復(fù)雜過程控制系統(tǒng)

1、第四章第四章 復(fù)雜過程控制系統(tǒng)復(fù)雜過程控制系統(tǒng)第一節(jié)第一節(jié) 串級控制串級控制Cascade Control Systemn了解串級控制系統(tǒng)的概念與特點；了解串級控制系統(tǒng)的概念與特點；n掌握串級控制系統(tǒng)的方框圖表示法；掌握串級控制系統(tǒng)的方框圖表示法；n結(jié)合控制原理，掌握串級系統(tǒng)的分析方法；結(jié)合控制原理，掌握串級系統(tǒng)的分析方法；n了解串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則；了解串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則；n掌握串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法掌握串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法; ;n了解串級控制系統(tǒng)的抗積分飽和措施。了解串級控制系統(tǒng)的抗積分飽和措施。本節(jié)基本要求加熱爐溫度控制加熱爐溫度控制燃料油進料出料爐腔爐腔爐膛爐膛影響爐出

2、口溫度的因素影響爐出口溫度的因素（1 1）被加熱物料的流量和初溫變化）被加熱物料的流量和初溫變化 f f1 1(t)(t)（2 2）燃料熱值的變化、壓力波動、流量變化）燃料熱值的變化、壓力波動、流量變化f f2 2(t)(t)（3 3）煙囪抽力的變化）煙囪抽力的變化f f3 3(t)(t)f1(t)f2(t)f3(t)方案一方案一被控變量：爐出口溫度被控變量：爐出口溫度控制變量：燃料流量控制變量：燃料流量控控 制制 閥：氣開閥閥：氣開閥加熱爐溫度控制加熱爐溫度控制特點：對所有擾動可以克服特點：對所有擾動可以克服控制通道的時間常數(shù)和容量滯后大，克服擾動能力差控制通道的時間常數(shù)和容量滯后大，克服擾

3、動能力差T1C燃料油進料出料T1T方案二方案二被控變量：爐膛溫度被控變量：爐膛溫度控制變量：燃料流量控制變量：燃料流量控控 制制 閥：氣開閥閥：氣開閥特點：控制通道的時間常數(shù)較小，對擾動特點：控制通道的時間常數(shù)較小，對擾動f2(t)f2(t)，f3(t)f3(t)可以及時克服，對可以及時克服，對f1(t)f1(t)不能及時克服。不能及時克服。T2C燃料油進料出料T2T加熱爐溫度控制加熱爐溫度控制串級控制系統(tǒng)框圖串級控制系統(tǒng)框圖加熱爐溫度加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)原理圖原理圖T1CT2C燃料油進料出料T1TT2T串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)采用兩采用兩套檢測變送器和兩個套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)

4、器，前一個調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥。 加熱爐溫度加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)框圖框圖n燃料熱值的變化、壓力波動燃料熱值的變化、壓力波動 f2(t)f2(t)，煙囪抽，煙囪抽力的變化力的變化f3(t)-f3(t)-二次擾動或副回路擾動二次擾動或副回路擾動n被加熱物料的流量和初溫變化被加熱物料的流量和初溫變化 f1(t) f1(t) - -一次擾動或主回路擾動一次擾動或主回路擾動n一次擾動和二次擾動同時存在一次擾動和二次擾動同時存在加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)工作過程加熱爐溫度串

5、級控制系統(tǒng)工作過程主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副參數(shù)測量變送副對象主對象一次擾動二次擾動主參數(shù)副參數(shù)主參數(shù)測量變送y1,spy2,spy2ym2y1ym1串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)框圖框圖串級控制系統(tǒng)的特點與分析串級控制系統(tǒng)的特點與分析結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：兩個閉環(huán)，即主環(huán)與副環(huán)；兩個閉環(huán)，即主環(huán)與副環(huán)； 兩個對象串聯(lián)，即主對象與副對象；兩個對象串聯(lián)，即主對象與副對象； 兩個被控參數(shù)，即主被控參數(shù)與副被控參數(shù)；兩個被控參數(shù)，即主被控參數(shù)與副被控參數(shù)； 兩套測量變送裝置；兩套測量變送裝置； 兩個調(diào)節(jié)器，即主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器；兩個調(diào)節(jié)器，即主調(diào)節(jié)器與副調(diào)節(jié)器； 一套調(diào)節(jié)裝置；一套調(diào)節(jié)裝置； 主環(huán)為定值控制，

6、副環(huán)為隨動控制，即主調(diào)節(jié)器的主環(huán)為定值控制，副環(huán)為隨動控制，即主調(diào)節(jié)器的輸出輸出 為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。串級控制系統(tǒng)的特點與分析串級控制系統(tǒng)的特點與分析 控制效果：控制效果：1 1）改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。）改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。理論分析：由于副回路的存在，其等效過程可記為 ： sW02串級控制系統(tǒng)的特點與分析串級控制系統(tǒng)的特點與分析 控制效果：控制效果： sWsWsWsWsWsWsWsXsYsWmvcvc202202222021 2222020202)(,)(,)(,1mmVVCCKsWKsWKsWsTKsW設(shè)設(shè) 022022022

7、0220220202020211)1/(1TKKKKTKKKKKKKKTKsWmVCmVCVC則：110222KKKKmvc一般情況下：0202TT則可見，等效過程的時間常數(shù)大大縮小，改善了過程的動態(tài)特性；可見，等效過程的時間常數(shù)大大縮小，改善了過程的動態(tài)特性； 又由于串級控制系統(tǒng)的特征方程為：又由于串級控制系統(tǒng)的特征方程為： 0)(110121sWsWsWsWmCC 1111010101)(,)(,1mmCCKsWKsWsTKsW若若設(shè)設(shè):022002，式中則有：ss02011010212002010201012TTKKKKTTTTmC串級控制系統(tǒng)的特點與分析串級控制系統(tǒng)的特點與分析 控制效

