簡(jiǎn)單控制系統(tǒng).過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo).ppt

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2019年12月16日星期一15:18,No.1,簡(jiǎn)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(gè)被調(diào)量、一個(gè)調(diào)節(jié)量、一個(gè)調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的系統(tǒng),只有一個(gè)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(jiǎn)單系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易掌握具有廣泛的適應(yīng)性經(jīng)濟(jì)實(shí)用,可靠性高,過程控制系統(tǒng)的組成及術(shù)語(yǔ),2019年12月16日星期一15:18,No.2,系統(tǒng)組成例以液體儲(chǔ)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(yǔ),一個(gè)被調(diào)量(水位)、一個(gè)調(diào)節(jié)量、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)調(diào)節(jié)閥組成的系統(tǒng),只有一個(gè)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(biāo),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(cè)、控制儀表性能良好的過程控制系統(tǒng)，在受到外來擾動(dòng)作用或給定值發(fā)生變化后，應(yīng)平穩(wěn)、準(zhǔn)確、迅速地回復(fù)（或趨近）到給定值上通過階躍響應(yīng)來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的性能指標(biāo)(performance),2019年12月16日星期一15:18,No.4,階躍信號(hào)作用下，五種典型的響應(yīng)過程(擾動(dòng)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(biāo),因此，過程控制系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(diǎn)位于s左半平面評(píng)價(jià)指標(biāo)：衰減比、衰減率、超調(diào)量和最大動(dòng)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(zhǔn)確性）要求：被調(diào)量與給定值之間的偏差小評(píng)價(jià)指標(biāo)：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(shí)間盡量短評(píng)價(jià)指標(biāo)：恢復(fù)時(shí)間(調(diào)節(jié)時(shí)間)、振蕩周期、振蕩頻率、上升時(shí)間、峰值時(shí)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(biāo),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(jì)特性之描述，這是一個(gè)綜合性能指標(biāo)；控制性能指標(biāo)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)工藝過程的實(shí)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(biāo)(單項(xiàng))和偏差積分性能指標(biāo)(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(biāo)——時(shí)域控制性能指標(biāo)(單項(xiàng)性能指標(biāo)),,,2019年12月16日星期一15:18,No.9,給定,被調(diào)量,,單項(xiàng)性能指標(biāo)衰減率:ψ=超調(diào)量:σ=穩(wěn)態(tài)誤差:ess=r-y∞調(diào)節(jié)時(shí)間:ts(進(jìn)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(biāo),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(rèn)為，隨動(dòng)系統(tǒng)n=10:1時(shí)穩(wěn)定性好，定值系統(tǒng)4:1為好，應(yīng)根據(jù)實(shí)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(biāo),衰減率每經(jīng)過一個(gè)周期，波動(dòng)幅值衰減的百分?jǐn)?shù)是衡量過渡過程穩(wěn)定性的一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)(與衰減比含義相同).一般取?=0.75～0.9，對(duì)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(biāo),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(biāo)指系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)，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?yàn)榱恪?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(biāo),動(dòng)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(gè)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(dòng)態(tài)偏差：隨動(dòng)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(dòng)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(shí)間(過渡過程時(shí)間/回復(fù)時(shí)間)Settlingtimets指系統(tǒng)從受擾動(dòng)作用時(shí)起，直到被控參數(shù)進(jìn)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(shí)間。一般要求ts愈短愈好,是控制系統(tǒng)的快速性指標(biāo),過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo),2019年12月16日星期一15:18,No.16,回復(fù)時(shí)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(shí)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(shí)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(biāo)之間的關(guān)系,問題與注意事項(xiàng)有些是相互矛盾的（如超調(diào)量與過渡過程時(shí)間）對(duì)于不同的控制系統(tǒng)，這些性能指標(biāo)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(biāo)要求,因此，除上述單項(xiàng)性能指標(biāo)外，還引入并常采用偏差積分性能指標(biāo)來衡量控制系統(tǒng)偏差積分性能指標(biāo)是一類綜合指標(biāo)都不能保證系統(tǒng)具有合適的衰減比常用表達(dá)形式,2019年12月16日星期一15:18,No.20,1.誤差積分準(zhǔn)則IE（integraloferrorcriterion）優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，也稱為線性積分準(zhǔn)則，用于估計(jì)過程控制的難易程度，也可估計(jì)控制方法的效果。局限：不能抑制響應(yīng)等幅波動(dòng)，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(biāo),2019年12月16日星期一15:18,No.21,2.絕對(duì)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(duì)于負(fù)荷變化引起的誤差最終要消失,故任何一個(gè)穩(wěn)定的回路,IAE必趨于一有限值。優(yōu)點(diǎn)：抑制響應(yīng)等幅波動(dòng)，常用于定值系統(tǒng)缺點(diǎn)：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(duì)于響應(yīng)曲線全部位于曲線一側(cè)時(shí)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(diǎn)：對(duì)大誤差加權(quán)大，故對(duì)大誤差靈敏，抑制響應(yīng)等幅波動(dòng)和大誤差缺點(diǎn):易產(chǎn)生振蕩使用：抑制最大動(dòng)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(shí)間與絕對(duì)誤差乘積的積分ITAE（integraloftimemultipliedbythevalueoferrorcriterion）優(yōu)點(diǎn)：著重懲罰過度時(shí)間過長(zhǎng)缺點(diǎn)：對(duì)初始誤差及隨機(jī)誤差不靈敏使用：常用于隨動(dòng)系統(tǒng)用以降低初始大誤差對(duì)性能指標(biāo)的影響；同時(shí)強(qiáng)調(diào)了過渡過程后期的誤差對(duì)指標(biāo)的影響,2019年12月16日星期一15:18,No.24,偏差積分性能指標(biāo)小結(jié),單項(xiàng)指標(biāo)用若干特征參數(shù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)劣；積分指標(biāo)用誤差積分綜合評(píng)價(jià)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(biāo)！對(duì)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(biāo)，例如，通常將衰減率和積分指標(biāo)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(yùn)行的重要準(zhǔn)則,1.負(fù)反饋準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)開環(huán)增益之積為正，即2.穩(wěn)定運(yùn)行準(zhǔn)則：控制系統(tǒng)靜態(tài)運(yùn)行條件是擾動(dòng)或給定變化時(shí)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)增益之積恒定，即控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件是擾動(dòng)或給定變化時(shí)，系統(tǒng)總開環(huán)傳函的模恒定，即,