11简单控制系统过程控制系统的性能指标课件.ppt

1、 20:45No.1v简单控制系统：指简单控制系统：指SISO,Linear systemsSISO,Linear systems是控制系统的基本形式是控制系统的基本形式也称也称单回路系统单回路系统,单回路调节系统单回路调节系统,指一个被调量、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一个调节量、一个调节器和调节阀组成的系统,只只有一个调节回路有一个调节回路,这类系统在过程控制中占大部分这类系统在过程控制中占大部分(约约80%80%以上以上)复杂控制系统复杂控制系统在简单系统的基础上发展起来的在简单系统的基础上发展起来的v特点特点结构简单，容易掌握结构简单，容易掌握具有广泛的适应性

2、具有广泛的适应性经济实用经济实用,可靠性高可靠性高过程控制系统的组成及术语过程控制系统的组成及术语 20:45No.2v系统组成例系统组成例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过程控制系统的组成及术语一个一个被调量被调量(水位水位)、一个一个调节量调节量、一个一个调节器调节器和和一个一个调节阀调节阀组成的组成的系统系统,只有只有一个一个调节回路调节回路 20:45No.3过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标 v决定过程控制系统决定过程控制系统的环节的环节控制系统结构控制系统结构被控过程特性被控过程特性过程检测、控制仪表过程检测、控制仪表v性能良好的过程控制系统，在受到外来

3、扰动作用或给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，应定值发生变化后，应v通过阶跃响应来评价系统的性能指标通过阶跃响应来评价系统的性能指标 20:45No.41.非周期衰减过程非周期衰减过程2.衰减振荡过程衰减振荡过程3.等幅振荡过程等幅振荡过程4.发散振荡过程发散振荡过程y t 非振荡发散过程非振荡发散过程 20:45No.5稳态稳态新稳态新稳态动态动态被调量被调量 y(t)（系统输出）（系统输出）时间时间(t)动态特性：被控参数随给定值变化过程的特性静态特性：被控参数处于稳定范围时的特性。典型阶跃响应特性典型阶跃响应特性 20:45No.6过程控制系统的性能指标过程控

4、制系统的性能指标 v因此，过程控制系统的评价指标可概括为：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；系统必须是稳定的；（稳定性稳定性）v要求：闭环极点位于要求：闭环极点位于s左半平面左半平面v评价指标：衰减比、衰减率、超调量和最大动态偏差评价指标：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；（系统应能提供尽可能好的稳态调节；（准确性准确性）v要求：被调量与给定值之间的偏差小要求：被调量与给定值之间的偏差小v评价指标：静差评价指标：静差(余差、残差、稳态偏差余差、残差、稳态偏差)系统应能提供尽可能快的过渡过程。（系统应能提供尽可能快的过渡过程。（快速性快速性

5、）v要求：要求：系统存在偏差的时间尽量短系统存在偏差的时间尽量短v评价指标：恢复时间评价指标：恢复时间(调节时间调节时间)、振荡周期、振荡频率、振荡周期、振荡频率、上升时间、峰值时间上升时间、峰值时间 20:45No.7过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标：被调量偏离设定：被调量偏离设定(参比变量参比变量)的离散程的离散程度，是被控量统计特性之描述，这是一个综度，是被控量统计特性之描述，这是一个综合性能指标；合性能指标；v控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需控制性能指标应根据生产工艺过程的实际需要来确定；要来确定；v通常采用系统阶跃响应曲线的性能指标通常采用系统阶跃响应曲线的性能指标

6、(单项单项)和偏差积分性能指标和偏差积分性能指标(综合综合)两种。两种。20:45No.81-过程控制系统性能指标 20:45No.9控制器广义对象+-给定给定被调量被调量单项性能指标单项性能指标衰减率衰减率:=超调量超调量:=稳态误差稳态误差:ess=r-y调节时间调节时间:ts(进入稳态值进入稳态值5%范围内范围内）131y-yy1100%yyy1y3yesstsr 20:45No.10阶跃响应性能指标阶跃响应性能指标v衰减比衰减比(Subsidence Ratio/Decay ratio)指相邻的指相邻的同向波峰值之比同向波峰值之比，图中，图中即即n=B1/B2n1衰减振荡；衰减振荡；n

7、无穷大为非周期过程无穷大为非周期过程阶跃响应阶跃响应 20:45No.11过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标v衰减率衰减率 每经过一个周期，波动幅值衰减的百分数每经过一个周期，波动幅值衰减的百分数nBBBBB11112121 20:45No.12过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标v余差余差(静态偏差静态偏差/残余偏差残余偏差)C Steady-state error 描述系统稳态特性的唯一指标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。一般要求余差不超过预定值或为零

