過程控制性能指標(biāo)12

1、 過程控制的性能指標(biāo)過程控制系統(tǒng)的性能由組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、被控過程與過程儀表（測量變送、執(zhí)行器和控制器）各環(huán)節(jié)特性所共同決定的。1. 過程控制系統(tǒng)的性能評價(jià)n 一個(gè)性能良好的過程控制系統(tǒng)，在受到外來擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)能迅速（快）、平穩(wěn)（穩(wěn)）、準(zhǔn)確（準(zhǔn)）地達(dá)到或趨近給定值。n 過程控制系統(tǒng)性能的評價(jià)指標(biāo)可概括為： a) 系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的（最重要、最基本的需求?。゜) 系統(tǒng)應(yīng)提供盡可能優(yōu)良的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)（靜態(tài)指標(biāo)）； c) 系統(tǒng)應(yīng)提供盡可能優(yōu)良的過渡過程（動(dòng)態(tài)指標(biāo)）。2. 決定過程控制系統(tǒng)性能的因素n 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（單回路、串級、前饋-反饋控制等）；n 各組成環(huán)節(jié)特性：a) 被控過程特性（滯

2、后、非線性、時(shí)變性和耦合特性）；b) 檢測環(huán)節(jié)特性（非線性、間接測量）；c) 執(zhí)行環(huán)節(jié)特性（非線性）；d) 控制器特性。當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和上述三個(gè)環(huán)節(jié)都確定后，控制器特性是決定控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的唯一因素。這就是參數(shù)整定（Tuning）。穩(wěn)定是系統(tǒng)性能中最重要、最根本的指標(biāo)，只有在系統(tǒng)是穩(wěn)定的前提下，才能討論靜態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。3. 性能指標(biāo)的確定和分析方法n 過程控制系統(tǒng)性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝過程的實(shí)際需要來確定。需同時(shí)注意靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。n 分析方法：（1）.階躍響應(yīng)性能指標(biāo)，系統(tǒng)工程整定時(shí)采用； （重點(diǎn)介紹）（2）.偏差積分性能指標(biāo)，計(jì)算機(jī)仿真或理論分析時(shí)采用。階躍擾動(dòng)作用下控制系統(tǒng)過渡過程曲線

3、 (a)發(fā)散振蕩程 (b)非振蕩發(fā)散過程 (c)等幅振蕩過程 (d) 衰減振蕩過程 (e) 非振蕩衰減過程在階躍振動(dòng)作用下，控制系統(tǒng)過渡過程曲線有以上幾種典型形式：發(fā)散振蕩過程、非振蕩發(fā)散過程、等幅振蕩過程、 衰減振蕩過程、 非振蕩衰減過程 前三者屬于不穩(wěn)定過程性能指標(biāo)無從談起，后兩種過程為穩(wěn)定過程，重點(diǎn)討論衰減振蕩過程的常用性能指標(biāo)。給定值階躍變化時(shí)過渡過程的典型曲線 給定值穩(wěn)態(tài)值靜態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)誤差是描述系統(tǒng)靜態(tài)性能的唯一指標(biāo)。定義：指系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差：n 一般要求穩(wěn)態(tài)誤差為零或越小越好。 （但不可能為零）動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)意義：生產(chǎn)過程中干擾無時(shí)不在，控制系統(tǒng)時(shí)時(shí)刻

4、刻都處在一種頻繁的、不間斷的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中。所以，在過程控制中，了解或研究控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)比其靜態(tài)更為重要、更有意義。 描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)主要包括：n a.衰減比；b.超調(diào)量；c.過渡過程時(shí)間a.衰減比 nn 衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)： n 一般取衰減比為4:110:1。其中4:1衰減比常作為評價(jià)過渡過程動(dòng)態(tài)性能的一個(gè)理想指標(biāo)。對于緩慢變化過程，可取到10:1b.超調(diào)量與過渡過程時(shí)間n 超調(diào)量： (對于定值系統(tǒng)來說：最大偏差是指被控參數(shù)第一個(gè)峰值與給定值之差)n 過渡過程時(shí)間指系統(tǒng)從受擾動(dòng)作用時(shí)起，直到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值±5%（或±2%）的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時(shí)間。n

5、 要求、應(yīng)越小越好。 性能指標(biāo)之間的關(guān)系a.有些指標(biāo)之間是相互矛盾的（如超調(diào)量與過渡過程時(shí)間）。b對于不同的過程控制系統(tǒng)，性能指標(biāo)各有其重要性。c應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧，保證優(yōu)先滿足主要的性能指標(biāo)要求。 例題1：某發(fā)酵過程工藝規(guī)定操作溫度為40±5。 試確定該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、超調(diào)量和過渡過程時(shí)間。 在階躍擾動(dòng)作用下的過渡過程曲線解： 穩(wěn)態(tài)誤差ess=41-40=1衰減比 第一個(gè)波峰值=45-41=4；第二個(gè)波峰值=42-41=1超調(diào)量=（45-41）/41=9.75%過渡過程時(shí)間=23min（誤差帶為±2%）。 偏差絕對值積分（a）偏差絕對值積

