工业过程控制工程课件第六章串级控制系统.ppt

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1、课件,1,第六章 串级控制系统,6.1 基本原理和结构 6.2 串级控制系统分析 6.3 串级控制系统设计 6.4 串级系统投运及参数整定 6.5 串级控制系统举例,本章的主要内容:,课件,2,6.1.1 串级控制系统的概念 P696.1.2 方框图及常用名词 P696.1.3 串级控制系统的工作过程,6.1 基本原理和结构,本节的主要内容:,课件,3,实例1：连续搅拌反应釜温度控制 P69 图6.1-1 原理：搅拌物料 放热反应 产生热量 冷却剂移走热量 控制目标：反应混合物温度 控制手段（操纵变量）：冷却剂流量Qc,6.1.1 串级控制系统的概念（实例1）,课件,4,6.1.1 串级控制系

2、统的概念,课件,5,实例1：连续搅拌反应釜温度控制,6.1.1 串级控制系统的概念,课件,6,控制方案：方案1：由于来自物料温度f和流量Qf的变 化很快由反映出来，一般单回路控制足 已克服该扰动。即：采用和Qc单回路控制方案即可。原理图：P69 图6.1-1（a）,6.1.1 串级控制系统的概念,课件,7,Pfc和fc的变化首先反映为夹套内冷却剂温度c的变化，而后才反映为的变化，因而由和Qc组成的单回路控制对克服来自冷却剂方面的扰动不是很及时。假若改用c和Qc组成单回路，则能较快克服这些扰动。,6.1.1 串级控制系统的概念,课件,8,方案2：采用c和Qc单回路控制 优点：可以克服冷却剂方面的

3、扰动 缺点：不能克服进料方面扰动对的 影响方案3：综合方案 T1C-T2C串级控制,6.1.1 串级控制系统的概念,课件,9,方案3：T1C-T2C串级控制 原理图：P69 图6.1-1（b）c-Qc回路(T2C)：主要用以快速克服冷 却剂方面的扰动；-Qc回路(T1C):用以克服其它扰动对温 度的影响,6.1.1 串级控制系统的概念,课件,10,实例2：硝酸生产中氧化炉内温度控制 要求：T控制在8405范围之内,6.1.1 串级控制系统的概念（实例2）,课件,11,措施之一：简单温度控制系统 特点：对所有T的干扰都包含在控制回路中。结果：响应不灵敏，动作迟缓，最大偏差10 原因：控制通道滞后

4、大，对氨气总管压力波 动引起氨气流量的频繁变化，不能及 时克服。,6.1.1 串级控制系统的概念,课件,12,措施之二：采用氨气流量单回路控制系统。原因：氨气流量的变化对反应温度的影响很大 特点：能迅速克服氨气总管压力波动引起的氨 气流量干扰 结果：最大偏差8，流量控制不能克服其 它干扰因素对温度的影响措施之三：用温度控制器来自动校正流量控制器 设定值，属串级控制。,6.1.1 串级控制系统的概念,课件,13,串级控制系统的概念 P69 一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称作是“串级”控制；两个控制器都有各自的测量输入；只有主控制器具有自己独立的设定值，副控

5、制器的输出信号送给被控制过程的执行器。这样组成的系统称为串级控制系统。,6.1.1 串级控制系统的概念,课件,14,串级系统和简单系统的显著区别：串级系统在结构上形成两个闭环通用的串级控制方块图：P70图6.1-2副回路（或副环）：包含在虚线框内的部分，在控制系统中起“粗调”作用主回路（或主环）：在控制系统中起“细调”作用,6.1.2 方块图及常用名词,课件,15,6.1.2 方块图及常用名词,课件,16,串级控制系统的名词术语：P69 主变量（y1），保持其平稳是控制的 主要目标。副变量（y2），它是被控过程中引出 的中间变量。,6.1.2 方块图及常用名词,课件,17,副对象 在图中以 表

