串級控制系統(tǒng)

1、串級控制系統(tǒng)Cascade Control System,單回路PID控制系統(tǒng)回顧,什么是單回路控制系統(tǒng)？ 被控變量的選擇原則？ 操縱變量的選擇選擇？ 執(zhí)行器的選擇需要考慮哪些因素？ 測量變送裝置的選擇需要考慮哪些因素？ 控制器的選擇需要考慮哪些因素？ 比例度、積分時間、微分時間分別對過渡過程有什么樣的影響,課堂提問,采用PI控制，Ti調(diào)小時為保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，比例度應(yīng)該怎樣變化？ 工程整定方法有哪幾種？主要步驟是什么？ 系統(tǒng)的投運是使執(zhí)行器從手動平穩(wěn)過渡到自動狀態(tài)，該說法對不對,調(diào)大,主要內(nèi)容,了解串級控制系統(tǒng)的概念與特點； 掌握串級控制系統(tǒng)的方框圖表示法； 結(jié)合控制原理，掌握串級系統(tǒng)的分析方

2、法； 了解串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則； 掌握串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法,反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng),操縱變量： 被控變量： 控制規(guī)律,冷卻劑流量,反應(yīng)溫度,PID,夾 套,槽 壁,系統(tǒng)控制與擾動的分析,干擾變量的影響：冷卻水入口溫度變化 夾套內(nèi)冷卻水溫度變化 槽壁溫度變化 反應(yīng)槽溫度變化 控制變量的影響：冷卻水調(diào)節(jié)閥開度變化 冷卻水流量變化 夾套內(nèi)冷卻水溫度變化 槽壁溫度變化 反應(yīng)槽溫度變化,問題：從擾動開始至調(diào)節(jié)器動作，滯后較大， 特別對于大容量的反應(yīng)槽，滯后更大,解決方法,夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到來自干擾（冷卻水入口溫度）以及來自控制的影響。因而可設(shè)計夾套水溫單回路控制系

3、統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動。但TC2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T1的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC1來自動實現(xiàn),串級控制,反應(yīng)器溫度的串級控制方案,特點：兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器TC2通過調(diào)節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調(diào)節(jié)器TC1通過調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設(shè)定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值,反應(yīng)器溫度串級控制框圖,串級控制系統(tǒng)的框圖,通用的串級控制系統(tǒng),主控 制器,調(diào)節(jié) 閥,副對象,主對象,主測量 變送,二次擾動,一次擾動,副控 制器,副測量 變送,主設(shè)定值,主被控變量,副被控變量,副回路,隨動控制系統(tǒng),定值控制系統(tǒng),主回路,副設(shè)定值,定義: 兩個控制器

4、串聯(lián)，兩個被控對象，兩個測量變送裝置，一個執(zhí)行器，兩個回路 主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值 由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果,串級控制系統(tǒng),串級控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語,主被控變量：生產(chǎn)過程中的工藝控制指標(biāo)。 副被控變量：為了穩(wěn)定主被控變量而引入的中間輔助變量。 主被控對象：生產(chǎn)過程中要控制的生產(chǎn)設(shè)備、裝置。 副被控對象：表征副被控變量特性的設(shè)備（輸入量為操縱變量，輸出量為副被控變量,反應(yīng)槽內(nèi)的溫度,夾套內(nèi)的溫度,反應(yīng)槽,夾套,主控制器：按主被控變量的測量值與設(shè)定值的偏差而工作，其輸出為副被控變量的設(shè)定值。 副控制器：設(shè)定值是主控制器的輸出。 主設(shè)定值 副設(shè)定值

5、主測量值 副測量值,串級控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語,TC1,TC2,副回路:串級控制系統(tǒng)內(nèi)部。包含：副控制器、執(zhí)行器、副被控對象、副測量變送器。 主回路：主控制器、副回路、主被控對象、主測量變送器。 一次擾動 二次擾動,串級控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語,串級控制系統(tǒng),主回路為定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值固定 副回路為隨動控制系統(tǒng) 設(shè)定值由主控制器的輸出提供，隨主控制器輸出的變化而變化,串級控制系統(tǒng)的控制過程分析,一次擾動 二次擾動,串級與單回路控制simulink仿真,串級與單回路控制simulink仿真,調(diào)節(jié)時間180 60 余差 0 0,串級與單回路控制simulink仿真,二次擾動最大偏差0.27 0.013,串

