串級控制系統(tǒng)過程控制(自動化)解析課件

1、單回路PID控制系統(tǒng)小結(jié)介紹了簡單被控過程的機理建模方法；討論了控制閥“氣開、氣關”形式與流量特性的選擇問題；講述了“廣義對象” 動態(tài)特性的典型測試方法；介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；詳細分析了單回路PID參數(shù)整定方法；介紹了PID控制器的“防積分飽和” 技術(shù)。第1頁，共52頁。習題 3-4: 機理建模舉例 (1) 列寫過程微分方程組;(2) 畫出方框圖;(3) 求傳遞函數(shù)第2頁，共52頁。習題3-4: 列寫狀態(tài)方程物料平衡方程:將流量方程代入物料平衡方程,即得到過程狀態(tài)方程第3頁，共52頁。習題3-4: 狀態(tài)方程傳遞函數(shù)表示由以上傳遞函數(shù)方程,可畫出相應的方框圖.第4頁，共52頁

2、。習題3-4: 過程傳遞函數(shù)方框圖第5頁，共52頁。習題3-4: 計算輸入輸出傳遞函數(shù)利用方框圖等效變換;直接用傳遞函數(shù)計算公式;通過求解傳遞函數(shù)方程組.第6頁，共52頁。習題4-9: 控制閥流量特性選擇熱平衡方程:控制通道靜態(tài)增益:-冷凝潛熱；C1-比熱容第7頁，共52頁。被控對象的動態(tài)特性變化對控制閥流量特性選擇的考慮從靜態(tài)增益補償?shù)慕嵌葟膭討B(tài)特性變化的角度 (Why?)？第8頁，共52頁。單回路系統(tǒng)防積分飽和原理分析討論：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。為什么?第9頁，共52頁。課堂提問采用純比例控制，Kc增加時系統(tǒng)的穩(wěn)定性會怎樣？穩(wěn)定的情況下余差會怎樣？

3、采用PI控制，Ti調(diào)小時為保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，比例度應該怎樣變化？什么是積分飽和？反饋控制如何防積分飽和？第10頁，共52頁。串級控制系統(tǒng)Cascade Control System第11頁，共52頁。本講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)的參數(shù)整定方法；了解串級控制系統(tǒng)的抗積分飽和措施。第12頁，共52頁。反應釜溫度單回路控制系統(tǒng)操縱變量：冷卻劑流量被控變量：反應溫度擾動變量：冷卻劑溫度以及工藝介質(zhì)流量控制規(guī)律：PID第13頁，共52頁。單回路控制系統(tǒng)的抗干擾性能(參見仿真程序/

4、CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)第14頁，共52頁。反應釜溫度單回路控制響應曲線第15頁，共52頁。單回路控制系統(tǒng)分析問題：從擾動開始至調(diào)節(jié)器動作，調(diào)節(jié)滯后較大，特別對于大容量的反應槽，調(diào)節(jié)滯后更大。冷卻水入口溫度 夾套內(nèi)冷卻水溫度 T2 （經(jīng)對流傳熱）槽壁溫度 反應槽溫度T1 （經(jīng)反饋回路）冷卻水量第16頁，共52頁。系統(tǒng)控制與擾動的分析干擾變量的影響：冷卻水入口溫度變化 夾套內(nèi)冷卻水溫度變化 槽壁溫度變化 反應槽溫度變化控制變量的影響：冷卻水調(diào)節(jié)閥開度變化 冷卻水流量變化 夾套內(nèi)冷卻水溫度變化 槽壁溫度變化 反應槽溫度變化第17頁，共52頁。解決方法對于

5、冷卻水方面的擾動，如冷卻水的入口溫度、閥前壓力等擾動，夾套冷卻水溫度T2比反應槽溫度T1能更快地感受。因而可設計夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動。但TC2的設定值應根據(jù)T1的控制要求作相應的變化（這一要求可用反應溫度調(diào)節(jié)器TC1來自動實現(xiàn)）?！按壙刂啤?串級控制系統(tǒng)第18頁，共52頁。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。 第19頁，共52頁。反應器溫度串級控制框圖討論: 主副控制器的“正反作用”選擇。反應器溫度測量變送

