这些生产过程中的工艺变量，需要根据工艺要求严格控制。
控制分人工控制和自动控制两种。
在绪论中以储罐液位系统为例介绍了人工控制和自动控制的基本概念。
自动控制是在人工控制约基础上发展起来的，它是在生产设备上配备一些自动控制装置，对生产过程中重要的工艺变量进行控制，使生产过程自动地维持预定工况。
自动控制装置和被控对象组成了自动控制系统。
为进一步了解自动控制系统，再来分析一个实例。
图13-1和13-2所示为一蒸汽加热器的温度人工和自动控制系统。
生产中利用蒸汽作为载热体对温度较低的进料进行加热，工艺上希望保持出料温度t在一个恒定的数值。
在这里，蒸汽加热器是被控对象，t是所要控制的变量，即被控变量，工艺上期望的t的数值是给定值。
蒸汽流量、进料流量、进料温度等发生变化时，都会使出料温度发生变化，即系统的干扰。
此处，采用的控制手段是调整加热蒸汽阀门的开度，改变蒸汽流量，来维持出料温度的恒定。
蒸汽流量是操纵变量。
若采用人工控制，当流体流量、进料温度等干扰使出料温度偏离工艺期望值时，操作工的调节过程是这样的：(1)用眼睛观察加热器出口温度指示仪表；(2)通过大脑计算出温度指示值与工艺期望值之间的差值，即偏差，根据偏差大小及方向发出相应操作命令；(3)根据大脑的操作命令，通过手去改变蒸汽阀门开度；(4)反复执行上述过程，直到出口温度回到期望值。
操作工通过眼、脑、手相互配合，灾现了检测偏差，然脱纠正偏差的控制过程，自动控制实际上是用自动控制装置来实现上述过程。
为了实现这一过程，用测量变送器、控制器和执行器去代替操作工的眼、脑、手，将它们按功能连接在一起与被控对象组成了一个自动控制系统。
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在闭YAN环GTZE系NOR统MA中L UNI，VERS系ITY 统的输出信号 a 为被控 参数，它通过传感器这个环节再返回到系统 的输入端，与给定值 G 比较 ，这种将系统的 输出信号引回到输入端的过程叫反馈。
若按给定值的给定变化规律来分
定值控制系统——将被控制量保持在某一定值或很小的范围中的控制系统 程序控制系统——被控量的给定值按预定的时间程序而变化的控制系统 随动控制系统——被控量的给定值随时间任意地变化的控制系统
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•若按控制动作与时间的关系来分
•连续控制系统 •断续控制系统
静态：输入不变，调节系统在调节器的自动调节作用下，被调量 不再随时间变化的平衡状态
动态：被调量随时间变化，系统处于不平衡状态 一个运行的系统，时时刻刻都有扰动作用于对象，被调量偏离设
定值，重点应研究系统和环节的动态特性上。
定值YANG控TZE制NOR系MAL统UNIV受ERSI到TY 阶跃干扰后，过渡过程 有四种基本形式
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1.1自动控制系统的组成及其质量指标
自动控制系统组成、方框图及常用术语
重点
自动控制系统的分类
自动控制系统的质量指标
重点
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
1.1.1自动控制系统组成、方框图
组成
受控对象（过程） ：工作的机器、装备或生产过程等， 从传感器到执行器之间
被控量（热工参数、被控参数）：表征其工作状态的物理 量如T,P,湿度,流量,液位……
传感器（测量变送）：对被控量进行测量（转换成标准信 号）的装置，成比例地转变其他物理量
控制器（调节器）：把测定值和设定值进行比较的装置 执行器（调节阀）：把调节器的指令成比例地转换为直线
或角位移地装置 自动控制系统：受控对象和控制装置的总体，由控制对象
•如按控制器使用的能源种类分
•气动控制系统 •液动控制系统 •电动控制系统
按系YA统NG的TZE结NO构RM特A点L U分NIV类ERSITY
反馈控制系统 前馈控制系统 前馈－反馈控制系统
若按控制器的控制规律分
双位控制系统 比例控制系统 比例积分控制系统 比例微分控制系统 比例积分微分控制系统
间的物料联系 每个方框都有一个输入信号和一个输出信号
干扰
θ
+
G
e (t)
p (t)
q (t)
θa
－
控制器
执行器
被控对象
θz 传感器
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
液位控制器
液 位 调 节 HC 器
储罐
HT 差压变送器
执行器 干扰
x (t) e (t)
u (t)
q (t)
y (t)
一个和偏差 e 成一定关系的控制量 p ，去调节
执行机构，改变输入到控制对象中的能量 q ，
克服干扰造成的影响，使被控参数又趋于给定 值。可见，负反馈控制的实质是以偏差克服偏 差的控制过程。自动控制系统的基本功能是信 号的测量、变送、比较和加工。
YANGTZE N1OR.M1A.L2UN自IVE动RSIT控Y 制系统的分类
控制器
执行器
被控对象
＋
－ z (t)
传感器
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图1-2 室温自动控制系统框图
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干扰
θG
e (t)
p (t)
q (t)
θa
控制器
执行器
被控对象
θz 传感器
干扰作用通过干扰通道影响被控参数，而 控制作用通过控制通道影响被控参数。
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY自动控制系统的方框图
控制器：
执行器：
被控对象：从传感器到调节阀之间的管道设备
传感器：
干扰
θG
e (t)
p (t)
q (t)
θa
控制器
执行器
被控对象
θz 传感器
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方框图的画法
每个方框表示组成该系统的一个环节 两个方框之间一条带有箭头的连线表示其相互关系，不表示方框之
和自动控制设备组成
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图1-1 室温自动 qa一外侵热量 θa一室内温度θb一室外温度 θc一送风温度
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
为了研究自动控制系统组成环节之间的相互影响和信号联系，通 常使用自动控制系统方框图来表示自动控制系统。
自动控制系统在干扰和控制的共同作用下， 从一个稳定状态变化到另一个稳定状态期间 被控参数随时间的变化过程称为自动控制系 统的过渡过程。自动控制系统过渡过程也就 是系统的动态特性，它包括静态和动态。研 究过渡过程的目的就是为了研究控制系统的 品质。
系统的静态和动态 YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
图1—4 过渡过程的基本形式
a)发散振荡过程 b)等幅振蔼过程 c)衰减振荡过程 d)单调衰减过程
YANGTZE NORMAL UNIVERSITY
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
1
2
t
发散振荡
被测输出信号减弱输入信号的反馈，称为负 反馈；反之称正反馈。
干扰
θG
e (t)
p (t)
q (t)
θa
控制器
执行器
被控对象
θz 传感器
负反YA馈NGT控ZE N制ORM具AL U有NIVE自RSITY动修正被控参数偏离给定 值的能力，控制精度高，适应面广，是基本的 控制系统。负反馈控制系统的工作原理是：当 干扰作用 f 发生后，被控参数 a 偏离给定值， 这种变化被传感器测出 z 并送到控制器的比较 环节与给定值G 比较，得出偏差 e G z，偏差 输入到控制器中，经过控制器加工运算，输出
YANGT1ZE.N1O.R3MA自L UN动IVE控RSIT制Y 系统的质量指标
基本概念
自动化领域内，把被控参数不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态 把被控参数随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。双位控制系统
阶跃干扰——典型干扰作用
图1—3 阶跃干扰作用
YANGTZE NORMAL UNIV一ERS、ITY 自动控制系统的过渡过程