简单控制系统.过程控制系统的性能指标.pps

2019年7月24日星期三 05:24,No. 1,简单控制系统：指SISO, Linear systems 是控制系统的基本形式 也称单回路系统,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) 复杂控制系统在简单系统的基础上发展起来的 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,过程控制系统的组成及术语,2019年7月24日星期三 05:24,No. 2,系统组成例 以液体储槽的水位控制为例，来说明其控制原理,典型单回路控制系统,液位变送器,液位控制器,执行器,过程控制系统的组成及术语,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,只有 一个调节回路,2019年7月24日星期三 05:24,No. 3,过程控制系统的性能指标,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 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 通过阶跃响应来评价系统的性能指标(performance),2019年7月24日星期三 05:24,No. 4,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,2019年7月24日星期三 05:24,No. 5,2019年7月24日星期三 05:24,No. 6,过程控制系统的性能指标,因此，过程控制系统的评价指标可概括为： 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,2019年7月24日星期三 05:24,No. 7,过程控制系统的性能指标,偏离度：被调量偏离设定(参比变量)的离散程度，是被控量统计特性之描述，这是一个综合性能指标； 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。,2019年7月24日星期三 05:24,No. 8,1-过程控制系统性能指标 时域控制性能指标(单项性能指标),2019年7月24日星期三 05:24,No. 9,给定,被调量,单项性能指标 衰减率: = 超调量: = 稳态误差: ess= r -y 调节时间: ts(进入稳态值5%范围内）,2019年7月24日星期三 05:24,No. 10,阶跃响应性能指标,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,阶跃响应,2019年7月24日星期三 05:24,No. 11,过程控制系统的性能指标,衰减率 每经过一个周期，波动幅值衰减的百分数 是衡量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=4:110:1,2019年7月24日星期三 05:24,No. 12,过程控制系统的性能指标,余差(静态偏差/残余偏差)C 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。,定值控制系统中，r=0， 因此有：e()= -C,2019年7月24日星期三 05:24,No. 13,过程控制系统的性能指标,动态偏差（亦即超调量） 最大偏差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：,2019年7月24日星期三 05:24,No. 14,关于超调量和最大动态偏差： 随动控制系统中，超调量（Overshoot）定义为： 定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。即：,2019年7月24日星期三 05:24,No. 15,调节时间(过渡过程时间/回复时间) Settling time ts 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,过程控制系统的性能指标,2019年7月24日星期三 05:24,No. 16,回复时间Ts和振荡频率的关系,振荡频率与振荡周期T的关系是 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。,2019年7月24日星期三 05:24,No. 17,讨论： （二阶系统）,2019年7月24日星期三 05:24,No. 18,小结： 衰减率越大，则系统振荡频率越低；,2019年7月24日星期三 05:24,No. 19,性能指标之间的关系,问题与注意事项 有些是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间） 对于不同的控制系统，这些性能指标各有其重要性 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, 因此，除上述单项性能指标外，还引入并常采用偏差积分性能指标来衡量控制系统 偏差积分性能指标 是一类综合指标 都不能保证系统具有合适的衰减比 常用表达形式,2019年7月24日星期三 05:24,No. 20,1. 误差积分准则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,2019年7月24日星期三 05:24,No. 21,2. 绝对误差积分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=IE,2019年7月24日星期三 05:24,No. 22,3. 平方误差积分ISE（integral of squared error criterion） 优点：对大误差加权大，故对大误差灵敏，抑制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,2019年7月24日星期三 05:24,No. 23,4. 时间与绝对误差乘积的积分ITAE（integral of time multiplied by the value of error criterion） 优点：着重惩罚过度时间过长 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,2019年7月24日星期三 05:24,No. 24,偏差积分性能指标小结,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