6、器夾套水溫測量變送器第20頁，共52頁。串級系統(tǒng)的參數(shù)整定與抗干擾(參見仿真程序/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)第21頁，共52頁。反應器溫度的串級控制響應第22頁，共52頁。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）。第23頁，共52頁。串級控制系統(tǒng)常用術(shù)語第24頁，共52頁。串級系統(tǒng)副環(huán)的等效性第25頁，共52頁。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

7、較小的副回路，有第26頁，共52頁。串級控制系統(tǒng)的特點（2）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）。第27頁，共52頁。補充說明魯棒性：控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)對對象特性變化的敏感程度。系統(tǒng)品質(zhì)對對象特性變化越不敏感，則該系統(tǒng)的魯棒性越好。主回路對副對象和控制閥的特性變化具有魯棒性，但副回路本身卻并沒有這種特性，副對象或控制閥特性的變化依然會較敏感地影響副回路的穩(wěn)定性。主回路對副回路反饋通道特性的變化沒有魯棒性。第

8、28頁，共52頁。串級控制系統(tǒng)的特點（3）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。副回路等效對象為：若：第29頁，共52頁。串級控制系統(tǒng)的特點（3）-續(xù)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）第30頁，共52頁。反應器溫度的串級控制響應第31頁，共52頁。串級系統(tǒng)的設計原則單回路控制不能滿足性能要求；有反映系統(tǒng)主要干擾的可測副參數(shù)；調(diào)節(jié)閥與副參數(shù)之間具有因果關系；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

9、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。第32頁，共52頁。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。第33頁，共52頁。分析圖中表示的是塔的提餾段和再沸器。提餾段某塊板的溫度定為主變量，控制閥安裝在再沸器的加熱蒸汽管線上。中間變量可以是1加熱蒸汽流量、2加熱蒸汽壓力、3再沸器工藝介質(zhì)一側(cè)的氣相流量。選擇蒸汽流量作為副變量，它只能快速消除因蒸汽汽源壓力或冷凝壓力變化引起的干擾。由于蒸汽流量對象的滯后非常小，當用流量作為副變量時，并不能使串級系統(tǒng)的頻率有多少提高，所以對克服其他干擾，串級控制的優(yōu)點不明顯。第3

10、4頁，共52頁。分析（續(xù)）閥后加熱蒸汽壓力是冷凝溫度的一種度量，在某種程度上，也是對壁溫的一種度量。金屬壁通常有幾秒的時間常數(shù)，若將加熱蒸汽壓力選作副變量，則能把這個時間常數(shù)包含在副對象中。但保持蒸汽壓力恒定并不能保證工藝介質(zhì)氣相流量的恒定，而它是更為重要的變量。第35頁，共52頁。分析（續(xù)）若將工藝介質(zhì)氣相流量作副變量，副對象又增加了再沸器液相側(cè)的滯后。經(jīng)過擴大副對象，包括再沸器液位、溫度及傳熱系數(shù)等的變化都進入了副回路，因而能較快的校正，但對加熱蒸汽汽源壓力波動的校正就不如前面兩個方案快速了。-以上是從控制質(zhì)量來選擇副變量。在實際應用時，還需考慮工藝上的合理性和經(jīng)濟性。第36頁，共52頁。

11、串級方案設計舉例討論：副回路所包含的干擾與副回路快速性之間的矛盾？第37頁，共52頁。分析左圖中，當燃料油流量的波動成為主要干擾因素時，可以考慮采用爐出口溫度對燃料油流量的串級控制。優(yōu)點：當燃料油流量發(fā)生變化后，還未影響到爐出口溫度之前，其內(nèi)環(huán)即先進行調(diào)節(jié)，以減小甚至消除燃料油流量的干擾，從而改善控制質(zhì)量。第38頁，共52頁。分析（續(xù)）右圖，若加熱爐所需燃料油量較少或其輸送管道較小時，其流量測量較困難，特別是當采用黏度較大的重質(zhì)燃料油時更難測量。一般來說，壓力測量較流量方便，因此可以采用爐出口溫度對燃料油閥后壓力的串級控制。該方案應用較廣。采用該方案時，需要注意的是：如果燃料噴嘴部分堵塞，也會

