第三章集散控制系统性能指标
第3章 国产集散型控制系统——HS2000
2.I/O功能模板设计特点 I/O功能模版设计的优点主要表现在以下几个方面： 输入/输出信号的转换、处理在I/O板极上即可完成，无 需主控制器参与，使系统的分散度增加，从而提高系统 的可靠性。 减轻了系统主控制器CPU的负荷，使系统的效率进一步提 高。 有效地对模板的运行状态进行检测，实现故障自诊断。 减轻控制网络CNET上的数据流量，提高系统的吞吐量。 一般情况下，I/O功能模版分为公共模版、I/O通道模 版和调理端子模版三大类。
第3章 国产集散型控制系统——HS2000
3.1 HS2000系统的基本特点 3.2 HS2000系统的基本组成 3.3 HS2000系统的硬件配置 3.4 HS2000系统的I/O现场控制站配置
3.5 HS2000系统的软件组态
3.1 HS2000系统的基本特点
高可靠性 直观、方便的操作平台 方便的维护手段 系统的开放性 完善的质量保证体系 优良的系统性能
3.3.2 HS2000M中型集散型控制系统的配置
HS2000M中型控制系统是典型的“三站一线”结构，即 由 SNET系统网络连接多个操作员站、工程师站及I/O现场控 制站组成，如图3-3所示。每个I/O现场控制站内一般包括 1个主控组件和1~3个辅助组件，构成一个较大规模的工业 控制系统，是一个典型的集散型控制系统。 HS2000M中型控制系统的配置规模： 1) 工程师站：1台； 2) 操作员站：1~8台； 3) I/O现场控制站：1~20台。 其中：工程师站可以用操作员站复用；I/O现场控制站 可以配置成HS2000S；每个I/O站配置一个主控组件，0~3 个辅助组件。
I/O功能模板的型号定义如下：
4.现场电源 现场电源设置在I/O机柜中的上部，提供±24V、±12V 直流电压，为现场二线制变送器及I/O端子板供电。 现场电源的供电指标为： 输出电压范围：0~32V可调； 输出电流：0~3A。 5.I/O现场控制站的技术指标 I/O现场控制站的技术指标主要表现在两个方面： 电源规格； 停电时存储器保护。
《自动控制原理》第三章自动控制系统的时域分析和性能指标
i1 n
]
epjt
j
(spj)
j1
j1
limc(t) 0的充要条件是 p j具有负实部
t
二.劳斯(Routh)稳定判据
闭环特征方程
a nsn a n 1 sn 1 a 1 s a 0 0
必要条件
ai0. ai0
劳斯表
sn s n1 s n2
| | |
a a n
n2
a a n 1
n3
b1 b2
或：系统的全部闭环极点都在复数平面的虚轴上左半部。
m
设闭环的传递函数：
(s)
c(s) R(s)
k (s zi )
i 1 n
(s p j )
P j 称为闭环特征方程的根或极点 j1
n
(s pj ) 0 称为闭环特征方程
j1
若R(s)=1,则C(s)= s m
k (szi)
n
c(t)L1[c(s)]L1[
t 3、峰值时间 p
误差带
4 、最大超调量
%
C C ( )
% max
100 %
C ( )
ts
5 、调节时间
ts
(
0 . 05
0
.
02
)
6、振荡次N数
e e 7、稳态误差 ss
1C()(对单位阶跃) 输入
ss
第三节 一阶系统的动态性能指标
一.一阶系统的瞬态响应
R(s) -
K0 T 0S 1
s5 | 1 3 2
s4 | 1 3 2
s3 | 4 6
s2
|
3 2
2
s1
|
2 3
s0 | 2
控制系统的动态和静态性能指标
04
动态与静态性能指标的关系
相互影响
动态性能指标
描述系统在外部扰动或输入变化时的响应特性，如超调量、 调节时间、振荡频率等。
静态性能指标
描述系统在稳态下的输出响应特性，如稳态误差、静态精 度等。
相互影响
动态性能和静态性能之间存在相互影响，良好的动态性能 可以减小稳态误差，提高系统的静态性能；反之，良好的 静态性能也可以改善系统的动态性能。
参数调整
通过调整系统参数，如增益、时间常数等，可以优化系统的动态和 静态性能。
鲁棒性
考虑系统在不同工况下的鲁棒性，以确保在各种条件下都能保持良 好的性能。
05
性能指标的测试与评估
测试方法
实验法
通过在真实环境中对控制系统进行实验，收集数据并 分析其性能表现。
பைடு நூலகம்仿真法
利用计算机仿真技术模拟控制系统的运行，以便在实 验室条件下测试性能指标。
稳定性分析方法
稳定性分析方法包括频域分析和时域分析两种方法。频域分析方法通过分析系统的极点和 零点来评估系统的稳定性，而时域分析方法则通过解微分方程来计算系统的状态响应。
快速性
01
快速性的定义
快速性是指控制系统在达到稳定状态时所需的时间长短。如果一个系统
具有较快的响应速度，那么系统在受到扰动后能够迅速恢复到平衡状态。
控制系统的组成
控制器
控制系统的核心部分，负责接收 输入信号并根据控制算法产生输 出信号，以控制受控对象的输出。
受控对象
被控制的物理系统或设备，其输出 被反馈回控制器以进行比较和调整。
反馈回路
将受控对象的输出信号反馈回控制 器，以便控制器能够根据偏差进行 调整。
控制系统的分类
离散控制系统的性能指标评估与优化
离散控制系统的性能指标评估与优化离散控制系统是指由离散信号进行控制的系统，它在工业自动化领域中起着重要的作用。
离散控制系统的性能指标评估与优化是改进系统响应、提高控制效果的关键环节。
本文将从离散控制系统的性能指标评估、常见优化方法以及实例分析三个方面进行论述。
一、离散控制系统的性能指标评估离散控制系统的性能评估是对系统的控制效果进行客观、定量的衡量。
常见的性能指标包括稳态误差、动态响应特性和稳定性等。
1. 稳态误差稳态误差是系统输出与期望输出之间的差异，反映了系统的稳态控制精度。
常见的稳态误差指标包括零误差常数Kp、静态误差和稳定误差。
2. 动态响应特性动态响应特性是指系统对输入信号的响应速度和质量。
