简单控制系统过程控制系统的性能指标.ppt
2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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),2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,No.5,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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。,2023年10月3日星期二 23:33,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),2023年10月3日星期二 23:33,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）,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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=4:110:1,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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：,2023年10月3日星期二 23:33,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：,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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。,2023年10月3日星期二 23:33,No.17,讨论：（二阶系统）,2023年10月3日星期二 23:33,No.18,小结：衰减率越大，则系统振荡频率越低；,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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,2023年10月3日星期二 23:33,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，例如，通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率,2023年10月3日星期二 23:33,No.25,控制系统运行的重要准则,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，系统各环节增益之积恒定，即控制系统动态运行条件是扰动或给定变化时，系统总开环传函的模恒定，即,
