第七章 自动控制系统概述第七章 自动控制系统概述

本章的主要内容：本章的主要内容：

7.1 7.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述

7.2 7.2 自动控制系统自动控制系统

7.3 7.3 控制系统过渡过程及品质指标控制系统过渡过程及品质指标

使用常规仪表的中央控制室使用常规仪表的中央控制室

早期的早期的 DCSDCS 控制系统控制系统

现代的现代的 DCSDCS 控制系统控制系统

现代操作室现代操作室

7.1 7.1 自动化及仪表发展概述自动化及仪表发展概述

控制系统结构及仪表的发展控制系统结构及仪表的发展

基地式：基地式： 2020 世纪世纪 5050 年代，适用于单回路 年代，适用于单回路

单元组合式（按功能）： 单元组合式（按功能）： DDZ, QDZ 20DDZ, QDZ 20 世纪世纪 6060年代，之间用标准统一信号联系 年代，之间用标准统一信号联系

计算机： 计算机： DDC, DCS 20DDC, DCS 20 世纪世纪 7070 年代 年代

先进控制和优化控制：先进控制和优化控制： CIPS, FCS 20CIPS, FCS 20 世纪世纪 8080 年年代以后代以后

自动化仪表的发展经历了如下过程： 自动化仪表的发展经历了如下过程：

模拟仪表模拟仪表数字仪表数字仪表智能仪表。智能仪表。 当前自动控制系统发展的一些主要特点 当前自动控制系统发展的一些主要特点

生产装置实施先进控制成为发展主流 生产装置实施先进控制成为发展主流

过程优化受到普遍关注 过程优化受到普遍关注

传统的传统的 DCSDCS 在走向国际统一标准的开放式系统 在走向国际统一标准的开放式系统

综合自动化系统（综合自动化系统（ CIPSCIPS ）是发展方向）是发展方向

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7.2 7.2 自动控制系统自动控制系统

7.2.17.2.1 自动控制系统的组成自动控制系统的组成 手动控制的步骤：手动控制的步骤：

(1)(1) 观察液位数值； 观察液位数值；

(2)(2) 把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据把观察到的实际数值与设定值加以比较，根据偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命令。 偏差的大小及变化情况做出判断，并发布命令。

(3)(3) 根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。根据命令操作给水阀，使液位回到设定值。

图 7-1 锅炉汽包水位控制示意图

7.2.2 7.2.2 控制系统的方框图控制系统的方框图

在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示在研究自动控制系统时，为了更清楚的表示

控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联

系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统系，一般都采用方框图。每个方框表示组成系统

的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示的一个环节，两个方框之间用带箭头的线段表示

信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方信号联系；进入方框的信号为环节输入，离开方

框的为环节输出。框的为环节输出。

控制器

执行器 被控对象

测量变送

x (t) e (t) u (t) q (t) y (t)

z (t)

控制系统的方框图

图 7-2 控制系统方框图

检测元件和变送器检测元件和变送器的作用是把被控变量的作用是把被控变量 c(t)c(t) 转化转化为测量值为测量值 y(t)y(t) 。 。

控制器控制器的作用是根据偏差的正负、大小及变化情的作用是根据偏差的正负、大小及变化情况，按某种预定的控制规律给出控制作用况，按某种预定的控制规律给出控制作用 u(t)u(t) 。。比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制比较机构和控制装置通常组合在一起，称为控制器。 器。