常用的动态响应特性指标有上升时间Tr、峰值时间Tp、超调量Mp和调节时间Ts。
3. 稳定性稳定性是保证系统正常工作的基本要求，用于评估系统是否具有良好的鲁棒性和稳定性。
常见的稳定性指标包括极点位置、幅值裕度和相位裕度等。
二、离散控制系统的优化方法离散控制系统的优化方法旨在改善系统的性能指标，提高系统的控制效果。
常见的优化方法包括PID控制器参数调整、模型预测控制、最优控制和自适应控制等。
1. PID控制器参数调整PID控制器是离散控制系统中常用的控制器，通过合理地调整PID控制器的参数可以改善系统的稳态误差和动态响应特性。
常用的参数调整方法有经验法则法、Ziegler-Nichols法和模糊PID控制等。
2. 模型预测控制模型预测控制是一种基于系统模型进行预测的控制方法，通过优化控制输入来实现系统的性能优化。
它可以对系统的未来状态进行预测，并在当前时刻采取合适的控制动作。
常用的模型预测控制方法有基于模型的预测控制和自适应模型预测控制等。
3. 最优控制最优控制方法通过优化控制输入来实现系统性能的最优化。
常用的最优控制方法包括线性二次调节器（LQR）、最优随机控制和最优动态规划等。
4. 自适应控制自适应控制方法是指根据系统的实时情况自动调整控制参数以适应系统的变化。
控制系统的动态响应及其性能指标
稳定性
动态响应的稳定性对控制系统的稳定性具有重要影 响，稳定的动态响应有助于减小系统振荡和误差。
准确性
动态响应的准确性决定了控制系统的控制精 度，准确的动态响应能够减小系统输出与设 定值之间的偏差。
性能指标对动态响应的指导作用
设定值跟踪
性能指标中的设定值跟踪能力对动态响应具有指导作用， 要求控制系统能够快速、准确地跟踪设定值。
控制系统的动态响应及其性能指
目 录
• 引言 • 控制系统动态响应分析 • 控制系统性能指标 • 控制系统动态响应与性能指标的关系 • 实际应用案例分析 • 结论与展望
01 引言
控制系统的重要性
控制系统在工业生产、航空航天、交 通运输、家庭生活等各个领域都有广 泛应用，是实现自动化和智能化的关 键技术之一。
优化方法
协同优化可以采用各种优化算法，如梯度下降法、遗传算法等，通 过不断迭代和调整控制参数来寻找最优解。
实际应用
协同优化在实际应用中具有广泛的应用价值，如工业控制、航空航 天、机器人等领域，可以提高控制系统的性能和稳定性。
05 实际应用案例分析
案例一：汽车控制系统的动态响应与性能指标
总结词
汽车控制系统的动态响应与性能指标是衡量汽车性能的重要标准，包括加速、制动、转向等性能。
详细描述
汽车控制系统通过优化发动机、传动系统和底盘等子系统的控制策略，实现快速响应和精确控制。动 态响应和性能指标对汽车的安全性、舒适性和燃油经济性具有重要影响。
案例二：航空控制系统的动态响应与性能指标
总结词
航空控制系统的动态响应与性能指标是确保飞行安全的关键因素，包括稳定性、控制精 度和响应速度等。
对未来研究的展望
要点一
控制系统的性能指标：介绍控制系统的性能指标,包括精度、响应时间和稳定性
介绍控制系统的性能指标控制系统的性能指标是用来评价控制系统的表现和效果的重要指标。
在设计和开发控制系统时，了解和掌握这些性能指标对于提高系统的效率和性能非常重要。
本文将介绍控制系统的三个主要性能指标：精度、响应时间和稳定性。
精度精度是控制系统的一个重要指标，用来评估系统的输出与期望值之间的差异。
在控制系统中，我们希望系统的输出能够尽可能接近期望值，而精度就是衡量这种接近程度的度量。
通常，精度是通过计算系统的误差来衡量的。
误差是系统输出与期望值之间的差异，可以表示为一个数值或一个百分比。
较小的误差意味着系统的输出与期望值之间的差异较小，即精度较高。
响应时间响应时间是指控制系统从接收到输入信号到产生相应输出信号的时间间隔。
它反映了系统对于输入变化的灵敏度和快速反应的能力。
在控制系统中，响应时间的短暂与否对于控制效果和性能非常重要。
一个具有较短响应时间的控制系统可以更快地对输入变化做出反应，从而使系统更加稳定和可靠。
稳定性稳定性是指控制系统在面对外部扰动时能够保持输出的稳定性和可控性。
在控制系统中，我们希望系统的输出能够保持在期望范围内，而不会出现过大的波动或不稳定的情况。
稳定性可以通过控制系统的传递函数和频率响应来进行评估。
一个稳定的控制系统将产生平稳且可控的输出，而不会受到外部扰动的影响。
性能指标的关系精度、响应时间和稳定性在控制系统中密切相关，彼此影响。
精度和稳定性是控制系统的基本要求，而响应时间则是在满足精度和稳定性的前提下，对控制系统性能进行优化的重要考虑因素。
在设计和开发控制系统时，需要综合考虑这三个性能指标。
如果一个控制系统的精度较高但响应时间较长，那么系统的实时性和灵敏度可能会受到影响；如果一个控制系统的响应时间很短但稳定性较差，那么系统的输出可能会不稳定或发生超调。
因此，为了实现优秀的控制系统性能，需要在精度、响应时间和稳定性之间找到一个平衡点。
这就需要设计者在控制系统开发过程中合理选择和调整控制器参数、采用合适的控制策略以及优化系统的结构和组件。
DCS复习题精简版
DCS复习题精简版一．填空题。
3.集散控制系统基本构成由分散过程控制装置、操作管理装置、通信系统组成。
5.开放系统的标志是可移植性、可操作性、可适宜性和可用性。
9.现场总线可分为执行器传感器现场总线、设备现场总线和全服务现场总线三类。
18.集散控制系统的可靠性指标有可靠度、平均无故障时间(MTBF)、到发生故障平均时间(MTTF)和故障率等。
21.集散控制系统可靠性设计三准则是系统运行不易发生故障的设计、系统运行不受故障影响的设计和能迅速排除故障的设计。
22.易操作性包括操作环境、操作功能、容错技术和安全性。
27.集散控制系统的组态包括系统组态、控制组态和画面组态。
36.软件滤波采用计算方法，常用软件滤波有一阶低通滤波、一阶高通滤波、递推(加权)平均滤波和程序判别滤波等。
