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当被控对象受到干扰、被控变量发生变化时，控制系统抵制干扰、纠正被控变量的过程，便反映了控制系统的优劣。为此，要有能评价控制系统的性能指标，控制系统的性能指标是根据工艺对控制的要求来制定的，可概括为稳定性、准确性和快速性。一个性能良好的过程控制系统，在受到外来扰动作用或给定值发生变化时，应能迅速（快）、平稳（稳）、准确（准）地回到或趋近给定值，其过渡过程如图1-8所示。
图1-8 过渡过程曲线
1.稳态是被控变量不随时间变化的平衡状态（静态）
当自动控制系统的输入和输出均恒定不变时，系统就处于一种相对稳定的平衡状态，系统的各个环节也都处于稳定状态，但生产还在进行，物料和能量仍然有进有出。
2.动态是被控变量随时间变化的不平衡状态
动态是控制系统从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态的过渡过程。当干扰破坏系统的平衡时，被控变量就会发生变化，而控制器、控制阀等自动化装置就要产生控制作用来使系统恢复平衡。系统输出响应稳态与动态过程如图1-9所示。
图1-9 系统输出响应稳态与动态过程
过程控制系统性能的评价指标可概括为：
系统必须是稳定的，稳定是系统性能中最重要、最根本的指标，只有在系统稳定的前提下，才能讨论静态和动态指标；系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）；系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）。
过程控制系统的性能是由组成系统的结构、被控过程与过程仪表（测量变送、执行器和控制器）各环节特性所共同决定的。包括被控过程特性（滞后、非线性、时变性和耦合特性）；检测环节特性（非线性、间接测量）；执行环节特性（非线性）；控制器特性。
控制系统结构框图如图1-10所示，当系统结构和上述三个环节都确定后，控制器特性就是决定控制系统性能指标的唯一因素，此时就需要对控制器参数进行优化整定了。
图1-10 控制系统结构框图
生产中，出现的干扰信号是随机的。但在分析和设计控制系统时，为了充分体现系统的特性和分析方便，常会选择一些特定的输入信号，其中常用的是阶跃信号和正弦信号。
阶跃信号的输入突然，对被控变量的影响也较大。如果一个控制系统能够有效地克服这种干扰，那么对其他比较缓和的干扰也能很好地克服。
阶跃信号的形式简单，容易实现，便于分析、实验和计算，故多使用阶跃信号进行系统性能的分析，阶跃信号如图1-11所示。
图1-11 阶跃信号
阶跃响应分为给定值阶跃响应和干扰阶跃响应两类，其阶跃响应曲线有所不同，如图1-12所示，但反映的控制系统的性能指标是一致的。
图1-12 阶跃响应曲线
阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线分为如图1-13所示的几种典型情况：发散振荡过程、非振荡发散过程、等幅振荡过程、衰减振荡过程、非振荡衰减过程。
图1-13 阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线
给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线如图1-14所示。
图1-14 给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线
1.静态性能指标
稳态误差是描述系统静态性能的唯一指标，是指系统过渡过程终了时给定值与被控参数的稳态值之差，一般稳态误差为零或越小越好。
2.动态性能指标
生产过程中干扰无时无处不在，控制系统时时刻刻都处在一种频繁的、不间断的动态调节过程中。所以，在过程控制中，了解或研究控制系统的动态比静态更重要、更有意义。在描述系统动态性能时，主要以阶跃响应曲线的几个特征参数作为性能指标，包含了对控制系统的稳定性、准确性和快速性三方面进行的定量和定性评价，包括单项性能指标和综合性能指标。
1.衰减比和衰减率
衰减比是衡量一个振荡过程衰减程度的指标，它等于系统阶跃响应曲线两个相邻的同向波分值之比。图1-14所示的衰减比可表示为
n = y 1 : y 3
衡量振荡过程衰减程度的另一种指标是衰减率，它是指每经过一个周期后波动幅度衰减的百分数，可表示为：