执行器执行器的作用是接受控制器送来的的作用是接受控制器送来的 u(t)u(t) ，相应地，相应地去改变操纵变量去改变操纵变量 q(t)q(t) 。。

被控对象被控对象是生产过程中被控制的工艺设备或装置。是生产过程中被控制的工艺设备或装置。

通过上述示例的对比分析知道，一般过通过上述示例的对比分析知道，一般过

程控制系统是由被控对象、测量变送器、控制器、程控制系统是由被控对象、测量变送器、控制器、

控制阀四个基本环节所组成。控制阀四个基本环节所组成。

7.2.3 7.2.3 自动控制系统的分类自动控制系统的分类 按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类按设定值的不同情况，将自动控制系统分为三类 : : 定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。 定值控制系统定值控制系统 设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统设定值保持不变（为一恒定值）的反馈控制系统称为定值控制系统。 称为定值控制系统。 随动控制系统随动控制系统 设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系设定值不断变化，且事先是不知道的，并要求系统的输出（被控变量）随之而变化。统的输出（被控变量）随之而变化。

程序控制系统程序控制系统 设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，设定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即根据需要按一定时间程序变化。即根据需要按一定时间程序变化。

7.2.4 7.2.4 控制系统术语控制系统术语 ①①被控对象（工艺对被控对象（工艺对象象））：自动控制系统：自动控制系统中，工艺参数需要控中，工艺参数需要控制的生产过程、设备制的生产过程、设备或机器。或机器。②②被控变量：被控过程被控变量：被控过程内要求保持设定值的内要求保持设定值的工艺参数。工艺参数。

被控对象（工艺对象）：汽包 被控对象（工艺对象）：汽包 被控变量： 汽包液位被控变量： 汽包液位

图 7-3 锅炉汽包水位控制

③③操纵变量：受控制器操纵变量：受控制器操纵的用以克服干扰操纵的用以克服干扰的影响，使被控变量的影响，使被控变量保持设定值的物料量保持设定值的物料量或能量（流过控制阀或能量（流过控制阀介质的流量）。介质的流量）。④④扰动：除操纵变量外，扰动：除操纵变量外，作用于被控过程并引作用于被控过程并引起被控变量变化的因起被控变量变化的因素（使被控变量偏离素（使被控变量偏离 操纵变量：水的流量 操纵变量：水的流量

扰动：水压力、蒸汽压力扰动：水压力、蒸汽压力

图 7-4 锅炉汽包水位控制

⑤⑤设定值：工艺参数设定值：工艺参数所要求保持的数值 所要求保持的数值 ⑥⑥偏差：被控变量设偏差：被控变量设定值与实际值之差 定值与实际值之差 ⑦⑦负反馈：将被控变负反馈：将被控变量送回输入端并与量送回输入端并与输入变量相减输入变量相减

图 7-5 锅炉汽包水位控制

T

被加热原料

TT TC

燃料油

出口温度

图 7-6 加热炉的温度控制系统

动画一 加热炉

被控过程被控过程：：加热炉加热炉 被控变量：物料出口温度被控变量：物料出口温度 操纵变量：燃料油流量操纵变量：燃料油流量 扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等扰动：被加热原料油温度、燃料油热值等

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7.37.3 自动控制系统的过渡过程及品质指标自动控制系统的过渡过程及品质指标

7.3.1 7.3.1 静态与动态静态与动态

控制系统的输入有设定作用和扰动作用。 控制系统的输入有设定作用和扰动作用。

静态（定态）：静态（定态）：当输入恒定不变时，整个系统若当输入恒定不变时，整个系统若能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们能建立平衡，系统中各个环节将暂不动作，它们的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之的输出都处于相对静止状态。此时输入与输出之间的关系称为系统的静态特性。 间的关系称为系统的静态特性。

环节的静态特性环节的静态特性

动态：动态：由于输入的变化，输出随时间变化，其间由于输入的变化，输出随时间变化，其间

的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入的关系称为系统的动态特性。也就是说，从输入

开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，开始，经过控制直到再建立静态，在这段时间中，

整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之整个系统的各个环节和变量都处于变化的过程之

中，这种状态称为动态。 中，这种状态称为动态。

7.3.2 7.3.2 自动控制系统的过渡过程自动控制系统的过渡过程 当自动控制系统的输入发生变化后，被控变当自动控制系统的输入发生变化后，被控变量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化量（即输出）随时间不断变化，它随时间而变化的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个的过程称为系统的过渡过程。也就是系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。 平衡状态过渡到另一个平衡状态的过程。