38.用计算机控制装置实现比值控制时，不计算仪表比值系数，不进行仪表系数的转换，也没有K >1等问题。
49.处方可分为通用处方、现场处方、主处方和控制处方等。
50.现场总线设备的模块分为三种类型，即资源模块、转换器模块和功能模块。
55.功能模块参数的计算包括设定值计算、输出计算和反馈回路中的输出计算等。
61.动态数据显示方式有数据显示、文字显示和图形显示三种。
其中，图形显示方式可以是颜色的填充、颜色的改变、高亮度显示，闪烁或反相显示等。
64.联锁点设置的基本要求是工艺合理性和合适设置连锁点数量。
72.抗电磁干扰措施主要有屏蔽、滤波、接地、合理布线和选择电线等。
103.数据通信系统由信号、数据终端设备、数据电路终端设备、传输介质或媒体和通信协议等五部分组成。
112.国际标准化组织规定的七层通信模型分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。
118.以太网物理层采用50Ω基带同轴电缆作为通信媒体。
数据传输速率是10Mbps。
二．选择题。
1.集散控制系统的基本构成包括(①④⑤)1.通信系统2.操作站3.工程师站4.分散过程控制装置5.操作管理装置6.单回路控制器7.现场总线智能仪表8.常规模拟仪表2.自动化集成体系架构的结构包括(②⑤⑥)1.经营决策2.企业资产管理3.过程优化和调度4.批量控制系统5.制造执行管理6.过程控制系统7.集散控制系统8.顺序控制系统3.过程装置控制级的功能包括(②③⑤)1.数据显示和记录2.数据的监视和储存3.数据和设备的自诊断4.数据通信5.实施连续、离散、批量、顺序和混合控制的运算6.数据存储和压缩归档7.优化控制8.数据打印4.递阶控制结构分为(①③④)1.多层结构2.多目标结构3.多重结构4.多级结构5.分散结构6.纵向结构7.横向结构8.复合结构5.分散控制结构表现为(①②④⑦)1.人事分散2.功能分散3.设备分散4.地域分散5.操作分散6.管理分散7.负荷分散8.通信分散10.保证互操作性的措施有(②③⑤)等。
控制系统性能指标
控制系统性能指标控制系统性能指标是评价一个控制系统运行状况的重要标准。
它们反映了系统在实际应用中的稳定性、可靠性、响应速度和控制精度等方面的表现。
通过合理设置和监控这些性能指标，可以确保控制系统的稳定性和可靠性，从而提高工业生产过程的效率和质量。
一、稳定性指标稳定性指标是评价控制系统稳定性的重要参数。
它直接关系到系统是否能够在给定扰动下保持所需的工作状态。
主要包括：1. 稳定裕度：稳态裕度是系统在稳定状态下对扰动的耐受能力的度量。
它用于评估系统在扰动作用下是否保持稳定，并且稳定性程度如何。
2. 稳态误差：稳态误差是系统输出与期望输出之间的差距。
通过分析系统的稳态误差，可以评价系统的稳定性能，并相应调整控制参数以减小误差。
二、响应速度指标响应速度是指控制系统从收到指令到系统响应完成所花费的时间。
快速的响应速度可以提高系统的控制效率和生产效率。
常用的响应速度指标有：1. 上升时间：上升时间是指系统从初始状态到达稳定状态所需的时间。
较短的上升时间意味着系统能够更快地响应指令，提高控制系统的效率。
2. 调节时间：调节时间是指系统从初始状态到达稳态状态所需的时间。
它描述了系统响应的速度和灵敏度，是评价系统控制效能的重要指标。
3. 超调量：超调量是指系统在响应过程中超过设定值的最大偏差。
较小的超调量可以提高控制系统的稳定性和精度。
三、控制精度指标控制精度指标是评价控制系统输出精度的重要参数。
它反映了系统对目标值的准确程度。
常用的控制精度指标有：1. 零偏量：零偏量是指系统输出与期望输出之间的平均差距。
较小的零偏量意味着系统的输出更接近于期望输出，提高了系统的控制精度。
2. 频率变化失真：频率变化失真是指系统响应频率发生偏移的能力。
它反映了系统输出在频率变化时的准确程度。
3. 总谐波畸变率：总谐波畸变率是评价系统输出波形质量的重要指标。
通过降低总谐波畸变率可以提高系统的输出精度和质量。
通过合理设置和监控控制系统的性能指标，可以确保系统在实际应用中的稳定性和可靠性，提高生产效率和质量。
控制系统的性能评估与指标选择
控制系统的性能评估与指标选择控制系统是现代工程中非常重要的一部分，它可以使得各种设备和系统达到预期的性能水平。
为了确保控制系统能够正常运行并取得满意的效果，我们需要进行性能评估并选择合适的指标来衡量其性能。
本文将探讨控制系统的性能评估方法以及指标的选择。
一、控制系统性能评估的方法在评估控制系统的性能时，我们需要采用一系列方法来对其进行全面的评估。
以下是几种常见的控制系统性能评估方法：1. 数学模型分析：通过建立控制系统的数学模型，使用数学工具对其进行分析，如传递函数、状态空间模型等。
通过模型分析，我们可以得到系统的频率响应、稳定性、误差特性等信息，从而评估其性能。
2. 实验测试：利用实际的控制系统进行测试和实验，获取系统的实际性能数据。
可以通过观察实验结果，比较实际输出与期望输出的差异，来评估系统的性能。
3. 模拟仿真：使用计算机软件对控制系统进行仿真模拟，模拟不同输入条件下系统的运行情况。
通过观察仿真结果，评估系统的性能。
4. 系统观测：通过观察和记录实际工作中的控制系统行为，分析控制系统在实际运行过程中的性能表现。
可以观察系统的稳态误差、动态响应等指标，来评估系统的性能。
二、控制系统性能评估的指标选择在控制系统性能评估过程中，我们需要选择合适的指标来衡量系统的性能。
以下是一些常见的控制系统性能指标：1. 稳定性指标：包括阻尼比、自然频率、超调量等。
稳定性是控制系统的基本要求之一，衡量系统能否快速、准确地响应给定输入信号，保持系统的稳定性。
2. 响应速度指标：包括上升时间、峰值时间等。
响应速度是衡量系统动态性能的重要指标，它反映了系统对输入信号的快速响应能力。
