F1
h(t)
F2 t (b) 无自衡的非振荡液位过程
（a ）
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(三) 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，称为有自衡的振荡过 程，其响应曲线见图。
c(t)
自衡振荡过程响应曲线
刘玉长
(四) 具有反向响应过程
反向特性：起始变化方 向与最终的变化方向相反。如 锅炉汽包水位在蒸汽量突然变 化时的特性。
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(四)稳定时间ts
从阶跃扰动开始作用起至被控量又建立新 的平衡状态止，这一段时间叫做稳定时间 ( 或称 过渡时间)。 工程上规定当被控量达到稳定值的±5%(或 ±2%)的范围内时，就认为被控量已经达到了稳 定值。按这个规定，稳定时间就是从扰动开始作 用之时起，直至被控量进入稳定值的 ±5%( 或 ±2%)的范围内所经历的时间。 稳定时间短，表示过渡过程进行得比较迅 速，这时即使扰动频繁出现，系统也能适应，系 统质量较高。 刘玉长
要求:
稳
快
准
三、控制系统的品质指标
控制系统性能指标是根据系统在零初使条 件(输出量和输入量的各阶导数为0)下的单位阶 跃响应曲线计算得到的。 实际控制系统的瞬态响应曲线不同，其性 能指标定义也不一样。因为衰减振荡是一种比较 好的响应曲线，故以下针对衰减振荡过程进行介 绍【注意，有的过程不允许出现振荡】。
c(t)
具有反向特性的过程
ΔD
H0 ΔH
t
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锅炉负荷D突变时的 汽包水位H响应 特性
二、对象特性的参数
对象特性有多种描述方法，但都可以用几 个主要物理量来说明对象的特性。 以图示的储液槽液位控制对象为例，来说 明对象特性是如何描述的。
V1 F1 L V2 F2
F1 F10 L2 L0
F
F1
F2 ∆Ｆ
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(一)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。 蒸汽
1 F1 进料
L
2 储液槽
h(t) h(0) t (a) 一阶
F2
出 料 凝液 蒸汽加热器 θ(t)
θ(0)
自衡的非振荡过程
t
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(b) 二阶或高阶
(二)无自衡非振荡过程
当输入作阶跃变化后，如果不依靠外加控 制作用，不能建立起新的平衡状态，这种特性称 为无自衡，例如出水阀为定量泵时的水槽特性。
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第二节过程控制系统过渡过程和品质指标 一、静态与动态
在自动控制中，把被控量不随时间而变化 的平衡状态称为系统的静态，而把被控量随时间 而变化的不平衡状态称为系统的动态。 在生产过程中，扰动是客观存在，且是不 可避免的，因此了解系统的静态是必要的，但是 了解系统的动态更为重要。
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二、自动控制系统的过渡过程
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几个基本概念
单容过程：只有一个容积，一个容量系数
和一个时间常数。
自衡特性：对象在扰动作用，其平衡受到
破坏，在没有操作人员或控制器的干预下， 自动恢复平衡的特性。
无平衡特性：平衡状态下，一旦受到破坏，
无法自行重建平衡。
自衡率 ：表示自衡能力。一般希望它大一
些，即在很大干扰下，被控变量变化很少。
∆L
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储液槽液位和流量变化曲线
(一)放大系数K
放大系数K是一个静态特性参数，只与被控 量的变化过程起点与终点有关，而与被控量的变 化过程没有关系。其值等于输出(被控量)增量Δy 与输入(操纵量)增量Δx之比： K=Δy/Δx 被控对象的静态特性一般有两种：一种是 线性关系，另一种是非线性关系。如果静态特性 为线性关系，则对象的放大系数K可直接用上式 表示，否则采用求导的方法得到：
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性能指标定义(衰减振荡)
y(t)
B T B‘
(1+D)C (1-D)C D取0.02或0.05
C
0 td tr tp
ts
阶跃扰动作用时过渡品质指标示意图(衰减振荡) 刘玉长
(一)衰减比n= B∶B’
减比表示振荡过程的衰减程度，是衡量过 渡过程稳定性的动态指标，它等于被控量产生周 期性振荡前后两个峰值比；在图中，衰减比就是 B∶B’，习惯上表示为n∶1。 如果n = 1，则表示过渡过程曲线不衰减， 呈等幅振荡；假如n只比1稍大一点。说明过渡过 程的衰减程度很小，它与等幅振荡过程接近，由 于振荡过于频繁不够安全，一般不采用；如果 n<1，则就是发散振荡；如果n>>1，则接近非周 期衰减(或单调过程)，这都不是生产上所欢迎的。 通常以n = 4～10为宜。 刘玉长
(二)最大偏差A=B+C
最大偏差又称短时偏差，是指受控变量第 一个波峰值与设定值之差；它表示了偏离设定值 的程度（衡量）是衡量过渡过程稳定性的一个动 态指标。 (1)偏差愈大，时间越长，离生产状态愈远。 (2)工艺不希望，甚至引起生产事故。
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(三)余差C＝e(∞)＝r－y(∞)
余差C是控制系统过渡过程终了时设定值与 被控变量稳态值之差，又称长时偏差。 它是反映控制精确度的一个稳态指标，值 越小，精度越高。在实际控制过程中，余差的大 小只要能满足生产工艺要求就可以了。
