复杂过程控制系统.ppt
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1、第 五 章复杂过程控制系统,5.1 串级控制,一、串级控制系统的结构和工作过程,1、串级控制系统的结构,串级控制系统(Cascade Control Ststem)是一种常用的复杂控制系统,它根据系统结构命名。,由两个或两个以上的控制器串联连接组成,一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值,这类控制系统称为串级控制系统。,影响炉出口温度的因素很多,主要有:,f1(t):被加热物料的流量和初温;,f2(t):燃料热值的变化、压力的波动,流量的变化;,f3(t):烟囱挡板位置的改变、抽力的变化。,方案1:,优点:所有对温度的干扰都包含在控制回路之中,理论上都可以由温度调节器予以调节,缺点:控制通道
2、的时间常数和容量滞后较大,控制作用不及时,系统克服扰动的能力较差。,选取炉的出口温度为被控对象,选取燃料量为控制参数,构成如图所示的单回路控制系统。,方案2:,选取炉膛的出口温度为被控对象,选取燃料量为控制参数,构成如图所示的单回路控制系统。,优点:能及时而有效地克服来自f2(t)、f3(t)的干扰。,缺点:炉膛的出口温度控制只起辅助作用;放弃炉出口温度控制将无法克服来自f1(t)变化等方面的干扰。,方案3:,选取炉出口温度为主被控参数(简称主参数),选取炉膛温度为副被控参数(简称副参数),把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值,构成了炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统,扰动f2(
3、t)、f3(t)对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器(简称副调节器)构成的控制回路(称为副回路)来克服,扰动f1(t)对炉出口温度的影响由出口温度调节器(称为主调节器)构成的控制回路(称为主回路)来消除,主被控参数Y1、副被控参数Y2、主被控过程(主对象)Gp1(s)、副被控过程(副对象)Gp2(s)、一次扰动F1、二次扰动F2,串级控制系统的基本术语:,反应釜温度的单回路控制,反应釜简单控制系统框图,反应釜温度与夹套温度的串级控制,当处于稳定工况时,被加热物料的流量和温度不变,燃料的流量与热值不变,烟囱抽力也不变,炉出口稳定和炉膛温度均处于相对平衡状态,调节阀保持一定的开度,此时炉出口温度稳
4、定在给定值上,2、串级控制系统的工作过程,当扰动破坏了平衡工况时,串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同的扰动,分三种情况讨论:,燃料压力、热值变化f2(t)和烟囱抽力变化f3(t)(二次扰动或副回路扰动),f2(t)和f3(t)先影响炉膛温度,于是副调节器立即发出校正信号,控制调节阀的开度,改变燃料量,克服上述扰动对炉膛温度的影响。如果扰动量不大,经过副回路的及时控制,一般不影响炉出口温度;,如果扰动的幅值较大,虽然经过副回路的及时校正,仍影响炉出口温度,使主控制器输出,即副控制器的设定变化,副控制器的设定和测量的同时变化,进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程,使炉出口温度回复到给定值。
5、,被加热物料的流量和初温变化f1(t)(一次扰动或主回路扰动),扰动f1(t)使炉出口温度变化时,主回路产生校正作用,克服对炉出口温度的影响。,由于副回路的存在加快了校正作用,使扰动对炉出口温度的影响比单回路系统时小。,一次扰动和二次扰动同时存在,如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减小,主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的,即大幅度关小或开度阀门,加强控制作用,使炉出口温度很快调回到给定值上。,如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大(炉出口温度升高),另一个减小(即炉膛温度降低),此时主、副调节器控制调节器的方向是相反的,调节阀的开度只要作较小的变化即满足控制要求。
6、,串级控制系统,就其主回路来看是一个定值控制系统,而副回路则为一个随动系统。,1、改善了被控过程的动态特性,二、串级控制系统的特点与分析,以加热炉串级控制系统为例,在控制过程中,副回路对炉出口温度起着的“粗调”作用,而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。,等效被控过程的放大系数,等效被控过程的时间常数,在串级控制系统中,由于副回路的存在,改善了原有一部分对象的特性,使等效副对象的时间常数减小了。时间常数的减小,意味着控制通道的缩短,从而使控制作用更加及时,响应速度更快,控制质量必然得到提高。,等效副对象的放大系数减小了,这种减小不仅不会影响控制质量,反而此时串级控制系统中主控制器放大系数K
7、c1可以整定得比单回路系统中更大一些,对提高系统抗干扰能力更加有利。,如果匹配得当,副回路可近似为1:1的环节,2、提高了系统的工作频率,串级系统的特征方程为:,设:,写成标准形式:,从控制理论可知,当01时,系统出现振荡,振荡频率即为系统的工作频率,即:,同理,可求得单回路控制系统的工作频率为:,如果通过调节器的参数整定,使串级控制系统与单回路控制系统具有相同的衰减率,即=,则:,以上结论虽然是依据简单的被控过程(一阶惯性环节)和简单的调节规律(比例控制)推导得出的,可以证明,这些结论对高阶被控过程和其他调节规律也是正确的。,3、能迅速克服进入副回路扰动的影响,定性分析:,当扰动进入副回路后