3. 精度指标：包括稳态误差、静态误差等。
精度指标衡量系统输出与期望输出之间的偏差，反映了系统对输入信号的准确跟踪能力。
4. 鲁棒性指标：衡量系统对参数变化、外部扰动等不确定性因素的抗干扰能力。
常用的指标包括稳定裕度、相位裕度等。
5. 频率响应指标：包括增益裕度、带宽等。
3控制系统的动态性能指标汇总
控制系统的动态性能指标自动控制系统的动态性能指标包括： ⒈跟随性能指标 ⒉抗扰性能指标下面分别介绍这两项性能指标。
O ±5%（或±2%）)(t C ∞C ∞-C C max maxC ∞C 0tt r t s图1 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标1. 跟随性能指标：在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。
常用的阶跃响应跟随性能指标有— 上升时间tr从系统图加阶跃给定信号开始到响应第一次达到稳态值所经过的时间，它表征动态响应的快速性。
— 超调量与峰值时间p t在阶跃响应过程中，时间超过r t 以后，输出量有可能继续升高，到达最大值m ax C 以后回落。
m ax C 和稳态值∞C 之间的差与稳态值的比称为超调量，常用百分数表示，即%100max ⨯-=∞∞C C C σ超调量反映系统的相对稳定性。
超调量越小，相对稳定性越好。
系统阶跃响应从零开始，到达最大值m ax C 所经历的时间p t ，称为峰值时间p t 。
— 调节时间ts调节时间又称为过渡过程时间，它衡量整个输出量调节过程的快慢。
理论上线性系统的输出过渡过程要到∞=t 时才结束，但实际上由于存在各种非线性因素，过渡过程到一定时间就终止了。
为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间，认为响应进入稳态值附近一个小的误差带内（可取%5±或%2±）并不再出来时，系统的过渡过程就结束了。
将响应进入并不再超出该误差带所需要的时间定义为调节时间。
调节时间既反映了系统响应的快速性，也能反映系统的稳定性。
maxC ∆1∞C 2∞C ±5%（或±2%）CNNOtt mt vC b图2 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标2. 突加阶跃扰动时抗扰性能指标控制系统稳定运行中，突然施加一个使输出量降低的阶跃扰动量以后，输出量由降低到恢复到新的稳态的过渡过程是系统典型的抗扰动过程，如图2所示。
控制系统的性能指标
5、正弦函数（Sinusoidal function）
Asint t 0
r(t)
0
t0
R(s)
A s2 2
r(t)
Asint
0
t
图 正弦函数
在实际系统中，这意味着系统承受的输入 作用是周期性的。如海浪对舰艇的扰动力、伺 服振动台的输入指令、电源及机械振动的噪声 等。
典型输入信号
名称 单位脉冲函数
时域表达式 δ( ห้องสมุดไป่ตู้ ),t = 0
单位阶跃函数 1(t), t 0
单位斜坡函数
t, t 0
单位加速度函数 正弦函数
1 t2,t 0 2
Asin t
频域表达式
1
1 s 1 s2
1 s3 A s2 2
二、典型输入信号的选取
❖ 典型输入信号的选取既应大致反映系 统的实际工作情况，输入信号的形式 又应力求简单以便于进行数学上或实 验上的分析。
3、斜坡信号(Ramp function)
r(t)
Rt t 0
r(t)
0
t0
R(s)=R/s2
Rt
0
t
图 3-3 斜坡函数
式中R为常数。当R=1时，称为单位斜坡函数。
在实际系统中，这意味着一个随时间以恒 速变化增长的外作用。如大型船闸匀速升降时 主拖动系统发出的位置信号、数控机床加工斜 面时的进给指令等。
一、典型输入信号
❖定义：
所谓典型输入信号，是指根据系 统常遇到的输入信号形式，在数学描 述上加以理想化的一些基本输入函数。
典型输入信号是人为规定的一些理想输入信 号。常用的有5种。
1、脉冲信号(Impulse function)
控制系统的性能指标与优化方法
控制系统的性能指标与优化方法控制系统在工业自动化和工程领域中发挥着重要作用。
为了保证系统的稳定性和可靠性，控制系统的性能指标至关重要。
本文将介绍一些常见的控制系统性能指标以及优化方法。
一、控制系统的性能指标1. 响应时间：响应时间是指系统从接收到输入信号到产生输出信号的时间。
一个良好的控制系统应该具有快速的响应时间，以便及时对外界变化做出响应。
2. 稳态误差：稳态误差是指系统在稳定状态下输出与期望输出之间的差异。
稳态误差越小，系统的控制精度越高。
3. 超调量：超调量是指系统输出在达到稳态之前超过期望输出的幅度。
合理控制超调量可以使系统更加稳定和可靠。
4. 调节时间：调节时间是指系统从初始状态到稳态所需要的时间。
一个高效的控制系统应该具有较短的调节时间，以提高系统的响应速度。
5. 控制精度：控制精度是指系统输出与期望输出之间的差异。
控制精度越高，系统的控制能力越强。
二、控制系统性能优化方法1. PID控制器优化：PID控制器是一种常见的控制器，可以通过调整其比例、积分和微分参数来优化控制系统的性能。
比例参数影响系统的稳态误差和超调量，积分参数影响稳态误差，微分参数影响系统的稳定性。
2. 状态反馈控制：状态反馈控制利用系统状态的信息来设计控制器，以优化系统的性能。
通过测量系统的状态变量并实时调整控制器的参数，可以改善系统的响应速度和控制精度。
3. 模糊控制：模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，可以处理非线性和模糊的系统。
通过将输入和输出之间的关系建模为模糊规则，可以根据实际情况进行控制优化。
4. 最优控制：最优控制是一种通过优化目标函数来设计控制器的方法。