8、果：控制效果：02010201220)(211TTTT串 對于同一過程的單回路控制系統(tǒng)，其特征方程為： 0)()(110102sWsWsWsWsWmVC:022002，式中即：ss0201101022002010201012TTKKKKKTTTTmVC02010201220)(211TTTT單02010201/1/1TTTT單串02010201/TTTT由于單串所以有要求相同，則即兩控制方案的穩(wěn)定性若設(shè),串一定進一步研究表明：當20201,/CKTT串一定，當02012/TTKC*由于串級系統(tǒng)工作頻率的提高，縮短了振蕩周期，提高了控制質(zhì)量。2）能迅速克服進入副回路的干擾，提高控制質(zhì)量。 sWs

9、WsWsWsWsFsYsWmvc20220222021 sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsXsYmvccvcc1010221010221111 sWsWsWsWsWsWsWsWsFsYmvcc10102210102211理論分析 VCCvccKKKsWsWsWsFsYsXsY21212111/控制性能與抗干擾能力的綜合指標為：對同樣過程的單回路控制，其綜合指標為： VCvcKKsWsWsFsYsXsY2111/cccKKK21在一般情況下有：* * * *由此可見，串級控制由副回路的存在，控制作用的總由此可見，串級控制由副回路的存在，控制作用的總放大系數(shù)提高了，因而抗干擾能力與控制

10、能力均比單回路放大系數(shù)提高了，因而抗干擾能力與控制能力均比單回路控制系統(tǒng)有了明顯提高?？刂葡到y(tǒng)有了明顯提高。(3)(3)對一次擾動有很強的抑制能力對一次擾動有很強的抑制能力 sWsWsWsWsWsFsYmc10102101111理論分析，串級控制對一次擾動 sWsWsFsYsXsYsQcc02111111/)(理論分析，單回路控制對一次擾動 sWsWsWsFsYsXsYsQcvD0211/)( sWsWsWsQsQmvDC022111)()(一般情況下： 1022sWsWsWmv故：串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)抗故：串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)抗一次擾動更強一些一次擾動更強一些22022022

11、0211mmVCVCKKKKKKKKK由于但在串級控制系統(tǒng)中，控制質(zhì)量。的變化無關(guān)，能夠保證與02,KKV以保證。變化大時，控制質(zhì)量難或當在單回路控制系統(tǒng)中，02KKV4 4）對負荷和操作條件的變化適應(yīng)性強）對負荷和操作條件的變化適應(yīng)性強小結(jié)小結(jié)：串級控制系統(tǒng)能大大提高控制質(zhì)量的原因有： (1)對進入副回路的干擾有很強的抑制能力 (2)改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率 (3)對一次擾動有很強的抑制能力 (4)對負荷或操作條件的變化有較強的適應(yīng)能力。串級控制系統(tǒng)的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的設(shè)計n一、主、副回路的設(shè)計 n副回路應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾； 必須使副回路包含被控過程中變化劇

12、烈、頻繁且幅度大的主要干擾，并力求包含更多的干擾，但也不能越多越好n應(yīng)使主副被控過程的時間常數(shù)適當匹配。 n二、主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇。 （1）主調(diào)節(jié)器起定值控制，所以一般選PI或PID；（2）副調(diào)節(jié)器起隨動控制，一般選P。n三、主副調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇； （1）先確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式； （2）確定副對象的正、反作用； （3）確定負調(diào)節(jié)器的正、反作用； （4）確定主對象的正、反作用； （5）確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用；4、串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定。、串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定。1、兩步整定法、兩步整定法（適用于 的系統(tǒng)）103/0201TT工況穩(wěn)定,主副回路均閉合, 衰減比求得14, 0,%

13、,100111：用DITT；和22T；和環(huán)節(jié)，同樣的方法求得）將副回路等效成一個11bT12I12c,DIDT TTT）分別計算；d）按先副后主,先比例后積分，再微分的次序投入運行，觀察修改到滿意。1）逐步逼近法； 2）兩步整定法； 3）一步整定法。串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。1）用于容量滯后較大的過程，如溫度或質(zhì)量指標為被控參數(shù)的過程T1CT2C燃料油進料出料T1TT2T設(shè)計過程1 1）主被控參數(shù)選擇：）主被控參數(shù)選擇：2 2）副被控參數(shù)選擇：）副被控參數(shù)選擇：3 3）控制參數(shù)：）控制參數(shù)：4 4）測量元件與變送器）測量元件與變送器: :5 5）調(diào)節(jié)閥選型：）調(diào)節(jié)閥選型：6 6）主調(diào)節(jié)器控制規(guī)律）主調(diào)節(jié)器控制規(guī)律: :PID PID ; ;副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律: :P P; ;爐出口溫度爐出口溫度T1爐膛溫度爐膛溫度T2熱電阻溫度計熱電阻溫度計,配用溫度變送器配用溫度變送器 氣開式氣開式 （安全性原則：沒有控制信號時，閥應(yīng)全關(guān)）（安全性原則：沒有控制信號時，閥應(yīng)全關(guān)）燃料油流量燃料油流量Q7）副調(diào)節(jié)器的正反作用的確定）副調(diào)節(jié)器的正反作