过程控制系统的性能指标和自动化仪表的分类与发展

过程控制系统的性能指标
        对于每一个定值控制系统而言，当设定值发生变化或受到外界干扰时，要求被控量能平稳、迅速和准确地趋近或回复到设定值。因此，通常在稳定性、快速性和准确性三个方面提 出各种单项性能指标和综合性能指标。
1.单项性能指标
        过程控制系统的单项性能指标又有时域和频域之分。现以时域为例说明其确定方法。
系统的单项时域性能指标通常根据设定值作阶跃变化时的过渡过程特性确定。其单项时域指标包括衰减比（或衰减率）、超调量、最大动态偏差、残余偏差（亦称稳态 误差或静差）、调节时间和振荡频率等，
(1)衰减比衰减比n是衡量系统 振荡过程衰减程度的指标，它定义为两个相邻的同向波峰值之比，衡量衰减程度的另一指标是哀减率，它定义为一个周期后波动幅度衰减的程度，理论计算表明，衰减比与衰减率有单值对应关系，如衰减比为4:1时，则衰减率为 0.75。 为了保证过程控制系统有一定的稳定裕度，一般要求衰减比为4：1~ 10:1，则对应的哀减率为 0.75~0.9。具有这种衰减过程的系统’其过度过程大约经过两个周期以后即接近稳态值。
(2)最大动态偏差和超调量最大动态偏差是指在设定值阶跃响应中’系统过渡过程 的第一个峰值超出稳态值的幅度，如图1-7中的B1。最大动态偏差占被控量稳态值的百分比称为超调量，对于二阶振荡系统，控制理论已经证明，超调量σ与衰减比n有单值对应关系，(3) 残余偏差残余偏差是指过渡过程结束后，被控量新的稳态值y(∞)与设定值；r之间的差值，它是控制系统的稳态指标，在定值控制系统中，(4)调节时间、峰值时间和振荡频率调节时间是指系统从干扰开始到被控量进入新 稳态值的±5% (或±2%)范围内所需时间，通常以表示。峰值时间是指系统从干扰开 始到被控量达到最大值时所需时间，通常用表示。调节时间与峰值时间均是衡量控制系统快速性的重要指标，通常要求它们愈短愈好。在相同衰减比下，振荡频率越高，调节时间与峰值时间越短。因此，振荡频率在一定程 度上也可以作为衡量控制系统快速性的指标之一。
2.综合性能指标
        系统的综合性能指标是在基于偏差积分最小的原则下制定、用以衡量控制系统性能 “优良度”的一些指这些指标只适用于衰减、无静差系统，常用的有以下几种：
(1) 偏差绝对值积IAE:IAE可表示为该性能指标使用广泛，但用计算机实现时不太简便。
(2)偏差平方积ISE:ISE可表示为该性能指标着重抑制过渡过程中大的偏差。
(3) 偏差绝对值与时间乘积积ITAE:ITAE可表示为该性能指标既能降低误差对性能指标的影响，又能抑制过渡过程时间过长。
(4)时间乘偏差平方积ITSE:ITSE可表示为该性能指标着重抑制过渡过程中大的偏差和过渡过程时间过长。
以上各式中不同的积分公式意味着评价过渡过程优良程度的侧重点不同。误差积分指标存在的缺点是不能保证控制系统具有合适的衰减率。因此，通常先确定衰减率，然后再考虑使某种误差积分为最小。
自动化仪表概述
        如俞所述，自动化仪表是构成程控制系统的重要组成部分。如果没有自动化仪表，就不可能实现真正的过程控制。
自动化仪表的分类与发展
        自动化仪表的种类繁多，有常规仪表和基于微型计算机技术的各种智能式仪表。工程上通常按照安装场地、能源形式、信号类型和结构形式进行分类。
1. 按照安装场地分
按照安装场地不同，可分为现场类仪表（亦称一次仪表）与控制室类仪表（亦称二次仪表）。现场类仪表通常在抗干扰、防腐蚀、抗震动、防爆等方面具有特殊要求。
2. 按照能源形式分
自动化仪表按照能源形式的不同可分为液动、气动和电动等。而在过程控制中，一般都采用电动和气动仪表。
气动仪表发展较早，其特点是结构简单、性能稳定、可靠性高、价格便宜，且在本质上安全防爆，因而广泛应用于石油、化工等有爆炸危险的场所。
电动仪表相对气动仪表出现较晚，但由于电动仪表在信号传输、放大、变换处理以及实现远距离监视、操作等方面比气动仪表优越，特别容易与计算机等现代化信息技术工具联用，因而电动仪表的发展极为迅速，应用也极为广泛。
近年来，由于电动仪表普遍采取了安全火花防爆措施，解决了安全防爆问题，因而在易燃易爆的危险场所也能使用。