衰减比与衰减率之间有简单的对应关系。如果衰减比 n 为4∶1，则相当于衰减率等于0.7。为了保证控制系统有一定的稳定裕度，在过程控制中，一般要求衰减比 n 为4∶1～10∶1，这相当于衰减率为75%～90%，这样大约经过两个周期后就趋于稳定了。其中，衰减比4∶1常作为评价过渡过程动态性能的一个理想指标。对于缓慢变化过程，可取到10∶1。
2.最大动态偏差和超调量
最大动态偏差是指被控参数第一个峰值与给定值之差，如图1-14所示的 A ，可表示为：
一般来说，图1-14所示的阶跃响应并不是真正的二阶振荡过程，因此最大动态偏差只能近似地反映过渡过程的衰减程度。超调量更能直接反映在被控变量的生产运行记录曲线上，因此它是控制系统动态准确性的一种衡量指标，可表示为：
对于定值控制系统来说，超调量越小越好。
3.调节时间
调节时间是从过渡过程开始到结束所需的时间，理论上它需要无限长的时间，但一般认为，当被控变量进入稳态值的±5%（或±2%）范围内，就算过渡过程结束。因此调节时间就是从扰动开始到被控变量进入新稳态值的±5%（或±2%）范围内的这段时间，在图1-14中以 t s 表示。调节时间是衡量控制系统快速性的一个指标。过渡过程的振荡频率也可以作为衡量控制系统快速性的指标，而且调节时间应越小越好。
各指标之间是既有联系，又相互矛盾的，如超调量与调节时间，过分减小最大动态偏差，会使过渡时间变长。对于不同的过程控制系统，性能指标各有其侧重性，应根据工艺生产的具体要求，分清主次，统筹兼顾，保证优先满足主要的性能指标要求。
【例1-1】 某换热器的温度控制系统给定值为200℃，在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-15所示。试求最大动态偏差、稳态误差、衰减比和调节时间。
图1-15 某换热器的温度在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线
解：最大动态偏差： A =230-200=30℃
稳态误差： e ss =205-200=5℃
衰减比： n = y 1： y 3=25∶5=5∶1
调节时间： T =22 min（误差带为±2%）
【例1-2】 某发酵过程工艺规定操作温度为40±5℃，在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线如图1-16所示。试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量和调节时间。
图1-16 某发酵过程的温度在阶跃干扰作用下的过渡过程曲线
解：稳态误差： e ss =41-40=1℃
衰减比： n =4∶1
第一个波峰值：45-41=4℃
第二个波峰值：42-41=1℃
超调量： σ =（45-41）/41×100%=9.75%
调节时间： t s =23min（误差带为±2%）
虽然阶跃响应性能指标中各单项指标清晰明了，但统筹考虑还是比较困难。而误差幅度和误差存在的时间都与误差积分有关，因此用误差积分指标就可以全面反映控制系统的品质。误差积分是过渡过程中，被控变量偏离其新稳态值的误差沿时间轴的积分。无论是误差幅度增大，还是时间延长，都会使误差积分增大，因此它是一类综合指标，而且越小越好。
误差积分可以有各种不同的形式，常用的有以下四种。
1.误差积分IE（Integral of Error）：
2.误差绝对值积分IAE（Integral of Absolute Error）：
适用于衰减和无静差系统，不易用分析方法来求值，但用计算机计算很方便。
3.误差平方积分ISE（Integral of Squared Error）：
4.误差绝对值与时间乘积的积分ITAE（Integral of Time and Absolute Error）：
以上各式中，误差 e （ t ）= y （ t ） -y （∞）。
采用不同的积分公式意味着，在评估整个过渡过程和优良程度时的侧重点不同。例如，ISE着重惩罚过渡过程中的大误差，而ITAE则着重惩罚过渡过程拖得太长。人们可以根据生产过程的要求，特别是结合经济效益的考虑加以选用，对于不同的系统，采用不同的指标。例如，定值控制系统，要求被控量很快衰减，调节时间短，采用IAE指标；对于燃烧控制，空气量快速跟随燃料量变化，不产生大幅度振荡，采用ITAE指标。
一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定，在工程中应用更广泛，而偏差积分性能指标则更便于计算机仿真和理论分析。