過程控制性能指標(biāo)

1、1.2.1過程限制的性能指標(biāo)過程限制系統(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)行器和限制器各環(huán)節(jié)特性所共同決定的.1 .過程限制系統(tǒng)的性能評價一個性能良好的過程限制系統(tǒng),在受到外來擾動作用或給定值發(fā)生變化后,應(yīng)能迅速快、平穩(wěn)穩(wěn)、準(zhǔn)確準(zhǔn)地到達(dá)或趨近給定值.過程限制系統(tǒng)性能的評價指標(biāo)可概括為：a系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的最重要、最根本的需求！b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)良的過渡過程動態(tài)指標(biāo).2 .決定過程限制系統(tǒng)性能的因素限制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單回路、串級、前饋-反應(yīng)限制等；各組成環(huán)節(jié)特性：a被控過程特性滯后、非線性、時變性和耦合特性；b檢測環(huán)節(jié)特性非線性、間接測量；

2、c執(zhí)行環(huán)節(jié)特性非線性；d限制器特性.當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和上述三個環(huán)節(jié)都確定后,限制器特性是決定限制系統(tǒng)性能指標(biāo)的唯一因素.這就是參數(shù)整定Tuning.需同時注意靜態(tài)和動態(tài)重點(diǎn)介紹穩(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)和動態(tài)指標(biāo).3 .性能指標(biāo)確實(shí)定和分析方法過程限制系統(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.性能指標(biāo).分析方法：（1） .階躍響應(yīng)性能指標(biāo),系統(tǒng)工程整定時采用；（2） .偏差積分性能指標(biāo),計(jì)算機(jī)仿真或理論分析時采用.階躍擾動作用下限制系統(tǒng)過渡過程曲線y(a)(b)(c)y(d)(e)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

3、衰減過程發(fā)散振蕩過程、非振蕩在階躍振動作用下,限制系統(tǒng)過渡過程曲線有以上幾種典型形式: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)定過程一性能指標(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).給定值階躍變化時過渡過程的典型曲線y(t)A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)過渡過程終了時給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差：一般要求穩(wěn)態(tài)誤差為零或越小越好.但不可能為零動態(tài)性能指標(biāo)意義：生產(chǎn)過程中干擾無時不在,限制系統(tǒng)時時刻刻都處在一種頻繁的、不間斷的動態(tài)調(diào)節(jié)過程中.所以,在過程限制中,了解或研究限制系統(tǒng)的動態(tài)比其靜態(tài)更為重要、更有意義.

4、描述系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)主要包括：a.衰減比；b.超調(diào)量；c.過渡過程時間a.衰減比n衡量系統(tǒng)過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(biāo)：B1B2一般取衰減比為4:110:1.其中4:1衰減比常作為評價過渡過程動態(tài)性能的一個理想指標(biāo).對于緩慢變化過程,可取到10:1b.超調(diào)量燈與過渡過程時間ts超調(diào)量：對于定值系統(tǒng)來說：最大偏差是指被控參數(shù)第一個峰值與給定值之差ytp-y：y二100%過渡過程時間ts指系統(tǒng)從受擾動作用時起,直到被控參數(shù)進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)值土5%或土2%的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間.要求仃、ts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)量與過渡過程時間.b對于不同的過程限制系統(tǒng),性能指標(biāo)各有

5、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±5CO試確定該系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、衰減比、超調(diào)量和過渡過程時間.424140解：穩(wěn)態(tài),差ess=41-40=1C衰減比第一個波峰值=45-41=4C;第二個波峰值=42-41=1CBi=4:1n二一B2超調(diào)量二(45-41)/41=9.75%過渡過程時間=23min(誤差帶為±2%).偏差絕對值積分(a)偏差絕對值積分IAE(IntegralofAbsoluteError)定義：偏差絕對值積分IAEJ=.0|e(t)|dt適用于衰減和無靜差系統(tǒng),不

6、易用分析方法來求值,但用計(jì)算機(jī)計(jì)算很方便.(b)偏差絕對值與時間乘積的積分(ITAE)定義：偏差絕對值與時間乘積的積分ITAE(IntegralofTimeandAbsoluteError)qQJ=0"e(t)|dt；min用以降低初始大誤差對性能指標(biāo)的影響；同時強(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)偏差平方彳1積分(ISE)定義：偏差平方值積分ISE(IntegralofSquaredError),二2,、,J=e(t)dtmin0該性能指標(biāo)著重于抑制過渡過程中的大誤差.(d)時間乘偏差平方積分(ITSE)定義：時間乘偏差平方積分ITSE(Integ