8、。Cryre)()(20:45No.13过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标v动态偏差（亦即超调量）动态偏差（亦即超调量）最大偏差最大偏差A（或超调量（或超调量）：最大偏差）：最大偏差A A是指被控参数第是指被控参数第一个波的峰值与给定值的差一个波的峰值与给定值的差超调量：超调量：%100)()()(yytyp 20:45No.14关于超调量和最大动态偏差：关于超调量和最大动态偏差：v随动控制系统中，超调量（随动控制系统中，超调量（Overshoot）定义定义为：为：v定值控制系统采用最大动态偏差定值控制系统采用最大动态偏差A表示超调程度。表示超调程度。即：即：%yy10011yA 2

9、0:45No.15v调节时间调节时间(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%(或或2%)(误差带误差带)的范围内所经历的时间。的范围内所经历的时间。一般要求一般要求ts愈短愈好愈短愈好,是控制系统的是控制系统的快速性指标快速性指标过程控制系统的性能指标过程控制系统的性能指标y1y3yesstsr 20:45No.16回复时间回复时间Ts和振荡频率和振荡频率的关系的关系v振荡频率振荡频率与振荡周期与振荡周期T T的关系是的关系是 ；即：；即：;即：即：T2 20:45No.17：（）131yy tgm31yyn 不振荡不振荡

10、衰减衰减衰减衰减等幅等幅系统振荡系统振荡1041衰减比衰减比90 206612282800.3660.2210衰减指数衰减指数10.3440.2160阻尼系数阻尼系数10.90.750衰减率衰减率 20:45No.18小结：小结：衰减率越大，则系统振荡频率越低；衰减率越大，则系统振荡频率越低；20:45No.19性能指标之间的关系性能指标之间的关系v问题与注意事项问题与注意事项有些是有些是相互矛盾相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）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

11、证优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先满足主要的品质指标要求,v因此，因此，除上述单项性能指标外，还引入并常采用除上述单项性能指标外，还引入并常采用偏差积偏差积分性能指标分性能指标来衡量控制系统来衡量控制系统v偏差积分性能指标偏差积分性能指标是一类综合指标是一类综合指标都不能保证系统具有合适的衰减比都不能保证系统具有合适的衰减比常用表达形式常用表达形式mind),(0ttefJ 20:45No.201.1.误差积分准则误差积分准则IE（integral of error criterion）优点：优点：简单，也称为线性积分准则简单，也称为线性积分准则

12、 ，用于估计过程控制的难易程度，也可估计控用于估计过程控制的难易程度，也可估计控制方法的效果。制方法的效果。局限：不能抑制响应等幅波动，单凭局限：不能抑制响应等幅波动，单凭IEIE不能衡量系不能衡量系统的稳定性。统的稳定性。使用：规定衰减率下作为性能指标使用：规定衰减率下作为性能指标mind)(0tteIEJ 20:45No.212.2.绝对误差积分绝对误差积分IAEIAE(Integral of absolute error criterion)衡量响应曲线在零误差线衡量响应曲线在零误差线两侧总面积两侧总面积大小大小,对于负荷对于负荷变化引起的误差最终要消失变化引起的误差最终要消失,故任何一

13、个稳定的回路故任何一个稳定的回路,IAE必趋于一有限值。必趋于一有限值。优点：抑制响应等幅波动，常用于定值系统优点：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缺点：最小系统误差难确定适用于衰减和无静差系统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特例：对于响应曲线全部位于曲线一侧时有IAE=IEmind)(0tteIAEJ 20:45No.223.平方误差积分平方误差积分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等幅波

14、动和大误差缺点缺点:易产生振荡易产生振荡使用：使用：抑制最大动态偏差抑制最大动态偏差;适用于衰减和无静差系统适用于衰减和无静差系统mind)(02tteISEJ 20:45No.234.4.时间与绝对误差乘积的积分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缺点：对初始误差及随机误差不灵敏使用：常用于随动系统使用：常用于随动系统 用以降低初始大误差对性能指标的影响；用以降低初始大误差对性能指标的影响；

15、同时强调了过渡过程后期的误差对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mind)(0ttteITAEJ 20:45No.24偏差积分性能指标偏差积分性能指标小结小结v单项指标用若干特征参数评价系统优劣；单项指标用若干特征参数评价系统优劣；v积分指标用误差积分综合评价系统优劣；积分指标用误差积分综合评价系统优劣；v根据生产过程要求，选择使用各类不同指标！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，的综合指标，例如，v通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率通常将衰减率和积分指标结合，首先满足衰减率 20:45No.25控制系统运行的重要准则控制系统运行的重要准则1.1.负反馈准则：负反馈准则：控制系统开环增益之积为正，即控制系统开环增益之积为正，即2.2.稳定运行准则：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，即传函的模恒定，即0mpvcKKKKK开常数开mpvcKKKKK常数mpvcKKKK