通过选择合适的目标函数，可以使系统达到最佳的性能表现。
最优控制方法包括最小二乘控制、线性二次调节和模型预测控制等。
5. 鲁棒控制：鲁棒控制是一种具有强健性能的控制方法，可以处理系统参数变化和外部扰动等不确定性。
通过设计具有鲁棒性能的控制器，可以使系统对不确定性具有一定的鲁棒性，保证系统的稳定性和可靠性。
控制系统的性能指标PPT课件
若输入 解：
r(t),试s求i稳n5态t误差。
（1）动态误差系数：
G0(s)
100 s(0.1s1)
51
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52
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（2）根据频率特性的定义求：系统的 Nhomakorabea态误差为：
53
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4.2.4扰动输入信号作用下稳态误差的计算
单位反馈系统：令R (s) = 0
e(t)r(t)b(t)
14
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从输出端定义：系统输出量的实际值与希望值之差 在性能指标提法中经常使用，在实际系统中有时无法测量。一般只具有数学意义
15
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两者之间的关系：
单位反馈时： H (s) 1 , E (s) E (s )
利用从输入端定义的误差进行计算和分析。通过拉氏变换法可得到：
4.1 引言 4.2 控制系统的稳态响应及稳态误差 4.3 控制系统的瞬态响应及时域性能指标 4.4 控制系统的频域性能指标
1
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4.1.1 典型输入信号
1. 阶跃函数
当R=1时，为单位阶跃函数 拉氏变换： 2. 斜坡函数 (等速度信号)
当R=1时，为单位斜坡函数
拉氏变换：
2
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19
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利用线性系统的叠加性求误差 ①令N (s)=0
误差信号对参考输入信号的误差传函
20
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②令R (s) = 0 误差信号对干扰输入信号的误差传函
21
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误差的拉氏变换式
22
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4.2.3参考输入信号作用下稳态误差的计算
集散型控制系统介绍
集散型控制系统介绍12020年4月19日本答案仅供参考。
第1章绪论1.1 什么是过程计算机控制系统?它由哪几部分组成?经过具体示例说明。
答:它是指由被控对象、测量变送装置、计算机和执行装置构成,以实现生产过程闭环控制的系统,它综合了计算机过程控制和生产工艺过程。
例如温度控制系统。
1.2 计算机控制工业生产过程有哪些种类型?答:计算机控制工业生产过程一般有五种类型:操作指导控制系统;直接数字控制系统;监督控制系统;集散控制系统;现场总线控制系统。
1.3 计算机控制系统的硬件一般有哪几大主要组成部分?各部分是怎样互相联系的?其中过程通道有几种基本22020年4月19日类型?它们在系统中起什么作用?答:计算机控制系统的硬件一般包括:主机、外部设备、过程输入输出设备。
两个过程通道,一个是输入通道,另一个为输出过程通道。
输入过程通道包括:A/D通道----把模拟信号转换成数字信号后再输入;DI通道-----直接输入开关量信号或数字量信号。
输出过程通道包括:D/A通道----把数字信号转换成模拟信号后再输出;DO通道-----直接输出开关量信号或数字量信号。
1.4 直接数字控制系统的硬件由哪几部分组成?答:直接数字控制系统的硬件主要有计算机(主机)、过程输入输出通道、操作台和计算机辅助设备组成。
如下图所示。
32020年4月19日42020年4月19日1.5 数字PID 控制算法有几种形式?各有什么特点?答:数字PID 控制算法有位置式、增量式、速度式三种形式。
PID 位置式根据偏差计算阀门的位置,PID 增量式根据偏差计算阀门的变化;PID 速度式根据偏差变化程度计算阀门的变化。
1.6 试推导计算机控制系统PI 控制算法的位置式、增量式和速度式。
答:模拟PI 控制算法为])(1)([)(0⎰+=tI p dt t e T t e k t u 其中,p k ----比例增益I T ----积分时间常数在采样周期相当短暂时,用矩形法近似代替积分项∑⎰=≈ki t i Te dt t e 00)()(,其中T 为采样周期,k 为采样序号。
DCS集散控制系统复习考纲(华东理工大学版)
第一章一、集散系统的主要特性A．Total Distributed Control System, TDCS, 又称分布式控制系统。
