河南工業大學過程控制02第一頁，共33頁。過程控制系統的性能評價一個性能良好的過程控制系統，在受到外來擾動作用或給定值發生變化后，應能迅速、平穩、準確地達到或趨近給定值。過程控制系統性能的評價指標可概括為：系統必須是穩定的（最重要、最基本的需求！）系統應提供盡可能優良的穩態調節（靜態指標）；系統應提供盡可能優良的過渡過程（動態指標）。第二頁，共33頁。決定過程控制系統性能的因素控制系統結構（單回路、串級、前饋-反饋控制等）；各組成環節特性：被控過程特性（滯后、非線性、時變性和耦合特性）；檢測環節特性（非線性、間接測量）；執行環節特性（非線性）；控制器特性。當系統結構和上述三個環節都確定后，控制器特性是決定控制系統性能指標的唯一因素。這就是參數整定（Tuning）。第三頁，共33頁。性能指標的確定和分析方法過程控制系統性能指標應根據生產工藝過程的實際需要來確定。需同時注意靜態和動態性能指標。分析方法：1.階躍響應性能指標，系統工程整定時采用；2.偏差積分性能指標，計算機仿真或理論分析時采用。第四頁，共33頁。階躍擾動作用下控制系統過渡過程曲線

(a)發散振蕩過程(b)非振蕩發散過程(c)等幅振蕩過程(d)衰減振蕩過程(e)非振蕩衰減過程第五頁，共33頁。給定值階躍變化時過渡過程的典型曲線

第六頁，共33頁。靜態性能指標穩態誤差是描述系統靜態性能的唯一指標。指系統過渡過程終了時給定值與被控參數穩態值之差：一般要求穩態誤差為零或越小越好。第七頁，共33頁。動態性能指標生產過程中干擾無時不在，控制系統時時刻刻都處在一種頻繁的、不間斷的動態調節過程中。所以，在過程控制中，了解或研究控制系統的動態比其靜態更為重要、更有意義。描述系統動態指標主要包括：1.衰減比2.超調量3.過渡過程時間第八頁，共33頁。衰減比衡量系統過渡過程穩定性的一個動態指標：一般取衰減比為4:1～10:1。其中4:1衰減比常作為評價過渡過程動態性能的一個理想指標。對于緩慢變化過程，可取到10:1。第九頁，共33頁。超調量與過渡過程時間超調量：過渡過程時間ts指系統從受擾動作用時起，直到被控參數進入新的穩態值±5%（或±2%）的范圍內所經歷的時間。要求σ、ts應越小越好。第十頁，共33頁。性能指標之間的關系有些指標之間是相互矛盾的（如超調量與過渡過程時間）。對于不同的過程控制系統，性能指標各有其重要性。應根據工藝生產的具體要求，分清主次，統籌兼顧，保證優先滿足主要的性能指標要求。

第十一頁，共33頁。例題1某發酵過程工藝規定操作溫度為40±5℃。試確定該系統的穩態誤差、衰減比、超調量和過渡過程時間。第十二頁，共33頁。例題1穩態誤差ess=41-40=1℃衰減比第一個波峰值=45-41=4℃；第二個波峰值=42-41=1℃超調量σ=（45-41）/41=9.75%過渡過程時間=23min（誤差帶為±2%）。第十三頁，共33頁。偏差絕對值積分偏差絕對值積分IAE（IntegralofAbsoluteError）

適用于衰減和無靜差系統，不易用分析方法來求值，但用計算機計算很方便。第十四頁，共33頁。偏差絕對值與時間乘積的積分（ITAE）偏差絕對值與時間乘積的積分ITAE（IntegralofTimeandAbsoluteError）用以降低初始大誤差對性能指標的影響；同時強調了過渡過程后期的誤差對指標的影響，著重懲罰過渡過程拖得過長。第十五頁，共33頁。偏差平方值積分（ISE）偏差平方值積分ISE（IntegralofSquaredError）該性能指標著重于抑制過渡過程中的大誤差。第十六頁，共33頁。時間乘偏差平方積分（ITSE）時間乘偏差平方積分ITSE（IntegralofTimeandSquaredError）著重懲罰過渡過程拖得過長和大誤差。第十七頁，共33頁。階躍響應與偏差積分性能指標的比較階躍響應性能指標中各單項指標清晰明了，但如何統籌（兼顧偏差和時間），則比較困難。偏差積分性能指標可綜合偏差和時間關系，即可以兼顧衰減比、超調量和過渡過程時間等各單項指標，屬于綜合性能指標。一般來說，階躍響應性能指標便于工程整定，在工程應用中使用廣泛；而偏差積分性能指標則更便于計算機仿真和理論分析。第十八頁，共33頁。過程控制技術的發展過程控制儀表的發展計算機在過程控制中的應用及發展過程控制理論的發展我國過程控制技術的發展第十九頁，共33頁。過程控制儀表的發展

