串級(jí)控制系統(tǒng)綜述

1、串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)Cascade Control System單回路單回路PID控制系統(tǒng)小結(jié)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).課堂提問(wèn)課堂提問(wèn)n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？n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？n什么是積分飽和？反饋控制如何防積分飽和？主要內(nèi)容主要內(nèi)容n了解串級(jí)控制系統(tǒng)

2、的概念與特點(diǎn)；n掌握串級(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)整定方法與仿真實(shí)現(xiàn);n了解串級(jí)控制系統(tǒng)的防積分飽和措施。第一節(jié) 串級(jí)控制系統(tǒng) 一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述一、串級(jí)控制系統(tǒng)概述 目的：目的：可延長(zhǎng)爐子壽命可延長(zhǎng)爐子壽命，防止?fàn)t管燒壞防止?fàn)t管燒壞；可保證后面精可保證后面精餾餾分分離的質(zhì)量。離的質(zhì)量。 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)1.1.串級(jí)控制系統(tǒng)的組成串級(jí)控制系統(tǒng)的組成串級(jí)控制系統(tǒng)定義串級(jí)控制系統(tǒng)定義:由兩個(gè)測(cè)量變送器、兩個(gè)控制器其中一個(gè)由兩個(gè)測(cè)量變送器、兩個(gè)控制器其中一個(gè)控制器的輸出是另一個(gè)控制器的給定、一個(gè)控制

3、閥組成的控制器的輸出是另一個(gè)控制器的給定、一個(gè)控制閥組成的2.2.串級(jí)控制系統(tǒng)中常用的名詞串級(jí)控制系統(tǒng)中常用的名詞 主被控變量（主被控變量（Yl)Yl)：是工藝控制指標(biāo)或與工藝控制指標(biāo)有直接：是工藝控制指標(biāo)或與工藝控制指標(biāo)有直接關(guān)系，在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。關(guān)系，在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。 副被控變量（副被控變量（Y2Y2）：大多為影響主被控變量的重要參數(shù)。：大多為影響主被控變量的重要參數(shù)。 主控制器主控制器：在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，按主被控變量和其設(shè)定值之：在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，按主被控變量和其設(shè)定值之差進(jìn)行控制運(yùn)算，并將其輸出作為副控制器給定值。差進(jìn)行控制運(yùn)算，并將其輸

4、出作為副控制器給定值。 副控制器副控制器：在系統(tǒng)中起輔助作用，按所測(cè)得的副被控變量和主：在系統(tǒng)中起輔助作用，按所測(cè)得的副被控變量和主控輸出之差來(lái)進(jìn)行控制運(yùn)算，其輸出直接作用于控制閥的控制器，控輸出之差來(lái)進(jìn)行控制運(yùn)算，其輸出直接作用于控制閥的控制器，簡(jiǎn)稱為簡(jiǎn)稱為“副控副控”。主變送器主變送器：測(cè)量并轉(zhuǎn)換主被控變量的變送器。：測(cè)量并轉(zhuǎn)換主被控變量的變送器。副變送器副變送器：測(cè)量并轉(zhuǎn)換副被控變量的變送器。：測(cè)量并轉(zhuǎn)換副被控變量的變送器。主對(duì)象主對(duì)象：大多為工業(yè)過(guò)程中所要控制的、由主被控：大多為工業(yè)過(guò)程中所要控制的、由主被控 變量表變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程。征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程。副對(duì)

5、象副對(duì)象：大多為工業(yè)過(guò)程中影響主被控變量的、由副被控變：大多為工業(yè)過(guò)程中影響主被控變量的、由副被控變量表征其特性的輔助生產(chǎn)設(shè)備或輔助過(guò)程。量表征其特性的輔助生產(chǎn)設(shè)備或輔助過(guò)程。副回路副回路: :由副變送器、副控制器、控制閥和副對(duì)象所構(gòu)成的由副變送器、副控制器、控制閥和副對(duì)象所構(gòu)成的閉環(huán)回路閉環(huán)回路 , , 又稱為又稱為“ “ 副環(huán)副環(huán)” ” 或或“內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)”。主回路主回路：由主變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)、主對(duì)象：由主變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)、主對(duì)象所構(gòu)成的閉環(huán)回路，又稱為所構(gòu)成的閉環(huán)回路，又稱為“主環(huán)主環(huán)”或或“外環(huán)外環(huán)”。 副回路副回路3.3.串級(jí)控制系統(tǒng)的典型的方框圖串級(jí)控制

