簡單控制系統(tǒng).過程控制系統(tǒng)的性能指標.ppt

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2019年12月16日星期一15:18,No.1,簡單控制系統(tǒng)：指SISO,Linearsystems是控制系統(tǒng)的基本形式也稱單回路系統(tǒng),單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng),指一個被調(diào)量、一個調(diào)節(jié)量、一個調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的系統(tǒng),只有一個調(diào)節(jié)回路,這類系統(tǒng)在過程控制中占大部分(約80%以上)復(fù)雜控制系統(tǒng)在簡單系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的特點結(jié)構(gòu)簡單，容易掌握具有廣泛的適應(yīng)性經(jīng)濟實用,可靠性高,過程控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語,2019年12月16日星期一15:18,No.2,系統(tǒng)組成例以液體儲槽的水位控制為例，來說明其控制原理,典型單回路控制系統(tǒng),液位變送器,液位控制器,執(zhí)行器,過程控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語,一個被調(diào)量(水位)、一個調(diào)節(jié)量、一個調(diào)節(jié)器和一個調(diào)節(jié)閥組成的系統(tǒng),只有一個調(diào)節(jié)回路,2019年12月16日星期一15:18,No.3,過程控制系統(tǒng)的性能指標,決定過程控制系統(tǒng)品質(zhì)的環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)被控過程特性過程檢測、控制儀表性能良好的過程控制系統(tǒng)，在受到外來擾動作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)平穩(wěn)、準確、迅速地回復(fù)（或趨近）到給定值上通過階躍響應(yīng)來評價系統(tǒng)的性能指標(performance),2019年12月16日星期一15:18,No.4,階躍信號作用下，五種典型的響應(yīng)過程(擾動特性),1.非周期衰減過程,2.衰減振蕩過程,3.等幅振蕩過程,4.發(fā)散振蕩過程,2019年12月16日星期一15:18,No.5,2019年12月16日星期一15:18,No.6,過程控制系統(tǒng)的性能指標,因此，過程控制系統(tǒng)的評價指標可概括為：系統(tǒng)必須是穩(wěn)定的；（穩(wěn)定性）要求：閉環(huán)極點位于s左半平面評價指標：衰減比、衰減率、超調(diào)量和最大動態(tài)偏差系統(tǒng)應(yīng)能提供盡可能好的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)；（準確性）要求：被調(diào)量與給定值之間的偏差小評價指標：靜差(余差、殘差、穩(wěn)態(tài)偏差)系統(tǒng)應(yīng)能提供盡可能快的過渡過程。（快速性）要求：系統(tǒng)存在偏差的時間盡量短評價指標：恢復(fù)時間(調(diào)節(jié)時間)、振蕩周期、振蕩頻率、上升時間、峰值時間,2019年12月16日星期一15:18,No.7,過程控制系統(tǒng)的性能指標,偏離度：被調(diào)量偏離設(shè)定(參比變量)的離散程度，是被控量統(tǒng)計特性之描述，這是一個綜合性能指標；控制性能指標應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝過程的實際需要來確定；通常采用系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的性能指標(單項)和偏差積分性能指標(綜合)兩種。,2019年12月16日星期一15:18,No.8,1-６過程控制系統(tǒng)性能指標——時域控制性能指標(單項性能指標),,,2019年12月16日星期一15:18,No.9,給定,被調(diào)量,,單項性能指標衰減率:ψ=超調(diào)量:σ=穩(wěn)態(tài)誤差:ess=r-y∞調(diào)節(jié)時間:ts(進入穩(wěn)態(tài)值5%范圍內(nèi)）,,2019年12月16日星期一15:18,No.10,階躍響應(yīng)性能指標,衰減比(SubsidenceRatio/Decayratio)指相鄰的同向波峰值之比，圖中即n=B1/B2衰減比越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定一般認為，隨動系統(tǒng)n=10:1時穩(wěn)定性好，定值系統(tǒng)4:1為好，應(yīng)根據(jù)實際情況靈活處理n1衰減振蕩；n無窮大為非周期過程,階躍響應(yīng),2019年12月16日星期一15:18,No.11,過程控制系統(tǒng)的性能指標,衰減率每經(jīng)過一個周期，波動幅值衰減的百分數(shù)是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個動態(tài)指標(與衰減比含義相同).一般取?