过程控制系统的品质指标

主要内容 过程控制性能指标 过程控制技术的发展 过程控制的地位 过程控制的任务 过程控制系统品质的决定因素 控制系统结构(单回路、串级、复合等)； 各组成环节特性： 被控过程特性； 检测环节特性； 执行环节特性； 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品质指标的唯一因素。这就是参数整定(Tuning)。 过程控制系统的品质指标 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，应能平稳、准确、迅速地回复(或趋近)到给定值上。 过程控制系统的评价指标可概括为： 系统必须是稳定的；最重要、最根本的指标！ 系统应能提供尽可能好的稳态调节(静态指标) ； 系统应能提供尽可能好的过渡过程(动态指标) 。 性能指标的确定和分析方法 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。特别需要注意的是，不能不切实际地提出过高的控制性能指标要求。 分析系统性能指标，通常采用： 阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用； 偏差积分性能指标，计算机仿真或分析时采用。 阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线 给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线 稳态误差 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： 一般要求稳态误差为零或越小越好。 静态指标与动态指标 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。 衰减比 衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标。 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。 超调量σ与过渡过程时间ts 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%)的范围内所经历的时间。 要求σ 、ts应越小越好。 性能指标之间的关系 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。 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。 例题1 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%)。 偏差绝对值积分 偏差绝对值积分(Integral of Absolute Error: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。 偏差绝对值与时间乘积的积分(ITAE) 偏差绝对值与时间乘积的积分(Integral of Time and Absolute Error， ITAE ) 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。 偏差平方值积分( ISE) 偏差平方值积分( Integral of Squared Error: ISE) 该性能指标着重于抑制过渡过程中的大误差。 时间乘偏差平方积分(ITSE) 时间乘偏差平方积分(Integral of Time and Squared Error ，ITSE ) 着重惩罚过渡过程拖得过长和大误差。 阶跃响应与偏差积分性能指标的比较 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。 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。 一般来说，阶跃响应性能指标便于工程整定和分析，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分析。 过程控制仪表的发展 计算机在过程控制中的应用及发展 过程控制理论的发展 从上世纪40年代至60年代，经典控制理论为生产过程控制系统的设计提供了强有力的理论支撑。 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。 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，因为它严格依赖于被控对象的数学模型。 在工业过程控制系统中，90％以上还是采用PID控制算法！ 所谓的“先进过程控制策略”并不能解决过程控制中的诸多问题。 我国过程控制技术的发展 50年代末期，主要采用机械式和气动仪表； 60年代广泛采用Ⅰ型电动单元组合仪表； 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； 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