6、示，它反映了副变量与操纵变量之间的通道特性。主对象 在图中以 表示，它是主变量和副变量之间的通道特性。主控制器 即图中，它接受的是主变量的偏差，其输出用来改变副控制器的设定值。,6.1.2 方块图及常用名词,课件,18,副控制器 即图中，它接受的是副变量的偏差，其输出去操纵阀门。副回路 处于串级控制系统内部的，由副变量测量变送器、副控制器、控制阀、副对象组成的回路。,6.1.2 方块图及常用名词,课件,19,主回路 若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入、以副变量y2为输出的等效环节（如图中虚线所示），则串级系统转化为一个单回路，称这个单回路为主回路。注意：主回路并不是指将副变量测量变送环

7、节前（或后）断开后而形成的单回路。,6.1.2 方块图及常用名词,课件,20,目的：分析串级控制系统的工作过程，得出 串级控制系统克服干扰的一般过程。步骤：先分析稳态时工作状况，再分别加入 干扰进行分析。有关概念复习：a.控制阀的气开/气关形式：,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,21,b.对偏差定义的区别：控制系统：e=r-ym 仪表行业：e=ym-rc.控制器的正/反作用方式（前提：设定值不变）正作用方式：测量信号 输出 反作用方式：测量信号 输出,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,22,工作过程分析：实例：氧化炉反应温度流量串级控制系统 已知条件：控制阀：气开式 稳定状态

8、：物料、能量达到平衡并维持不变；TC、FC输出相对稳定，控制阀处 于某一开度位置不变。,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,23,下面分析系统引入干扰后的工作过程：a.出现二次干扰F2：导致氧气流量增加Q。由框图可见，F2至副变量Y2距离短，距主变量Y1距离长。流量Q的变化首先被 副变送器检测到，由FC进行控制。初始阶段，Q的变化不会一下子影响 到炉温T，故TC的输出暂时不变，即FC的 输入暂时不变。,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,24,对于小干扰：由FC进行控制，不会引起炉温T的变化对于大干扰：经FC控制后，大大消弱对T的影响。随时 间t的增加，Q的变化对T的影响会慢慢显

9、示出来，炉温T发生变化，再由TC进行控 制，直至T恢复稳定（回到原设定值），此 时控制阀将处于一个新的开度上。,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,25,b.出现一次干扰F1：导致T升高（推理方法1）F1 T ym1 uC1 TC设定值r1不变 FC设定值r2 e2=r2 ym2(ym2 暂时不变)u2（FC:反作用方式“+”极性）,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,26,b.出现一次干扰F1：导致T升高（推理方法2）在此过程中，氨气流量Q是不断变化的，但这是为适应温度控制的需要，并不是干扰直接作用的结果。,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,27,c.F1和 F2同 时出

10、现：分两种情况 第一种情况：扰动使主、副变量同时变化。,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,28,第二种情况：扰动使主、副变量反方向变化。,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,29,3 结论：副控制器：起“粗调”作用 主控制器：起“细调”作用 两者相互配合，控制质量高于单回路控制系统。由分析可见串级控制的优点：副回路具有快速调节作用。,6.1.3 串级控制系统的工作过程,课件,30,串级控制的优点：副回路具有快速调节作用。对于发生于副回路的干扰，在影响主变量之前即可由副控制器予以校正；串级系统设计时，可将主要的扰动包括在副回路中，发挥副回路快速调节的作用,6.1.3 串级控制系统的

11、工作过程,课件,31,串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统。因此，主变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是，串级控制系统和单回路系统比较，在结构上，从对象中引出中间变量（即副变量）构成一个回路，因此具有一系列特点。,6.2 串级控制系统分析,课件,32,6.2.1 临界频率和临界增益 P706.2.2 系统的鲁棒性 P726.2.3 串级控制系统的特点 P73 6.2.4 串级控制系统的应用场合,6.2 串级控制系统分析,本节的主要内容:,课件,33,例：已知 P70 和 都是纯比例的。串级控制系统方块图：P70 图6.2-1 比较：单回路和

