第一章 控制系统的基本概念
过程装备控制：指在过程装备上，配上一些自动化装置以及合适的自动控制装置来代替操作人员部分或全部直接劳动，使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。
利用自动化装置来管理生产过程的方法叫做生产过程自动化。
1.1.1 生产过程自动化所包含的内容
①自动检测系统
采用各种检测仪表自动连续地对各种工艺变量进行测量，并将测量结果用仪表指示纪录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传递给控制系统，作为自动控制的依据。
②信号联锁系统
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，使生产不能正常进行，常对这些关键性变量设置信号报警或联锁保护装置，其作用是事故发生前，自动地发出声光报警信号，引起操作人员的注意以便及时采取措施。
③自动操纵系统
这是一种根据事先预定的程序，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。
④自动控制系统
利用一些自动控制仪表和装置，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。
1.1.2? 过程装备控制的任务和要求
①任务：针对过程装备的主要参数,即温度、压力、液位（或物位）、成分和物性等等参数进行控制。
②要求：安全性、经济性和稳定性
安全性是指在整个生产过程中，保证人身和设备安全，这是最重要也是最基本的要求；
经济性是指生产同样数量和质量产品所消耗的能量和原材料最少；
稳定性是指系统应具有抗外部干扰，保证生产长期稳定运行的能力。
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。
1.2 控制系统的组成
1.2.1 过程装备的控制举例说明人工控制与自动控制的执行过程
人工控制：道德观察液位计上的水位数值，将该值与规定的数值进行比较，得到偏听偏信差并根据此差值的大小及变化趋势决定如何操作给予水阀门，最后按思考的强果用于开大或关小给予水阀门。不断得复上述过程，直到汽包水位维持在规定数值上。
自动控制：采用过程测量仪表得到水位数据，通过信号转换及传输装置将该数据送到过程控制仪表 。控制仪表将变送器送来的信号与预先设定的水位信号进行比较得到两者的偏差，然后要据一定的控制算法对该偏差加以计算得到相应的控制信号，将该信号传送给予执行器，执行器根据控制信号的大小调节给水阀，改变水量的大小。如此反复调节，直至水位回复到规定的高度上，完成水位的自动控制。
1.2.2 控制系统的组成（四部分）
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制对象。
测量元件和变送器：测量需控制的式艺参数并将其转化为一种特定信号的仪器。
调节器：又称控制器，它将检测元件或变送器送来的信号志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。
执行器：接受调节器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而改变输送给予被控对象的能量和或物料量。
除此之外，还有一些辅助装置，如给定装置、转换装置、显示仪表等。
1.3 控制系统的方框图控制系统的方框图：是由传递函数方框、信号线（带箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个方框代表系统中的一个组成部分，称为“环节”，并在方框内填入表示其自身特性的文字或表达式。方框间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向，箭头指向方框表示是这个环节的输入，箭头离开方框表示是这个环节的输出。采用方框图可直观地显示系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。
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。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，又称为比较元件。
控制系统中的七个常用术语：
被控变量：指需控制的工艺参数，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。
给定值（或设定值）：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；当其值产生与外界某一装置，并输入至调节器时称为外给定值。
测量值：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）：受控于调节阀，用于克服干扰影响，具体实现控制作用的变量成为操纵变量，它是调节阀的输出信号。
干扰变量（或外界扰动）：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。
偏差信号：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之差作为偏差。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：控制器将偏差按一定规律计算的量。
1.4 控制系统的分类
1.4.1 按给定值的特点划分定值控制系统:定值控制系统的给定值是恒定不变的,控制系统的输出应稳定在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。
随动控制系统：随动控制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。
程序控制系统：程序控制系统的给定值也是一个不断变化的信号，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。
1.4.2 按系统输出信号对操纵变量的影响划分闭环控制：在闭环控制系统中，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。但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，负反馈是使系统稳定工作的前提。
开环控制：开环控制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。
1.4.3 按系统的复杂程度划分简单控制系统：只有一个简单的反馈回路，又可称为单回路控制系统。
复杂控制系统：系统中存在多个回路或存在多个输入信号和多个输出信号的控制系统。
1.4.4 按系统克服干扰的方法划分反馈控制系统：当干扰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。
