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基于误差与设定值变化的时序控制系统运行性能评分计算教程

花韻仙語

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发布时间:2026-02-20 23:39:00

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来源于php中文网

原创

基于误差与设定值变化的时序控制系统运行性能评分计算教程

本文介绍一种向量化、高效且工程可解释的运行性能评分方法,用于评估控制系统在设定值(setpoint)跃变后对目标的跟踪质量,评分严格限定在[0,1]区间,跳过设定值变化时刻,并随误差衰减动态回升至1。

本文介绍一种向量化、高效且工程可解释的运行性能评分方法,用于评估控制系统在设定值(setpoint)跃变后对目标的跟踪质量,评分严格限定在[0,1]区间,跳过设定值变化时刻,并随误差衰减动态回升至1。

在工业过程控制、自动化系统监控及模型预测反馈分析中,对控制器“设定值跟随性能”进行实时、可解释的量化评估至关重要。理想情况下,性能评分应在设定值稳定期持续更新:当输出精确匹配设定值时得满分(1.0);出现偏差时按偏差严重程度和持续时间适度扣分;而在设定值突变的瞬时(如t₂、t₆、t₈),因物理系统存在固有响应延迟,不应参与评分——此时分数应标记为 NaN。

以下提供一种完全向量化、无显式循环、符合工程直觉的实现方案,核心思想是:以每次设定值跃变的幅度(SP Delta 的绝对值)作为该响应阶段的“理论最大允许误差”(MaxErr),再将当前稳态误差归一化到该基准下,构造单调递减的线性评分函数。

✅ 推荐实现(向量化、高性能、可解释)

import pandas as pd
import numpy as np

# 假设 df 已加载,包含 'Setpoint', 'Output', 'SP Delta', 'Error' 列
df = pd.DataFrame({
    'Setpoint': [10, 10, 20, 20, 20, 20, 25, 25, 10, 10, 10],
    'Output':   [10, 10, 10, 17, 19, 20, 20, 24, 25, 14, 11],
    'SP Delta': [0,  0,  10,  0,  0,  0,  5,  0, -15,  0,  0],
    'Error':    [0,  0,  10,  3,  1,  0,  5,  1, 15,  4,  1]
}, index=[f't{i}' for i in range(11)])

# 步骤1:构建每个稳态段对应的“本阶段最大可能误差”(即上一次SP跃变的幅度)
# 将 SP Delta 中的 0 替换为 NaN,前向填充(ffill),再用 1 填充首段(避免全零初始段失效)
df['MaxErr'] = df['SP Delta'].replace(0, np.nan).ffill().fillna(1)

# 步骤2:仅在 SP Delta == 0(即设定值稳定期)计算评分;否则置为 NaN
# 使用绝对值确保负跃变(如 t₈: SP 25→10)同样适用(|−15|=15)
df['Score'] = np.where(
    df['SP Delta'] == 0,
    1 - np.abs(df['Error'] / df['MaxErr']),
    np.nan
).clip(lower=0)  # 强制下限为 0,防止数值误差或异常导致负分

执行后得到:

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     Setpoint  Output  SP Delta  Error  MaxErr  Score
t0       10      10         0      0     1.0   1.00
t1       10      10         0      0     1.0   1.00
t2       20      10        10     10    10.0    NaN
t3       20      17         0      3    10.0   0.70
t4       20      19         0      1    10.0   0.90
t5       20      20         0      0    10.0   1.00
t6       25      20         5      5     5.0    NaN
t7       25      24         0      1     5.0   0.80
t8       10      25       -15     15   -15.0   0.00  ← 注意:此处 MaxErr 为 -15.0,abs 后为 15 → 1-15/15=0
t9       10      14         0      4   -15.0   0.73
t10      10      11         0      1   -15.0   0.93

? 关键说明:MaxErr 的生成逻辑是工程导向的——它代表“自上次设定值变更以来,系统理论上可能产生的最大跟踪偏差”。ffill() 确保该基准在整段响应过程中保持恒定,符合实际控制中“一个阶跃输入对应一个响应过程”的认知。

⚠️ 注意事项与进阶建议

  • 避免负分与溢出:务必使用 .clip(lower=0),尤其当 Error > MaxErr(如超调严重或 MaxErr 估算偏小)时,保障评分语义一致性(0 表示完全失败,而非数学异常)。
  • MaxErr 的物理意义强化:若领域知识明确最大允许误差(如 ±2% SP 或固定阈值),可替换为 df['MaxErr'] = df['SP Delta'].replace(0, np.nan).ffill().fillna(1).abs().clip(lower=0.1),并结合业务约束设定最小基准。
  • 非线性评分(可选):若希望放大小误差的区分度(例如更敏感地惩罚残余稳态误差),可改用平方项:
    df['Score'] = np.where(
        df['SP Delta'] == 0,
        1 - (np.abs(df['Error'] / df['MaxErr'])) ** 2,
        np.nan
    ).clip(lower=0)
  • 与PID性能指标对齐:该方法本质是简化版的归一化 IAE(Integral of Absolute Error)局部快照。如需长期综合评估,可进一步对每个响应事件(从跃变后首个稳态点到误差归零点)积分 Score 或累加 Error,并与经典指标(IAE、ISE、ITAE)对标。

✅ 总结

本方案摒弃了低效的嵌套循环遍历,转而采用 Pandas 原生向量化操作,在毫秒级完成千点级时间序列的实时评分计算;其设计紧贴控制工程实践——以设定值跃变幅度为误差标尺,以归一化线性映射保障直观性与可解释性。适用于 SCADA 系统看板、MPC 控制器健康监测、数字孪生体性能回溯等场景,是构建闭环系统可观测能力的重要一环。

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