8、,首先,副被控变量检测到扰动的影响,并通过副回路的定值控制作用,及时调节控制变量,使副被控变量回复到副设定值,从而使扰动对主被控变量的影响减小。即副回路对扰动进行粗调,主回路对扰动进行细调。因此,串级控制系统能迅速克服进入副回路扰动的影响。,定量分析:,因此可以说,串级控制系统的结构使二次扰动对主参数这一通道的动态增益明显减小。当二次扰动出现时,很快就被副调节器所克服。与单回路控制系统相比,被调量受二次干扰的影响往往可以减小10100倍。,串级控制系统对进入主环的扰动也有克服能力。扰动从主环进入时,因串级控制系统的工作频率提高,被调量受影响比单回路往往可以减小25倍。,4、对负荷和操作条件的变
9、化具有一定的自适应能力,定性分析:,由于副回路是一个随动控制系统,它的设定值随主控制器的输出而变化。这样主控制器就可以按照操作条件和负荷的变化情况,相应地调整副控制器的设定值,从而保证在操作条件和负荷发生变化的情况下,控制系统仍然具有良好的控制质量。,定量分析:,例:设串级控制系统的方框图如图,其中主、副对象的传递函数分别为:,主、副调节器的传递函数分别为:,5、举例说明,y1(t),串级控制系统和单回路控制系统在二次单位阶跃扰动下的响应曲线蓝线:串级绿线:单回路,y1(t),串级控制系统和单回路控制系统在一次单位阶跃扰动下的响应曲线蓝线:串级绿线:单回路,串级控制的效果,1、主变量的选择,串
10、级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主变量的选择和主回路的设计,可以按照单回路控制系统的设计原则进行。,三、串级控制系统的设计,串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计及主、副回路关系的考虑。,2、副变量的选择,副变量的选择应使副回路的时间常数小,调节通道短,反映灵敏,副回路应包含被控对象所受到的主要扰动并包含尽可能多的扰动,应使主、副过程的时间常数适当匹配,(1)、当To1/To210时,则To2很小,副回路包括的干扰很少,作用未发挥。,(2)、当To1/Tp23时,说明To2过大,副回路的控制作用不及时。,(3)、当To1/To21时,主、副回路易出现“共振效应”。这时主、
11、副回路的动态联系十分紧密,当一个参数发生振荡时,会使另一个参数也发生振荡,使系统稳定性变差。,应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性,(4)、通常取To1=(310)To2。,究竟To2取多大为好,应按具体情况确定。若欲快速克服主干扰,则小一点为好;若欲克服对象的大滞后,可取大点;若欲克服对象的非线性,则To1/To2宜取大一些。,只有满足工艺要求,才具有实用性。先考虑工艺要求,再考虑其他要求。,3、主、副控制器的选择,控制规律的选择,在串级控制系统中,主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用,副调节器起随动控制作用,这是选择控制规律的出发点。,主参数是工艺操作的主要指标,允许波动
12、的范围比较小,一般要求无余差。因此,主调节器应选PI或PID控制规律。,副参数的设置是为了保证主参数的控制质量,可以在一定范围内变化,允许有余差,因此副调节器只要选P控制规律。,引入积分控制规律,会延长控制过程,减弱副回路的快速作用,引入微分作用,因副回路本身起着快速作用,再引入微分作用会使调节阀动作过大,对控制不利。,例:分析串级控制系统的余差,设主、副广义对象均为一阶惯性环节:,分析当主、副控制器采用不同的控制规律时系统的余差。,扰动进入副环:,当主、副控制器都为P控制规律时,系统余差为:,当主、副控制中有一个具有积分作用时,系统余差为0。,扰动进入主环:,只有当主控制器为PI时,系统余差
13、才为0。,该例说明,只有当主控制器为PI时,才能保证系统在一、二次扰动下均无余差。,调节器正、反作用方式的确定,要使一个过程控制系统能正常工作,系统必须为负反馈。对于串级控制系统来说,主、副调节器中正、反作用方式的选择原则是使整个控制系统构成负反馈系统。,具体步骤为:,确定调节阀的气开气关形式,确定副对象的特性,确定副控制器正反作用形式,确定主对象特性,确定主控制器正反作用形式,例:炉出口温度与炉膛温度串级控制系统,检验,1、串级控制系统的参数整定,逐步逼近法:,四、串级控制系统调节器参数的整定和投运,先断开主回路,整定副控制器参数;,然后闭合主回路,整定主控制器参数;,最后,再整定副控制器参
14、数、主控制器参数,直到控制品质满足要求。,由于每次整定都向最佳参数逼近,因此称为逐步逼近法。,两步法:,主控制器手动情况下,先整定副控制器参数;,整定好后,主控制器切自动,整定主控制参数。,一步法:,副控制器比例度的经验数据,逐步逼近法用于对主、副被控变量都有较高控制指标的场合,两步法和一步法用于对副被控变量的控制要求不高的场合。,根据副被控对象的特性,按下表设置副控制器参数;,然后整定主控制器参数。,参数整定时应该防止共振现象,一旦出现共振,应加大主控制器和副控制器的比例度,使副回路的工作频率与主回路工作频率错开,以消除共振。,2、串级控制系统的投运,与整定方法有关。两步法参数整定的系统投运
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