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过程装备控制技术及应用,本科生课程,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,概念1：过程装备控制：是指在过程设备上，配上一些自动化装置以及合适的自动控制系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使设计、制造、装备、安装等在不同程度上自动地进行。,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,概念2：生产过程自动化：利用自动化装置来管理生产过程的方法。,第一章 控制系统的基本概念,问题一：生产过程自动化系统包含的内容？四个部分的内容：自动检测系统信号联锁系统自动操纵系统自动控制系统,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,自动检测系统 采用各种检测仪表(如热电偶、热电阻、压力传感器等)自动连续地对各种工艺变量(如温度、压力、流量、液位等)进行测量，并将测量结果用仪表(如动圈仪表、电子电位差计等)指示记录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传送给控制系统，作为自动控制的依据。,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,作用：通过随时了解生产过程中各工艺参数的变化情况，来控制不断进行着各种物理化学变化的生产过程。,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,信号联锁系统 信号联锁系统是一种安全装置。在生产过程中，有时由于一些偶然因素的影响会导致某些工艺变量超出允许的变化范围，使生产不能正常运行。严重时甚至会引起燃烧、爆炸等事故。为了确保安全生产，常对这些关键性变量设置信号报警或联锁保护装置。,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,作用：是在事故发生前，自动地发出声光报警信号，引起操作员的注意以便及早采取措施。若工况已接近危险状态，信号联锁系统将启动：打开安全阀，切断某些通路或紧急停车，从而防止事故的发生或扩大。,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,自动操纵系统 这是一种根据预先规定的程序，自动地对生产设备进行某种周期性操作，极大地减轻操作人员的繁重或重复性体力劳动的装置。例如，合成氨造气车间煤气发生炉的操作就是按照程序自动地进行的，如自动进行吹风、上吹、下吹制气、吹净等步骤，周期性地接通空气与水蒸气，实现自动操纵。,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,自动控制系统 利用一些自动控制仪表及装置，对生产过程中某些重要的工艺变量进行自动调节，使它们在受到外界干扰影响偏离正常状态后，能够自动地重新回复到规定的范围之内，从而保证生产的正常进行。,问题二：过程装备控制的内容？过程装备控制是工业生产过程自动化的重要组成部分，它主要是针对过程装备的主要参数进行控制。主要参数：,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,温度压力流量,液位（物位）成分物性,问题三：工业生产过程对过程装备控制的要求？很多，主要有三项要求：安全性经济性稳定性,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,安全性 是指在整个生产过程中，确保人身和设备的安全，这是最重要也是最基本的要求。方法：通常是采用越限报警、事故报警和连锁保护等措施加以保证。随着控制技术和计算机技术的不断发展，在线故障预测和诊断、容错控制等技术可以进一步提高系统的安全性。,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,经济性 是指在生产同样质量和数量产品所消耗的能量和原材料最少。也就是要求生产成本低而效率高。随着市场竞争加剧和能源的匮乏，经济性已越来越受到各方面的重视。,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,稳定性 是指系统应具有抵抗外部干扰，保持生产过程长期稳定运行的能力。在生产过程中，原材料成分变化、反应器内催化剂老化、换热器表面结垢等都会或多或少地影响生产过程稳定性。,问题四：过程装备控制的任务？在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据上述三项要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用合适的技术手段加以实现。因此可以说，过程装备控制是控制理论、工艺知识、计算机技术和仪器仪表等相结合而构成的一门综合性应用科学。