6、級控制系統(tǒng)的特點及應(yīng)用范圍,1、兩個串接工作的控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)， 其中主回路是定值控制，副回路是隨動控制 2、副回路的引入，大大克服了二次擾動對系統(tǒng)被調(diào)量的影響 3、迅速克服進(jìn)入副回路擾動的影響，提高系統(tǒng)的抗擾動能力 4、對負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力（適應(yīng)操作條件的變化,特點,副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服,應(yīng)用范圍,1、純滯后大 2、容量滯后大 3、擾動變化劇烈、幅值大 4、具有非線性特性的過程,容量滯后：物料或能量的傳遞需要通過一定阻力 而引起的滯后,純滯后：介質(zhì)的輸送由于有一段距離需要一段時

7、間 而引起的滯后,污水處理加藥控制系統(tǒng),污水處理混凝加藥單回路控制系統(tǒng),濁度 控制器,濁度計,污水處理混凝加藥串級控制系統(tǒng),濁度 控制器,濁度計,串級控制系統(tǒng)的設(shè)計,主、副被控變量 主、副控制器 執(zhí)行器 主、副測量變送裝置 投運與參數(shù)整定,主被控變量的選擇,主被控變量（簡稱主變量）的選擇與簡單控制系統(tǒng)被控變量的選擇原則相同,被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，一般是工藝過程中較重要的變量,被控變量在工藝操作過程中經(jīng)常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調(diào)節(jié),主被控變量的選擇,盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號，或其測量和變送信號滯后很大時，

8、可選擇與直接指標(biāo)有單值對應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量,被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度,選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀,被控變量應(yīng)是獨立可控的,副被控變量的選擇,1、使副回路包含主要擾動，并包含盡可能多的擾動。 主要擾動：對主變量影響最嚴(yán)重、最劇烈、最頻繁 的擾動。 擾動較多、難分主次：盡可能多的包含擾動。 2、副回路的時間常數(shù)要合適，保證副回路的快速性，避免發(fā)生“共振”。一般要求主、副回路的時間常數(shù)之比為310,副變量越靠近主變量，副回路包含的擾動越多， 同時通道變長，滯后增加，控制速度變慢； 副變量越靠近操縱變量，副回路包含的擾動越少， 通道越短，控制速度

9、越快,副被控變量的選擇,3、要求副變量的變化對主變量影響作用明顯，主、副變量要有一定的內(nèi)在聯(lián)系。 a、與主變量有一定關(guān)系的中間變量 b、選操縱變量作為副變量,副被控變量的選擇,4、主要的非線性環(huán)節(jié)納入副回路。使非線性對主變量影響小,5、副回路盡量少包含或不包含純滯后,6、考慮工藝合理性和經(jīng)濟(jì)性,串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇分析,副回路的快速性與副回路所能包括的擾動范圍之間的矛盾,1）副參數(shù)為加熱蒸汽（作用線1,分析：可保持加熱量穩(wěn)定，它只能快速消除因蒸汽汽源壓力變化引起的擾動。由于蒸汽流量對象的滯后非常小，當(dāng)用流量作副變量時，并不能使串級系統(tǒng)的頻率有多少提高，對克服其它擾動不明顯,2）副參數(shù)為調(diào)節(jié)閥后

10、的蒸汽壓力（作用線2,分析：把加熱蒸汽側(cè)的擾動完全包括在副環(huán)之內(nèi)，與1相比，副環(huán)中包括了更大的時間常數(shù)，有助于改善主環(huán)的調(diào)節(jié)性能,3）副參數(shù)為再沸器的蒸發(fā)量（作用線3,分析：把再沸器側(cè)的擾動包括在副環(huán)內(nèi)（再沸器液位、塔釜溫度等），有助于改善主環(huán)的調(diào)節(jié)性能，但副環(huán)克服蒸汽方面的擾動要慢些,方案1、溫度-壓力串級控制 出口溫度為主變量 燃油壓力為副變量 能克服燃油壓力波動的影響,串級控制副變量選擇練習(xí),如果燃油波動較大，主要擾動就是燃油壓力的波動， 可采用此串級控制系統(tǒng)，以快速克服燃油壓力波動帶來的擾動,加熱爐溫度串級控制系統(tǒng),燃料油,擾動： 燃料油壓力的波動 燃料油成分變化，導(dǎo)致燃油熱值不同,方

11、案2、溫度-溫度串級控制 出口溫度為主變量 爐膛溫度為副變量 能克服燃油熱值等問題的影響,燃油壓力較穩(wěn)定的情況下，主要擾動是燃油熱值的變化， 使用該串級控制系統(tǒng)可以得到更好的控制效果,加熱爐溫度串級控制系統(tǒng),精餾塔溫度串級控制系統(tǒng),分析： 溫度控制對象滯后較大， 加熱蒸汽壓力波動大， 控制不及時，控制質(zhì)量不夠理想,解決方法： 溫度-流量串級控制系統(tǒng) 精餾塔塔釜溫度為主變量 蒸汽流量為副變量,使蒸汽流量穩(wěn)定，大大減少這種擾動對主變量的影響,主、副控制器控制規(guī)律的選擇,出發(fā)點：主回路為定值控制系統(tǒng),主控制器：PI或PID,要求：主變量，工藝要求嚴(yán)格，允許波動的范圍較小， 一般不允許有余差,主控制器