12、串级控制系统的临界频率 和临界增益,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,34,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,35,解：1）求副回路的、：P70 副回路的开环传函：（6.2-1）临界频率 可由下式得到：（6.2-2）求得：1.1,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,36,求：的模为：（6.2-3）令，则所解得大 的值即为控制器增益的临界值。即：，可得：参数整定值取临界值的0.5倍，即,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,37,2）求主回路的、：P71 主环传递函数：（6.2-4）采用同上方法分析可得：所以：,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,38,3）求取单回路（纯比例）控制时

13、的：传函：计算得：,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,39,4）几点分析：A副回路 单回路 B主回路 单回路 C主回路开环临界静态增益 单回路开环临界静态增益 Kmax1 Kmax,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,40,结论：P71 1）串级控制系统副回路与单回路比较 临界频率:副回路 单回路 动态滞后:副对象 整个对象 副回路的动态响应要比单回路快得多 对进入副回路的干扰F2,副回路有很 快的抑制作用。,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,41,结论：2）串级控制系统主回路与单回路比较 临界频率:主回路 单回路 加快了对干扰F1、F2的响应，提高了控制品质。,6.2.1 临界频率

14、和临界增益,课件,42,结论：3）串级控制系统主回路与单回路比较 开环临界增益:主回路 单回路 在相同稳定性下，串级具有较强的控制作用，从而改善了控制品质。,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,43,串级主回路与单回路开环Kmax差异的原因：临界频率改善；副变量闭合后广义对象特性改变。,6.2.1 临界频率和临界增益,课件,44,仿真结果比较：仿真对象：P70 图6.2-1,6.2.1 临界频率和临界增益（仿真）,课件,45,仿真结果比较：P72 表6.2-1 扰动类型：单位阶跃扰动 F1，F2 响应指标：y1max（y1）最大偏差 tp 过渡时间,6.2.1 临界频率和临界增益（仿真）,课

15、件,46,仿真结果比较：主控制器：PID 副控制器：P 控制器参数整定方法：临界比例度法 控制算式 单回路：串级：,6.2.1 临界频率和临界增益（仿真）,课件,47,1）鲁棒性：Robust,又程强壮性 P72 系统控制品质对特性变化的敏感程度。越不敏感，鲁棒性越好。串级系统：由于存在副回路，对副对象（包括控制阀）的特性变化不 敏感，具有一定的鲁棒性。,6.2.2 系统的鲁棒性（概念）,课件,48,1）鲁棒性：P72 分析对象：P72 图6.2-2 输入：x 输出：y 等效传函：,6.2.2 系统的鲁棒性,课件,49,1）鲁棒性：P72 分析对象：P72 图6.2-2 设G(S)=K,H(S

16、)=,且K 1，则 可见，当负反馈控制系统的环路增益足够大时，其等效特性主要取决于反馈通道的特性。而与前向通道特性无关。,6.2.2 系统的鲁棒性,课件,50,1）鲁棒性：P72 分析对象：P72 图6.2-2 若将图6.2-2的等效环节，看成是串级副 回路，则得出推断：只要副回路具有较高的增益，其前向通道（主要指控制阀和副对象）特性的变化对副回路等效特性的影响不大。串级系统对控制阀和副对象特性的变化 具有鲁棒性。,6.2.2 系统的鲁棒性,课件,51,2）几个结论 P72 a.当副回路具有较高增益时，副回路的前向通道（主要指控制阀和副对象）特性的变化对副回路等效环节特性影响不大；b.主回路对

