浙大工业过程控制5.串级控制系统.ppt

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1、2023/11/15,工业过程控制,串级控制系统Cascade Control System,戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所,2023/11/15,工业过程控制,单回路PID控制系统小结,介绍了简单被控过程的机理建模方法;讨论了控制阀“气开、气关”形式与流量特性的选择问题；讲述了“广义对象”动态特性的典型测试方法；介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则；详细分析了单回路PID参数整定方法,介绍了PID控制器的“防积分饱和”技术.,2023/11/15,工业过程控制,习题 3-4:机理建模举例,(1)列写过程微分方程组;(2)画出方框图;(3)求传递函数,2023/11/15,工业过程控制

2、,习题3-4:列写状态方程,物料平衡方程:,将流量方程代入物料平衡方程,即得到过程状态方程,2023/11/15,工业过程控制,习题3-4:状态方程传递函数表示,由以上传递函数方程,可画出相应的方框图.,2023/11/15,工业过程控制,习题3-4:过程传递函数方框图,2023/11/15,工业过程控制,习题3-4:计算输入输出传递函数,利用方框图等效变换;直接用传递函数计算公式;通过求解传递函数方程组.,2023/11/15,工业过程控制,习题4-9:控制阀流量特性选择,热平衡方程:,控制通道静态增益:,2023/11/15,工业过程控制,被控对象的动态特性变化对控制阀流量特性选择的考虑,

3、从静态增益补偿的角度,从动态特性变化的角度(Why?),2023/11/15,工业过程控制,单回路系统防积分饱和原理分析,讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。为什么?,2023/11/15,工业过程控制,本讲基本要求,了解串级控制系统的概念与特点；掌握串级控制系统的方框图表示法；结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；了解串级控制系统的设计原则；掌握串级控制系统的参数整定方法;了解串级控制系统的抗积分饱和措施。,2023/11/15,工业过程控制,反应釜温度单回路控制系统,控制变量：冷却剂量被控变量：反应温度控 制 阀：气关阀控制规律：PID,2023/11/1

4、5,工业过程控制,单回路控制系统扰动分析,问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。,冷却水入口温度 夹套内冷却水温度 T2（经对流传热）槽壁温度 反应槽温度T1（经反馈回路）冷却水量,2023/11/15,工业过程控制,对调节滞后的解决方法之一,对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。,“串级控制”,2023/11/15,工

5、业过程控制,反应器温度的串级控制方案,特点：两个调节器串在一起工作，调节器TC2通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。,2023/11/15,工业过程控制,反应器温度串级控制框图,TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。,2023/11/15,工业过程控制,通用的串级控制系统,2023/11/15,工业过程控制,串级控制系统方块图,注：D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参数的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是一个等效的控制阀）。,2023/11/

6、15,工业过程控制,串级系统副环的等效性,2023/11/15,工业过程控制,串级控制系统的特点（1）,副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；,由于,而对于动态滞后较小的副回路，有,2023/11/15,工业过程控制,串级控制系统的特点（2）,对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力，并能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响。,对于内环等效对象的增益,当,结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。,2023/11/15,工业过程控制,串级系统的设计原则,副参数的选择应使副对象的时间常数比

7、主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。,常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、液位+流量、温度+温度等。,2023/11/15,工业过程控制,串级系统副参数的选择举例*,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。,2023/11/15,工业过程控制,串级方案设计举例,讨论：副回路所包含的干扰与副回路快速性之间的矛盾？,2023/11/15,工业过程控制,串级方案设计举例（续）,讨论：副回路所能包括的扰动越多，副对象与主对象的动态特性的差别越小，越容易引起内外回路之间的“共振”（

8、系统稳定性越差）。,2023/11/15,工业过程控制,串级系统副调节器选型,副调节器常选择PI控制律原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力。,2023/11/15,工业过程控制,串级系统主调节器选型,主调节器常选择PI或PID控制律原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加入较强的积分作用（除主参数为液位的串级均

9、匀控制系统以外）。当主对象的调节滞后较大，而主参数变化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。,2023/11/15,工业过程控制,串级系统PID参数的整定方法,Step 1:先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。Step 2:在主调节器为“手动”、副回路闭环的情况下，测试得到主回路广义对象的动态特性与相应特征参数。Step 3:采用单回路调节参数的工程整定法（如Z-N准则），确定主回路的PID参数。,2023/11/15,工业过程控制,单回路控制系统的抗干扰性能,(参见仿真程序/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl),2023/11/15,工业过程控制

10、,串级系统的参数整定与抗干扰,(参见仿真程序/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl),2023/11/15,工业过程控制,结 论,介绍了串级控制系统的概念与特点；结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；讨论了串级控制系统的设计原则；通过Simulink仿真，详细介绍了串级控制系统的参数整定过程;,2023/11/15,工业过程控制,练习题 1,精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，图中，Pv为调节阀阀前压力。（1）为保证再沸器的安全，蒸汽调节阀应选用气关阀还是气开阀？为什么？（2）确定调节器TC、PC的正反作用，并画出该系统完整的方框图（尽可能在图上表明相应的信号）。,