,第一章 控制系统的基本概念,第一节 概 述,第二节 控制系统的组成,一、过程装备的控制 工业生产过程都是在一定的温度、压力、浓度、物位等工艺条件下进行的。为此，必须对这些工艺变量进行控制，使其稳定在保证生产正常运行的范围之内。为了实现控制要求，通常有两种方式可以选择：人工控制和自动控制。下面以锅炉汽包水位控制为例，说明人工控制与自动控制的执行过秤。,第一章 控制系统的基本概念,第一章 控制系统的基本概念,（a）人工控制（b）自动控制图1-1 锅炉水位控制示意图,第二节 控制系统的组成,自动控制与人工控制比较：在自动控制系统中，测量仪表、控制仪表、自动调节阀分别代替人工控制中人的观察、思考和手动操作，因而大大降低了人的劳动强度；同时由于仪表的信号测量、运算、传输、动作速度远远高于人的观察、思考和操作过程，因此自动控制可以满足信号变化速度快、控制要求高的场合。,第一章 控制系统的基本概念,第二节 控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,二、控制系统的组成由两大部分组成：起控制作用的全套自动控制装置，包括测量仪表、变送器、控制仪表以及执行器等；自动控制装置控制下的生产设备，即被控对象如锅炉、反应器、换热器等。,第二节 控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,图1-1(b)中，锅炉、差压变送器、调节器、执行器等构成了一个完整的自动控制系统。系统各部分的作用如下。,第二节 控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,被控对象 在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产设备或机器称为被控对象，简称对象。,第二节 控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,在化工生产中，各种塔器、反应器、泵、压缩机以及各种容器、贮罐、贮槽，甚至一段输送流体的管道或者复杂塔器(如精馏塔)的某一部分都可以是被控对象。图1-1中的锅炉即为锅炉汽包水位控制系统中的被控对象。,第二节 控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,测量元件和变送器 测量需控制的工艺参数并将其转化为一种特定信号(电流信号或气压信号)的仪器，在自动控制系统中起着“眼睛”的作用，因此要求准确、及时、灵敏。,第二节 控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,调节器 又称控制器，它将检测元件或变送器送来的信号与其内部的工艺参数给定值信号进行比较，得到偏差信号：根据这个偏差的大小按一定的运算规律计算出控制信号，并将控制信号传送给执行器。,第二节 控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,执行器 接受调节器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而改变输送给被控对象的能量或物料量。最常用的执行器是气动薄膜调节阀。当采用电动调节器时，调节阀上还需增加一个电气转换器。,第二节 控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,辅助装置 例如给定装置、转换装置、显示仪表等。其中显示仪表可以是单独的仪表，也可以是测量仪表、变送器和调节器里附有的显示部分。,第二节 控制系统的组成,第一章 控制系统的基本概念,第三节 控制系统的方框图,定义：在研究控制系统时，为了能够更清楚地表示出控制系统中各个组成部分之间的相互影响和信息联系，一般用方框图来表示控制系统的组成和作用。,第一章 控制系统的基本概念,第三节 控制系统的方框图,图1-2 简单控制系统方框图,2,1,第一章 控制系统的基本概念,环节：图中的每一个方框代表控制系统的一个组成部分，称为“环节”。环节具有单向性，即任何环节只能由输入得到输出，不能逆行。加法器：方框图中的圆圈称为“加法器”，用于信号相加或相减，当两个信号相减 即e=ys ym，又称为比较元件。,第三节 控制系统的方框图,第一章 控制系统的基本概念,箭头：连接两个环节的带箭头的线条表示控制系统中传递的信息，也就是系统中各环节输入输出的变量。箭头指出了信息的作用方向：箭头送入的信息为该环节的输入信号，箭头送出的信息为该环节的输出信号。每一个环节输出信号与输入信号之间的关系仅取决于该环节自身的特性。从整个系统来看，给定值信号和干扰信号是输入信号，被控变量或其测量值是系统的输出信号。,第三节 控制系统的方框图,第一章 控制系统的基本概念,方框图中一些控制系统常用术语：被控变量y：需要控制的工艺参数，如锅炉汽包的水位、反应器温度、燃料流量等。它是被控对象的输出信号。在控制系统方框图中，它也是自动控制系统的输出信号。但它是理论上的真实值，由测量变送器输出的信号是被控变量的测量值ym。