串級控制系統(tǒng)課件

基本要求了解串級控制系統(tǒng)的概念與特點；掌握串級控制系統(tǒng)的方框圖表示法；結(jié)合控制原理，掌握串級系統(tǒng)的分析方法；了解串級控制系統(tǒng)的設計原則；掌握串級控制系統(tǒng)的投用方法（包括抗積分飽和、參數(shù)整定等）?；疽罅私獯壙刂葡到y(tǒng)的概念與特點；1串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)概念定義:串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,用兩臺調(diào)節(jié)器串接起來,主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值,由副調(diào)節(jié)器去操縱閥門的調(diào)節(jié)系統(tǒng).串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)概念定義:串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,用兩臺2串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方塊圖副控制器執(zhí)行器副對象主對象主控制器副變送器主變送器給定+主變量擾動f擾動f+21S203串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方塊圖副控制器執(zhí)行器副對象主對象主控制器副變送3串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作過程1.干擾作用于副回路副參數(shù)塔底流量波動使系統(tǒng)狀況發(fā)生變化時,它會迅速反映出這種情況,副調(diào)節(jié)器便立即進行調(diào)節(jié).對于幅度小的干擾,經(jīng)過副回路的及時調(diào)節(jié),一般影響不到液面的變化.當干擾很大時在副回路快速調(diào)節(jié)下干擾幅值大大減少,盡管還將影響到主參數(shù)----塔底液面,當主調(diào)節(jié)器投入調(diào)節(jié)過程后,很快可以克服干擾.2.干擾作用于副回路假如塔底流量正常,進料流量發(fā)生變化,至使塔底液面偏離給定值,此時主調(diào)節(jié)器立即工作,輸出相應變化,通過改變副調(diào)節(jié)器的給定值與塔底流量的偏差發(fā)出相應的輸出信號,改變調(diào)節(jié)閥的開度從而使塔底液面盡快回到給定值上.串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作過程1.干擾作用于副回路4串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點1.串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)副回路的存在,明顯改善了對象特性提高了系統(tǒng)抗干擾的能力2兩個調(diào)節(jié)器串在一起調(diào)節(jié),提高了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度3串級系統(tǒng)具有一定的自適應能力?？傊?串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)從主環(huán)上看,是一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng),從副環(huán)看,它是主環(huán)內(nèi)的一個負反饋系統(tǒng).兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起,無論干擾由什么地方進入系統(tǒng),都具有良好的可控性.干擾未使主調(diào)節(jié)發(fā)生調(diào)節(jié)作用前,就被副調(diào)以”先調(diào)”.”快調(diào).粗調(diào)所克服.剩余的干擾作用,再由主調(diào).慢調(diào).細調(diào)來克服.在串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中,由于引入了一個副回路,即能急早克服進入副回路的干擾對主參數(shù)的影響,又能保證被調(diào)參數(shù)(主參數(shù))在其它干擾作用下及時加以調(diào)節(jié),因此能大大提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量,以滿足生產(chǎn)的要求.串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點1.串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)副回路的存在,明顯改善了對5反應器溫度的串級控制方案特點：兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器TC2通過調(diào)節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調(diào)節(jié)器TC1通過調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設定值以保證反應溫度維持在工藝所希望的某一給定值。反應器溫度的串級控制方案特點：兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器6反應器溫度串級控制框圖TC1稱為“主調(diào)節(jié)器”，TC2稱為“副調(diào)節(jié)器”。反應器溫度串級控制框圖TC1稱為“主調(diào)節(jié)器”，TC2稱為“副7DCS串級控制組態(tài)方框圖T1036(AI)TIC1036(REGCTL)PULL“AUTO”FIC1013(REGTCL)F1013(AI)FO1013(AO)“CAS”PULLPUSHpvspspopPvDCS串級控制組態(tài)方框圖T1036TIC1036PULL“8串級控制系統(tǒng)方塊圖注：D1、D2綜合反映了一次擾動、二次擾動對控制系統(tǒng)副參數(shù)與主參數(shù)的動態(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等效的控制閥）。串級控制系統(tǒng)方塊圖注：D1、D2綜合反映了一次擾動、二次擾9串級系統(tǒng)副環(huán)的等效性串級系統(tǒng)副環(huán)的等效性10串級控制系統(tǒng)的特點（1）副回路（有時稱內(nèi)環(huán)）具有快速調(diào)節(jié)作用，它能有效地克服二次擾動的影響；由于而對于動態(tài)滯后較小的副回路，有串級控制系統(tǒng)的特點（1）副回路（有時稱內(nèi)環(huán)）具有快速調(diào)節(jié)作用11串級控制系統(tǒng)的特點（2）改善了對象的動態(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。內(nèi)環(huán)等效對象為串級控制系統(tǒng)的特點（2）改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工12串級控制系統(tǒng)的特點（2）若則結(jié)論：由于副回路的存在，使主控制通道的動態(tài)特性得到改善（時間常數(shù)顯著減少）串級控制系統(tǒng)的特點（2）若則結(jié)論：由于副回路的存在，使主控制13串級控制系統(tǒng)的特點（3）對負荷或操作條件的變化具有一定的自適應能力，并能自動地克服副對象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線性對控制性能的影響。對于內(nèi)環(huán)等效對象的增益當結(jié)論：當副回路增益足夠大時，使主回路的特性基本上和副對象、調(diào)節(jié)閥的增益無關（系統(tǒng)的“魯棒性”強）。串級控制系統(tǒng)的特點（3）對負荷或操作條件的變化具有一定的自適14串級系統(tǒng)分析舉例串級系統(tǒng)分析舉例15串級系統(tǒng)分析舉例（續(xù)）原單回路系統(tǒng)串級回路的等效系統(tǒng)串級系統(tǒng)分析舉例（續(xù)）原單回路系統(tǒng)串級回路的等效系統(tǒng)16副回路對主對象開環(huán)特性