第二十頁，共33頁。計算機在過程控制中的應用及發展

第二十一頁，共33頁。過程控制理論的發展上世紀40年代至60年代，經典控制理論為主。60年代后，現代控制理論在生產過程控制中得到了越來越多的應用。數學上比較完美的現代控制理論，在過程控制的實際應用中卻存在較大的問題，因為它依賴于被控對象的數學模型。近年來，控制理論界已形成一個包括智能控制等在內的多角度、多方位的研究態勢。目前，在工業過程控制系統中，90％以上還是采用PID控制算法！第二十二頁，共33頁。我國過程控制技術的發展

上世紀50年代末期，主要采用機械式和氣動儀表；

60年代廣泛采用Ⅰ型電動單元組合儀表；70年代中期，Ⅱ型電動單元組合儀表成為過程檢測和控制的主流產品；80年代初，開始采用Ⅲ型電動單元組合儀表，相繼引進了分布式控制系統（DCS）、可編程序控制器（PLC）和工業PC機（IPC）等。目前，控制系統以DCS和PLC-SCADA系統為主。我國已有DCS、PLC的研發和生產能力。第二十三頁，共33頁。當前過程控制的幾個發展方向現場總線控制系統FCSPLC-SCADA系統的應用研究遠程監督與控制智能控制應用研究過程控制與管理信息集成第二十四頁，共33頁。過程控制與運動控制的關系

過程控制（ProcessControl）和運動控制（MotionControl）是自動化專業的主干課程。二者的區別在于控制對象有所不同：過程控制研究化工、石油、冶金、發電等工業生產過程中的溫度、壓力、流量、物位、成份等變量的控制；而運動控制研究速度和位置控制，如數控機床、航空航天、機器人等等。可見，過程控制所涉及的行業面廣，在國民經濟生產中占有極其重要的地位。第二十五頁，共33頁。過程控制的重要地位過程控制可提高產量、節能降耗、安全生產、減少環境污染，對提高經濟效益、社會效益和環境效益具有非常重要的意義。目前，我國還有許多工業生產過程仍然處于手動或半自動狀態，操作水平較低，穩定性差，效益不佳，存在很大的生產技術改造空間。采用過程控制及信息技術改造傳統產業，實施生產過程的優化控制和管理，已成為當務之急。第二十六頁，共33頁。過程控制的主要任務過程控制的主要任務是使生產過程達到安全、平穩、優質、高效（高產、低耗）。作為過程控制的最基本目標是使生產過程克服一切擾動，安全（越限報警、聯鎖）并平穩地進行。

第二十七頁，共33頁。工業生產過程中的擾動工業生產過程的擾動作用使得生產過程不穩定，主要有：原材料的特性變化；產品質量與規格的變化；生產設備特性的漂移；裝置與裝置或工廠與工廠之間的關聯等。在流程工業中，物料流與能量流在各裝置之間或工廠之間有著緊密的關系，由于前后的聯結調度等原因，往往要求生產過程的運行作出相應的改變，以滿足整個生產過程物料與能量的平衡。一個局部的擾動，往往會在整個生產過程中傳播開來。第二十八頁，共33頁。過程控制系統設計工業生產過程多種多樣，非常復雜。因此，在設計工業生產過程控制系統時，必須花大量的時間和精力了解該工業生產過程的基本原理、操作過程和過程特性，這是設計和實現一個工業生產過程控制系統的首要條件。這就要求從事過程控制的技術人員必須與工藝人員充分交流。

控制技術人員根據工藝特點，制定控制方案。控制方案設計包括合理選擇被控參數和控制參數、被控參數的測量變送、執行機構的選擇、控制規律的選取以及控制結構設計等。

第二十九頁，共33頁。過程控制系統設計的主要內容一個完整的過程控制系統從設計到投運，應包括方案設計、工程設計、工程安裝與儀表調校以及控制器參數整定等主要內容。其中，控制方案設計和控制器參數整定則是系統設計中的兩個核心內容！如果控制方案設計不正確，僅憑控制器參數的整定，則不可能獲得好的控制質量；反之，若控制方案設計正確，但控制器參數整定得不合適，也不能使控制系統保持在最佳狀態。第三十頁，共33頁