6、分IAE（Integral of Absolute Error） 定義：偏差絕對值積分IAE 適用于衰減和無靜差系統(tǒng)，不易用分析方法來求值，但用計(jì)算機(jī)計(jì)算很方便。 (b) 偏差絕對值與時(shí)間乘積的積分（ITAE）定義：偏差絕對值與時(shí)間乘積的積分ITAE（Integral of Time and Absolute Error） 用以降低初始大誤差對性能指標(biāo)的影響；同時(shí)強(qiáng)調(diào)了過渡過程后期的誤差對指標(biāo)的影響，著重懲罰過渡過程拖得過長。 （c）偏差平方值積分（ ISE）定義：偏差平方值積分ISE（ Integral of Squared Error）該性能指標(biāo)著重于抑制過渡過程中的大誤差。（d）時(shí)間乘偏

7、差平方積分（ITSE）定義：時(shí)間乘偏差平方積分ITSE（Integral of Time and Squared Error） 著重懲罰過渡過程拖得過長和大誤差。 階躍響應(yīng)與偏差積分性能指標(biāo)的比較n 階躍響應(yīng)性能指標(biāo)中各單項(xiàng)指標(biāo)清晰明了，但如何統(tǒng)籌（兼顧偏差和時(shí)間），則比較困難。n 偏差積分性能指標(biāo)可綜合偏差和時(shí)間關(guān)系，即可以兼顧衰減比、超調(diào)量和過渡過程時(shí)間等各單項(xiàng)指標(biāo)，屬于綜合性能指標(biāo)。n 一般來說，階躍響應(yīng)性能指標(biāo)便于工程整定，在工程應(yīng)用中使用廣泛；而偏差積分性能指標(biāo)則更便于計(jì)算機(jī)仿真和理論分析。 1.3 過程控制技術(shù)的發(fā)展1.3.1 過程控制儀表的發(fā)展自20世紀(jì)40年代開始，過程控制陸續(xù)

8、采用自動(dòng)檢測及控制以取代手工操作。工業(yè)自動(dòng)化儀表的發(fā)展或15V過程控制儀表的發(fā)展史組裝式儀表1.3.2 計(jì)算機(jī)在過程控制中的應(yīng)用及發(fā)展表：計(jì)算機(jī)在過程控制順的應(yīng)用及發(fā)展1. 早期：由于計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，可靠性不高，計(jì)算機(jī)在過程控制中的應(yīng)用僅限于取代模擬PID控制器，監(jiān)視、記錄或報(bào)警等，即所謂的計(jì)算機(jī)直接數(shù)字控制（DDC）2. 集散控制系統(tǒng)（DCS）的使用3. 現(xiàn)場總線技術(shù)開始實(shí)用化工業(yè)過程控制的一個(gè)研究熱點(diǎn)：以市場為導(dǎo)向的集管理與控制為一體的計(jì)算機(jī)集成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。特點(diǎn)：綜合自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，引入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器協(xié)同工作的概念，實(shí)現(xiàn)生

9、產(chǎn)加工過程、計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)工藝操作優(yōu)化、趨勢分析、物質(zhì)供應(yīng)、產(chǎn)品質(zhì)量、辦公和財(cái)務(wù)等整個(gè)企業(yè)信息的平臺集成和利用，實(shí)現(xiàn)全車間，全廠甚至全企業(yè)無人或很少人參與操作管理，實(shí)現(xiàn)過程控制最優(yōu)化與現(xiàn)代化的集中調(diào)度管理相結(jié)合。1.3.3 過程控制理論的發(fā)展n 上世紀(jì)40年代至60年代，經(jīng)典控制理論為主。（SISO系統(tǒng)）n 60年代后，現(xiàn)代控制理論在生產(chǎn)過程控制中得到了越來越多的應(yīng)用。n 數(shù)學(xué)上比較完美的現(xiàn)代控制理論，在過程控制的實(shí)際應(yīng)用中卻存在較大的問題，因?yàn)樗蕾囉诒豢貙ο蟮臄?shù)學(xué)模型。n 近年來，控制理論界已形成一個(gè)包括智能控制等在內(nèi)的多角度、多方位的研究態(tài)勢。 n 目前，在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，90以上還

