第1章 过程控制性能指标(1-2)

1.2.1 过程控制的性能指标

过程控制系统的性能由组成系统的结构、被控过程与过程仪表（测量变送、执行器和控制器）各环节特性所共同决定的。

1. 过程控制系统的性能评价

? 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，应能迅速

（快）、平稳（稳）、准确（准）地达到或趋近给定值。 ? 过程控制系统性能的评价指标可概括为：

a) 系统必须是稳定的（最重要、最基本的需求！） b) 系统应提供尽可能优良的稳态调节（静态指标）； c) 系统应提供尽可能优良的过渡过程（动态指标）。 2. 决定过程控制系统性能的因素

? 控制系统结构（单回路、串级、前馈-反馈控制等）； ? 各组成环节特性：

a) 被控过程特性（滞后、非线性、时变性和耦合特性）； b) 检测环节特性（非线性、间接测量）； c) 执行环节特性（非线性）；

d) 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

统性能指标的唯一因素。这就是参数整定（Tuning）。

稳定是系统性能中最重要、最根本的指标，只有在系统是稳定的前提下，才能讨论静态和动态指标。

3. 性能指标的确定和分析方法

? 过程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。需同时注意静态和动态

性能指标。 ? 分析方法：

（1）.阶跃响应性能指标，系统工程整定时采用； （重点介绍） （2）.偏差积分性能指标，计算机仿真或理论分析时采用。

①阶跃扰动作用下控制系统过渡过程曲线

yy

t

(a)(b)

yy

t

(d)(e)

ytt(c)t(a)发散振荡程 (b)非振荡发散过程 (c)等幅振荡过程

(d) 衰减振荡过程 (e) 非振荡衰减过程

在阶跃振动作用下，控制系统过渡过程曲线有以上几种典型形式：发散振荡过程、非振荡发散过程、等幅振荡过程、 衰减振荡过程、 非振荡衰减过程

前三者属于不稳定过程→性能指标无从谈起，后两种过程为稳定过程，重点讨论衰减振荡过程的常用性能指标。

②给定值阶跃变化时过渡过程的典型曲线 y(t)

r给定值 ±5% y(∞)稳态值 ttp ts

③静态性能指标

稳态误差是描述系统静态性能的唯一指标。

定义：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。 （但不可能为零）

动态性能指标

意义：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、

y(tp)B1

B210

《过程控制系统》教案

更有意义。

描述系统动态指标主要包括：

? a.衰减比；b.超调量；c.过渡过程时间

a.衰减比 n

? 衡量系统过渡过程稳定性的一个动态指标： n?B1 B2? 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。对于缓慢变化过程，可取到10:1

b.超调量?与过渡过程时间ts

?

超调量： (对于定值系统来说：最大偏差是指被控参数第一个峰值与给定值之差)

??y(tp)?y(?)y(?)?100%

?

过渡过程时间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±

5%（或±2%）的范围内所经历的时间。

?

要求?、ts应越小越好。

④ 性能指标之间的关系

a.有些指标之间是相互矛盾的（如超调量与过渡过程时间）。 b对于不同的过程控制系统，性能指标各有其重要性。 c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性能指标要求。

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。

。T/ C

45在阶跃扰动作用下的过渡过程曲线

42 4140 51823t/min

解： 稳态误差e=41-40=1℃

ss衰减比 第一个波峰值=45-41=4℃；第二个波峰值=42-41=1℃

n?B1?4:1B2

11

超调量σ=（45-41）/41=9.75%

过渡过程时间=23min（误差带为±2%）。

⑤ 偏差绝对值积分

（a）偏差绝对值积分IAE（Integral of Absolute Error）

?定义：偏差绝对值积分IAE J??e(t)dt?min

0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。 (b) 偏差绝对值与时间乘积的积分（ITAE）

定义：偏差绝对值与时间乘积的积分ITAE（Integral of Time and Absolute Error）

?J??te(t)dt?min

0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。 （c）偏差平方值积分（ ISE）

定义：偏差平方值积分ISE（ Integral of Squared Error）

?2J??e(t)dt?min

0该性能指标着重于抑制过渡过程中的大误差。 （d）时间乘偏差平方积分（ITSE）

定义：时间乘偏差平方积分ITSE（Integral of Time and Squared Error）

?2J??te(t)dt?min

0着重惩罚过渡过程拖得过长和大误差。

⑥ 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，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理论分析。

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《过程控制系统》教案

1.3 过程控制技术的发展

1.3.1 过程控制仪表的发展

自20世纪40年代开始，过程控制陆续采用自动检测及控制以取代手工操作。

气动?电动??现场就地?中央控制室控制?工业自动化仪表的发展?

仪表盘（屏）上监视?计算机操作站操作??模拟信号?数字信号?过程控制仪表的发展史

组装式仪表

或1～5V

1.3.2 计算机在过程控制中的应用及发展

表：计算机在过程控制顺的应用及发展

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