7、ralofTimeandSquaredError)J=te2(t)dtmin0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)的比擬階躍響應(yīng)性能指標(biāo)中各單項(xiàng)指標(biāo)清楚明了,但如何統(tǒng)籌(兼顧偏差和時間),那么比擬困難.偏差積分性能指標(biāo)可綜合偏差和時間關(guān)系,即可以兼顧衰減比、超調(diào)量和過渡過程時間等各單項(xiàng)指標(biāo),屬于綜合性能指標(biāo).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)那么更便于計(jì)算機(jī)仿真和理論分析.1.3過程限制技術(shù)的開展1.3.1 過程限制儀表的開展自20世紀(jì)40年代開始,過程限制陸續(xù)采用自動檢測及限制以取代手工操作.'氣動T電動現(xiàn)場就地T

8、中央限制室限制工業(yè)自動化儀表的開展tt儀表盤(屏)上監(jiān)視T計(jì)算機(jī)操作站操作模擬信號T數(shù)字信號過程限制儀表的開展史年代H業(yè)開展?fàn)顩r儀表技術(shù)2.世紀(jì)5陣代化工、冶金、造紙等規(guī)模較小電子管時代儀表信號標(biāo)漉：ZOflOOkPa氣動信號基地式儀表氣動單元組合式儀表氣動儀表限制翳20世紀(jì)6睥代分立元件的半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)算機(jī)大型電站過程工業(yè)大型化電動儀表開始使用,DDE-【I型,0-10mA儀表限制室電動單元組合式儀表DDC20世紀(jì)70年代集成電路技術(shù)微處理器工業(yè)現(xiàn)代化微機(jī)廣泛使用DKHII型,信號標(biāo)準(zhǔn)：420mA或15VCAD機(jī)器人DCS,PLC20世紀(jì)9薛代辦公自動化數(shù)字化技術(shù)通信,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)字化智能化儀表

9、各種通信協(xié)議,圈232/犯5/422等DCS功能擴(kuò)展20世紀(jì)9肉代智能限制H業(yè)限制高要求現(xiàn)場總線分析儀器的在線應(yīng)用1.3.2 計(jì)算機(jī)在過程限制中的應(yīng)用及開展表：計(jì)算機(jī)在過程限制順的應(yīng)用及開展年代計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)201生紀(jì)口年代計(jì)算機(jī)開始應(yīng)用于自動限制集中限制及直接數(shù)字限制3DC)20世紀(jì)70年代微型討算機(jī)產(chǎn)生微處理機(jī)技術(shù)用于工業(yè)限制集散限制系統(tǒng)(DCS)產(chǎn)生小型機(jī)開始在企業(yè)治理中應(yīng)用2超配80年代微機(jī)在企業(yè)治理信息系統(tǒng)(MIS?中應(yīng)用DCS在過程限制中惟廣應(yīng)用先進(jìn)限制技術(shù)在H業(yè)上應(yīng)用201世紀(jì)90年代工業(yè)生產(chǎn)過程自動化TQ,H廠自動化(FA)計(jì)算機(jī)集成過程限制系統(tǒng)BIPS)企業(yè)資源規(guī)劃CERP)

10、現(xiàn)場總線技術(shù)開展(FieldBus?管控一體化技術(shù)<MCIS>優(yōu)化限制軟件包1 .早期：由于計(jì)算機(jī)價格昂貴,可靠性不高,計(jì)算機(jī)在過程限制中的應(yīng)用僅限于取代模擬PID限制器,監(jiān)視、記錄或報警等,即所謂的計(jì)算機(jī)直接數(shù)字限制DDC2 .集散限制系統(tǒng)DCS的使用3 .現(xiàn)場總線技術(shù)開始實(shí)用化工業(yè)過程限制的一個研究熱點(diǎn)：以市場為導(dǎo)向的集治理與限制為一體的計(jì)算機(jī)集成綜合自動化系統(tǒng).特點(diǎn)：綜合自動化系統(tǒng)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和自動限制技術(shù),引入實(shí)時數(shù)據(jù)庫效勞器和關(guān)系數(shù)據(jù)庫效勞器協(xié)同工作的概念,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工過程、方案調(diào)度、生產(chǎn)工藝操作優(yōu)化、趨勢分析、物質(zhì)供給、產(chǎn)品質(zhì)量、辦公和財務(wù)等整個企