B．主要特性：集中管理、分散控制C．第一个集散控制系统是1975年首先由美国霍尼威尔〔Honeywell〕公司推出TDCS200集散控制系统产生的原因：A．模拟仪表难以胜任生产规模的不断扩大B．常规模拟仪表存在难以克制的弊病：1.控制功能过于单一，难以实现复杂控制的功能C．仪表控制系统应适应工业技术开展的要求D．计算机集中控制的风险太大E．系统上下与子系统之间的通信联系要求越来越高〔数据传输速率、数据通信质量〕二、集散系统的根本结构A．分散过程控制装置B．集中操作和管理装置C．通信系统三、开放系统的主要特征以规X化和时间存在的接口标准为依据而建立起来的计算机系统、网络系统与相关的通信系统A．可移植性B．互操作性C．可适宜性D．可得到性四、DCS的开展方向A．垂直方向向上开展：MES，ERPB．垂直方向向下开展〔现场级〕：向FCS现场总线控制系统开展C．无线连接D．网络化〔工业以太网“一网到底〞，管理层—现场控制层〕E．功能安全F．标准化〔编程语言的标准化、人际界面、硬件标准〕国产DCS的未来开展方向A．国产DCS必须在继续拓展中小型项目市场的同时，提高自身的综合素质，积极进入大型工程项目B．国内DCS企业应以DCS技术为核心，向工业自动化综合企业开展C．要尽快地研究和建议我国FCS〔现场总线控制系统〕的体系结构例子：1.由于现场总线的使用，使得集散控制系统实现了真正的分散控制2.距离几款常用的集散控制系统：PCS 7、Delta V和Experison PFS等3.集散系统的主要特点为：A、D4.Honeywell公司1975年首先推出第一套集散控制系统是TDC-2000FF、Profibus和ControlNet第二章二、集散系统的根本构成：A．分散过程控制装置局部B．集中操作和管理系统局部C．通信系统局部三、集散系统的结构特征A．递阶控制结构〔多层结构、多级结构和多重结构〕B．分散控制结构〔垂直型，水平型和复合型〕C．冗余化结构四、冗余化结构优点：系统可靠性有很大的提高缺点：由于冗余是采用一样的设备提高可靠性，导致本钱增加集散控制系统的冗余方式：A．同步运转方式〔紧急停车系统和安全连锁系统〕让两台或两台以上的装置以一样的方式同步运转，输入一样的信号，进展一样的处理，然后对输出进展比拟，如果输出保持一致如此系统是正常运行的。
控制系统的性能指标
控制系统的性能指标
概述：
本文旨在探讨控制系统的性能指标，介绍常见的性能评估指标，并提供一些提高控制系统性能的建议。
1. 控制系统的性能指标
控制系统的性能指标是评估其效果和有效性的重要指标。
以下
是常见的性能指标：
- 稳定性：控制系统在稳态和暂态条件下的稳定程度。
- 鲁棒性：控制系统对于未知扰动或参数变化的鲁棒程度。
- 响应速度：控制系统对输入信号的快速响应能力。
- 超调量：控制系统输出超过设定值的程度。
- 超调时间：控制系统输出超过设定值后回归到稳态的时间。
- 衰减比：控制系统输出幅度的衰减程度。
- 响应质量：控制系统的响应平滑度和稳定性。
2. 提高控制系统性能的建议
要提高控制系统的性能，可以考虑以下几个方面的改进措施：
- 优化控制算法：选择合适的控制算法，例如比例积分微分控制器（PID控制器），并根据实际情况进行参数调整。
- 提高传感器性能：选择性能良好的传感器，确保获取准确和稳定的反馈信号。
- 降低噪声干扰：采取合适的滤波和抗干扰措施，以减少噪声对控制系统的影响。
- 减小传输延迟：优化信号传输路径，减少传输延迟，提高控制系统的响应速度。
- 对系统进行模型预测：使用系统模型进行预测和优化，以实现更准确的控制。
总结：
控制系统的性能指标对于确保系统的稳定性和效果至关重要。
通过了解常见的性能指标，并采取相应的改进措施，可以提高控制系统的性能，使其更加稳定、快速和准确地响应输入信号。
火力发电厂分散控制系统性能指标
火力发电厂分散控制系统性能指标控制器处理周期: DCS控制器处理周期，指的是该控制系统输入信号、输出信号的处理时间及CPU运算时间两部分组成。
系统响应时间：系统响应时间指的就是控制系统输出命令对操作员站发出的操作指令的响应时间。
CRT画面响应时间：从发出调用指令开始，到该幅画面全部正常显示为止所需要的时间。
SOE分辨能力:用来区分两两开关量之间动作的时差大小，即为SOE的分辨率。
抗共模干扰能力: DCS系统中模拟量输入卡件能够抵御共模干扰的能力，即为抗共模干扰能力。
抗差模干扰能力: DCS系统中模拟量输入卡件能够抵御差模干扰的能力，即为抗差模干扰能力。
抗射频干扰能力：DCS系统中模拟量输入卡件能够抵御抗射频干扰干扰的能力，即为抗射频干扰能力。
供电电源适应能力：能够适应电源电压在一定范围内波动而不致使DCS控制系统出现异常的能力。
冗余控制器无扰切换：控制器切换时，由该控制器所控制的所有数据及状态，均不应发生任何变化，即为冗余控制器的无扰切换。
控制站间同步精度：各控制站之间时钟的一致性，即为控制站间同步精度。
以太网网络负荷率：用数值或百分比表示的、在某一时间段内，网络实际交换数据的字节平均数量与本网络同一时刻最大允许交换字节量的比值。
DCS控制系统接地电阻或接地电缆导通值：DCS控制系统接地电阻是表征该性能指标的具体量值。
即独立接地网和非独立接地网。
2技术指标2.1控制器处理周期（1）CPU运算周期：合格标准：开关量控制系统，≤100ms模拟量控制系统，≤250ms汽轮机紧急跳闸（ETS）系统，≤50ms汽轮机超速限制（OPC）和超速保护（OPT）控制，≤20ms （2）控制器输出对输入信号的响应时间合格标准：≤CPU设定周期的2倍合格标准：≤1s2.2系统响应时间合格标准：≤1s2.3 CRT画面响应时间：合格标准：（1）一般画面的调用时间：＜1s（2）复杂画面的调用时间：＜2s2.4 SOE分辨能力:合格标准：≤1ms2.5抗共模干扰能力：合格标准：≥90dB2.6康差模干扰能力：合格标准：≥50dB2.7康射频干扰能力合格标准：用功率为5W、频率为400MHz～500MHz的步话机作干扰源，距敞开柜门的DCS机柜1.5米处进行发射，DCS系统应运行正常。
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第一节 集散控制系统的可靠性
2、衡量可靠性的指标 可靠度、MTBF、MTTR及故障率。 （1）可靠度（Reliability） 用概率来表示零件、设备和系统的可靠程度， 具体定义是：指机器、零件或系统，从开始工 作起，在规定的使用条件下的工作周期内，达 到所规定的性能，即无故障正常状态的概率， N f (t ) 用R（t）表示即：