对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈对于一个稳定的系统（所有正常工作的反馈系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和系统都是稳定系统）要分析其稳定性、准确性和快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过快速性，常以阶跃作用为输入时的被控变量的过渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经渡过程为例，因为阶跃作用很典型，实际上也经常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重常遇到，且这类输入变化对系统来讲是比较严重的情况。的情况。

定值控制系定值控制系统过渡过程统过渡过程的几种形式的几种形式((阶跃扰动阶跃扰动 ))

发散振荡 发散振荡 单调发散 单调发散 等幅振荡 等幅振荡 衰减振荡 衰减振荡 单调衰减单调衰减

c(t)

(e)单调衰减

(c)等幅振荡

(b)单调发散

(d)衰减振荡

(a)发散振荡

c(t)

c(t)

c(t)

c(t)

t

t t

t

t

图 7-7 定值控制系统过渡过程的几种形式定值控制系统过渡过程的几种形式

7.3.3 7.3.3 自动控制系统的品质指标自动控制系统的品质指标 单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程） 单项控制指标（仅适用于衰减振荡过程） 稳定性、准确性和快速性稳定性、准确性和快速性 综合控制指标综合控制指标（（ 11 ）最大动态偏差（）最大动态偏差（ eemaxmax））

图 7-8 最大动态偏差最大动态偏差

最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离最大动态偏差或超调量是描述被控变量偏离设定值最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定设定值最大程度的物理量，是衡量过渡过程稳定性的一个动态指标。 性的一个动态指标。

对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏对于定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。差是指被控变量第一个波的峰值与设定值之差。在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值为在上图中，最大偏差就是第一个波的峰值为 AA。。

最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程最大偏差表示系统瞬间偏离给定值的最大程度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常度。若偏差越大，偏离的时间越长，对稳定正常生产越不利。要求小。特别是对于一些有约束条生产越不利。要求小。特别是对于一些有约束条件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触件的系统，如化学反应器的化合物爆炸极限、触媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有媒烧结温度极限等，都会对最大偏差的允许值有所限制。所限制。

同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰同时考虑到干扰会不断出现，当第一个干扰还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有还未清除时，第二个干扰可能又出现了，偏差有可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。可能是叠加的，所以要限制最大偏差的允许值。因此，在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺因此，在决定最大偏差的允许值时，要根据工艺情况慎重选择。情况慎重选择。

在设定作用下的控制系统（随动控制系统）在设定作用下的控制系统（随动控制系统）中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏中，通常采用超调量这个指标来表示被控变量偏离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。离设定值的程度，一般超调量以百分数给出。

超调量定义：超调量定义：第一个波的峰值与最终稳态值之差，第一个波的峰值与最终稳态值之差，即即 B=A-C,B=A-C, 如果系统的新稳态值等于设定值，那么如果系统的新稳态值等于设定值，那么最大偏差就等于超调量。最大偏差就等于超调量。

100%B

C

图 7-9

（（ 22 ）衰减比）衰减比 nn

衰减比是衡量过渡过程稳定性的动态指标。 定义：第一个波的振幅与同方向第二个波的振幅之比。衰减比 n：

'

Bn

B

图 7-10

n>1:n>1: 衰减振荡。衰减振荡。 nn 越大，则控制系统的稳定度也越大，则控制系统的稳定度也越高，当越高，当 nn 趋于无穷大时，控制系统的过渡过程趋于无穷大时，控制系统的过渡过程接近于非振荡过程。 接近于非振荡过程。

n=1:n=1: 等幅振荡等幅振荡。 。 n<1:n<1:发散振荡发散振荡。。 nn 越小，意味着控制系统的振越小，意味着控制系统的振荡过程越剧烈，稳定度也越低，荡过程越剧烈，稳定度也越低，