=0.75～0.9，對應(yīng)n=4:1～10:1,2019年12月16日星期一15:18,No.12,過程控制系統(tǒng)的性能指標,余差(靜態(tài)偏差/殘余偏差)CSteady-stateerror描述系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的唯一指標指系統(tǒng)過渡過程終了時，給定值與被控參數(shù)穩(wěn)態(tài)值之差一般要求余差不超過預(yù)定值或為零。,定值控制系統(tǒng)中，r=0，因此有：e(∞)=-C,2019年12月16日星期一15:18,No.13,過程控制系統(tǒng)的性能指標,動態(tài)偏差（亦即超調(diào)量）最大偏差A(yù)（或超調(diào)量σ）：最大偏差A(yù)是指被控參數(shù)第一個波的峰值與給定值的差超調(diào)量：,2019年12月16日星期一15:18,No.14,關(guān)于超調(diào)量和最大動態(tài)偏差：隨動控制系統(tǒng)中，超調(diào)量（Overshoot）σ定義為：定值控制系統(tǒng)采用最大動態(tài)偏差A(yù)表示超調(diào)程度。即：,,,2019年12月16日星期一15:18,No.15,調(diào)節(jié)時間(過渡過程時間/回復(fù)時間)Settlingtimets指系統(tǒng)從受擾動作用時起，直到被控參數(shù)進入新的穩(wěn)態(tài)值5%(或2%)(誤差帶)的范圍內(nèi)所經(jīng)歷的時間。一般要求ts愈短愈好,是控制系統(tǒng)的快速性指標,過程控制系統(tǒng)的性能指標,2019年12月16日星期一15:18,No.16,回復(fù)時間Ts和振蕩頻率ω的關(guān)系,振蕩頻率ω與振蕩周期T的關(guān)系是N一定，ω越高，Ts越短；即：在相同衰減比n下，振蕩頻率越高，回復(fù)時間越短；ω一定，n越大，Ts越短;即：在相同振蕩頻率下，衰減比越大，回復(fù)時間越短。,,2019年12月16日星期一15:18,No.17,討論：（二階系統(tǒng)）,2019年12月16日星期一15:18,No.18,小結(jié)：衰減率越大，則系統(tǒng)振蕩頻率越低；,2019年12月16日星期一15:18,No.19,性能指標之間的關(guān)系,問題與注意事項有些是相互矛盾的（如超調(diào)量與過渡過程時間）對于不同的控制系統(tǒng)，這些性能指標各有其重要性應(yīng)根據(jù)工藝生產(chǎn)的具體要求，分清主次，統(tǒng)籌兼顧，保證優(yōu)先滿足主要的品質(zhì)指標要求,因此，除上述單項性能指標外，還引入并常采用偏差積分性能指標來衡量控制系統(tǒng)偏差積分性能指標是一類綜合指標都不能保證系統(tǒng)具有合適的衰減比常用表達形式,2019年12月16日星期一15:18,No.20,1.誤差積分準則IE（integraloferrorcriterion）優(yōu)點：簡單，也稱為線性積分準則，用于估計過程控制的難易程度，也可估計控制方法的效果。局限：不能抑制響應(yīng)等幅波動，單憑IE不能衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用：規(guī)定衰減率下作為性能指標,2019年12月16日星期一15:18,No.21,2.絕對誤差積分IAE(Integralofabsoluteerrorcriterion)衡量響應(yīng)曲線在零誤差線兩側(cè)總面積大小,對于負荷變化引起的誤差最終要消失,故任何一個穩(wěn)定的回路,IAE必趨于一有限值。優(yōu)點：抑制響應(yīng)等幅波動，常用于定值系統(tǒng)缺點：最小系統(tǒng)誤差難確定適用于衰減和無靜差系統(tǒng)特例：對于響應(yīng)曲線全部位于曲線一側(cè)時有IAE=IE,2019年12月16日星期一15:18,No.22,3.平方誤差積分ISE（integralofsquarederrorcriterion）優(yōu)點：對大誤差加權(quán)大，故對大誤差靈敏，抑制響應(yīng)等幅波動和大誤差缺點:易產(chǎn)生振蕩使用：抑制最大動態(tài)偏差;適用于衰減和無靜差系統(tǒng),2019年12月16日星期一15:18,No.23,4.時間與絕對誤差乘積的積分ITAE（integraloftimemultipliedbythevalueoferrorcriterion）優(yōu)點：著重懲罰過度時間過長缺點：對初始誤差及隨機誤差不靈敏使用：常用于隨動系統(tǒng)用以降低初始大誤差對性能指標的影響；同時強調(diào)了過渡過程后期的誤差對指標的影響,2019年12月16日星期一15:18,No.24,偏差積分性能指標小結(jié),單項指標用若干特征參數(shù)評價系統(tǒng)優(yōu)劣；積分指標用誤差積分綜合評價系統(tǒng)優(yōu)劣；根據(jù)生產(chǎn)過程要求，選擇使用各類不同指標！對過渡過程性能性的不同要求，意義應(yīng)選用不同的綜合指標，例如，通常將衰減率和積分指標結(jié)合，首先滿足衰減率,2019年12月16日星期一15:18,No.25,控制系統(tǒng)運行的重要準則,1.負反饋準則：控制系統(tǒng)開環(huán)增益之積為正，即2.穩(wěn)定運行準則：控制系統(tǒng)靜態(tài)運行條件是擾動或給定變化時，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益之積恒定，即控制系統(tǒng)動態(tài)運行條件是擾動或給定變化時，系統(tǒng)總開環(huán)傳函的模恒定，即,