第1章-过程控制性能指标(1-2)复习课程.doc

1.2.1 过程控制的性能指标过程控制系统的性能由组成系统的结构、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。1. 过程控制系统的性能评价n 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后，应能迅速（快）、平稳（稳）、准确（准）地达到或趋近给定值。n 过程控制系统性能的评价指标可概括为： a) 系统必须是稳定的（最重要、最基本的需求！）b) 系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）； c) 系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）。2. 决定过程控制系统性能的因素n 控制系统结构（单回路、串级、前馈-反馈控制等）；n 各组成环节特性：a) 被控过程特性（滞后、非线性、时变性和耦合特性）；b) 检测环节特性（非线性、间接测量）；c) 执行环节特性（非线性）；d) 控制器特性。当系统结构和上述三个环节都确定后，控制器特性是决定控制系统性能指标的唯一因素。这就是参数整定（Tuning）。稳定是系统性能中最重要、最根本的指标，只有在系统是稳定的前提下，才能讨论静态和动态指标。3. 性能指标的确定和分析方法n 过程控制系统性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定。需同时注意静态和动态性能指标。n 分析方法：（1）.阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用； （重点介绍）（2）.偏差积分性能指标，计算机仿真或理论分析时采用。阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线 (a)发散振荡程 (b)非振荡发散过程 (c)等幅振荡过程 (d) 衰减振荡过程 (e) 非振荡衰减过程在阶跃振动作用下，控制系统过渡过程曲线有以上几种典型形式：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 前三者属于不稳定过程性能指标无从谈起，后两种过程为稳定过程，重点讨论衰减振荡过程的常用性能指标。给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线 给定值稳态值静态性能指标稳态误差是描述系统静态性能的唯一指标。定义：指系统过渡过程终了时给定值与被控参数稳态值之差：n 一般要求稳态误差为零或越小越好。 （但不可能为零）动态性能指标意义：生产过程中干扰无时不在，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其静态更为重要、更有意义。 描述系统动态指标主要包括：n a.衰减比；b.超调量；c.过渡过程时间a.衰减比 nn 衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标： n 一般取衰减比为4:110:1。其中4:1衰减比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10:1b.超调量与过渡过程时间n 超调量： (对于定值系统来说：最大偏差是指被控参数第一个峰值与给定值之差)n 过渡过程时间指系统从受扰动作用时起，直到被控参数进入新的稳态值5%（或2%）的范围内所经历的时间。n 要求、应越小越好。 性能指标之间的关系a.有些指标之间是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）。b对于不同的过程控制系统，性能指标各有其重要性。c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。 例题1：某发酵过程工艺规定操作温度为405。 试确定该系统的稳态误差、衰减比、超调量和过渡过程时间。 在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线解： 稳态误差ess=41-40=1衰减比 第一个波峰值=45-41=4；第二个波峰值=42-41=1超调量=（45-41）/41=9.75%过渡过程时间=23min（误差带为2%）。 偏差绝对值积分（a）偏差绝对值积分IAE（Integral of Absolute Error） 定义：偏差绝对值积分IAE 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。 (b) 偏差绝对值与时间乘积的积分（ITAE）定义：偏差绝对值与时间乘积的积分ITAE（Integral of Time and Absolute Error） 用以降低初始大误差对性能指标的影响；同时强调了过渡过程后期的误差对指标的影响，着重惩罚过渡过程拖得过长。 （c）偏差平方值积分（ ISE）定义：偏差平方值积分ISE（ Integral of Squared Error）该性能指标着重于抑制过渡过程中的大误差。（d）时间乘偏差平方积分（ITSE）定义：时间乘偏差平方积分ITSE（Integral of Time and Squared Error） 着重惩罚过渡过程拖得过长和大误差。 阶跃响应与偏差积分性能指标的比较n 阶跃响应性能指标中各单项指标清晰明了，但如何统筹（兼顾偏差和时间），则比较困难。n 偏差积分性能指标可综合偏差和时间关系，即可以兼顾衰减比、超调量和过渡过程时间等各单项指标，属于综合性能指标。