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(三)滞后时间τ
对象在受到扰动作用后， 被控量不是立即变化，而是经 过一段时间后才开始变化，这 个时间就称为滞后时间，根据 其产生原因，将滞后分为纯滞 后和容量滞后两种。 1、纯滞后τ0 介质输送或热的传递需 要的时间。 τ0=l/v 式中l－传输距离，v－传输速 度。 刘玉长
(二)时间常数 Tc
时间常数Tc是说明被控量变化快慢的参数， 其值等于系统阻值R与容量C的乘积【电路中为 电阻与电容，流体流动中分别为流阻与容量(对 于水槽就是横截面积A)，等等】： Tc=RC 物理意义：是指当过程受到阶跃输入作用 后，被控变量保持初始速度变化，达到新的稳态 值所需要的时间。 时间常数Tc的求取：有很多种方法，如可根 据定义求；亦可根据响应曲线求(见教材)。 刘玉长
dy K dx
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例如图示对象，若出液阀V2 为层流阀(F2∝L)，则静态特性为 线性的，如图(b)，则放大系数为： L K=ΔL/ΔF 而当V2为紊流阀(F2∝L0.5)时， 则静态特性为非线性的，需在工 L0 作点附近采用线性化方法，使其 特性近似地视为线性，如图(c)， 此时放大系数为：
干 扰 被控量 控制通道
操纵量
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被控对象的控制通道与扰动通道
一、对象特性的类型
多数工业过程的特性分为四种类型： 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，称自衡的非震荡过程。 无自衡非振荡过程：如果不依靠外加控制作用，不能 建立起新的物料平衡状态，这种特性称为无自衡。 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，称为有自衡的振 荡过程。 具有反向特性的过程：有少数过程会在阶跃作用下， 被控变量先降后升，或先升后降，即起始时的变化方 向与最终的变化方向相反。
(五)振荡周期或频率
过渡过程曲线中同向两个波峰之间的间隔 时间叫振荡周期或工作周期，其倒数称为频率。
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(六)其他指标
延迟时间td：是指干扰开始作用起到稳态值的 50%所需要的时间。 上升时间tr：是指干扰开始作用起到第一个波峰 所需要的时间。 振荡次数N：调节时间内响应在稳态值附近波动 次数，N=ts/T 。
PV
给水
V
(a)工艺控制流程图
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(b)方框图 锅炉汽包液位控制
四、过程控制系统的分类
自动控制系统有多种分类方法，可以按被 控量分类，例如温度控制系统、流量控制系统等； 也可以按控制器的控制作用来分类，例如比例控 制系统、比例积分控制系统等。 为了便于分析自动控制系统的性质，可将 控制系统按设定值形式的不同分为三类，即定值 控制系统、程序控制系统与随动控制系统 。
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三、控制系统的工程表示
自动控制系统有两种表示方法，即方框图 与工艺控制流程图(或称管道仪表流程图)【需遵 循 “GB/T 2625-1981 过程检测和控制流程图用 图形符号和文字代号” 或其它行业标准】。
蒸汽
LT
PV
LCLeabharlann MVSV 期望值 控制器 SV LC
控制阀 V 检测变送 LT
锅炉
实际值
不同时间常数的对象及其响应曲线
(a) 水槽液位单容对象; (b)蒸汽加热单容与双容(或多容)对象
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对系统时间常数的要求
一般说来，时间常数Tc小，则对象惯性小， 被控量变化速度大，不易控制。 (1)控制通道的时间常数越大，则控制过程将越 缓慢； (2)控制通道的时间常数越小，则对系统输出越 不利； (3)在决定控制方案时，应当分析各种扰动(即 对象的各种输入)的响应情况，选择最有利的 控制通道，以便获得最佳的控制效果。
下篇 过程控制
过程控制一般是指冶金、石油、化工、电 力、轻工、建材等工业部门生产过程的自动化， 即通过采用各种自动化仪表、电子计算机等自动 化技术工具，对生产过程中某些物理参数进行自 动检测、监督和控制，以保证现代企业安全、优 质、低耗和高效益生产。
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第十章 过程控制系统基本概念
第一节 过程控制系统的组成与分类 第二节 过程控制系统过渡过程和品质指标 第三节 被控对象特性 第四节 被控过程的数学模型
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第一节 过程控制系统的组成与分类
一、过程控制系统
自动控制：就是在没有人直接参与的情况 下，利用外加的设备或装置(控制装置)，使机器、 设备或生产过程(控制对象)的某个工作状态或参 数(被控量)按照预定的规律自动地运行。 自动控制系统(Automatic Control Systems )： 是在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按 期望规律或预定程序进行的控制系统。 过程控制系统(Process Control Systems )：以 表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值 或保持在给定范围内的自动控制系统。 刘玉长