10、是采用PID控制算法！1.3.4 我國過程控制技術(shù)的發(fā)展1、我國過程控制技術(shù)的發(fā)展情況n 上世紀(jì)50年代末期，主要采用機(jī)械式和氣動(dòng)儀表；起步于20世紀(jì)50年代 n 60年代廣泛采用型電動(dòng)單元組合儀表；n 70年代中期，型電動(dòng)單元組合儀表成為過程檢測和控制的主流產(chǎn)品；n 80年代初，開始采用型電動(dòng)單元組合儀表 ，相繼引進(jìn)了分布式控制系統(tǒng)（DCS）、可編程序控制器（PLC）和工業(yè)PC機(jī)（IPC）等。n 目前，控制系統(tǒng)以DCS和PLC-SCADA系統(tǒng)為主。我國已有DCS、PLC的研發(fā)和生產(chǎn)能力。注：儀表仍大量使用氣動(dòng)、電動(dòng)單元組合儀表；在控制策略方面，開始采用先進(jìn)控制策略2、當(dāng)前過程控制的幾個(gè)發(fā)展方

11、向n 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCSn PLC-SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用研究n 遠(yuǎn)程監(jiān)督與控制n 智能控制應(yīng)用研究n 過程控制與管理信息集成1.4 本課程的地位和性質(zhì)1.4.1 本課程的地位1. 過程控制與運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)系過程控制（Process Control）和運(yùn)動(dòng)控制（Motion Control）是自動(dòng)化專業(yè)的主干課程。二者的區(qū)別在于控制對象有所不同：n 過程控制研究化工、石油、冶金、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、流量、物位、成份等變量的控制；n 而運(yùn)動(dòng)控制研究速度和位置控制，如數(shù)控機(jī)床、航空航天、機(jī)器人等等。可見，過程控制所涉及的行業(yè)面廣，在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中占有極其重要的地位。.過程控制的重要地

12、位（1）過程控制可提高產(chǎn)量、節(jié)能降耗、安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染，對提高經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益具有非常重要的意義。（2）目前，我國還有許多工業(yè)生產(chǎn)過程仍然處于手動(dòng)或半自動(dòng)狀態(tài)，操作水平較低，穩(wěn)定性差，效益不佳，存在很大的生產(chǎn)技術(shù)改造空間。采用過程控制及信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，實(shí)施生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制和管理，已成為當(dāng)務(wù)之急。1.4.2 本課程的任務(wù)1. 工業(yè)生產(chǎn)過程中的擾動(dòng)n 工業(yè)生產(chǎn)過程的擾動(dòng)作用使得生產(chǎn)過程不穩(wěn)定，主要有： 原材料特性的變化； 產(chǎn)品質(zhì)量與規(guī)格的變化； 生產(chǎn)設(shè)備特性的漂移； 裝置與裝置或工廠與工廠之間的關(guān)系等。n 在流程工業(yè)中，物料流與能量流在各裝置之間或工廠之間有著緊密的關(guān)系，

13、由于前后的聯(lián)結(jié)調(diào)度等原因，往往要求生產(chǎn)過程的運(yùn)行作出相應(yīng)的改變，以滿足整個(gè)生產(chǎn)過程物料與能量的平衡。n 一個(gè)局部的擾動(dòng)，往往會在整個(gè)生產(chǎn)過程中傳播開來。2. 影響工業(yè)生產(chǎn)過程的因素主要有：1）信號的測量問題；2）執(zhí)行器特性；3）被控過程的滯后特性、非線性特性、時(shí)不變性、本征不穩(wěn)定性和耦合特性。3. 過程控制的主要任務(wù)n 過程控制的主要任務(wù)是使生產(chǎn)過程達(dá)到安全、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效（高產(chǎn)、低耗）。n 作為過程控制的最基本目標(biāo)是使生產(chǎn)過程克服一切擾動(dòng)，安全（越限報(bào)警、聯(lián)鎖）并平穩(wěn)地進(jìn)行。 1.4.3 過程控制的設(shè)計(jì)1. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)n 工業(yè)生產(chǎn)過程多種多樣，非常復(fù)雜。因此，在設(shè)計(jì)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系

14、統(tǒng)時(shí)，必須花大量的時(shí)間和精力了解該工業(yè)生產(chǎn)過程的基本原理、操作過程和過程特性，這是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的首要條件。這就要求從事過程控制的技術(shù)人員必須與工藝人員充分交流。 n 控制技術(shù)人員根據(jù)工藝特點(diǎn)，制定控制方案?？刂品桨冈O(shè)計(jì)包括合理選擇被控參數(shù)和控制參數(shù)、被控參數(shù)的測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇、控制規(guī)律的選取以及控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。 2. 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容n 一個(gè)完整的過程控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到投運(yùn)，應(yīng)包括方案設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、工程安裝與儀表調(diào)校以及控制器參數(shù)整定等主要內(nèi)容。n 其中，控制方案設(shè)計(jì)和控制器參數(shù)整定則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)核心內(nèi)容！n 如果控制方案設(shè)計(jì)不正確，僅憑控制器參數(shù)的整定，則不可能獲得好的控制質(zhì)量；反之，若控