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。

①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。

②给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线
给定值
稳态值

③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 n
n 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4:1～10:1。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10:1

b.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。

④ 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40±5℃。 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σ=（45-41）/41=9.75%
过渡过程时间=23min（误差带为±2%）。

⑤ 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。

⑥ 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1～5V
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Ⅰ型电动单元组合仪表；
n 70年代中期，Ⅱ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Ⅲ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FCS
n 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。

２.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