前馈控制系统：当干扰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（前馈控制器），又前馈补偿器的输出去控制操纵变量，引起被控对象输出y1的改变，并且y1和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。
前馈—反馈控制系统：当干扰f影响系统时，可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改正。控制系统受其他因素影响，或系统给定值发生改变时，则由反馈控制系统加以控制。
1.5 控制系统的过渡过程及其性能指标自动控制系统的作用就是检测变化，计算偏差并消除偏差。在这一过程中，被控变量的变化情况、偏离给定值的最大程度以及系统消除偏差的速度和精度等都是衡量自动控制系统质量的依据。
1.5.1 控制系统的过渡过程过渡过程：从被控变量受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，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，这个过程就是控制系统的过渡过程。
控制系统过渡过程的四种基本形式：
发散振荡过程：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，以至超出生产的规定限度，严重时引起事故。
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。
衰减振荡过程：被控变量在稳定值附近上下波动，经过二三个周期稳定下来。
非振荡的单调过程：被控变量最终稳定下来，是一个稳定的过渡过程。但与衰减振荡过程相比，其回复到平衡状态的速度慢、时间长，一般不应用。
1.5.2 控制系统的性能指标
（1）以阶跃响应曲线形势表示的质量指标
①最大偏差A（超调量 ）
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。
超调量
②衰减比n
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。n<1，过渡过程为发散振荡；n=1，过渡过程为等幅振荡；n>1，过渡过程为衰减振荡；n—，过渡过程为单调过程。
③回复时间ts
回复时间也称为过渡时间，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。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。
④余差余差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。其倒数称为振荡频率。
（2）偏差积分性能指标若要对几种过渡过程曲线做出谁是最优的评论，则首先应规定“最优”的性能指标。一般采用误差函数的积分形式表示。
误差：
但系统有余差时：
①平方误差积分指标（ISE):
②时间乘平方误差积分指标（ITSE):
③绝对误差积分指标（IAE)：
④时间乘绝对误差积分指标（ITAE)：
对各种性能指标加以分析理解：
①IAE指标在图形上就是偏差面积分，它对于出现在设定值附近的偏差和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。
②ITAE是把偏差面积用时间来加权，同样的偏差面积，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。
ITSE兼有ISE和ITAE的特点，用它来调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。
过程装备控制：指在过程装备上，配上一些自动化装置以及合适的自动控制装置来代替操作人员部分或全部直接劳动，使设计、制造、装配、安装等在不同程度上自动地进行。
利用自动化装置来管理生产过程的方法叫做生产过程自动化。
1.1.1 生产过程自动化所包含的内容
①自动检测系统
采用各种检测仪表自动连续地对各种工艺变量进行测量，并将测量结果用仪表指示纪录下来供操作人员观察、分析或将测量到的“信息”传递给控制系统，作为自动控制的依据。
②信号联锁系统
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，使生产不能正常进行，常对这些关键性变量设置信号报警或联锁保护装置，其作用是事故发生前，自动地发出声光报警信号，引起操作人员的注意以便及时采取措施。
③自动操纵系统
这是一种根据事先预定的程序，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。
④自动控制系统
利用一些自动控制仪表和装置，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。
1.1.2? 过程装备控制的任务和要求
①任务：针对过程装备的主要参数,即温度、压力、液位（或物位）、成分和物性等等参数进行控制。
②要求：安全性、经济性和稳定性
安全性是指在整个生产过程中，保证人身和设备安全，这是最重要也是最基本的要求；
经济性是指生产同样数量和质量产品所消耗的能量和原材料最少；
稳定性是指系统应具有抗外部干扰，保证生产长期稳定运行的能力。
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。
1.2 控制系统的组成
1.2.1 过程装备的控制举例说明人工控制与自动控制的执行过程
人工控制：道德观察液位计上的水位数值，将该值与规定的数值进行比较，得到偏听偏信差并根据此差值的大小及变化趋势决定如何操作给予水阀门，最后按思考的强果用于开大或关小给予水阀门。不断得复上述过程，直到汽包水位维持在规定数值上。
自动控制：采用过程测量仪表得到水位数据，通过信号转换及传输装置将该数据送到过程控制仪表 。控制仪表将变送器送来的信号与预先设定的水位信号进行比较得到两者的偏差，然后要据一定的控制算法对该偏差加以计算得到相应的控制信号，将该信号传送给予执行器，执行器根据控制信号的大小调节给水阀，改变水量的大小。如此反复调节，直至水位回复到规定的高度上，完成水位的自动控制。
1.2.2 控制系统的组成（四部分）
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制对象。
测量元件和变送器：测量需控制的式艺参数并将其转化为一种特定信号的仪器。
调节器：又称控制器，它将检测元件或变送器送来的信号志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。
执行器：接受调节器送来的信号，自动地改变阀门的开度，从而改变输送给予被控对象的能量和或物料量。
除此之外，还有一些辅助装置，如给定装置、转换装置、显示仪表等。