,第三节 控制系统的方框图,第一章 控制系统的基本概念,给定值(或设定值)ys：对应于生产过程中被控变量的期望值。当其值由工业调节器内部给出时称为内给定值。最常见的内给定值是一个常数，它对应于被控变量所需保持的工艺参数值；当其值产生于外界某一装置，并输入至调节器时称为外给定值。,第三节 控制系统的方框图,第一章 控制系统的基本概念,测量值ym：由检测元件得到的被控变量的实际值。操纵变量（或控制变量）m：受控于调节阀，用以克服干扰影响，具体实现控制作用的变量称为操纵变量，它是调节阀的输出信号。在图l-1所示的例子中，就是锅炉的给水流量。化工、炼油等上厂中流过调节阀的各种物料或能量，或者由触发器控制的电压或电流都可以作为操纵变量。,第三节 控制系统的方框图,第一章 控制系统的基本概念,干扰（或外界扰动）f：引起被控变量偏离给定值的，除操纵变量以外的各种因素。最常见的干扰因素是负荷改变，电压、电流的波动，气候变化等。锅炉水位控制中，蒸汽用量的变化就是一种干扰。,第三节 控制系统的方框图,第一章 控制系统的基本概念,偏差信号e：在理论上应该是被控变量的实际值与给定值之差，而能够直接获取的信息是被控变量的测量值，因此，通常把给定值与测量值的差作为偏差，即e=ys-ym。在反馈控制系统中，调节器根据偏差信号的大小去控制操纵变量。控制信号u：控制器将偏差按一定规律计算得到的量。,第三节 控制系统的方框图,按被控变量的不同按调节器的控制规律按给定值的特点按系统输出信号对操纵变量影响按系统的复杂程度按系统克服干扰的方法,第一章 控制系统的基本概念,第四节 控制系统的分类,分析自动控制系统的特性时常用,分类方法很多：,分类一：按被控变量的不同温度控制系统流量控制系统压力控制系统液位控制系统成分控制系统其它等,第一章 控制系统的基本概念,第四节 控制系统的分类,分类二：按调节器的控制规律比例控制系统比例积分控制系统比例微分控制系统比例微分积分控制系统其它等,第一章 控制系统的基本概念,第四节 控制系统的分类,分类三：按给定值的特点定值控制系统随动控制系统程序控制系统,第一章 控制系统的基本概念,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,定值控制系统 该系统的给定值是恒定不变的，因此称为“定值”。控制系统的输出(即被控变量)应稳定在与给定值相对应的工艺指标上，或在规定工艺指标的上下一定范围内变化。在生产过程中，大多数场合要求被控变量保持恒定或在给定值附近。因此，定值控制系统是生产过程控制中最常见的。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,随动控制系统 该系统的给定值是一个不断变化的信号，而且这种变化不是预先规定好的，也就是说给定值的变化是随机的。这类系统的主要任务是使被控变量能够迅速地、准确无误地跟踪给定值的变化，因此这类系统又称为自动跟踪系统。在生产过程中，多见于复杂控制系统中。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,程序控制系统 该系统的给定值也是一个小断变化的信号，但这种变化是一个已知的时间函数，即给定值按一定的时间程序变化。这类系统在间歇生产过程中的应用比较广泛，如食品工业中的罐头杀菌温度控制、造纸工业中制浆蒸煮温度控制等，它们要求的温度指标不是一个恒定的数值，而是一个按工艺规程规定好的时间函数，具有一定的升温时间、保温时间、降温时间等。,第四节 控制系统的分类,分类四：按系统输出信号对操纵变量影响闭环控制开环控制,第一章 控制系统的基本概念,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,闭环控制 在该系统中，系统输出信号的改变会返回影响操纵变量，所以操纵变量不是独立的变量，它依赖于输出变量。闭环控制系统的最常见形式是负反馈控制系统。当操纵变量使系统的输出信号增大时，反馈影响操纵变量的结果使输出信号减小。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,负反馈是使系统稳定工作的基本条件。一个工业控制系统，当调节器进入“自动”运行时，就是一个闭环控制系统。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,如前所述，图1-2所示的自动控制系统元需操作者干预其运行即可自动克服干扰作用的影响，使被控变量保持在给定值的附近。其控制作用依赖于对被控变量的测量。自动控制通过调节器输出的控制信号实现；调节器根据被控变量偏差信号的大小产生相应的控制作用，改变操纵变量，克服干扰作用的影响。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,开环控制 该系统的操纵变量不受系统输出信号的影响。为了使系统的输出满足事先规定的要求，必须周密而精确地计算操纵本来的变化规律。一个工业控制系统，当反馈回路断开或调节器置于“手操”位置时，就成为开环控制系统。图l-l(a)中所示的人工控制即为开环控制系统。