串级控制系统-课件.ppt

1、串级控制系统串级控制系统于玲浙江大学控制系2015/03/24主要内容主要内容n串级控制系统的概念n串级控制的特性分析n串级控制系统的设计原则n串级控制器的参数整定n串级控制系统的防积分饱和措施反应釜温度单回路控制系统反应釜温度单回路控制系统MV：冷却剂流量QcCV：反应温度DVs：冷却剂温度以及工艺介质流量控制规律？参数整定？正作用？反作用？反应釜温度单回路控制响应曲线反应釜温度单回路控制响应曲线系统控制与扰动的分析系统控制与扰动的分析n干扰变量的影响：冷剂入口温度变化 夹套内冷剂温度变化 槽壁温度变化 反应槽温度变化n控制变量的影响：冷剂控制阀开度变化 冷剂流量变化 夹套内冷剂温度变化 槽

2、壁温度变化 反应槽温度变化夹套冷剂温度比反应槽温度能更快地感受到冷剂温度变化的影响。可设计夹套内温度单回路控制系统，以克服冷剂温度扰动。解决方法解决方法1对其它干扰，如工艺介质流量干扰无能为力！对其它干扰，如工艺介质流量干扰无能为力！解决方法解决方法2设计夹套内温度单回路控制系统，以尽快地克服冷剂方面的扰动。但TC22的设定值应根据反应槽温度的控制要求作相应的变化（这一要求可用温度控制器TC21来自动实现）。“串级控制串级控制”反应器温度的串级控制响应反应器温度的串级控制响应反应器温度的串级控制方案反应器温度的串级控制方案特点：特点：两个控制器串在一起工作。控制器TC22通过控制冷却剂量以克服

3、冷剂方面的扰动；控制器TC21通过控制夹套内温度的设定值以保证反应温度维持在工艺希望的给定值。试画出上述串级控制系统的方块图?反应器温度串级控制方框图反应器温度串级控制方框图讨论:主副控制器的“正反作用”选择。串级控制系统常用术语串级控制系统常用术语以传递函数形式表示的以传递函数形式表示的串级控制系统方块图串级控制系统方块图注：D1 反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，D2 反映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。试指出主副回路所对应的“广义对象”？串级系统副环的等效性串级系统副环的等效性Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcG

4、GGGGGG+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp串级控制系统的特点串级控制系统的特点1n副回路通常具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响为什么?串级控制系统的特点串级控制系统的特点1n副回路具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；2222211)()(mpvcGGGGsDsD+由于假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有1222mpvcGGGG22DD 反应器温度的串级控制响应反应器温度的串级控制响应串级控制系统的特点串级控制系统的特点2n能自动地克服副对象增益或控制阀特性的非线性对控制性能的影响 为什么?22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGG

5、G+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp串级控制系统的特点串级控制系统的特点2n能自动地克服副对象增益或控制阀特性的非线性对控制性能的影响。对于内环等效对象的稳态增益：1222mpvcKKKK221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK+串级控制系统的设计原则串级控制系统的设计原则n单回路控制不能满足性能要求；n有反映系统主要干扰的可测副参数；n控制阀与副参数之间具有因果关系；n副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；n尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。串级控制副参数选择练习串级控制副参数选择练习假设反应器的主要干扰为加热蒸

6、汽的温度变化串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析分析问题分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级控制副参数选择举例串级控制副参数选择举例讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰?方案#1方案#2串级系统控制器选型串级系统控制器选型n副控制器常选择PI控制律原因：原因：需要对内回路干扰具有快速调节能力（强比例作用+弱积分作用，为什么？）n主控制器通常选用PID控制律（液位串级控制除外）通常主对象的响应速度缓慢，并带有较显著的纯滞后，主控制器经常引入微分作用。常见的串级回路：温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、液位-流量、温度-温度等。串级串级PID

7、参数的整定方法参数的整定方法#1n设置主控制器至“手动”方式，参照单回路整定方式整定副控制器PID参数。具体步骤讨论？串级串级PID参数的整定方法参数的整定方法#2n将副控制器切换至“自动”，并以阶跃方式手动改变主控制器的输出（即副控制器的设定值），记录主回路“广义对象”的输出输出数据；并获取主对象对应的动态特性参数。串级串级PID参数的整定方法参数的整定方法#3n参照单回路动态响应方法整定主控制器PID参数，并将主控制器切换至“自动”。结合主控制器给定值阶跃响应，适当调整主控制器增益，直至满意。串级串级PID系统的积分饱和问题系统的积分饱和问题问题问题：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法

8、时，在限位参数不一致的情形下，同样存在发生“积分饱和”的可能性。Why?How?串级控制系统的防积分饱和串级控制系统的防积分饱和串级控制系统的投运串级控制系统的投运n将主、副控制器的切换开关都置于手动；n用副手操器操纵调节阀使生产处于要求的工况；n修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动；n修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将主控制器切换到自动。多层串级控制系统举例多层串级控制系统举例换热器出口温度串级控制方案换热器出口温度串级控制方案方案#1方案#2方案#3小小 结结n串级控制的引入与基本概念n串级控制系统的特性分析 n串级控制的设计原理与副参数的选择n串级控制器的实现与参

9、数整定步骤n串级控制中的积分饱和现象及其防止问题讨论问题讨论n串级控制在过程工业中获得广泛应用，原因何在？n何时我们可采用串级控制方案?n串级控制参数如何整定？n串级控制中也存在积分饱和现象，原因分析，并提出防止措施。n串级控制与单回路控制、前馈反馈控制有何异同?下一讲预习：前馈与比值控制作业本上的作业作业本上的作业教材（第三版）5-2,5-4两道题仿真练习仿真练习对于左图所示的加热炉对象，其线性与非线性动态模型可用下图来描述发送邮箱：命名格式：学号_姓名_于老师班第3次仿真截止时间：下周三4月15日9:30仿真练习仿真练习 模型参数模型参数n初始条件Kgas=0.4，u0=60%，Pgas0=0.25 MPa，Fgas0=12 T/hr，T0=300，Ti0=120 n测量仪表量程燃料气流量：0 40 T/hr，工艺介质炉出口温度：200 400 n动态参数Tf1=2 min，K1=5，T1=10 min，1=5 min，K2=1，T2=1 min，Tm1=2 min，Tm2=0.2 min 仿真练习仿真练习分别比较以下三种情况下，单回路和串级控制的效果1、工艺介质出口温度设定值由300 变为310 2、工艺介质入口温度由120 变为115 3、燃料气气源压力由0.25 MPa变为0.36 MPa