1.3 控制系统的方框图控制系统的方框图：是由传递函数方框、信号线（带箭头的线段）、综合点、分支点构成的表示控制系统组成和作用的图形。其中每一个方框代表系统中的一个组成部分，称为“环节”，并在方框内填入表示其自身特性的文字或表达式。方框间用带有箭头的线段表示相互间的关系及信号的流向，箭头指向方框表示是这个环节的输入，箭头离开方框表示是这个环节的输出。采用方框图可直观地显示系统中各组成部分以及它们之间的相互影响和信号的联系，以便对系统特性进行分析和研究。
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。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，又称为比较元件。
控制系统中的七个常用术语：
被控变量：指需控制的工艺参数，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。
给定值（或设定值）：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；当其值产生与外界某一装置，并输入至调节器时称为外给定值。
测量值：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）：受控于调节阀，用于克服干扰影响，具体实现控制作用的变量成为操纵变量，它是调节阀的输出信号。
干扰变量（或外界扰动）：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。
偏差信号：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之差作为偏差。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：控制器将偏差按一定规律计算的量。
1.4 控制系统的分类
1.4.1 按给定值的特点划分定值控制系统:定值控制系统的给定值是恒定不变的,控制系统的输出应稳定在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。
随动控制系统：随动控制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。
程序控制系统：程序控制系统的给定值也是一个不断变化的信号，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。
1.4.2 按系统输出信号对操纵变量的影响划分闭环控制：在闭环控制系统中，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。但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，负反馈是使系统稳定工作的前提。
开环控制：开环控制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。
1.4.3 按系统的复杂程度划分简单控制系统：只有一个简单的反馈回路，又可称为单回路控制系统。
复杂控制系统：系统中存在多个回路或存在多个输入信号和多个输出信号的控制系统。
1.4.4 按系统克服干扰的方法划分反馈控制系统：当干扰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。
前馈控制系统：当干扰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（前馈控制器），又前馈补偿器的输出去控制操纵变量，引起被控对象输出y1的改变，并且y1和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。
前馈—反馈控制系统：当干扰f影响系统时，可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改正。控制系统受其他因素影响，或系统给定值发生改变时，则由反馈控制系统加以控制。
1.5 控制系统的过渡过程及其性能指标自动控制系统的作用就是检测变化，计算偏差并消除偏差。在这一过程中，被控变量的变化情况、偏离给定值的最大程度以及系统消除偏差的速度和精度等都是衡量自动控制系统质量的依据。
1.5.1 控制系统的过渡过程过渡过程：从被控变量受到干扰作用使被控变量偏离给定值时起，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，这个过程就是控制系统的过渡过程。
控制系统过渡过程的四种基本形式：
发散振荡过程：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，以至超出生产的规定限度，严重时引起事故。
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。
衰减振荡过程：被控变量在稳定值附近上下波动，经过二三个周期稳定下来。
非振荡的单调过程：被控变量最终稳定下来，是一个稳定的过渡过程。但与衰减振荡过程相比，其回复到平衡状态的速度慢、时间长，一般不应用。
1.5.2 控制系统的性能指标
（1）以阶跃响应曲线形势表示的质量指标
①最大偏差A（超调量 ）
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。
超调量
②衰减比n
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。n<1，过渡过程为发散振荡；n=1，过渡过程为等幅振荡；n>1，过渡过程为衰减振荡；n—，过渡过程为单调过程。
③回复时间ts
回复时间也称为过渡时间，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。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。
④余差余差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。其倒数称为振荡频率。
（2）偏差积分性能指标若要对几种过渡过程曲线做出谁是最优的评论，则首先应规定“最优”的性能指标。一般采用误差函数的积分形式表示。
误差：
但系统有余差时：
①平方误差积分指标（ISE):
②时间乘平方误差积分指标（ITSE):
③绝对误差积分指标（IAE)：
④时间乘绝对误差积分指标（ITAE)：
对各种性能指标加以分析理解：
①IAE指标在图形上就是偏差面积分，它对于出现在设定值附近的偏差和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。
②ITAE是把偏差面积用时间来加权，同样的偏差面积，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。
ITSE兼有ISE和ITAE的特点，用它来调整控制器参数，可以得到比较理想的结果。
