串級(jí)控制系統(tǒng)過(guò)程控制(自動(dòng)化)解析課件

1、單回路PID控制系統(tǒng)小結(jié)介紹了簡(jiǎn)單被控過(guò)程的機(jī)理建模方法；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；講述了“廣義對(duì)象” 動(dòng)態(tài)特性的典型測(cè)試方法；介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；詳細(xì)分析了單回路PID參數(shù)整定方法；介紹了PID控制器的“防積分飽和” 技術(shù)。第1頁(yè)，共52頁(yè)。習(xí)題 3-4: 機(jī)理建模舉例 (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)第2頁(yè)，共52頁(yè)。習(xí)題3-4: 列寫(xiě)狀態(tài)方程物料平衡方程:將流量方程代入物料平衡方程,即得到過(guò)程狀態(tài)方程第3頁(yè)，共52頁(yè)。習(xí)題3-4: 狀態(tài)方程傳遞函數(shù)表示由以上傳遞函數(shù)方程,可畫(huà)出相應(yīng)的方框圖.第4頁(yè)，共52頁(yè)

2、。習(xí)題3-4: 過(guò)程傳遞函數(shù)方框圖第5頁(yè)，共52頁(yè)。習(xí)題3-4: 計(jì)算輸入輸出傳遞函數(shù)利用方框圖等效變換;直接用傳遞函數(shù)計(jì)算公式;通過(guò)求解傳遞函數(shù)方程組.第6頁(yè)，共52頁(yè)。習(xí)題4-9: 控制閥流量特性選擇熱平衡方程:控制通道靜態(tài)增益:-冷凝潛熱；C1-比熱容第7頁(yè)，共52頁(yè)。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?)？第8頁(yè)，共52頁(yè)。單回路系統(tǒng)防積分飽和原理分析討論：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?第9頁(yè)，共52頁(yè)。課堂提問(wèn)采用純比例控制，Kc增加時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性會(huì)怎樣？穩(wěn)定的情況下余差會(huì)怎樣？

3、采用PI控制，Ti調(diào)小時(shí)為保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，比例度應(yīng)該怎樣變化？什么是積分飽和？反饋控制如何防積分飽和？第10頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)控制系統(tǒng)Cascade Control System第11頁(yè)，共52頁(yè)。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12頁(yè)，共52頁(yè)。反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)操縱變量：冷卻劑流量被控變量：反應(yīng)溫度擾動(dòng)變量：冷卻劑溫度以及工藝介質(zhì)流量控制規(guī)律：PID第13頁(yè)，共52頁(yè)。單回路控制系統(tǒng)的抗干擾性能(參見(jiàn)仿真程序/

4、CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)第14頁(yè)，共52頁(yè)。反應(yīng)釜溫度單回路控制響應(yīng)曲線第15頁(yè)，共52頁(yè)。單回路控制系統(tǒng)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 （經(jīng)反饋回路）冷卻水量第16頁(yè)，共52頁(yè)。系統(tǒng)控制與擾動(dòng)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(kāi)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)槽溫度變化第17頁(yè)，共52頁(yè)。解決方法對(duì)于

5、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。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)）?！按?jí)控制” 串級(jí)控制系統(tǒng)第18頁(yè)，共52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。 第19頁(yè)，共52頁(yè)。反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖討論: 主副控制器的“正反作用”選擇。反應(yīng)器溫度測(cè)量變送

6、器夾套水溫測(cè)量變送器第20頁(yè)，共52頁(yè)。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)第21頁(yè)，共52頁(yè)。反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)第22頁(yè)，共52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）。第23頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)控制系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)第24頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的等效性第25頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（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；由于而對(duì)于動(dòng)態(tài)滯后

