串級(jí)控制系統(tǒng)課件

串級(jí)控制系統(tǒng)戴連奎浙江大學(xué)控制學(xué)院2017/03/23串級(jí)控制系統(tǒng)戴連奎單回路控制問(wèn)題討論如何評(píng)價(jià)一個(gè)控制系統(tǒng)的品質(zhì)（定性與定量）？對(duì)于一般的PID控制器，如何通過(guò)改變控制參數(shù)使其成為PI或P控制器？對(duì)于常見(jiàn)的被控過(guò)程，為什么采用P控制器會(huì)產(chǎn)生余差而采用PI控制器能消除余差？為什么PID控制器中的微分作用在實(shí)際過(guò)程中使用的不多？對(duì)于某一特性未知的被控過(guò)程，如何整定PID控制器參數(shù)？

單回路控制問(wèn)題討論如何評(píng)價(jià)一個(gè)控制系統(tǒng)的品質(zhì)（定性與定量）？PID控制回路穩(wěn)態(tài)分析（1）該被控過(guò)程是否為穩(wěn)定對(duì)象？（2）對(duì)于外部干擾，該控制系統(tǒng)為什么采用P控制器會(huì)產(chǎn)生余差而采用PI控制器能消除余差？PID控制回路穩(wěn)態(tài)分析（1）該被控過(guò)程是否為穩(wěn)定對(duì)象？PID參數(shù)的離線(xiàn)整定法步驟1：將控制器從“自動(dòng)”模式切換至“手動(dòng)”模式（此時(shí)控制器輸出完全由人工控制），人為以階躍方式增大或減少控制器輸出，并記錄控制器相關(guān)的輸入輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。步驟2：由階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)估計(jì)特性參數(shù)

K,T,τ。步驟3：按經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)定PID參數(shù)Kc、Ti、Td，并將控制器切換至“自動(dòng)”模式。步驟4：根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)情況，增大或減少控制器增益Kc直至滿(mǎn)意為止。PID參數(shù)的離線(xiàn)整定法步驟1：將控制器從“自動(dòng)”模式切換至離線(xiàn)整定仿真舉例

步驟1：階躍響應(yīng)測(cè)試

詳見(jiàn)../PIDControl/PIDLoop.mdl離線(xiàn)整定仿真舉例

步驟1：階躍響應(yīng)測(cè)試詳見(jiàn)../PID步驟2：獲取過(guò)程參數(shù)步驟2：獲取過(guò)程參數(shù)步驟3：獲取初始PID參數(shù)

(Lambda整定法)控制器KcTiTdP∞0PIT0PIDTτ/2注意：上述整定規(guī)則不受τ/T取值的限制步驟3：獲取初始PID參數(shù)

(Lambda整定法)控制器爐出口溫度單回路控制仿真詳見(jiàn)SimuLink模型

…/CascadePID/SinglePid_Furnace.mdl爐出口溫度單回路控制仿真詳見(jiàn)SimuLink模型內(nèi)容串級(jí)控制的引入與基本概念串級(jí)控制系統(tǒng)的特性分析串級(jí)控制的設(shè)計(jì)原理與副參數(shù)的選擇串級(jí)控制器的實(shí)現(xiàn)與參數(shù)整定步驟加熱爐出口溫度控制仿真舉例內(nèi)容串級(jí)控制的引入與基本概念加熱爐出口溫度單回路控制MV：燃料氣流量，CV：工藝介質(zhì)爐出口溫度控制閥：氣開(kāi)閥（為什么？）TC23的正反作用如何選擇？擾動(dòng)分析加熱爐出口溫度單回路控制MV：燃料氣流量，擾動(dòng)分析單回路控制過(guò)程分析問(wèn)題：從擾動(dòng)進(jìn)入到反饋控制器開(kāi)始響應(yīng)，所需信息傳遞路線(xiàn)遠(yuǎn)、傳遞時(shí)間長(zhǎng)。如何改進(jìn)？假設(shè)燃料氣的入口壓力（即閥前壓力）↑→即使u(t)不變，燃料氣流量↑→（經(jīng)燃燒過(guò)程）爐膛溫度↑→工藝介質(zhì)爐出口溫度T