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（2）不易发生故障的硬件设计
为了提高使用寿命，可从下述几方面考虑硬件的设 计和系统的选型。 1）运动部件：由于电子元器件的使用寿命比机械运 动部件的使用寿命长。因此，运动部件的寿命就成 为衡量系统可靠性的指标。 例如，集散控制系统的组态和编程数据可以放在内 存，也可以存放在硬盘。由于硬磁盘存在机械运动 部件，因此，选用的集散控制系统应采用内存储器 存取，以提高可靠性。 例如，鼠标的检测有光线直接反射和经球面反射的， 由于球面的运动易引起故障，因此，可选用直接反 射式的鼠标。
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第一节 集散控制系统的可靠性
1．可靠性设计的准则 2．提高集散控制系统硬件可靠性措施 3．提高集散控制系统软件可靠性措施
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1．可靠性设计的准则
可靠性设计是完全新型的一种设计。采用了可靠性设 计，就能设计出在使用过程中不易发生故障、即使发 生故障也容易修复的产品。 在可靠性设计时，遵循下列准则： ①有效地利用以前的经验； ②尽可能减少零件件数，尤其是故障率高的零件数； ③采用标准化的产品； ④检查、调试和互换容易实现； ⑤零件互换性好； ⑥可靠性特殊设计方法，例如，冗余设计、安全装置 设计、及安全设计、可靠性预测等。
5
答案
假定：寿命服从指数分布
1)6000台*10小时*30天=1800000台时，一个月内坏了6 台 λ=6/180W MTBF=180W/6=30W小时 2)1000台*24小时*30天=720000台时，一个月内坏了0.5 台 λ=0.5/72W MTBF=72W/0.5=144W小时 3) 6/180==2.4/72 也就是说180W台时内坏了6台 与 72W 内坏了2.4台是 等效的
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（2）不易发生故障的硬件设计
3）元器件：包括机械与电子元器件。选用名
牌工厂生产的高性能、规格化、系列化的元器 件，如大规模集成电路、超大规模集成电路、 微处理器芯片、耐磨损传动器件等。 4）电路优化设计：采用大规模和超大规模的 集成电路芯片，尽可能减少焊接点。
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（3）迅速排除故障硬件设计
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2．提高集散控制系统硬件可靠性的措施
（1）冗余结构设计 （2）不易发生故障的硬件设计 （3）迅速排除故障的硬件设计
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（1）冗余结构设计
冗余结构设计可以保证系统运行时不受故障 的影响。 按冗余部件、装置或系统的工作状态，可分 为工作冗余（热后备）和后备冗余（冷后备） 两类。 按冗余度的不同，可分为双重化冗余和多重 化（n：1）冗余。
R(t ) N0
2
第一节 集散控制系统的可靠性
（2）MTBF（Mean Time Between Failures）： 平均无故障时间指可以边修理边使用的机器、 零件或系统，相邻故障期间的正常工作时间的 平均值。（正常运行时间） 选择MTBF值高的产品，将给我们带来更高的竞 争力。
（3） MTTR（Mean Time To Repair） 指设备或系统经过维修，恢复功能并投入正常 运行所需要的平均时间。 （故障时间）
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与操作透明度有关的性能
提供的系统画面，包括用户画面、概貌画面、 组画面、趋势画面等的数量； 每幅画面中动态更新的数据点的数量； 更新的速率； 画面切换的速率 所采用的CPU、内存、CRT分辨率
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二、易操作性
定义：易操作性指集散控制系统所提供的操作环境容 易为操作员接受，并根据所提供的信息对生产全过程 进行操作。 内容： 1．操作环境 操作员的操作环境是操作员的工作场所，它应使操作 员能舒服地工作。 ①操作数据、状态等信息易于辨认； ②报警或事件发生的信息能引起操作员注意； ③开关和操作便于操作，使操作员最快地达到所需要的操 作要求。
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思考题
1、试述可靠性的定义。广义可靠性和 狭义可靠性的主要区别在哪里？
2、用于衡量可靠性的指标有哪些？Байду номын сангаас
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第二节 集散控制系统的易操作性
集散控制系统的操作包括生产过程操作、组态和编程 操作以及维护和修理操作。 易操作性包括: ①操作透明度 : 集散控制系统提供的操作信息量和更新 速度等； ②易操作性: 方便地达到所需的操作要求，不易发生误 操作； ③容错技术:发生误操作时不影响正常运行； ④安全性:进入相应操作环境的安全许可措施。
22 M（60）= 100% 88% 25
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第一节 集散控制系统的可靠性