12、使閥后壓力升高，此時副控制器的動作使閥門關小，這是不適宜的。因此，在運行時必須防止這種現(xiàn)象發(fā)生，特別是采用重質(zhì)燃料油或燃料氣中夾帶液體時更要注意。第39頁，共52頁。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）。共振的解決辦法-主、副回路的時間常數(shù)要相差3倍第40頁，共52頁。分析當受到干擾因素例如燃料油的壓力、熱值、煙囪抽力等作用后，首先將反映到爐膛溫度的變化，以后再影響到爐出口溫度，而前者滯后遠小于后者，據(jù)某實測，前者僅為3min，而后者長達15min。采用爐出口溫度對爐膛溫度串級后，就把原來滯

13、后的對象一分為二，副回路起超前作用，能使這些干擾因素一影響到爐膛溫度時，就迅速采取控制手段，這將顯著改善控制質(zhì)量。該方案的注意事項：1、應選擇有代表性的爐膛溫度檢測點，而且要反應快。但選擇較困難，特別對圓筒爐。2、為了保護設備，爐膛溫度不應有較大波動，所以在參數(shù)整定時，對于副控制器不應整定得過于靈敏，且不加微分作用。3、由于爐膛溫度較高，測溫元件及其保護套管材料必須耐高溫。第41頁，共52頁。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

14、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。但積分作用要求較弱以保證副回路較強的抗干擾能力。第42頁，共52頁。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。第43頁，共52頁。串級系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法Step 1: 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)。Step 2: 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

15、對象的動態(tài)特性與相應特征參數(shù)。Step 3: 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)。第44頁，共52頁。串級PID系統(tǒng)的積分飽和問題情況1：副回路出現(xiàn)“積分飽和”，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。為什么？如何克服？第45頁，共52頁。串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的連接法第46頁，共52頁。串級控制系統(tǒng)的防積分飽和第47頁，共52頁。串級控制系統(tǒng)的投運將主、副控制器的切換開關都置于手動；用副手操器操縱調(diào)節(jié)閥使生產(chǎn)處于要求的工況；修改主手操器使副偏差為0，將副控制器

16、切換到自動；修改主控制器的設定值使主控制器的偏差為0，然后將主控制器切換到自動。第48頁，共52頁。結(jié) 論介紹了串級控制系統(tǒng)的概念與特點；結(jié)合控制原理，具體分析了串級系統(tǒng)的抗干擾性能；討論了串級控制系統(tǒng)的設計原則；介紹了串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定過程介紹了串級控制系統(tǒng)的抗積分飽和措施。介紹了串級控制系統(tǒng)的投運過程。第49頁，共52頁。練習題 1精餾塔提餾段溫度控制系統(tǒng)如圖所示，圖中，Pv為調(diào)節(jié)閥閥前壓力。（1）為保證再沸器的安全，蒸汽調(diào)節(jié)閥應選用氣關閥還是氣開閥？為什么？（2）確定調(diào)節(jié)器TC、PC的正反作用，并畫出該系統(tǒng)完整的方框圖（盡可能在圖上表明相應的信號）。第50頁，共52頁。作業(yè)題6-4 在一個串級控制系統(tǒng)中，原來選用口徑為20mm的氣開閥，后來改為口徑為32mm的氣關閥。問： 主、副控制器的正反作用要否改變？為什么？ 副控制器的比例度和積分時間要否改變？是變大還是變小？為什么？ 主控制器的比例度和積分時間要否改變？是變大還是變小？為什么？題6-5 在一個串級控制系統(tǒng)中，主變量是溫度，溫度變送器量程原為020