过程控制：第二讲 过程控制系统的性能指标

1、1 简单控制系统2 过程控制系统的评价指标3 时域控制的性能指标4 综合控制的性能指标第二讲 过程控制系统的性能指标主要讲解内容1 简单控制系统 1.1 定义 简单控制系统（SISO）是控制系统的基本形式也称单回路系统,或者单回路调节系统,指一个被调量、一个调节量、一个调节器和调节阀组成的系统,只有一个调节回路。这类系统在过程控制中占大部分(约80%以上)，是高级过程控制系统的底层系统。主要特点结构简单，容易掌握具有广泛的适应性经济实用,可靠性高1.2 典型单回路控制系统实例例1.1：简单液位控制系统液位变送器液位控制器执行器一个被调量(水位)、一个调节量、一个调节器和一个调节阀组成的系统,只

2、有一个调节回路2 过程控制系统的评价指标2.1 决定过程控制系统品质的环节控制系统结构被控过程特性过程检测、控制仪表 过程控制系统运行时有两种状态：稳态和动态。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，应平稳、准确、迅速地回复（或趋近）到给定值上。一般通过阶跃响应来评价系统的性能指标(performance)。阶跃信号作用下，五种典型的响应过程 (扰动特性)1. 非周期衰减过程2. 衰减振荡过程3. 等幅振荡过程4. 发散振荡过程y t 5.非振荡发散过程稳态新稳态动态被调量 y(t)（系统输出）时间(t)动态特性：被控参数随给定值变化过程的特性静态特性：被控参数处于稳定范

3、围时的特性。典型阶跃响应特性系统必须是稳定的； （稳定性）要求：闭环极点位于s左半平面评价指标：衰减比、衰减率、超调量和最大动态偏差系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确性）要求：被调量与给定值之间的偏差小评价指标：静差(余差、残差、稳态偏差)系统应能提供尽可能快的过渡过程。（快速性） 要求：系统存在偏差的时间尽量短评价指标：恢复时间(调节时间)、振荡周期、振荡频率、上升时间、峰值时间2.2 过程控制系统的评价指标 控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定；通常采用系统阶跃响应曲线的性能指标(单项)和偏差积分性能指标(综合)两种。也称时域控制性能指标和综合控制性能指标。过程控制系统的评价

4、原则 如何进行量化评价？ HOW？3 时域控制的性能指标 采用系统阶跃输入信号作用下系统的输出响应曲线的一些特征点来定义控制系统的时域性能指标，包括衰减比和衰减率、最大动态偏差和超调量、残差偏差、调节时间和振荡频率等。y1y3yesstsr 系统典型的阶跃响应曲线tpy3.1 衰减比和衰减率衰减比(Subsidence Ratio/Decay ratio )指相邻的同向波峰值之比，图中即n=B1/B2衰减比越大，系统越稳定一般认为，随动系统n=10:1时稳定性好，定值系统4:1为好，应根据实际情况灵活处理 n1衰减振荡； n无穷大为非周期过程衰减率 ：每经过一个周期，波动幅值衰减的百分数 衡量

5、过渡过程稳定性的一个动态指标(与衰减比含义相同).一般取=0.750.9，对应n=4:110:13.2 最大动态偏差和超调量最大动态偏差A（或超调量）：最大偏差A是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差。超调量：随动控制系统中定值控制系统中采用最大动态偏差A表示超调程度。即：3.3 残余偏差 也称静态偏差（Steady-state error）描述系统稳态特性的唯一指标。指系统过渡过程终了时，给定值与被控参数稳态值之差。一般要求余差不超过预定值或为零。3.4 调节时间和振荡频率 （1）调节时间(过渡过程时间/回复时间) 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%)(误差带)的

6、范围内所经历的时间。一般要求ts愈短愈好,是控制系统的快速性指标。（2）调节时间与振荡频率之间的关系振荡频率与振荡周期T的关系 n一定，越高，Ts越短；即：在相同衰减比n下，振荡频率越高，回复时间越短；一定，n越大，Ts越短;即：在相同振荡频率下，衰减比越大，回复时间越短。不振荡衰减衰减等幅系统振荡1041衰减比90206122800.3660.2210衰减指数10.3440.2160阻尼系数10.90.750衰减率例3.1：二阶系统性能分析实例小结：衰减率越大，则系统振荡频率越低；3.5 性能指标之间的关系讨论（1）有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）（2）对于不同的控制系统，这些性能

7、指标各有其重要性（3）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品质指标要求。取舍和权衡！ 阶跃响应性能指标便于工程整定和分析，在工程中使用广泛.4 综合控制的性能指标 单项指标虽然清晰明了，但是如何统筹兼顾，对这些指标进行综合，是迫切需要解决的问题。偏差的幅度及其存在的时间都与指标有关，所以采用偏差积分性能指标则可兼顾衰减比、超调量和过渡过程时间等各单项指标。常用表达形式偏差积分性能指标是一类综合指标 IE（integral of error criterion） 优点：简单，也称为线性积分准则 ，用于估计过程控制的难易程度，也可估计控制方法的效果。局限：不能抑制响应等

8、幅波动，单凭IE不能衡量系统的稳定性。使用：规定衰减率下作为性能指标4.1 误差积分准则IAE (Integral of absolute error criterion) 衡量响应曲线在零误差线两侧总面积大小,对于负荷变化引起的误差最终要消失,故任何一个稳定的回路, IAE必趋于一有限值。 优点：抑制响应等幅波动，常用于定值系统缺点：最小系统误差难确定适用于衰减和无静差系统特例：对于响应曲线全部位于曲线一侧时有IAE=IE4.2 绝对误差积分准则4.3 平方误差积分准则 ISE（integral of squared error criterion）优点：对大误差加权大，故对大误差灵敏，抑制

9、响应等幅波动和大误差缺点:易产生振荡使用：抑制最大动态偏差;适用于衰减和无静差系统4.4 时间与绝对误差乘积积分准则ITAE（integral of time multiplied by the value of error criterion） 优点：着重惩罚过渡过程中的大误差缺点：对初始误差及随机误差不灵敏使用：常用于随动系统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 小结单项指标用若干特征参数评价系统优劣；积分指标用误差积分综合评价系统优劣；根据生产过程要求，选择使用各类不同指标！对过渡过程性能性的不同要求，意义应选用不同的综合指标，例如，ISE最小的系统着重于抑制过渡过程中的大误差，但衰减比很大；ITAE最小的系统着重于惩罚过渡过程时间太长，但是过渡过程振荡激烈。通常将衰减率和积分指标结合，首先要满足衰减率。（1）负反馈准则：控制系统开环增益之积为正，即（2）稳定运行准则：控制系统静态运行条件是扰动或给定变化时，系统各环节增益