的影響舉例引入副回路后的等效主對象原始的主對象副回路對主對象開環(huán)特性

的影響舉例引入副回路后的等效主對象原17副回路的引入

對主參數(shù)開環(huán)特性的影響副回路的引入

對主參數(shù)開環(huán)特性的影響18串級系統(tǒng)的設計原則副參數(shù)的選擇應使副對象的時間常數(shù)比主對象的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應靈敏；副回路應包含被控對象所受到的主要干擾；盡可能將帶有非線性或時變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。常用的串級控制系統(tǒng)：溫度+流量、溫度+壓力、液位+流量、溫度+溫度等。串級系統(tǒng)的設計原則副參數(shù)的選擇應使副對象的時間常數(shù)比主對象的19串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇舉例分析問題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾動范圍之間的矛盾。串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇舉例分析問題：副回路的快速性與副回路所能20串級方案設計舉例串級方案設計舉例21串級方案設計舉例（續(xù)）討論：副回路所能包括的擾動越多，副對象與主對象的動態(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）。串級方案設計舉例（續(xù)）討論：副回路所能包括的擾動越多，副對象22串級系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型副調(diào)節(jié)器常選擇PI控制律

原因：副回路為隨動系統(tǒng)，其設定值變化頻繁，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，為加大副回路的調(diào)節(jié)能力，理想上不用加積分作用。但實際運行中，串級系統(tǒng)有時會斷開主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求弱些以保證副回路較強的抗干擾能力。串級系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型副調(diào)節(jié)器常選擇PI控制律23串級系統(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：主回路的任務是滿足主參數(shù)的定值控制要求。因而對于主參數(shù)為溫度的串級系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器必須加入較強的積分作用（除主參數(shù)為液位的串級均勻控制系統(tǒng)以外）。當主對象的調(diào)節(jié)滯后較大，而主參數(shù)變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。串級系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID控制律24串級系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法Step1:先斷開主回路，按單回路方式整定副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)。Step2:在主調(diào)節(jié)器為“手動”、副回路閉環(huán)的情況下，測試得到主回路廣義對象的動態(tài)特性與相應特征參數(shù)。Step3:采用單回路調(diào)節(jié)參數(shù)的工程整定法（如Z-N準則），確定主回路的PID參數(shù)。串級系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法Step1:先斷開主回路，按25單回路與串級系統(tǒng)的性能比較單回路PID控制系統(tǒng)(參見仿真程序…/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)單回路與串級系統(tǒng)的性能比較單回路PID控制系統(tǒng)26單回路與串級系統(tǒng)的性能比較串級PID控制系統(tǒng)(參見仿真程序…/CascadePID/CascadePid.mdl)討論：若主對象與副對象的動態(tài)特性互換，結(jié)果如何？單回路與串級系統(tǒng)的性能比較串級PID控制系統(tǒng)27單回路系統(tǒng)的“積分飽和”問題問題：當存在大的外部擾動時，很有可能出現(xiàn)控制閥調(diào)節(jié)能力不夠的情況，即使控制閥全開或全關，仍不能消除被控輸出y(t)與設定值ysp(t)之間的誤差。此時，由于積分作用的存在，使調(diào)節(jié)器輸出u(t)無限制地增大或減少，直至達到極限值。而當擾動恢復正常時，由于u(t)在可調(diào)范圍以外，不能馬上起調(diào)節(jié)作用；等待一定時間后，系統(tǒng)才能恢復正常。單回路系統(tǒng)的“積分飽和”問題問題：當存在大的外部擾動時，很有28單回路系統(tǒng)的積分飽和現(xiàn)象舉例單回路PID控制系統(tǒng)（無抗積分飽和措施）(參見模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)單回路系統(tǒng)的積分飽和現(xiàn)象舉例單回路PID控制系統(tǒng)（無抗積分飽29單回路系統(tǒng)的防積分飽和討論：正常情況為標準的PI控制算法；而當出現(xiàn)超限時，自動切除積分作用。單回路系統(tǒng)的防積分飽和討論：正常情況為標準的PI控制算法；而30單回路系統(tǒng)的抗積分飽和舉例單回路PID控制系統(tǒng)（采取抗積分飽和措施）(參見模型…/CascadePID/SinglePidwithNoInteSatur.mdl)單回路系統(tǒng)的抗積分飽和舉例單回路PID控制系統(tǒng)（采取抗積分飽31串級PID系統(tǒng)的積分飽和問題情況1：流量副回路出現(xiàn)“積分飽和”，可采用單回路抗積分飽和方法；情況2：當主副控制器均采用單回路抗積分飽和方法時，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。串級PID系統(tǒng)的積分飽和問題情況1：流量副回路出現(xiàn)“積分飽和32單回路防積分飽和方法

在串級控制系統(tǒng)中的局限性串級PID控制系統(tǒng)（只采取單回路抗積分飽和措施）(參見模型…/CascadePID/CasPidwithSingAntiSature.mdl)單回路防積分飽和方法

在串級控制系統(tǒng)中的局限性串級PID控制33帶有防積分飽和功能的

工業(yè)PID控制器帶有防積分飽和功能的

工業(yè)PID控制器34單回路工業(yè)PID控制器連接法單回路工業(yè)PID控制器連接法35串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器

防積分飽和連接法串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器

防積分飽和連接法36串級控制系統(tǒng)的防積分飽和串級控制系統(tǒng)的防積分飽和37串級系統(tǒng)的防積分飽和方法舉例串級PID控制系統(tǒng)（采取抗積分飽和措施）(參見模型…/CascadePID/CasPidwithCasAnti