（（ 33 ）余差）余差 定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变定义：控制系统过渡过程终了时设定值与被控变量稳态值之差。量稳态值之差。

e

( )e r y

余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一余差是反映控制准确性的一个重要稳态指标，一般希望其为零，或不超过预定的范围。般希望其为零，或不超过预定的范围。

上图中 ( )e r y C

图 7-11

在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程在控制系统中，对余差的要求取决于生产过程的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差的要求，并不是越小越好。例如储槽液位，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差可大一些；化学反应器的温度控制要求高，余差就要小一些。就要小一些。

（（ 44）回复时间（过渡时间））回复时间（过渡时间） 回复时间表示控制系统过渡过程的长短。 回复时间表示控制系统过渡过程的长短。 定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变定义：控制系统在受到阶跃外作用后，被控变

量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。 量从原有稳态值达到新的稳态值所需要的时间。 理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态理论上讲，控制系统要完全达到新的平衡状态需要无限长的时间。需要无限长的时间。

ST

实际上，被控变实际上，被控变量接近于新稳态量接近于新稳态值的值的±5%±5%或或±2±2% % 的范围内且不的范围内且不再越出时为止所再越出时为止所经历的时间，可经历的时间，可计为过渡时间。计为过渡时间。一般希望过渡时一般希望过渡时间短一些。间短一些。

图 7-12 、 7-13

（（ 55 ）振荡频率（或振荡周期））振荡频率（或振荡周期） 定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为定义：过渡过程同向两波峰之间的时间间隔称为振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。振荡周期或工作周期。其倒数称为振荡频率。

在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；在衰减比相同条件下，周期与过渡时间成正比；振荡频率与回复时间成反比。振荡频率与回复时间成反比。

其它一些次要指标：其它一些次要指标： 振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡的次振荡次数：是指在过渡过程内被控变量振荡的次数。数。

“ “理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振荡两理想过渡过程两个波”：是指过渡过程振荡两次就能稳定下来。 次就能稳定下来。

上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波峰所上升时间：是指干扰开始作用起到第一个波峰所需要的时间。需要的时间。

总结：总结：

主要指标有：主要指标有：最大偏差、衰减比、余差、过渡时最大偏差、衰减比、余差、过渡时间。在实际的系统中如何确定这些指标，要根据间。在实际的系统中如何确定这些指标，要根据实际情况来定。 实际情况来定。

原则：原则：对生产过程有决定性意义的主要品质指标对生产过程有决定性意义的主要品质指标应该优先保证。应该优先保证。

例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰例题：某换热器的温度调节系统在单位阶跃干扰下的过渡过程曲线如下图下的过渡过程曲线如下图 7-147-14 所示。试分别求出所示。试分别求出最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（设定值为最大偏差、衰减比、余差、过渡时间（设定值为200℃200℃）。）。

图 7-14

解：解：(1)(1)最大偏差：最大偏差： eemaxmax=230-200=30℃=230-200=30℃(2)(2)余差： 余差： C=200-205=-5℃C=200-205=-5℃(3)(3)衰减比：衰减比： 第一个波的振幅 第一个波的振幅 B =230-205=25℃B =230-205=25℃ 第二个波的振幅 第二个波的振幅 BB’’=210-205=5℃=210-205=5℃ 衰减比衰减比 : n=25:5=5:1: n=25:5=5:1(4)(4) 过渡时间：过渡时间： 过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，过渡时间与规定的被控变量的限制范围大小有关，假设为假设为±±2%2%，就可以认为过渡过程已经结束，那，就可以认为过渡过程已经结束，那么限制范围为么限制范围为

205×205×（ （ ±±2% 2% ）） = = ±±4.1℃4.1℃

那么，在新稳态值（那么，在新稳态值（ 205℃205℃）两侧以限制）两侧以限制范围为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即范围为宽度画一区域，只要被控变量不再越出即可。因此，过渡过程为可。因此，过渡过程为 22min22min。。

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