過(guò)控串級(jí)控制系統(tǒng)PPT課件

1、本講基本要求了解串級(jí)控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖表示法；結(jié)合控制原理，掌握串級(jí)系統(tǒng)的分析方法；了解串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；了解串級(jí)控制系統(tǒng)的抗積分飽和措施。第1頁(yè)/共32頁(yè)反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)出料進(jìn)料冷卻劑TC控制變量：冷卻劑量被控變量：反應(yīng)溫度控 制 閥：氣關(guān)閥控制規(guī)律：PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套槽壁反應(yīng)槽溫度測(cè)量變送D2D1T1spT2T1第2頁(yè)/共32頁(yè)單回路控制系統(tǒng)D2擾動(dòng)分析問(wèn)題：從擾動(dòng)開(kāi)始至調(diào)節(jié)器動(dòng)作，調(diào)節(jié)滯后較大，特別對(duì)于大容量的反應(yīng)槽，調(diào)節(jié)滯后更大。冷卻水入口溫度 夾套內(nèi)冷卻水溫度 T2 （經(jīng)對(duì)流傳熱）槽壁溫度 反應(yīng)槽溫度T1

2、（經(jīng)反饋回路）冷卻水量出料進(jìn)料冷卻劑TC第3頁(yè)/共32頁(yè)對(duì)調(diào)節(jié)滯后的解決方法之一 對(duì)于冷卻水方面的擾動(dòng)，如冷卻水的入口溫度、閥前壓力等擾動(dòng)，夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到。因而可設(shè)計(jì)夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動(dòng)。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)釜溫度調(diào)節(jié)器TC1來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）?！按?jí)控制” 第4頁(yè)/共32頁(yè)反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制方案特點(diǎn)：兩個(gè)調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器TC2通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻劑流量以克服冷卻水方面的擾動(dòng)；調(diào)節(jié)器TC1通過(guò)調(diào)節(jié)夾套內(nèi)的水溫以保證反應(yīng)斧溫度維持在工藝所希望的某一給定值。 出料進(jìn)料冷卻劑TC2TC1

3、T2T1第5頁(yè)/共32頁(yè)反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖TC1稱為“主調(diào)節(jié)器”，TC2稱為“副調(diào)節(jié)器”。TC2閥夾套槽壁反應(yīng)槽反應(yīng)器溫度測(cè)量D2D1T2spT2T1T1sp夾套水溫測(cè)量TC1第6頁(yè)/共32頁(yè)通用的串級(jí)控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副參數(shù)測(cè)量變送副對(duì)象主對(duì)象一次擾動(dòng)二次擾動(dòng)主參數(shù)副參數(shù)主參數(shù)測(cè)量變送y1,spy2,spy2ym2y1ym1第7頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖注：D1、D2 綜合反映了一次擾動(dòng)、二次擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)副參數(shù)與主參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響；主回路是指：副回路閉合狀態(tài)下等效的單回路（將副回路看成是一個(gè)等效的控制閥）。Gm2y1,spy2,spy2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2G

4、vGp2D2D1Gp1副回路主回路第8頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的等效性Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGGG+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp第9頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）1.副回路（有時(shí)稱內(nèi)環(huán)）具有快速調(diào)節(jié)作用，它能有效地克服二次擾動(dòng)的影響。2222211)()(mpvcGGGGsDsD+由于而對(duì)于動(dòng)態(tài)滯后較小的副回路，有1222mpvcGGGG22DD 第10頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（2）2. 對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化具有一定的自適應(yīng)能力，并能自動(dòng)地克服副對(duì)象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線性對(duì)控制性能的

5、影響，即具有較強(qiáng)的魯棒性。對(duì)于內(nèi)環(huán)等效對(duì)象的增益1222mpvcKKKK當(dāng)221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK+結(jié)論：當(dāng)副回路增益足夠大時(shí)，使主回路的特性基本上和副對(duì)象、調(diào)節(jié)閥的增益無(wú)關(guān)（系統(tǒng)的“魯棒性”強(qiáng)）。第11頁(yè)/共32頁(yè)單回路控制系統(tǒng)的抗干擾性能第12頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)的參數(shù)整定與抗干擾第13頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則1.副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；2.副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾；3.盡可能將帶有非線性或時(shí)變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中；4.副參數(shù)可測(cè)。常用的串級(jí)控制系統(tǒng)：溫度+流量、溫度+壓力、液位+