6、系統(tǒng)的典型的方框圖 4. 4. 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1) 1) 對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾具有較強(qiáng)的抗干擾能力。對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾具有較強(qiáng)的抗干擾能力。2) 2) 改善了對(duì)象特性，使控制過(guò)程加快，提高了控制質(zhì)量。改善了對(duì)象特性，使控制過(guò)程加快，提高了控制質(zhì)量。 3)3)串級(jí)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力串級(jí)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力反應(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反應(yīng)釜溫度單回路控制響應(yīng)曲線反應(yīng)釜溫度單回路控制響應(yīng)

7、曲線單回路控制系統(tǒng)分析單回路控制系統(tǒng)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）冷卻水量出料進(jìn)料冷卻劑TC出料進(jìn)料冷卻劑TC系統(tǒng)控制與擾動(dòng)的分析系統(tǒng)控制與擾動(dòng)的分析n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n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)槽溫度變化解決方法解決方法夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到來(lái)自干擾（冷卻水入口溫度）以及來(lái)自控

8、制的影響。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TC2TC1T2T1反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖出料進(jìn)料冷卻劑TC2TC1T2T1討論: 主副控制器的“正

9、反作用”選擇。串級(jí)控制系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)串級(jí)控制系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)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,spy2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2GvGp2D2D1Gp1副回路主回路串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的等效性串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的等效性Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGGG+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）n副回路（有時(shí)稱

10、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+由于假設(shè)副回路的動(dòng)態(tài)滯后較小，對(duì)于低頻干擾，有1222mpvcGGGG22DD 反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（2）n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（系統(tǒng)的“魯棒性魯棒性”增強(qiáng)） 。對(duì)于內(nèi)環(huán)等效對(duì)象的穩(wěn)態(tài)增益：1222mpvcKKKK221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK+串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）n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

11、增益可顯著加大。22222, 2221)()()(mpvcpvcsppGGGGGGGsysysG+副回路等效對(duì)象為：;1222+sTKGppp若：2222;ccvvmmGKGKGK串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）22222222222222222222222222221()111111pcvpppcvmpcvpppcvpmpcvppcvpmpppcvpmKKKTsGsKKKKTsKKKKTsKKKKTsKKKKKKKKTTTKKKK+結(jié)論結(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）反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則串

12、級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則n單回路控制不能滿足性能要求；n有反映系統(tǒng)主要干擾的可測(cè)副參數(shù)；n調(diào)節(jié)閥與副參數(shù)之間具有因果關(guān)系；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。串級(jí)控制副參數(shù)選擇練習(xí)串級(jí)控制副參數(shù)選擇練習(xí)假設(shè)反應(yīng)器的主要干擾為加熱蒸汽的溫度變化串級(jí)系統(tǒng)副參數(shù)的選擇分析串級(jí)系統(tǒng)副參數(shù)的選擇分析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串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）串級(jí)

13、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)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

14、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（如動(dòng)態(tài)響應(yīng)法），確定主回路的PID參數(shù)。串級(jí)串級(jí)PID系統(tǒng)的積分飽和問(wèn)題系統(tǒng)的積分飽和問(wèn)題情況情況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？串級(jí)控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的連接法串級(jí)控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的連接法y1sp(t)uKCe(t)11+sTAsTDDD11+sTI串級(jí)系統(tǒng)主控制器防積分飽和連接方法ym2(t)ym1(t)串級(jí)控制系統(tǒng)的防積分飽和串級(jí)控制系統(tǒng)的防積分飽和串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)n將主、副控制器的切換開(kāi)關(guān)都置于手動(dòng)；n用副手操器操縱調(diào)節(jié)閥使生產(chǎn)處