17、副对象及控制阀的特性变化具有鲁棒性，副回路本身并没有这种特性。副对象或控制阀特性的变化依然会较敏感地影响副回路的稳定性；,6.2.2 系统的鲁棒性（结论）,课件,52,2）几个结论c.主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。P72 例如：副回路为流量回路 孔板作一次元件（没有用开方器）则：,6.2.2 系统的鲁棒性（结论）,课件,53,例如：副回路为流量回路 孔板作一次元件（没有用开方器）则：F-流量 h-差压变送信号 比例系数 测量变送环节静态增益Km2为：,6.2.2 系统的鲁棒性（实例）,课件,54,例：流量测量（不带开方器）将 Km2代入式 Gx,y表达式中的：,6.2.2 系统的

18、鲁棒性（实例）,课件,55,例：流量测量（不带开方器）流量F 主回路环路增益K 稳定性 流量F 主回路环路增益K 稳定性 主回路对副回路反馈通道特性的变化 没有鲁棒性。,6.2.2 系统的鲁棒性（实例）,课件,56,1）对进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力；P73 2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；3）对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力；4）副回路可以按照主回路的需要对质量流和能量流实施精确的控制。,6.2.3 串级控制系统的优点,课件,57,串级系统：控制系统质量优于简单控制系统 相矛盾的一面：与简单系统相比，所用仪表较多，费用高；有两个回路，控制器参数整定麻烦。1

19、.选择控制方案的原则 用简单回路控制系统能满足控制要求 的，就不要用复杂控制系统,6.2.4 串级控制系统的应用场合,课件,58,2.串级控制的应用场合1）用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰 串级系统对进入副回路的干扰具有较快、较强的克服能力。利用此特点，设计时将变化剧烈和幅值大的干扰包含在副回路中，并把副控制器增益Kc2设定得比较大，从而把干扰对被控量的影响减小到最低程度。,6.2.4 串级控制系统的应用场合,课件,59,2）用于时滞较大的对象 在较大时，简单控制系统不能满足工艺要求可采用串级控制。在离控制阀较近、时滞较小的地方，选择一个辅助参数作为副参数，构成一个副回路。由副回路实现对主要扰

20、动的控制，从而克服时滞的影响。副回路时滞小、控制及时，可以大大减小扰动对主参数的影响。,6.2.4 串级控制系统的应用场合,课件,60,3）用于容量滞后较大的对象 工业生产中，有许多以温度或质量参数作为被控变量的控制对象，其容量滞后往往比较大。当对象的容量滞后较大时，采用简单控制系统不能满足要求。原因：对控制作用反应迟钝使得超调量大、稳定时间长。当对象容量滞后大、干扰复杂的场合，普遍采用串级控制系统。,6.2.4 串级控制系统的应用场合,课件,61,3）用于容量滞后较大的对象 在串级控制系统中，可选择一个滞后较小的辅助参数组成副回路，使等效副对象的时间常数减小，以提高系统的工作频率，加快响应速

21、度。,6.2.4 串级控制系统的应用场合,课件,62,4）用于克服对象的非线性 一般工业对象的静特性都有一定的非线性。当负荷比较稳定时，可采用简单控制系统；当负荷变化较大且频繁时，要采用串级控制，将具有较大非线性的部分对象包括在副回路中。,6.2.4 串级控制系统的应用场合,课件,63,6.3.1 副变量的选择 P73 6.3.2 主、副控制器的选型 P74 6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择 P746.3.4 防积分饱和 P74,6.3 串级控制系统设计,本节的主要内容:,课件,64,原则：充分发挥串级系统的优点，即：P73 a）将主要扰动包括在副回路中；b）将更多的扰动包括在副回路中

22、；c）副对象的滞后不能太大，以保持 副回路的快速响应性能。,6.3.1 副变量的选择,课件,65,原则：充分发挥串级系统的优点，即：d）将对象中具有显著非线性或时变特性的 一部分归于副对象中；e）需要流量实现精确跟踪时，选流量为副 变量。注意：以上几条是从局部角度考虑的，具体选择时需要兼顾各种因素进行权衡,6.3.1 副变量的选择,课件,66,例：精馏塔提馏段温度控制 P73图6.3-1 主变量：提馏段某块板的温度（TC）中间变量：加热蒸汽流量（FC 1）加热蒸汽压力（PC 2）工艺介质流量（FC 3）,6.3.1 副变量的选择（实例）,课件,67,6.3.1 副变量的选择（实例）,课件,68