3. 按照信号类型分
自动化仪表按照信号类型可分为模拟式和数字式两大类。
模拟式仪表的传输信号通常是连续变化的模拟量，其线路较为简单，操作方便，在过程控制中已经被广泛应用。
数字式仪表的传输信号通常是断续变化的数字量，以微型计算机为核心，其功能完善、性能优越，能够解决模拟式仪表难以解决的问题。
4. 按照结构形式分
自动化仪表按照结构形式的不同可分为基地式、单元组合式、组装式以及集中/分散式等。
(1) 基地式仪表基地式仪表最初出现在过程控制的早期，它是安装在现场，桌检测、 指示与控制于一身的自动化仪表。早期的基地式仪表结构简单，价格低廉，但由于功能有限、通用性差，所以很快被单元组合式仪表所替代。
近年来，随着计算机网络与通信技术的迅速发展和广泛应用，基地式仪表又获得了新生，正在朝着多功能、智能化方向发展。如带有控制功能的智能变送器、智能执行器或智能 式阀门定位器等现代基地式仪表已成为现场总线控制系统的重要组成部分。
(2) 单元组合式仪表单元组合式仪表是根据控制系统各组成环节的不同功能和使用要 求制成的模块化仪表（称为单元）的总称。各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。这类仪表有电动单元组合（DDZ)仪表和气动单元组合（QDZ)仪表两大类。它们都经历了I型、n型和n型等发展阶段，经过不断改进，其性能已日趋完善。
单元组合式仪表可分为变送单元、给定单元、控制单元、执行单元、转换单元、运算单元、显示单元和辅助单元等，各单元的功能简述如下：
        1) 变送单元是将各种被测参数，如温度、压力、流量、液位、成分等物理量的大小变 换成统一的标准测量信号传送给指示、记录和控制装置等。
        2) 给定单元是输出统一标准信号作为被控变量的设定值赋给控制单元，以实现定值控制。
        3) 控制单元是将测量信号与设定信号之差按某种规律运算后输出控制信号，去控制执行器的动作。
        4) 执行单元的作用是按照控制信号或手动操作信号去改变控制量的大小。
        5) 转换单元的作用是既可将不同的物理信号转换为统一标准信号，也可实现不同标准信号之间的相互转换，如气一电转换或电一气转换等，以使不同信号可以在同一控制系统中使用。
        6) 运算单元可将多个统一标准信号进行加、减、乘、除、开方、平方等运算，以用于 多种参数的补偿计算和综合控制等。
        7) 显示单元可对各种被测参数进行指示、记录、报警和积算，为操作人员监视控制系 统和生产过程运行状况提供依据。
        8) 辅助单元是为了满足过程控制系统的某些特殊需要而增设的仪表，如操作器、限幅 器、安全防爆栅等。
用电动单元组合仪表构成的控制系统。
(3) 组装式仪表组装式仪表是一种功能分离、结构组件化的成套仪表（或装置）。它 以模拟器件为主，兼用模拟技术和数字技术。整套仪表（或装置）在结构上由控制柜和操作台组成，控制柜内安装的是具有各种功能的组件板，采用高密度安装，结构紧凑。这种仪 表（或装置）特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的过程控制。
(4) 集中/分散式仪表集中/分散式仪表以计算机或微处理器为其核心部件，经历了集中型计算机控制、集散型计算机控制和基于现场总线的分布式计算机控制等三个发展阶 段。在前两者中，测量变送与执行单元仍采用模拟式仪表，只是调节单元采用数字式仪表，即数字调节器、可编程序控制器或工业控制机，因而属于模拟/数字混合式仪表。而在基于 现场总线的分布式计算机过程控制中，由于采用了全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，数字通信一直延伸到现场，其通信协议按规范化、标准化和公开化进行设计，使各种 控制系统通过现场总线不但实现了互连、互换、互操作等，而且能方便地实现集中管理和信息集成，从而满足了生产过程自动化的各种功能需求。

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