過(guò)程控制：串級(jí)控制系統(tǒng)課件

1、學(xué)習(xí)任務(wù)5串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定教師：孫慧峰二九年十月教學(xué)組織與安排一、任務(wù)下達(dá)（5分鐘）二、提問(wèn)（10分鐘） 1、查線，并畫出該系統(tǒng)的組成框圖 2、該系統(tǒng)與你學(xué)過(guò)的單容水箱液位定值控制系統(tǒng)有何不同？多出哪些擾動(dòng)因素？二、任務(wù)導(dǎo)入（10分鐘） 通過(guò)演示操作，由存在的問(wèn)題導(dǎo)入新課三、相關(guān)知識(shí)講解（20分鐘）四、任務(wù)實(shí)施（90分鐘） 1、組建串級(jí)控制系統(tǒng) 2、控制器參數(shù)整定 3、系統(tǒng)投運(yùn)五、成果分享與評(píng)價(jià)（45分鐘）一、下達(dá)任務(wù)學(xué)習(xí)任務(wù)： 串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定工藝要求： 以中水箱液位為主控制量，上水箱液位為副控制量，中水箱液位穩(wěn)定在給定值。液位串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖LC1LT1LC2LT

2、2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥F1-1F1-6F1-9F1-10儲(chǔ)水池上水箱中水箱磁力泵給定值一、任務(wù)導(dǎo)入三、任務(wù)導(dǎo)入液位定值控制系統(tǒng)實(shí)例雙容液位定值控制系統(tǒng)LT1LT2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥F1-1F1-6F1-9F1-10儲(chǔ)水池上水箱中水箱磁力泵LC1給定值主要擾動(dòng)f1（t）：F1-10開度變化f2（t）：F1-9開度變化f3（t）：F1-6開度變化 缺點(diǎn)： 克服擾動(dòng)的能力較差示意圖方框圖LC1電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上水箱中水箱LT2h2(t)h1(t)給定f2(t)f3(t)f1(t)_LT1LC2LT2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥F1-1F1-6F1-9F1-10儲(chǔ)水池上水箱中水箱磁力泵 缺點(diǎn)： 擾動(dòng)fl(t) 未包括在系統(tǒng)內(nèi)。三、任務(wù)導(dǎo)入液位

3、定值控制系統(tǒng)實(shí)例上水箱液位定值控制系統(tǒng)示意圖方框圖LC2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上水箱中水箱LT1h2(t)h1(t)給定f2(t)f3(t)f1(t)_LT1LC2LT2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥F1-1F1-6F1-9F1-10儲(chǔ)水池上水箱中水箱磁力泵LC1給定值 特點(diǎn)： 克服擾動(dòng)的能力強(qiáng)三、任務(wù)導(dǎo)入液位定值控制系統(tǒng)實(shí)例上水箱液位與中水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖方框圖f1(t)LC2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上水箱中水箱LT1h2(t)h1(t)f2(t)f3(t)_給定_LT2LC1 2、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) （1）具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力 （2）改善了對(duì)象特性，提高了工作頻率 當(dāng)主、副對(duì)象特性一定時(shí)，副控制器放大倍數(shù)越大，串級(jí)系統(tǒng)的工作頻

4、率提高得越明顯。 （3）串級(jí)系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力 副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。 結(jié)論：當(dāng)系統(tǒng)容量滯后比較大或含有非線性對(duì)象時(shí)，如果采用單回路控制達(dá)不到質(zhì)量要求，可以考慮采用串級(jí)控制。 但所需的儀表多，投運(yùn)和整定相應(yīng)地也要復(fù)雜一些。四、相關(guān)知識(shí)4、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) （1）主、副被控變量的選擇 保證副被控變量是操縱變量到主被控變量這個(gè)控制通道中的一個(gè)適當(dāng)?shù)闹虚g變量。 副被控變量的選擇還要考慮以下幾個(gè)因素。 使主要擾動(dòng)作用在副對(duì)象上。 使副對(duì)象包含適當(dāng)多的擾動(dòng)。 主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)不能太接近。 否則將失去設(shè)置副回路的意義，同時(shí)系統(tǒng)可能出現(xiàn)“共振”。 通常使副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)明顯小于主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)。原

5、則上，主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3-10范圍內(nèi)。四、相關(guān)知識(shí)4、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (3)主、副控制器正、反作用的選擇 選擇順序：先副后主。 副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大系數(shù)符號(hào)的乘積應(yīng)為“負(fù)”。 主環(huán)內(nèi)，整個(gè)副回路可視為一個(gè)放大系數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)看待。主控制器的正、反作用與主對(duì)象的放大系數(shù)符號(hào)相反。KC2KVKO2Km2x2y2-KC1KO1Km1x1y1-Kf串級(jí)控制系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖四、相關(guān)知識(shí)4、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (3)主、副控制器正、反作用的選擇 例1：圖5-10所示的加熱爐出口溫度與燃料油（或燃料氣）壓力串級(jí)控制系統(tǒng) ，試確定主、副控制器正、反作用四、相關(guān)知識(shí) 5、串級(jí)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整