12、,出發(fā)點：副回路為隨動控制系統(tǒng),副控制器：P或PI,要求：副變量無嚴(yán)格要求，副回路要具有快速性， 最好不帶積分作用。但是，選流量參數(shù)為副變量 時，加入較弱的積分作用，增強(qiáng)控制作用,副控制器,主、副控制器控制規(guī)律的選擇,舉例,加熱爐溫度-壓力串級控制,加熱爐溫度-溫度串級控制,主控制器： 副控制器,PID P,主控制器： 副控制器,PID P,如果換成流量，又該如何選擇,主控制器： 副控制器,PID PI,主、副控制器正、反作用的選擇,主、副回路都必須是負(fù)反饋,副控制器,這時不考慮主控制器的作用方式,與單回路控制系統(tǒng)中控制器正、反作用方式選擇相同,副控制器) (執(zhí)行器) (副對象) (副測量變送

13、),主控制器,主、副控制器正、反作用的選擇,主控 制器,調(diào)節(jié) 閥,副對象,主對象,主測量 變送,二次擾動,一次擾動,副控 制器,副測量 變送,主設(shè)定值,主被控變量,副被控變量,副回路,主回路,副設(shè)定值,主、副控制器正、反作用的選擇,主控 制器,副環(huán),主對象,主測量 變送,主設(shè)定值,主被控變量,主回路,副環(huán)始終為正作用,主測量變送為正作用,主控制器) (主對象),主、副控制器正反作用的選擇原則,主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)是先副后主。 （1）副控制器的正、反作用與主回路無關(guān)。副環(huán)可以按照單回路控制系統(tǒng)確定正、反作用的方法來確定副控制器的正、反作用。 （2）主控制器的正、反作用根據(jù)主回路所包

14、括的各環(huán)節(jié)來確定。副回路視為“正”，因變送器一般為“正”，這樣主控制器的正負(fù)特性與主對象的正負(fù)特性相反,例題,例1.確定下圖所示加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級控制系統(tǒng)主、副控制器的正反作用,控制閥： 副對象： 副測量變送,“” “,副控制器：“,主對象,主控制器：“,例2.確定下圖所示加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)主、副控制器的正反作用,例題,控制閥： 副對象： 副測量變送,“” “,副控制器：“,主對象,主控制器：“,串級控制系統(tǒng)的實施,選擇實施方案時，需考慮的問題： 方案應(yīng)滿足操作要求。 實施方案應(yīng)力求實用，簡單可靠，少花錢多辦事。 儀表信號必須互相匹配。不同類型儀表需配信號轉(zhuǎn)換器。

15、 副控制器必須具有外給定輸入接口。接收主控制器的外給定信號。 實施方案應(yīng)便于操作,串級控制一般方案,4-20mA,20-100kPa,主控-串級切換的串級控制方案,結(jié)論： 只有當(dāng)副控制器為反作用時才能由串級與主控之間直接切換,如果副控制器為正作用，必須在向主控切換的同時改變主控制器的正反作用,注意： 串級與主控直接切換的條件:組成的控制系統(tǒng)必須是負(fù)反饋控制系統(tǒng),先副后主 保證無擾動切換,串級系統(tǒng)的投運,原則,具體步驟,閱讀教材,將主、副控制器的切換開關(guān)都置于手動； 使生產(chǎn)處于要求的工況； 使副偏差為0，將副控制器切換到自動； 使主控制器的偏差為0，然后將主控制器切換到自動,兩步法（先副環(huán)后主環(huán)

16、的方法） 1）在主副回路閉合時，將主控制器置100%、 Ti置、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副環(huán)，找出副變量出現(xiàn)4:1振蕩過程的記錄下比例度2s 及振蕩周期T 2s 。 2）將副控制器置2s 、 Ti置、Td 置0，然后按4:1整定方法整定主環(huán)，找出主變量出現(xiàn)4:1衰減振蕩過程，記錄下比例度1s 及振蕩周期T 1s,串級系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法,3）、根椐得到的1s 、 T 1s 、 2s 、 T 2s值，結(jié)合主、副控制器的選型，按單回控制系統(tǒng)衰減曲線法的計算公式，可以計算出主、副控制器的、Ti 、Td。 4）、將計算所得參數(shù)按先副環(huán)后主環(huán)、先比例再積分后微分的順序在控制器上放好，觀察控制過程曲線，如不夠滿意，可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行