,第四节 控制系统的分类,分类五：按系统的复杂程度简单控制系统复杂控制系统,第一章 控制系统的基本概念,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,简单控制系统 如图1-2所示控制系统。这类控制系统只有一个简单的反馈回路，所以也可称为单回路控制系统。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,复杂控制系统 在系统中包含多个调节器、检测变送器或执行器，从而形成系统中存在有多个回路或者在系统中存在有多个输入信号和多个输山信号。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,TC温度调节器 TT温度测量变送器 该系统有两个回路，反应器的温度T1通过进入夹套的蒸汽量加以控制。,第四节 控制系统的分类,图1-3 夹套式反应器温度控制系统,第一章 控制系统的基本概念,图l-4 夹套反应器温度控制系统方框图 由图可见，该系统具有两个反馈回路，工程上又称串级控制系统。此外，还可以有更多的回路或更为复杂的形式。,第四节 控制系统的分类,分类六：按系统克服干扰的方法反馈控制系统前馈控制系统前馈-反馈控制系统,第一章 控制系统的基本概念,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,反馈控制系统,第四节 控制系统的分类,图1-5 反馈控制系统,第一章 控制系统的基本概念,当干扰f使系统的被控变量发生改变时，被控变量反馈至系统输入端与给定值相比较并得到偏差信号，经调节器及调节阀影响操纵变量以减弱或消除被控变量的变化。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,前馈控制系统,第四节 控制系统的分类,图1-6 前馈控制系统,第一章 控制系统的基本概念,当干扰f引起被控对象的输出y2改变时，控制系统测得干扰信号的大小，并输入前馈补偿器(或称前馈控制器)，由前馈补偿器的输出去控制操纵变量m，引起被控对象输出y1的改变并且y1与y2的方向相反，由此减弱或消除被控变量y受干扰影响而产生的变化。当前馈完全补偿时，有y=y1+y2=0。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,前馈反馈控制系统,第四节 控制系统的分类,图1-7 前馈反馈控制系统由前馈和反馈控制系统复合在一起构成。,第一章 控制系统的基本概念,当受到干扰f的影响时，可以通过前馈控制器使被控变量不变，若前馈补偿不完全，还可以通过反馈控制系统加以修正。控制系统受其他因素影响，或系统的给定值发生改变时，则由反馈控制系统加以控制。,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,其它控制系统：离散控制系统采样控制系统,第四节 控制系统的分类,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,控制系统进入过渡过程。自动控制系统的作用：检测变化、计算偏差并消除偏差。衡量自动控制系统质量的依据：被控变量的变化情况、偏离给定值的最大程度、系统消除偏差的速度、精度等。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,控制系统的过渡过程,处于平衡状态下的自动控制系统受到干扰作用后，被控变量会发生变化而偏离给定值，调节器开始发挥作用，使被控变量回复到给定值附近范围内，系统进入过渡过程，这一回复并不是瞬间完成的。过渡过程是控制系统在闭环情况下，在干扰和自动控制的共同作用下形成的。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,生产过程中的干扰,在生产过程中，干扰的形式是多种多样的，而且大部分都属于随机性质，其中阶跃干扰(图1-8)对控制系统的影响最大，且最为多见。例如负荷的变化、直流电路的突然断开或接通、阀门的突然变化等。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,图1-8 阶跃干扰,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,在阶跃干扰的作用下，控制系统的过渡过程有如下几种基本形式（图1-9）：发散振荡过程等幅振荡过程衰减振荡过程非振荡的单调过程,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,（a）发散振荡,（b）等幅振荡,（d）单调过程,（c）衰减振荡,图1-9 过渡过程的几种基本形式,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,发散振荡过程 表明系统在受到阶跃干扰的作用后，不但不能使被控变量回到给定值，反而越来越偏离给定值，以致超出生产的规定限度，严重时引起事故。这是一种不稳定的过渡过程，因此要尽量避免。