6、流量、溫度+溫度等。第14頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)副參數(shù)的選擇舉例*PC123123加熱蒸汽再沸器塔底部FCTCFC分析問(wèn)題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾動(dòng)源數(shù)量之間的矛盾。第15頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例FCTC進(jìn)料出料燃料油TC進(jìn)料出料燃料油PC討論：副回路所包含的干擾與副回路快速性之間的矛盾？第16頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）TCTC燃料油進(jìn)料出料討論：副回路所能包括的擾動(dòng)越多，副對(duì)象與主對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的差別越小，越容易引起內(nèi)外回路之間的“共振”（系統(tǒng)穩(wěn)定性越差）。第17頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型1.副調(diào)節(jié)器常選擇PI控制律原因：副回路為隨動(dòng)系統(tǒng)，其設(shè)定值變化頻繁，一般不

7、宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服內(nèi)環(huán)中的各種擾動(dòng)，為加大副回路的調(diào)節(jié)能力，理論上不用加積分作用。但實(shí)際運(yùn)行中，串級(jí)系統(tǒng)有時(shí)需要斷開(kāi)主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求較弱，以保證副回路較強(qiáng)的抗干擾能力。第18頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型2.主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID控制律原因：主回路的任務(wù)是滿足主參數(shù)的定值控制要求。因而對(duì)于主參數(shù)為溫度的串級(jí)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器必須加入較強(qiáng)的積分作用（除主參數(shù)為液位的串級(jí)均勻控制系統(tǒng)以外）。當(dāng)主對(duì)象的調(diào)節(jié)滯后較大，而主參數(shù)變化較平緩時(shí)，可加入通常大小的微分作用。第19頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)PID系統(tǒng)的積分飽和問(wèn)題FCTC進(jìn)料出料燃料油情況1

8、：流量副回路出現(xiàn)“積分飽和”，可采用單回路抗積分飽和方法；情況2：當(dāng)主副控制器均采用單回路抗積分飽和方法時(shí)，可能出現(xiàn)限位參數(shù)不一致的情形，同樣存在發(fā)生“積分飽和”的可能性。第20頁(yè)/共32頁(yè)單回路系統(tǒng)的防積分飽和d(t)廣義對(duì)象ym(t)ysp(t)ve(s)11+sTIu111+sATsTKDDDCPID 控制器方法：正常情況為標(biāo)準(zhǔn)的PD+PI控制算法；而當(dāng)出現(xiàn)超限時(shí)，通過(guò)限制積分作用達(dá)到切除積分作用的目的。第21頁(yè)/共32頁(yè)單回路防積分飽和方法在串級(jí)控制系統(tǒng)中的局限性第22頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)積分飽和現(xiàn)象仿真串級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)生積分飽和的原因分析？第23頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)控制主調(diào)節(jié)器防積分飽和連接法

9、第24頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)控制系統(tǒng)的防積分飽和Gm2r1r2y2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2Gp2D2D1Gp1e2ve1第25頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)的防積分飽和方法舉例第26頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)防積分飽和措施舉例第27頁(yè)/共32頁(yè)工業(yè)PID控制器常用結(jié)構(gòu)功能: 控制輸出跟蹤, 防積分飽和, 輸出限幅, 正反作用選擇,測(cè)量值濾波,設(shè)定值變化率限幅等.第28頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法1.Step 1: 先斷開(kāi)主回路，按單回路方式整定副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)。2.Step 2: 在主調(diào)節(jié)器為“手動(dòng)”、副回路閉環(huán)的情況下，測(cè)試得到主回路廣義對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性與相應(yīng)特征參數(shù)。3.Step 3: 采用單回路調(diào)節(jié)參數(shù)的工程整定法（如Z-N準(zhǔn)則），確定主回路的PID參數(shù)。系統(tǒng)投運(yùn)的無(wú)擾切換：手動(dòng)/自動(dòng)在回路偏差為零時(shí)切換。第29頁(yè)/共32頁(yè)串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器正反作用精餾塔提餾段溫度控制系統(tǒng)如圖所示，圖中，Pv為調(diào)節(jié)閥閥前壓力。（1）為保證再沸器的安全，蒸汽調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣關(guān)閥還是氣開(kāi)閥？為什么？（2）確定調(diào)節(jié)器TC、PC的正反作用，并畫(huà)出該系統(tǒng)完整的方框圖（盡可能在圖上表明相應(yīng)的信號(hào)）。PC加熱蒸汽再沸器塔底部TCTspPspTmPmPTuPv第30頁(yè)/共3