23、,例：精馏塔提馏段温度控制 P73图6.3-1 方案1：选择加热蒸汽流量为副变量（FC 1）优点：可以快速消除因蒸汽气源压力或冷 凝压力变化引起的扰动；缺点：串级系统的频率提高不多，对克服 其它扰动效果不佳，串级控制的优 点不明显。,6.3.1 副变量的选择（实例）,课件,69,例：精馏塔提馏段温度控制 P73图6.3-1 方案2：选择加热蒸汽压力为副变量（PC 2）优点：可以明显提高整个系统的工作频率；缺点：不能保证工艺介质气相流量的恒定（更为重要）,6.3.1 副变量的选择（实例）,课件,70,例：精馏塔提馏段温度控制 P73图6.3-1 方案3：选择工艺介质流量为副变量（FC 3）优点：

24、扩大了副对象，对多种扰动都能得 到较快的校正；缺点：不能快速消除加热蒸汽气源压力变化 引起的扰动。从控制质量角度考虑的选择方案：方案3,6.3.1 副变量的选择（实例）,课件,71,以上讨论副变量的选择是从控制质量角度考虑的，在实际应用时，还要考虑工艺上的合理性和经济性。例：冷却器出口温度串级控制系统 P74图6.3-2 从经济角度考虑，采用（a）方案。,6.3.1 副变量的选择,课件,72,6.3.1 副变量的选择,课件,73,例：冷却器出口温度串级控制系统 P74 图6.3-2 方案（a）：出口温度与液位串级控制 成本低，副回路反应较迟钝 方案（b）：出口温度与蒸发压力串级控制 成本高，多

25、一套液位控制系统,6.3.1 副变量的选择,课件,74,例：冷却器出口温度串级控制系统 控制效果：方案（b）优于方案（a）经济性：方案（a）优于方案（b）在对于温度控制质量要求不高的场合，采用方案（a）,6.3.1 副变量的选择,课件,75,主控制器：一般采用PID三作用控制器。串级控制系统的对象特性一般有较大 滞后，有必要采用PID控制。副控制器：P74 副回路系随动系统，允许有余差，而不用积分作用。,6.3.2 主、副控制器的选型,课件,76,温度作副变量的系统：比例微分（PD）控制 流量（或液体压力）作副变量：比例积分（PI）控制,6.3.2 主、副控制器的选型,课件,77,正反作用定义

26、：正作用方式：测量值 输出值 反作用方式：测量值 输出值（前提：设定值不变）1）选择原则：使系统成为一个负反馈系统2)选择方法：逻辑推理方法和方块图法,6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,78,3）方块图法：利用控制系统中方块图各环节的符号来确定控制器的正反作用方式。a.环节正负符号的定义：注意：此处输入、输出关系指环节的静态关系。,6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,79,3）方块图法：a.环节正负符号的定义：,6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,80,3）方块图法：例：某锅炉液位单回路控制系统中，给水阀采用气关阀，则：控制阀：液位对象：+测量变送：+,6

27、.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,81,3）方块图法：例：某锅炉液位单回路控制系统 控制阀：液位对象：+测量变送：+,6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,82,b.算式方框中控制器的符号要变号 原因：比较环节的测量通道占用了一个“”号在方框图中：正作用控制器：取“-”负作用控制器：取“+”,6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,83,例：确定上例系统中，液位控制器LC的正 反作用方式。选择原则：使系统成为一个负反馈系统,各环节符号的乘积为正(+)。,6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,84,要求:各环节符号的乘积为正(+)即控制器环节符号为“”控制