6、定 整定方法：一步整定法和兩步整定法四、相關(guān)知識(shí)整定主控制器參數(shù)參照表5-2設(shè)置副控制器比例度一步整定法步驟加大主控制器或減小副控制器的參數(shù)整定值消除“共振”將1從大到小進(jìn)行整定 得4:1衰減時(shí)的1s、T1s按表4-4整定得1、 Ti1 、Td1看曲線調(diào)參數(shù)至4:1衰減曲線副變量類型溫度壓力流量液位比例度%2060307040802080 控制器參數(shù)控制規(guī)律/%Ti/minTd/minPsPI1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts表4-4 4:1衰減曲線法整定計(jì)算公式表5-2副控制器比例度經(jīng)驗(yàn)值技術(shù)要求： 1、中水箱的液位為主控制量，上水箱的液位為副控制量，中水箱液位穩(wěn)定在給定值

7、,構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。 2、采用一步整定法整定控制器參數(shù)。 （1）畫出系統(tǒng)的方框圖。 （2）求出輸出響應(yīng)呈4：1衰減時(shí)LC1的參數(shù)。 （4）觀察并分析LC2的大小對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。 （5）觀察并分析LC1的和Ti改變對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。 五、操作訓(xùn)練（實(shí)訓(xùn)）液位串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖LC1LT1LC2LT2電動(dòng)調(diào)節(jié)閥F1-1F1-6F1-9F1-10儲(chǔ)水池上水箱中水箱磁力泵給定值六、課后思考問(wèn)題： 1、試述串級(jí)控制系統(tǒng)為什么對(duì)主擾動(dòng)（二次擾動(dòng)）具有很強(qiáng)的抗擾能力？如果副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)與主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大小接近時(shí)，二次擾動(dòng)對(duì)主控制量是否仍很小，為什么？ 2、為什么本實(shí)驗(yàn)中的副調(diào)節(jié)器為比例（P）調(diào)

8、節(jié)器？ 3、改變副調(diào)節(jié)器的比例度，對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和抗擾性能有何影響，試從理論上給予說(shuō)明。 4、評(píng)述串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量高的原因？習(xí)題講解【例題5-2】某干燥器的流程如圖5-32所示。干燥器采用夾套加熱和真空抽吸并行的方式來(lái)干燥物料。夾套內(nèi)通入的是經(jīng)列管式加熱器加熱后的熱水，而加熱器采用的是飽和蒸汽。為了提高干燥速度，應(yīng)有較高的干燥溫度,但過(guò)高會(huì)使物料的物性發(fā)生變化，這是不允許的，因此要求對(duì)干燥溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。 如果蒸汽壓力波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試確定這時(shí)控制閥的氣開、氣關(guān)形式與控制器的正、反作用。 如果冷水流量波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？

9、為什么？試確定這時(shí)控制器的正、反作用和控制閥的氣開、氣關(guān)形式。 如果冷水流量與蒸汽壓力都經(jīng)常波動(dòng)，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試畫出這時(shí)的控制流程圖，確定控制器的正、反作用。三、任務(wù)導(dǎo)入液位定值控制系統(tǒng)實(shí)例【5-15】精餾塔溫度一流量串級(jí)控制系統(tǒng)。工藝要求塔內(nèi)溫度穩(wěn)定在T士1；一旦發(fā)生重大事故應(yīng)立即關(guān)閉蒸汽供應(yīng)。 畫出控制系統(tǒng)組成的框圖。 選擇控制閥的流量特性及確定氣開、氣關(guān)形式 選擇主、副控制器的控制規(guī)律及確定其正、反作用方式。 三、任務(wù)導(dǎo)入液位定值控制系統(tǒng)實(shí)例【5-20】對(duì)于圖5-40所示的加熱器串級(jí)控制系統(tǒng)。 畫出該控制系統(tǒng)的方塊圖，并說(shuō)明主變量、副變量分別是什么。主控制器、副控制器分別

10、是什么。若工藝要求加熱器溫度不能過(guò)高，否則易發(fā)生事故，試確定控制閥的氣開、氣關(guān)形式。 確定主、副控制器的正、反作用。 當(dāng)蒸汽壓力突然增加時(shí)，簡(jiǎn)述該控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。 當(dāng)冷物料流量突然加大時(shí)，簡(jiǎn)述該控制系統(tǒng)的控制過(guò)程。例題分析 【5-14】蒸汽加熱器，物料出口溫度需要控制且要求較嚴(yán)格，該系統(tǒng)中加熱蒸汽的波動(dòng)壓力較大。試設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)的控制原理圖及方塊圖。F2CF1CFTTT5.1 串級(jí)控制系統(tǒng)五、串級(jí)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定 控制器參數(shù)整定的實(shí)質(zhì)：通過(guò)改變控制器的PID參數(shù)，來(lái)改善系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，以獲得最佳的控制質(zhì)量。 從整體上看，串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，要求主被控變量有較

11、高的控制精度。但副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，只要求副被控變量能快速準(zhǔn)確地跟隨主控制器的輸出變化即可。 在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有一步整定法和兩步整定法等。5.1 串級(jí)控制系統(tǒng)五、串級(jí)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定 （1）兩步整定法 第一步整定副控制器參數(shù)，第二步整定主控制器參數(shù)。 主、副控制器都在純比例作用的條件下，主控制器的比例度置于100，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定，求取副控制器的比例度2s和操作周期T2s。 將副控制器的比例度置于2s上，把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主控制器的比例度1s和操作周期T1s。 根據(jù)求得的2s 、1s 、 T2s 、 T1s數(shù)值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計(jì)算主、副控制器的比例度、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td的數(shù)值。 按先副后主、先比例后積分最后微分的程序，設(shè)置主、副控制器的參數(shù)，再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。5.1 串級(jí)控制系統(tǒng)五、串級(jí)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定 （2）一步整定法