7、較小的副回路，有第26頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（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)控制性能的影響。對(duì)于內(nèi)環(huán)等效對(duì)象的增益當(dāng)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27頁(yè)，共52頁(yè)。補(bǔ)充說(shuō)明魯棒性：控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)對(duì)對(duì)象特性變化的敏感程度。系統(tǒng)品質(zhì)對(duì)對(duì)象特性變化越不敏感，則該系統(tǒng)的魯棒性越好。主回路對(duì)副對(duì)象和控制閥的特性變化具有魯棒性，但副回路本身卻并沒(méi)有這種特性，副對(duì)象或控制閥特性的變化依然會(huì)較敏感地影響副回路的穩(wěn)定性。主回路對(duì)副回路反饋通道特性的變化沒(méi)有魯棒性。第

8、28頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。在相同的衰減比下，主調(diào)節(jié)器的增益可顯著加大。副回路等效對(duì)象為：若：第29頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）-續(xù)結(jié)論：由于副回路的存在，使主控制通道的動(dòng)態(tài)特性得到改善（時(shí)間常數(shù)顯著減少）第30頁(yè)，共52頁(yè)。反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)第31頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則單回路控制不能滿足性能要求；有反映系統(tǒng)主要干擾的可測(cè)副參數(shù)；調(diào)節(jié)閥與副參數(shù)之間具有因果關(guān)系；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；副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾；盡可能將帶有非線性或時(shí)變特性的環(huán)節(jié)包含

9、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。第32頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)系統(tǒng)副參數(shù)的選擇舉例*分析問(wèn)題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾動(dòng)范圍之間的矛盾。第33頁(yè)，共52頁(yè)。分析圖中表示的是塔的提餾段和再沸器。提餾段某塊板的溫度定為主變量，控制閥安裝在再沸器的加熱蒸汽管線上。中間變量可以是1加熱蒸汽流量、2加熱蒸汽壓力、3再沸器工藝介質(zhì)一側(cè)的氣相流量。選擇蒸汽流量作為副變量，它只能快速消除因蒸汽汽源壓力或冷凝壓力變化引起的干擾。由于蒸汽流量對(duì)象的滯后非常小，當(dāng)用流量作為副變量時(shí)，并不能使串級(jí)系統(tǒng)的頻率有多少提高，所以對(duì)克服其他干擾，串級(jí)控制的優(yōu)點(diǎn)不明顯。第3

10、4頁(yè)，共52頁(yè)。分析（續(xù)）閥后加熱蒸汽壓力是冷凝溫度的一種度量，在某種程度上，也是對(duì)壁溫的一種度量。金屬壁通常有幾秒的時(shí)間常數(shù)，若將加熱蒸汽壓力選作副變量，則能把這個(gè)時(shí)間常數(shù)包含在副對(duì)象中。但保持蒸汽壓力恒定并不能保證工藝介質(zhì)氣相流量的恒定，而它是更為重要的變量。第35頁(yè)，共52頁(yè)。分析（續(xù)）若將工藝介質(zhì)氣相流量作副變量，副對(duì)象又增加了再沸器液相側(cè)的滯后。經(jīng)過(guò)擴(kuò)大副對(duì)象，包括再沸器液位、溫度及傳熱系數(shù)等的變化都進(jìn)入了副回路，因而能較快的校正，但對(duì)加熱蒸汽汽源壓力波動(dòng)的校正就不如前面兩個(gè)方案快速了。-以上是從控制質(zhì)量來(lái)選擇副變量。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需考慮工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性。第36頁(yè)，共52頁(yè)。

11、串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例討論：副回路所包含的干擾與副回路快速性之間的矛盾？第37頁(yè)，共52頁(yè)。分析左圖中，當(dāng)燃料油流量的波動(dòng)成為主要干擾因素時(shí)，可以考慮采用爐出口溫度對(duì)燃料油流量的串級(jí)控制。優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)燃料油流量發(fā)生變化后，還未影響到爐出口溫度之前，其內(nèi)環(huán)即先進(jìn)行調(diào)節(jié)，以減小甚至消除燃料油流量的干擾，從而改善控制質(zhì)量。第38頁(yè)，共52頁(yè)。分析（續(xù)）右圖，若加熱爐所需燃料油量較少或其輸送管道較小時(shí)，其流量測(cè)量較困難，特別是當(dāng)采用黏度較大的重質(zhì)燃料油時(shí)更難測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，壓力測(cè)量較流量方便，因此可以采用爐出口溫度對(duì)燃料油閥后壓力的串級(jí)控制。該方案應(yīng)用較廣。采用該方案時(shí)，需要注意的是：如果燃料噴嘴部分堵塞，也會(huì)

