過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)和自動化儀表的分類與發(fā)展

過程控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)
        對于每一個定值控制系統(tǒng)而言，當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化或受到外界干擾時，要求被控量能平穩(wěn)、迅速和準(zhǔn)確地趨近或回復(fù)到設(shè)定值。因此，通常在穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三個方面提 出各種單項性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)。
1.單項性能指標(biāo)
        過程控制系統(tǒng)的單項性能指標(biāo)又有時域和頻域之分�，F(xiàn)以時域為例說明其確定方法。
系統(tǒng)的單項時域性能指標(biāo)通常根據(jù)設(shè)定值作階躍變化時的過渡過程特性確定。其單項時域指標(biāo)包括衰減比（或衰減率）、超調(diào)量、最大動態(tài)偏差、殘余偏差（亦稱穩(wěn)態(tài) 誤差或靜差）、調(diào)節(jié)時間和振蕩頻率等，
(1)衰減比衰減比n是衡量系統(tǒng) 振蕩過程衰減程度的指標(biāo)，它定義為兩個相鄰的同向波峰值之比，衡量衰減程度的另一指標(biāo)是哀減率，它定義為一個周期后波動幅度衰減的程度，理論計算表明，衰減比與衰減率有單值對應(yīng)關(guān)系，如衰減比為4:1時，則衰減率為 0.75。 為了保證過程控制系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定裕度，一般要求衰減比為4：1~ 10:1，則對應(yīng)的哀減率為 0.75~0.9。具有這種衰減過程的系統(tǒng)’其過度過程大約經(jīng)過兩個周期以后即接近穩(wěn)態(tài)值。
(2)最大動態(tài)偏差和超調(diào)量最大動態(tài)偏差是指在設(shè)定值階躍響應(yīng)中’系統(tǒng)過渡過程 的第一個峰值超出穩(wěn)態(tài)值的幅度，如圖1-7中的B1。最大動態(tài)偏差占被控量穩(wěn)態(tài)值的百分比稱為超調(diào)量，對于二階振蕩系統(tǒng)，控制理論已經(jīng)證明，超調(diào)量σ與衰減比n有單值對應(yīng)關(guān)系，(3) 殘余偏差殘余偏差是指過渡過程結(jié)束后，被控量新的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與設(shè)定值；r之間的差值，它是控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，在定值控制系統(tǒng)中，(4)調(diào)節(jié)時間、峰值時間和振蕩頻率調(diào)節(jié)時間是指系統(tǒng)從干擾開始到被控量進(jìn)入新 穩(wěn)態(tài)值的±5% (或±2%)范圍內(nèi)所需時間，通常以表示。峰值時間是指系統(tǒng)從干擾開 始到被控量達(dá)到最大值時所需時間，通常用表示。調(diào)節(jié)時間與峰值時間均是衡量控制系統(tǒng)快速性的重要指標(biāo)，通常要求它們愈短愈好。在相同衰減比下，振蕩頻率越高，調(diào)節(jié)時間與峰值時間越短。因此，振蕩頻率在一定程 度上也可以作為衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)之一。
2.綜合性能指標(biāo)
        系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)是在基于偏差積分最小的原則下制定、用以衡量控制系統(tǒng)性能 “優(yōu)良度”的一些指這些指標(biāo)只適用于衰減、無靜差系統(tǒng)，常用的有以下幾種：
(1) 偏差絕對值積IAE:IAE可表示為該性能指標(biāo)使用廣泛，但用計算機(jī)實現(xiàn)時不太簡便。
(2)偏差平方積ISE:ISE可表示為該性能指標(biāo)著重抑制過渡過程中大的偏差。
(3) 偏差絕對值與時間乘積積ITAE:ITAE可表示為該性能指標(biāo)既能降低誤差對性能指標(biāo)的影響，又能抑制過渡過程時間過長。
(4)時間乘偏差平方積ITSE:ITSE可表示為該性能指標(biāo)著重抑制過渡過程中大的偏差和過渡過程時間過長。
以上各式中不同的積分公式意味著評價過渡過程優(yōu)良程度的側(cè)重點不同。誤差積分指標(biāo)存在的缺點是不能保證控制系統(tǒng)具有合適的衰減率。因此，通常先確定衰減率，然后再考慮使某種誤差積分為最小。
自動化儀表概述
        如俞所述，自動化儀表是構(gòu)成程控制系統(tǒng)的重要組成部分。如果沒有自動化儀表，就不可能實現(xiàn)真正的過程控制。
自動化儀表的分類與發(fā)展
        自動化儀表的種類繁多，有常規(guī)儀表和基于微型計算機(jī)技術(shù)的各種智能式儀表。工程上通常按照安裝場地、能源形式、信號類型和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類。
1. 按照安裝場地分
按照安裝場地不同，可分為現(xiàn)場類儀表（亦稱一次儀表）與控制室類儀表（亦稱二次儀表）。現(xiàn)場類儀表通常在抗干擾、防腐蝕、抗震動、防爆等方面具有特殊要求。
2. 按照能源形式分
自動化儀表按照能源形式的不同可分為液動、氣動和電動等。而在過程控制中，一般都采用電動和氣動儀表。
氣動儀表發(fā)展較早，其特點是結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、價格便宜，且在本質(zhì)上安全防爆，因而廣泛應(yīng)用于石油、化工等有爆炸危險的場所。
電動儀表相對氣動儀表出現(xiàn)較晚，但由于電動儀表在信號傳輸、放大、變換處理以及實現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)視、操作等方面比氣動儀表優(yōu)越，特別容易與計算機(jī)等現(xiàn)代化信息技術(shù)工具聯(lián)用，因而電動儀表的發(fā)展極為迅速，應(yīng)用也極為廣泛。