28、器选正作用方式,6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,85,例：反应釜温度串级控制系统 P69 按被控对象、控制阀和测量变送元件的性能，得出有关方块的符号。假设:控制阀为气关式,则 副回路控制器：取正作用方式 假设:控制阀为气开式,则 副回路控制器：取反作用方式 前提:测量变送环节和被控对象均为正特性,6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,86,例：反应釜温度串级控制系统 P69 主回路：关键在于确定副回路等效环节的符 号 规则：副回路等效环节的符号仅取决于副变 量测量环节符号，且两者一致。,6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择,课件,87,当主控制器具有积分作用且系统

29、长期存在偏差时，串级系统同样会出现积分饱和现象。当副控制器也引入积分作用时，积分饱和的情况较之简单控制系统还要严重。,6.3.4 防积分饱和,课件,88,因为主控制器Kc1的输出u1就是副控制器Kc2的输入r2，当主控制器输出u1出现积分饱和后，就将r2的值相应提高。有时设定r2值提高到阀门全开时控制器Kc2仍不能达到的数值，于是Kc2也进入饱和区。这样，退出积分饱和需要更长的时间。,6.3.4 防积分饱和,课件,89,限幅法 防止积分饱和的措施：积分切除法 副控制器：与单回路相同 利用限幅切断正反馈（限幅法）,6.3.4 防积分饱和,课件,90,主控制器：积分切除法 积分切除法：P75图6.

30、3-3 利用副变量的测量值ym2作为 主控制器的外部反馈信号,6.3.4 防积分饱和,课件,91,6.3.4 防积分饱和,课件,92,主控制器防积分饱和法：P75 图6.3-3 利用测量值ym2作为积分反馈信号 ym2=r2：副回路不存在偏差 主回路实现一般PI控制 控制阀全开(或全关)：ym2 r2时,系统失控 ym2不受r2控制,成为独立变量 主控制器的积分反馈被断开,6.3.4 防积分饱和,课件,93,6.4.1 系统投运 P756.4.2 参数整定 P76,6.4 串级系统投运及参数整定,本节的主要内容:,课件,94,投运要求：保证无扰动切换 P75具体步骤：先副回路,后主回路投运以D

31、DZ-型表组成的系统为例1)将主、副控制器切换开关都置于手动位置，副控制器处于外给定（主控制器始终为内给定）,6.4.1 系统投运,课件,95,2)用副控制器操纵控制阀，使生产处于要求的工况（即主变量接近设定值，且工况较平稳）调整主控制器设定值，使副控制器的偏差指示为“零”，接着可将副控制器切换到自动位置。,6.4.1 系统投运,课件,96,3)假定在主控制器切换到“自动”之前，主变量偏差已经接近“零”，则可稍稍修正主控制器设定值，使偏差为“零”，并将主控制器切换到“自动”，然后逐渐改变设定值使之回复到规定值；假定在主控制器切换到“自动”之前，主变量存在较大偏差，一般的做法是手操主控制器输出，

32、使偏差减小后再进行上述操作。,6.4.1 系统投运,课件,97,方式：先副后主 P76副回路整定：是随动系统，对控制质量要求不高。可参照经验表来设置参数。有时为了 发挥快速性作用，整定可偏强一些。P65 表5.3-1经验法整定参数 主回路整定：与单回路控制相同 1）逐步逼近法 2）两步整定法 3）一步整定法,6.4.2 参数整定,课件,98,6.5.1 控制问题与方案设计 P766.5.2 仿真模型的建立 P776.5.3 串级系统PID参数整定 P786.5.4 串级控制与单回路控制的比较 P79,6.5 串级控制系统举例,本节的主要内容:,课件,99,1）控制问题实例：精馏塔提馏段温度控制