n 一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定，在工程应用中使用广泛；而偏差积分性能指标则更便于计算机仿真和理论分析。 1.3 过程控制技术的发展1.3.1 过程控制仪表的发展自20世纪40年代开始，过程控制陆续采用自动检测及控制以取代手工操作。工业自动化仪表的发展或15V过程控制仪表的发展史组装式仪表1.3.2 计算机在过程控制中的应用及发展表：计算机在过程控制顺的应用及发展1. 早期：由于计算机价格昂贵，可靠性不高，计算机在过程控制中的应用仅限于取代模拟PID控制器，监视、记录或报警等，即所谓的计算机直接数字控制（DDC）2. 集散控制系统（DCS）的使用3. 现场总线技术开始实用化工业过程控制的一个研究热点：以市场为导向的集管理与控制为一体的计算机集成综合自动化系统。特点：综合自动化系统应用计算机技术、网络技术、信息技术和自动控制技术，引入实时数据库服务器和关系数据库服务器协同工作的概念，实现生产加工过程、计划调度、生产工艺操作优化、趋势分析、物质供应、产品质量、办公和财务等整个企业信息的平台集成和利用，实现全车间，全厂甚至全企业无人或很少人参与操作管理，实现过程控制最优化与现代化的集中调度管理相结合。1.3.3 过程控制理论的发展n 上世纪40年代至60年代，经典控制理论为主。（SISO系统）n 60年代后，现代控制理论在生产过程控制中得到了越来越多的应用。n 数学上比较完美的现代控制理论，在过程控制的实际应用中却存在较大的问题，因为它依赖于被控对象的数学模型。n 近年来，控制理论界已形成一个包括智能控制等在内的多角度、多方位的研究态势。 n 目前，在工业过程控制系统中，90以上还是采用PID控制算法！1.3.4 我国过程控制技术的发展1、我国过程控制技术的发展情况n 上世纪50年代末期，主要采用机械式和气动仪表；起步于20世纪50年代 n 60年代广泛采用型电动单元组合仪表；n 70年代中期，型电动单元组合仪表成为过程检测和控制的主流产品；n 80年代初，开始采用型电动单元组合仪表 ，相继引进了分布式控制系统（DCS）、可编程序控制器（PLC）和工业PC机（IPC）等。n 目前，控制系统以DCS和PLC-SCADA系统为主。我国已有DCS、PLC的研发和生产能力。注：仪表仍大量使用气动、电动单元组合仪表；在控制策略方面，开始采用先进控制策略2、当前过程控制的几个发展方向n 现场总线控制系统FCSn PLC-SCADA系统的应用研究n 远程监督与控制n 智能控制应用研究n 过程控制与管理信息集成1.4 本课程的地位和性质1.4.1 本课程的地位1. 过程控制与运动控制的关系过程控制（Process Control）和运动控制（Motion Control）是自动化专业的主干课程。二者的区别在于控制对象有所不同：n 过程控制研究化工、石油、冶金、发电等工业生产过程中的温度、压力、流量、物位、成份等变量的控制；n 而运动控制研究速度和位置控制，如数控机床、航空航天、机器人等等。可见，过程控制所涉及的行业面广，在国民经济生产中占有极其重要的地位。.过程控制的重要地位（1）过程控制可提高产量、节能降耗、安全生产、减少环境污染，对提高经济效益、社会效益和环境效益具有非常重要的意义。（2）目前，我国还有许多工业生产过程仍然处于手动或半自动状态，操作水平较低，稳定性差，效益不佳，存在很大的生产技术改造空间。采用过程控制及信息技术改造传统产业，实施生产过程的优化控制和管理，已成为当务之急。1.4.2 本课程的任务1. 工业生产过程中的扰动n 工业生产过程的扰动作用使得生产过程不稳定，主要有： 原材料特性的变化； 产品质量与规格的变化； 生产设备特性的漂移； 装置与装置或工厂与工厂之间的关系等。n 在流程工业中，物料流与能量流在各装置之间或工厂之间有着紧密的关系，由于前后的联结调度等原因，往往要求生产过程的运行作出相应的改变，以满足整个生产过程物料与能量的平衡。n 一个局部的扰动，往往会在整个生产过程中传播开来。2. 影响工业生产过程的因素主要有：1）信号的测量问题；2）执行器特性；3）被控过程的滞后特性、非线性特性、时不变性、本征不稳定性和耦合特性。3. 过程控制的主要任务n 过程控制的主要任务是使生产过程达到安全、平稳、优质、高效（高产、低耗）。n 作为过程控制的最基本目标是使生产过程克服一切扰动，安全（越限报警、联锁）并平稳地进行。 1.4.3 过程控制的设计1. 过程控制系统设计n 工业生产过程多种多样，非常复杂。因此，在设计工业生产过程控制系统时，必须花大量的时间和精力了解该工业生产过程的基本原理、操作过程和过程特性，这是设计和实现一个工业生产过程控制系统的首要条件。这就要求从事过程控制的技术人员必须与工艺人员充分交流。 n 控制技术人员根据工艺特点，制定控制方案。控制方案设计包括合理选择被控参数和控制参数、被控参数的测量变送、执行机构的选择、控制规律的选取以及控制结构设计等。 2. 过程控制系统设计的主要内容n 一个完整的过程控制系统从设计到投运，应包括方案设计、工程设计、工程安装与仪表调校以及控制器参数整定等主要内容。n 其中，控制方案设计和控制器参数整定则是系统设计中的两个核心内容！n 如果控制方案设计不正确，仅凭控制器参数的整定，则不可能获得好的控制质量；反之，若控制方案设计正确，但控制器参数整定得不合适，也不能使控制系统保持在最佳状态。 3. 一个不当的控制方案设计举例n 目标：破碎过程，腔内料位需要稳定。n 问题：给矿皮带长，给矿机矿量改变后传输到破碎机时间长。n 仅测破碎腔内料位，改变给矿机频率，料位波动很大。必须设计成串级控制！n 一个需要串级控制而设计成单回路控制的系统，是无法满足工艺指标要求的！注：和前面的一个例子中被控过程一样本章总结作业： P16 1-1，1-3，1-4，1-5，1-8