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,等幅振荡过程 被控变量在某稳定值附近振荡，而振荡幅度恒定不变。这意味着系统在受到阶跃干扰作用后，就不能再稳定下来，一般不采用。对于某些工艺上允许被控变量在一定范围内波动的、控制质量要求不高的场合，这种形式的过渡过程还是可以采用的。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,衰减振荡过程 被控变量在稳定值附近上下波动，经过二三个周期就稳定下来。这是一种稳定的过渡过程，在过程控制中，多数情况下都希望得到这样的过渡过程。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,非振荡的单调过程 表明被控变量最终稳定下来了，是一个稳定的过渡过程。但与衰减振荡相比，其回复到平衡状态的速度慢、时间长，因此一般不采用。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,综上所述，一个自动控制系统的过渡过程，首先应是一个渐趋稳定的过程，这是满足生产要求的基本保证；其次，在大多数场合下，应是一个衰减振荡的过程。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,控制系统的性能指标,控制系统性能指标的确定有两大类标准：以系统受到单位阶跃输入作用后的响应曲线(又称过渡过程曲线)的形式给出，称为过渡过程的质量指标：如最大偏差(或超调量)、衰减比、余差、回复时间等。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,控制系统的性能指标,偏差积分性能指标，一般是希望输出与系统实际输出之间误差的某个函数的积分，常用的有平方误差积分指标(ISE)、时间乘平方误差的积分指标(ITSE)、绝对误差积分指标(IAE)、时间乘绝对误差的积分指标(ITAE)等，这些值达到最小值的系统是某种意义下的最优系统。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,以阶跃响应曲线形式表示的质量指标 图l-10分别表示出一个定值控制系统和随动控制系统在受到阶跃干扰作用后的衰减振荡过渡过程曲线。对于定值系统与随动系统，由于输入作用于系统的位置不同，故阶跃响应也有所区别，它们所采用的质量指标定义也有所不同。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,图1-10（a）定值控制系统的过渡过程曲线,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,图1-10（b）随动控制系统的过渡过程曲线,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,对于定值系统，其响应曲线如图l-10(a)所示，由于给定值不变，因此被控变量总是围绕着过程的初始值变化。而对于随动系统，其特性曲线如图1-10(b)所示，由于给定值的变化是主要输入作用，整个过渡过程始终围绕这个变化了的给定值而波动。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,指标一：最大偏差A（或超调量）对一个定值控制系统来说，最大偏差是指过渡过程中被控变量第一个波的峰值与给定值的差，如图1-10(a)中的A；在随动控制系统中，通常采用另一个指标超调量。,（1-1),第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,指标二：衰减比n 是过渡过程曲线上同方向的相邻两个波峰之比，即B1:B2，一般用n:1表示。显然n愈小，衰减程度愈小，当n=1时，过渡过程为等幅振荡；n1时，过渡过程为衰减振荡；当n，过渡过程为单调过程。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,n值究竟多大为合适，没有严格的规定。从便于操作管理，过程进行又有适当的速度这两方面结合考虑，一般希望衰减比在4:110:1之间为好，中国多习惯采用4:1。虽然4:1的衰减过程并不是最优过程，但却是操作人员所希望的过程。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,指标三：回复时间ts 也称过渡时间，是指被控变量从过渡状态回复到新的平衡状态的时间间隔，即整个过渡过程所经历的时间，如图中的ts。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,从理论上讲，被控变量完全达到新的稳定状态需要无限长的时间，但通常在被控变量进入新稳态值的5%的范围内不再超出时，就认为被控变量已达到新的稳态值。因此，实际的过渡时间是从扰动开始作用之时起，直至被控变量进入新稳态值的5%的范围内所经历的时间。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,指标四：余差e()是指过渡过程终了时，被控变量新的稳态值与设定值之差。