余差
给定值 1.0
h(t)
2%或5%
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0
tp
5
10
ts
t
15
20
25
24
对控制系统的性能要求： 稳：动态过程的振荡倾向和系统重 新恢复平衡工作状态的能力。
2.0
2.0
1.8 1.6 1.4
过 程1
1.5
1.2
1.0
h(t)
1.0 0.8 0.6
0.5
0.4 0.2
6
过热蒸汽温度控制系统
TC 冷 水
减 温 器
TT 温度测 量
x (t) ＋
e (t) 调节器
u (t) 执行器
q (t) 过程
y (t)
－ z (t) 测量变送
7
液位控制器
液 位 调 节 HC 器 储罐 执行器 干扰 x (t) ＋ － z (t) e (t) 调节器 u (t) 执行器 q (t) 过程 y (t)
Q1
h2
h1
Q2
29
液位控制的阶跃响应
1.2 1.0 0.8
u(t) h(t)
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 t 3 4 0 1 2 t 3 4
0.6 0.4 0.2 0.0
30
无自衡的非振荡过程：在阶跃作用 下，被控变量不能建立新的平衡状态。
20 18
过 程2
0 5 10
t
0.0 0 1 2 3 4
0.0
15
t
20 25
25
准：系统过渡到新的平衡工作状态 后或系统受到扰动后重新恢复平衡后， 最终保持的精度，反映了动态后期的 性能。
1.6 1.2
过程1
0.8
过程2
0.4
0.0 10
12
14
16
18
20
22
24
26
26
t
快：动态过程进行的时间长短，过 程时间持续很长，将使系统长时间出 现大偏差，同时也说明系统响应很迟 钝，难以复现快速变化的信号。
HT 差压变送器
测量变送
8
烤炉温度控制示意图
x (t)
e (t) 调节器
u (t) 执行器
q (t) 过程
y (t)
＋
－ z (t)
测量变送
9
控制系统的分类
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数。 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。
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 5 10
t
15
20
25
衰减振荡
17
1.0
0.8
0.6
h(t)
0.4
0.2
0.0
0
2
4
6
t
8
10
12
单调振荡
18
自动控制系统的品质指标
衰减比n：振荡过程的第一个波的振 幅与第二个波的振幅之比。
衰减率 Φ：经过一个周期后，波动 幅度衰减的百分比。
19
发散振荡 等幅振荡 衰减振荡 单调振荡
14
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 0 1 2 3 4
t
发散振荡
15
F1
2.0 1.8 1.6 1.4 1.2
h(t)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 2 4 6 8
t
10
12
14
16
等幅振荡
16
1.6 1.4 1.2 1.0
h(t)
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
31
有自衡的振荡过程：在阶跃作用下， 被控变量出现衰减振荡过程，最后趋 于新的稳态值。
具有反向特性的过程：在阶跃作用 下，被控变量起始时的变化方向与最 终的变化方向相反。
1.6 1.4
y1
1.2 1.0
h(t)
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 5
y2
y1 衰减比＝ y2 y1-y2 衰减率＝ y1
10
t
15
20
25
20
最大偏差A：被控参数第一个波的峰 值与给定值的差。
余差e：系统过渡过程终了时给定值 与被控参数稳定值之差。
21
1.6 1.4 1.2
液位 控制器
出水 控制阀
测量值 hm(t)
液位传感 测量变送器
液位控制系统的组成与方块图
4
被控变量： 给定值（设定值）： 测量值： 操纵变量（控制变量）： 干扰： 偏差信号： 控制信号：
5
闭环系统： 开环系统： 反馈：
x (t) e (t) 调节器 z (t) 测量变送 u (t) 执行器 q (t) 过程 y (t)
第九章 过程控制系统
1
一、组成与分类
Qi
h
LC
hsp Qo
手动控制
自动控制
液位控制系统
2
控制系统的组成
对象： 检测元件及变送器： 控制器： 执行器：
3
控制系统方框图
扰动 Qi(t) 设定值 hsp + _ 偏差 e(t) 控制信号 u(t) 操纵变量 Qo(t) 液体贮罐 干扰 通道 控制 通道 + + 被控变量 h(t)
1.6 1.4 1.2 1.0
过程1
h(t)
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0
过程2
5 10
t
15
20
25
27
四、过程特性
指当被控量（操纵变量或扰动变量） 发生变化时输出变量（被控变量）随时 间的变化规律。
对象特性的类型：
28
自衡的非振荡过程：在阶跃作用下， 被控变量无须外加任何控制作用、不 经振荡过程能逐渐趋于新的状态的性 质。
10
二、过程控制系统的发展概况
第一阶段（20世纪50年代）： 采用基地式仪表和部分单元组合 仪表。信号标准：0.2-1.0kgf/cm2。 第二阶段（20世纪60年代）： 采用半导体分立元件制造的电动 II型仪表，集中控制，计算机开始应 用。信号标准：0-10mADC。
11
第三阶段（20世纪70年代）： 采用电动III型仪表，DCS和PLC得 到应用。信号标准：4-20mADC。 第四阶段（20世纪80年代）： DCS广泛应用，自动化仪表数字 化、智能化，网络、通信技术应用。 第五阶段（20世纪90年代）： 现场总线控制系统和智能化仪表。
12
三、过程控制系统的过渡过程 和品质指标 自动控制系统的静态与动态
系统的静态：被控量不随时间而变 化的平衡状态。 系统的动态：被控量随时间而变化 的不平衡状态。
13
自动控制系统的过渡过程
系统的过渡过程：当系统的输入发 生变化后，被控量随时间不断变化的 过程。 过渡过程的基本形式：
最 大 偏 差
给定值 1.0
h(t)
余差
0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 5 10
t
15
20
25
22
稳定时间ts：系统过渡过程曲线进 入新的稳定值的5%或2%范围内所需的 时间。
峰值时间tp：系统过渡过程曲线到 达第一个峰值所需的时间，反映系统 响应的灵敏程度。
23
1.6 1.4 1.2