（2） MTTR（Mean Time To Repair） 平均修复时间是故障发生后，需事后维修的时间的平 均值。
总维修时间 MTTR 总维修件数
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第一节 集散控制系统的可靠性
三、提高可靠性的途径
集散控制系统的可靠性是评估集散控制系统 的一个重要性能指标。通常，制造厂商提供 的可靠度数据都在99.99％至99.9999％。因 此，在评估系统可靠性时，可以采用那些提 高系统可靠性的措施来分析。除了系统制造 时应该保证符合设计要求外，通常可以从可 靠性设计和维修性两方面进行分析。
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第一节 集散控制系统的可靠性
3、在集散控制系统中，采用接插板的方法使零 件易于维修，通过自诊断系统的诊断及面板故 障显示使对维修人员的技能要求降低，必需的 备品贮备使更换变得方便，这些措施使集散控 制系统的维修性大大改善。
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第一节 集散控制系统的可靠性
4、衡量维修性的指标
常用的有维修度和平均修复时间 （1）维修度（Maintenabi1ity） 可修复的机器、零件或系统，在规定的条件（指维修三 要素）下，在规定时间（0，τ）内完成维修的概率。用 M（τ）表示。 【例3-2】某插接卡在运行中发生故障25件，其修复时 间分别为：18，20，21，23，24，27，30，35，37，37， 38，41，42，44，45，46，48，49，51，52，55，60，62 ，67，72（分）。则1小时维修度可由：
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第一节 集散控制系统的可靠性
二、可维修性
1、维修性（Maintenance）定义
指可修复的机器、零件或系统，发生故障后进行维修， 使其恢复正常工作的能力。
2、维修的三要素
①机器、零件或系统是否被设计得容易维修； ②进行维修的技术人员技能； ③维修所需的备品备件、设备。 这三者之间的相互联系关系到维修的速度快慢。
它涉及宜人学、系统组态、结构等方面的知识。
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二、易操作性--操作环境
根据宜人学的研究，在设计和系统组态时应注意下列 几点：
①从操作员到CRT 中心的视线应尽可能地与 CRT平面垂直， 而CRT或显示画面的顶部应在水平视线或视线下； ②操作员的座椅，它的高度、后仰角和转盘调整； ③CRT虽然可以显示多种颜色，但不易引起视力疲劳的颜 色应是琥珀色、绿色等 ④为了易于辨认，显示的点阵数据，它的高度应大于 2.5mm； ⑥报警和紧急故障的状态显示应该醒目，红色及闪烁是 常常采用的。事故处理的操作应位于显著的部位。
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第一节 集散控制系统的可靠性
（4）故障率（Fai1ure Rate） 通常指瞬时故障率。它是指能工作到某个时间的 机器、零件或系统，在连续单位时间内发生故障 的比例，用λ(t）表示。又称失效率、风险率。 故障率等于 t以后的单位时间内失效元件数与t时 刻仍然有效的元件数之比。 例如：正在运行中的100只硬碟，一年之内出了 2次故障，则每个硬碟的故障率为0.02次/年。
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（3）迅速排除故障硬件设计
2)硬件设计：易检修、更换、不易发生故障的硬 件设计包括机械部件和电子线路的设计。通常， 对需要常检修和更换的部件采用接插卡件的机械 设计。在电子线路设计方面，采用各卡件自成系 统，它的插入和拔出不影响其他卡件的运行，保 险丝安装部件易于更换等措施。 3)专用诊断、检修设备：为了便于诊断和检修，大 多数集散控制系统制造厂商还制造了专用设备， 用于在线和离线检查和修理，有些设备还可以进 行仿真运行。
1)自诊断：集散控制系统中的自诊断功能通 常由硬件和软件共同完成。硬件的设计是使 系统发生故障时引起标志位的变化，并激励 相应故障显示发光二极管。软件的设计是对 检测值与故障限值进行比较，并据此发出信 号。一个性能良好的集散控制系统应具有很 强的自诊断功能，它能够对各种接插卡件进 行诊断，并显示故障。
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（2）不易发生故障的硬件设计
2）接插卡件：接插卡件在集散控制系统组成中占很大
比重。它的可靠性会直接影响全系统的正常运行。接 插卡件的可靠性设计包括卡件本身的设计以及卡件和 卡件座的接触部件设计。 集散控制系统中的接插卡件是在计算机控制的自动化 流水线上生产的，采用了先进的制造工艺，例如波峰 焊接、多层印刷板、镀金处理等。还采用了可靠性测 试和检验，提高了接插卡件的可靠性。 卡件和卡件座的接触部位的设计既要有可靠性、又要 有维修性的要求，通常采用插接、压接、螺丝固定、 插脚和插座接触部位镀金等措施。
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二、易操作性--操作功能
2．操作功能 集散控制系统的操作功能主要是通过操作站实施，从 易操作性来分析操作功能的实施，其判别的准则是如何获 取所需要的信息，即经过多少项操作步骤来达到能提供所 需信息的画面，以及如何对过程实施操作。 （1）显示功能 CRT的显示画面可分为过程操作画面和维修、组态 画面。 概貌画面、过程画面、组画面、回路画面、历史趋 势画面、报警画面等。 系统维修、系统组态、回路组态、报警组态、趋势 组态等。