即e()=y()-ys。它虽不是过渡过程的动态指标，但却是很重要的质量指标。在控制系统中，余差反映了系统的控制精度：余差越小，精度越高，控制质量就越好。在实际过程控制中，余差的大小只要能满足生产工艺要求就可以了。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,指标五：振荡周期T 过渡过程的第一个波峰与相邻的第二个同向波峰之间的时间间隔称为振荡周期(或称工作周期)，其倒数称为振荡频率。在相同的衰减比条件下，振荡周期与过渡时间成正比。因此，振荡周期短些为好。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,偏差积分性能指标 假若要对几种过渡过程曲线作出谁是“最优”的评论，则必须首先规定“最优”的性能指标。这种指标与过渡过程形式代表的质量指标不同，它应是系统动态特性的一种综合性能指标，这样才能对整个过渡过程曲线的形状作评价。一般采用误差函数的积分形式表示。下面介绍其中四种常用的形式。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,首先，假定控制系统希望输出与实际输出分别为r(t)和y(t)，则定义误差差(又称偏差)e(t)为（1-2)当系统有余差时，可定义(1-3)即这里的误差不包括系统的稳定误差。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,指标一：平方误差积分指标（ISE）,（1-4),指标二：时间乘平方误差积分指标（ITSE）,（1-5),第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,指标三：绝对误差积分指标（IAE）,（1-6),指标四：时间乘绝对误差积分指标（ITAE）,（1-7),第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,对以上四个指标的讨论IAE指标在图形上也就是偏差面积积分。这种指标，对出现在设定值附近的偏差面积与出现在远离设定值的偏差面积是同等对待的。而ISE指标，却对同一偏差面积由于离设定值远近不同引起的目标值J是不一样的：对远离者目标值J要大些；对临近者要小些。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,所以说，ISE相对于IAE而言，前者对大偏差敏感。若用ISE指标来调整控制器参数，则所得到的过渡过程不会出现大偏差，当然其他的指标将会有所下降。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,时间乘绝对误差积分指标(ITAE)，实质上是把偏差面积用时间来加权：同样的偏差积分面积，由于在过渡过程中出现时间的先后不同其目标值J是不同的。出现的时间越迟，目标值J越大；出现的越早，J值越小。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,所以说，ITAE指标对初始偏差不敏感,而对后期偏差非常敏感。可以想象，若用ITAE指标来调整控制器参数，其过渡过程的初始偏差较大，而随着时间的推移，偏差将很快降低。这意味着，它的阶跃响应曲线将会出现较大的最大偏差(或超调量)，但过渡时间较短。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,时间乘平方误差积分指标(ITSE)兼有ISE指标和ITAE指标的特点，用它来调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。,第一章 控制系统的基本概念,第五节 控制系统的过渡过程及其性能指标,实际上，控制系统的各种性能指标是彼此相关、相互约束的，不可能出现同时都是最好的情况。确定性能指标时应主要看能否满足工艺的要求，如对于定值控制系统，一般要求被控变量最大偏差小、尽可能快地回复到给定值；对于随动控制系统，要求被控变量以一定精度快速跟上给定值的变化，因此希望超调量小、调节时间尽可能短。,第一章 控制系统的基本概念,思 考 与 练 习,在图1-11的换热器出口温度控制系统中，工艺要求热物料出口温度保持为某一设定值。,第一章 控制系统的基本概念,思 考 与 练 习,1）试画出该控制系统的方框图。2）方框图中各环节的输入信号和输出信号是什么？整个系统的输入信号和输出信号又是什么？3）系统在遇到干扰作用（例如冷物料流量突然增大qv）时，该系统是如何实现自动控制的?,第一章 控制系统的基本概念,思 考 与 练 习,图1-12为贮槽液位控制系统，工艺要求液位保持为某一数值。,第一章 控制系统的基本概念,思 考 与 练 习,1）试画出该系统的方框图。2）指出该系统中被控对象、被控变量、操纵变量、干扰作用各是什么？,第一章 控制系统的基本概念,思 考 与 练 习,试画出衰减比分别为n1、n时的过渡过程曲线。表示衰减振荡过程的控制指标有哪些?,