近年來，由于電動儀表普遍采取了安全火花防爆措施，解決了安全防爆問題，因而在易燃易爆的危險場所也能使用。
3. 按照信號類型分
自動化儀表按照信號類型可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。
模擬式儀表的傳輸信號通常是連續(xù)變化的模擬量，其線路較為簡單，操作方便，在過程控制中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。
數(shù)字式儀表的傳輸信號通常是斷續(xù)變化的數(shù)字量，以微型計算機(jī)為核心，其功能完善、性能優(yōu)越，能夠解決模擬式儀表難以解決的問題。
4. 按照結(jié)構(gòu)形式分
自動化儀表按照結(jié)構(gòu)形式的不同可分為基地式、單元組合式、組裝式以及集中/分散式等。
(1) 基地式儀表基地式儀表最初出現(xiàn)在過程控制的早期，它是安裝在現(xiàn)場，桌檢測、 指示與控制于一身的自動化儀表。早期的基地式儀表結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但由于功能有限、通用性差，所以很快被單元組合式儀表所替代。
近年來，隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，基地式儀表又獲得了新生，正在朝著多功能、智能化方向發(fā)展。如帶有控制功能的智能變送器、智能執(zhí)行器或智能 式閥門定位器等現(xiàn)代基地式儀表已成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的重要組成部分。
(2) 單元組合式儀表單元組合式儀表是根據(jù)控制系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)的不同功能和使用要 求制成的模塊化儀表（稱為單元）的總稱。各個單元模塊之間用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。這類儀表有電動單元組合（DDZ)儀表和氣動單元組合（QDZ)儀表兩大類。它們都經(jīng)歷了I型、n型和n型等發(fā)展階段，經(jīng)過不斷改進(jìn)，其性能已日趨完善。
單元組合式儀表可分為變送單元、給定單元、控制單元、執(zhí)行單元、轉(zhuǎn)換單元、運(yùn)算單元、顯示單元和輔助單元等，各單元的功能簡述如下：
        1) 變送單元是將各種被測參數(shù)，如溫度、壓力、流量、液位、成分等物理量的大小變 換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)測量信號傳送給指示、記錄和控制裝置等。
        2) 給定單元是輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號作為被控變量的設(shè)定值賦給控制單元，以實現(xiàn)定值控制。
        3) 控制單元是將測量信號與設(shè)定信號之差按某種規(guī)律運(yùn)算后輸出控制信號，去控制執(zhí)行器的動作。
        4) 執(zhí)行單元的作用是按照控制信號或手動操作信號去改變控制量的大小。
        5) 轉(zhuǎn)換單元的作用是既可將不同的物理信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號，也可實現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)信號之間的相互轉(zhuǎn)換，如氣一電轉(zhuǎn)換或電一氣轉(zhuǎn)換等，以使不同信號可以在同一控制系統(tǒng)中使用。
        6) 運(yùn)算單元可將多個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行加、減、乘、除、開方、平方等運(yùn)算，以用于 多種參數(shù)的補(bǔ)償計算和綜合控制等。
        7) 顯示單元可對各種被測參數(shù)進(jìn)行指示、記錄、報警和積算，為操作人員監(jiān)視控制系 統(tǒng)和生產(chǎn)過程運(yùn)行狀況提供依據(jù)。
        8) 輔助單元是為了滿足過程控制系統(tǒng)的某些特殊需要而增設(shè)的儀表，如操作器、限幅 器、安全防爆柵等。
用電動單元組合儀表構(gòu)成的控制系統(tǒng)。
(3) 組裝式儀表組裝式儀表是一種功能分離、結(jié)構(gòu)組件化的成套儀表（或裝置）。它 以模擬器件為主，兼用模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)。整套儀表（或裝置）在結(jié)構(gòu)上由控制柜和操作臺組成，控制柜內(nèi)安裝的是具有各種功能的組件板，采用高密度安裝，結(jié)構(gòu)緊湊。這種儀 表（或裝置）特別適用于要求組成各種復(fù)雜控制和集中顯示操作的大、中型企業(yè)的過程控制。
(4) 集中/分散式儀表集中/分散式儀表以計算機(jī)或微處理器為其核心部件，經(jīng)歷了集中型計算機(jī)控制、集散型計算機(jī)控制和基于現(xiàn)場總線的分布式計算機(jī)控制等三個發(fā)展階 段。在前兩者中，測量變送與執(zhí)行單元仍采用模擬式儀表，只是調(diào)節(jié)單元采用數(shù)字式儀表，即數(shù)字調(diào)節(jié)器、可編程序控制器或工業(yè)控制機(jī)，因而屬于模擬/數(shù)字混合式儀表。而在基于 現(xiàn)場總線的分布式計算機(jī)過程控制中，由于采用了全數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通信一直延伸到現(xiàn)場，其通信協(xié)議按規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化和公開化進(jìn)行設(shè)計，使各種 控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線不但實現(xiàn)了互連、互換、互操作等，而且能方便地實現(xiàn)集中管理和信息集成，從而滿足了生產(chǎn)過程自動化的各種功能需求。

MYG-69B 過程測量儀表技能實訓(xùn)裝置