5.串級(jí)控制系統(tǒng)

1、串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)Cascade Control System戴連奎浙江大學(xué)智能系統(tǒng)與決策研究所2004/03/18單回路PID控制系統(tǒng)小結(jié)n介紹了簡(jiǎn)單被控過(guò)程的機(jī)理建模方法;n討論了控制閥“氣開(kāi)、氣關(guān)”形式與流量特性的選擇問(wèn)題；n講述了“廣義對(duì)象” 動(dòng)態(tài)特性的典型測(cè)試方法；n介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；n詳細(xì)分析了單回路PID參數(shù)整定方法,n介紹了PID控制器的“防積分飽和” 技術(shù).習(xí)題 3-4: 機(jī)理建模舉例 R12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12Q1R1(1) 列寫(xiě)過(guò)程微分方程組;(2) 畫(huà)出方框圖;(3) 求傳遞函數(shù))()()(12sQsHsGp習(xí)題3-4:

2、列寫(xiě)狀態(tài)方程R12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12Q1R131222122111,QQdtdhCQQQdtdhC物料平衡方程:122112323212,RhhQRhQRhQ將流量方程代入物料平衡方程,即得到過(guò)程狀態(tài)方程習(xí)題3-4: 狀態(tài)方程傳遞函數(shù)表示31222122111,QQdtdhCQQQdtdhC122112323212,RhhQRhQRhQ由以上傳遞函數(shù)方程,可畫(huà)出相應(yīng)的方框圖.)()(1)(,)()()(1)(31222122111sQsQsCsHsQsQsQsCsH122112323212)()()(,)()(,)()(RsHsHsQRsHsQRsHsQ習(xí)題3-4: 過(guò)程傳

3、遞函數(shù)方框圖)()(1)(,)()()(1)(31222122111sQsQsCsHsQsQsQsCsH122112323212)()()(,)()(,)()(RsHsHsQRsHsQRsHsQ+_+_Q12Q1(s)Q2sC1121R+_+_H1121RH2sC2131RH2(s)習(xí)題3-4: 計(jì)算輸入輸出傳遞函數(shù)n利用方框圖等效變換;n直接用傳遞函數(shù)計(jì)算公式;n通過(guò)求解傳遞函數(shù)方程組.32122122122121111)()()()(,)()()()()(RsHRsHsHssHCRsHsHRsHsQssHC習(xí)題4-9: 控制閥流量特性選擇TC蒸汽凝液進(jìn)料TspTmTG2G1, T1u(t)

4、熱平衡方程:2111)(GTTGC11121GGCGTKp控制通道靜態(tài)增益:G1G2即控制閥開(kāi)度KpKv選等百分比閥被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性變化對(duì)控制閥流量特性選擇的考慮G1G2即控制閥開(kāi)度KpKv選等百分比閥從靜態(tài)增益補(bǔ)償?shù)慕嵌葟膭?dòng)態(tài)特性變化的角度 (Why?)G1G2即控制閥開(kāi)度TpKv選快開(kāi)閥穩(wěn)定性變差單回路系統(tǒng)防積分飽和原理分析討論討論：正常情況為標(biāo)準(zhǔn)的PI控制算法；而當(dāng)出現(xiàn)超限時(shí)，自動(dòng)切除積分作用。為什么?d(t)廣義對(duì)象ym(t)ysp(t)vKCe(s)11sTIu1max1maxmax1min1min1min,uuuuuuuuuuv本講基本要求n了解串級(jí)控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)；n掌握串

5、級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖表示法；n結(jié)合控制原理，掌握串級(jí)系統(tǒng)的分析方法；n了解串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；n掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法;n了解串級(jí)控制系統(tǒng)的抗積分飽和措施。反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)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單回路控制系統(tǒng)擾動(dòng)分析單回路控制系統(tǒng)擾動(dòng)分析問(wèn)題：?jiǎn)栴}：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 （經(jīng)反饋回路）冷卻水量出

6、料進(jìn)料冷卻劑TC對(duì)調(diào)節(jié)滯后的解決方法之一對(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)溫度調(diào)節(jié)器TC1來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）。“串級(jí)控制串級(jí)控制” 反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制方案反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制方案特點(diǎn)：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)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。 出料進(jìn)料冷卻劑TC2T

7、C1T2T1反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖反應(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通用的串級(jí)控制系統(tǒng)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串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖串級(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,spy2ym2y1ym1Gm1

8、Gc1Gc2GvGp2D2D1Gp1副回路主回路串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的等效性Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG222221mpvcpvcGGGGGGGD2(s)(2sDy2(s)y2,sp串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）n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 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（2）n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)控制性能的影響。對(duì)于內(nèi)環(huán)等效對(duì)象的增益1222mpvcKK

9、KK當(dāng)221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK結(jié)論結(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“魯棒性魯棒性”強(qiáng)）。串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則n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；n副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾；n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。常用的串級(jí)控制系統(tǒng)：溫度+流量、溫度+壓力、液位+流量、溫度+溫度等。串級(jí)系統(tǒng)副參數(shù)的選擇舉例串級(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)題分析問(wèn)題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾

10、動(dòng)范圍之間的矛盾。串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例串級(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？串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）TCTC燃料油進(jìn)料出料討論討論：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“共共振振”（系統(tǒng)穩(wěn)定性越差）。串級(jí)系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型串級(jí)系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型n副調(diào)節(jié)器常選擇PI控制律原因：原因：副回路為隨動(dòng)系統(tǒng)，其設(shè)定值變化頻繁，一般不宜加微分作用；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，理想上不用加積分作用。但實(shí)際運(yùn)行中，串級(jí)系統(tǒng)有時(shí)會(huì)斷開(kāi)

11、主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求較弱積分作用要求較弱以保證副回路較強(qiáng)的抗干擾能力。串級(jí)系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型串級(jí)系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型n主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID控制律原因：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。串級(jí)系統(tǒng)串級(jí)系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法參數(shù)的整定方法nStep 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)。nStep 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)。nStep 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)。單回路控制系統(tǒng)的抗干擾性能(參見(jiàn)仿真程序/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)串級(jí)系統(tǒng)的參數(shù)整定與抗干擾(參見(jiàn)仿真程序/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)結(jié) 論n介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)；n結(jié)合控制原理，具體分析了串級(jí)系統(tǒng)的抗干擾性能；n討論了串級(jí)控制系統(tǒng)