11、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治理,實(shí)現(xiàn)過程限制最優(yōu)化與現(xiàn)代化的集中調(diào)度治理相結(jié)合.1.3.3 過程限制理論的開展上世紀(jì)40年代至60年代,經(jīng)典限制理論為主.fSISO系統(tǒng)60年代后,現(xiàn)代限制理論在生產(chǎn)過程限制中得到了越來越多的應(yīng)用.數(shù)學(xué)上比擬完美的現(xiàn)代限制理論,在過程限制的實(shí)際應(yīng)用中卻存在較大的問題,由于它依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型.近年來,限制理論界已形成一個包括智能限制等在內(nèi)的多角度、多方位的研究態(tài)勢.目前,在工業(yè)過程限制系統(tǒng)中,90%以上還是采用PID限制算法！1.3.4 我國過程限制技術(shù)的開展1、我國過程限制技術(shù)的開展情況上世紀(jì)50年代末期,主要

12、采用機(jī)械式和氣動儀表；-起步于20世紀(jì)50年代60年代廣泛采用I型電動單元組合儀表；70年代中期,n型電動單元組合儀表成為過程檢測和限制的主流產(chǎn)品；80年代初,開始采用出型電動單元組合儀表,相繼引進(jìn)了分布式限制系統(tǒng)DCS、可編程序限制器PLC和工業(yè)PC機(jī)IPC等.目前,限制系統(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)水平.注：儀表仍大量使用氣動、電動單元組合儀表；在限制策略方面,開始采用先進(jìn)限制策略2、當(dāng)前過程限制的幾個開展方向現(xiàn)場總線限制系統(tǒng)FCSPLC-SCADA系統(tǒng)的應(yīng)用研究遠(yuǎn)程監(jiān)督與限制智能限制應(yīng)用研究過程限制與治理信息集成1.4本課程的地位和性質(zhì)1.4

13、.1 本課程的地位1 .過程限制與運(yùn)動限制的關(guān)系過程限制(ProcessControl)和運(yùn)動限制(MotionControl)是自動化專業(yè)的主干課程.二者的區(qū)別在于限制對象有所不同：過程限制研究化工、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、成份等變量的限制；而運(yùn)動限制研究速度和位置限制,如數(shù)控機(jī)床、航空航天、機(jī)器人等等.可見,過程限制所涉及的行業(yè)面廣,在國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中占有極其重要的地位.2 .過程限制的重要地位(1)過程限制可提升產(chǎn)量、節(jié)能降耗、平安生產(chǎn)、減少環(huán)境污染,對提升經(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)過程仍然處于手動或半

14、自動狀態(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.采用過程限制及信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),實(shí)施生產(chǎn)過程的優(yōu)化限制和治理,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)過程中的擾動工業(yè)生產(chǎn)過程的擾動作用使得生產(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.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,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,以滿足整個生產(chǎn)過程物料與能量的平衡.一個局部的擾動,往往會在整個生產(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：

15、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、時不變性、本征不穩(wěn)定性和耦合特性.3 .過程限制的主要任務(wù)過程限制的主要任務(wù)是使生產(chǎn)過程到達(dá)平安、平穩(wěn)、優(yōu)質(zhì)、高效高產(chǎn)、低耗.作為過程限制的最根本目標(biāo)是使生產(chǎn)過程克服一切擾動,平安越限報警、聯(lián)鎖并平穩(wěn)地進(jìn)行.1.4.3過程限制的設(shè)計(jì)1 .過程限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)過程限制系統(tǒng)時,必須花大量的時間和精力了解該工業(yè)生產(chǎn)過程的根本原理、操作過程和過程特性,這是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個工業(yè)生產(chǎn)過程限制系統(tǒng)的首要條件.這就要求從事過程限制的技術(shù)人員必須與工藝人員充分交流.限制技術(shù)人員根據(jù)工藝特點(diǎn),制定限制方案.限制方案設(shè)計(jì)包括合理選擇被控參數(shù)和限制參數(shù)、被控參數(shù)的測量變送、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇、限制規(guī)律的選取以及限制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等.2 .過程限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容一個完整的過程限制系統(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)校以及限制器參數(shù)整定等主要內(nèi)容.其中,限制方案設(shè)計(jì)和限制器參數(shù)整定那么是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的兩個核心內(nèi)容！如果限制方案設(shè)計(jì)不