12、使閥后壓力升高，此時(shí)副控制器的動(dòng)作使閥門關(guān)小，這是不適宜的。因此，在運(yùn)行時(shí)必須防止這種現(xiàn)象發(fā)生，特別是采用重質(zhì)燃料油或燃料氣中夾帶液體時(shí)更要注意。第39頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）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）。共振的解決辦法-主、副回路的時(shí)間常數(shù)要相差3倍第40頁(yè)，共52頁(yè)。分析當(dāng)受到干擾因素例如燃料油的壓力、熱值、煙囪抽力等作用后，首先將反映到爐膛溫度的變化，以后再影響到爐出口溫度，而前者滯后遠(yuǎn)小于后者，據(jù)某實(shí)測(cè)，前者僅為3min，而后者長(zhǎng)達(dá)15min。采用爐出口溫度對(duì)爐膛溫度串級(jí)后，就把原來(lái)滯

13、后的對(duì)象一分為二，副回路起超前作用，能使這些干擾因素一影響到爐膛溫度時(shí)，就迅速采取控制手段，這將顯著改善控制質(zhì)量。該方案的注意事項(xiàng)：1、應(yīng)選擇有代表性的爐膛溫度檢測(cè)點(diǎn)，而且要反應(yīng)快。但選擇較困難，特別對(duì)圓筒爐。2、為了保護(hù)設(shè)備，爐膛溫度不應(yīng)有較大波動(dòng)，所以在參數(shù)整定時(shí)，對(duì)于副控制器不應(yīng)整定得過(guò)于靈敏，且不加微分作用。3、由于爐膛溫度較高，測(cè)溫元件及其保護(hù)套管材料必須耐高溫。第41頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型副調(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

14、實(shí)際運(yùn)行中，串級(jí)系統(tǒng)有時(shí)會(huì)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42頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型主調(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43頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法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)。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

15、對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性與相應(yīng)特征參數(shù)。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)。第44頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)PID系統(tǒng)的積分飽和問(wèn)題情況1：副回路出現(xiàn)“積分飽和”，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。為什么？如何克服？第45頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的連接法第46頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)控制系統(tǒng)的防積分飽和第47頁(yè)，共52頁(yè)。串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)將主、副控制器的切換開(kāi)關(guān)都置于手動(dòng)；用副手操器操縱調(diào)節(jié)閥使生產(chǎn)處于要求的工況；修改主手操器使副偏差為0，將副控制器

16、切換到自動(dòng)；修改主控制器的設(shè)定值使主控制器的偏差為0，然后將主控制器切換到自動(dòng)。第48頁(yè)，共52頁(yè)。結(jié) 論介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)；結(jié)合控制原理，具體分析了串級(jí)系統(tǒng)的抗干擾性能；討論了串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定過(guò)程介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的抗積分飽和措施。介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)過(guò)程。第49頁(yè)，共52頁(yè)。練習(xí)題 1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)）。第50頁(yè)，共52頁(yè)。作業(yè)題6-4 在一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)中，原來(lái)選用口徑為20mm的氣開(kāi)閥，后來(lái)改為口徑為32mm的氣關(guān)閥。問(wèn)： 主、副控制器的正反作用要否改變？為什么？ 副控制器的比例度和積分時(shí)間要否改變？是變大還是變?。繛槭裁?？ 主控制器的比例度和積分時(shí)間要否改變？是變大還是變?。繛槭裁?？題6-5 在一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)中，主變量是溫度，溫度變送器量程原為020