33、 工艺流程示意图：P76图6.4-12）方案设计 被控参数：提馏段温度 T 操纵变量：蒸汽流量Q 方案1：常规单回路控制 原理图：P76图6.4-2 控制效果：抗干扰能力差,6.5.1 控制问题与方案设计,课件,100,6.5.1 控制问题与方案设计,课件,101,方案1：常规单回路控制 P76图6.4-2主要扰动：蒸汽阀前压力 控制效果：对于蒸汽回路所受的外部扰动，如蒸汽控制阀前压力的变化，系统的抗扰动能力弱；即使蒸汽流量对提馏段温度的通道特性为线性，并且蒸汽控制阀为线性阀，由于阀前压力的波动，并不能保证控制通道（控制阀开度对提馏段温度）的线性特性。,6.5.1 控制问题与方案设计,课件,1

34、02,改进方案：方案2：T-F串级 原理图：P76图6.4-3 其中F为蒸汽流量 方案3：T-P串级 原理图：P76图6.4-4 其中P为蒸汽阀后压力,6.5.1 控制问题与方案设计,课件,103,6.5.1 控制问题与方案设计,课件,104,1）实例：提馏段温度T与蒸汽流量F串级控制 原理图：P76图6.4-3 方块图：P77图6.4-52）各环节数学模型,6.5.2 仿真模型的建立,课件,105,6.5.2 仿真模型的建立,课件,106,控制阀：3）TF串级系统SIMULINK模型 P78图6.4-6,6.5.2 仿真模型的建立,课件,107,6.5.2 仿真模型的建立,课件,108,1)

35、整定过程：先副后主 P78 先进行副控制器的参数整定；再在副回路闭合的前提下，进行主控制器的参数整定。2）整定步骤：(1)设控制器PID参数的初始值,6.5.3 串级系统PID参数整定,课件,109,式中，Kp为副回路广义对象的稳态增益，Tp为副回路广义对象的一阶时间常数(2)根据设定值跟踪速度的快慢，调整控制器增益Kc直到满意为止。,6.5.3 串级系统PID参数整定,课件,110,1)单回路温度控制系统SIMULINK模型 P79图6.4-10 2）串级控制系统与单回路控制系统比较：a.设定值跟踪性能比较：P80图6.4-11 由于串级系统所包含的副对象动态滞后较 小，与单回路系统相比，串

36、级系统的控制 性能并没有取得显著的提高。,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较,课件,111,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较,课件,112,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较,课件,113,b.抗扰动性能比较：P80图6.4-12:蒸汽压力增加 P80图6.4-13:进料量扰动F增加 对串级系统而言，扰动进入的位置与系统的抗扰动性能密切相关。对于进入副回路的扰动，串级系统具有很强的抗扰动能力。如图6.4-12所示，在蒸汽压力同样幅度的扰动作用下，串级系统的超调量只有单回路系统的1/10。,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较,课件,114,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较

37、,课件,115,对于进料量F的变化:串级系统的抗扰动能力没有得到显著的改 善，对应的响应曲线如图6.4-13所示。原因：进料量F的变化直接作用于对象，只有当主对象输出Tm发生变化时，主控制器才能改变操纵量，而由于控制通道存在较大的滞后，容易造成超调量较大。改进方案:引入前馈作用或尽可能减少F的变化，例如:对进料量F进行单回路定值控制。,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较,课件,116,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较,课件,117,c.鲁棒性比较：P81图6.4-14 串级系统除了对进入内回路的扰动具有很强的抑制能力外，对于副对象特性的变化表现出非常显著的鲁棒性，具体结果如图6.4-

38、14所示。当流量对象增益K2增大1倍或减少1倍，单回路系统的闭环响应非常灵敏；而串级系统的稳定性并没有发生显著的变化。,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较,课件,118,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较,课件,119,仿真结果表明:P80 串级系统的主要优势：可快速克服进入副回路的各种扰动；对副回路对象特性变化具有很强的鲁棒性；可克服副对象的非线性与其它特性变化。,6.5.4 串级控制与单回路控制的比较,课件,120,知识要点：1.串级控制系统的概念和特点；2.串级控制系统的应用场合；3.控制器正反作用方式的概念和确定方法；4.串级控制系统的投运和参数整定。,第六章 思考题 P81-82,