↑→（借助于測(cè)量反饋控制）CO↓單回路控制過(guò)程分析問(wèn)題：從擾動(dòng)進(jìn)入到反饋控制器開(kāi)始響應(yīng)，所需串級(jí)控制思想的引入燃料供應(yīng)系統(tǒng)的波動(dòng)首先影響燃料氣流量Fgas

，然后再影響工藝介質(zhì)爐出口溫度。基本思想：一旦感受到Fgas的變化，在T開(kāi)始變化以前，就應(yīng)當(dāng)調(diào)整燃料閥的操作。具體實(shí)現(xiàn)：該校正動(dòng)作采用Fgas為中間變量來(lái)盡早感受干擾，并通過(guò)調(diào)節(jié)MV以減少干擾對(duì)CV的影響。如何減少Pgas變化對(duì)爐出口溫度的影響?串級(jí)控制思想的引入燃料供應(yīng)系統(tǒng)的波動(dòng)首先影響燃料氣流量F一種爐出口溫度串級(jí)控制方案(1)該方案由兩個(gè)傳感變送器、兩個(gè)控制器和一個(gè)控制閥組成。

(2)該方案有兩個(gè)控制回路，其中一個(gè)用于控制T，而一個(gè)用于控制

Fgas.為何叫“串級(jí)控制”？注：燃料氣流量只是用作中間輔助變量，以改善CV的控制性能。試畫(huà)出上述串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖?一種爐出口溫度串級(jí)控制方案(1)該方案由兩個(gè)傳感變送器、工藝介質(zhì)爐出口溫度

串級(jí)控制方塊圖這里，TC23被稱(chēng)為“主控制器”，而FC13被稱(chēng)為“副控制器”；D1

表示了各種直接進(jìn)入外回路的干擾，D2

表示了各種直接進(jìn)入內(nèi)回路的干擾。干擾舉例？工藝介質(zhì)爐出口溫度

串級(jí)控制方塊圖這里，TC23被稱(chēng)為“串級(jí)控制中的常用術(shù)語(yǔ)

串級(jí)控制中的常用術(shù)語(yǔ)以傳遞函數(shù)形式表示的

串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖注：D1反映了各種外回路干擾對(duì)主參數(shù)的綜合影響，D2

反映了各種內(nèi)回路干擾對(duì)副參數(shù)的綜合影響。試指出主副回路所對(duì)應(yīng)的“廣義對(duì)象”？以傳遞函數(shù)形式表示的

串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖注：D1反映了各種內(nèi)回路的等價(jià)變換與

“廣義控制閥”概念內(nèi)回路的等價(jià)變換與

“廣義控制閥”概念串級(jí)控制中副回路特性分析副回路（或稱(chēng)內(nèi)回路）通常響應(yīng)迅速，并能有效克服內(nèi)回路干擾對(duì)主參數(shù)的影響副回路能顯著減少控制閥與副對(duì)象的非線(xiàn)性。為什么?串級(jí)控制中副回路特性分析副回路（或稱(chēng)內(nèi)回路）通常響應(yīng)迅速，并串級(jí)控制中副參數(shù)的選擇原則副參數(shù)需同時(shí)滿(mǎn)足： （1）能較快地感覺(jué)部分干擾，（2）直接受控制器輸出的控制，（3）對(duì)主參數(shù)有明確且較大的影響副回路應(yīng)盡可能多地包含主要干擾，而且“越多越好”如果可能，副回路應(yīng)包含一些非線(xiàn)性對(duì)象。常見(jiàn)的串級(jí)回路：溫度-流量、溫度-壓力、濃度-流量、濃度-溫度、液位-流量、溫度-溫度等。串級(jí)控制中副參數(shù)的選擇原則副參數(shù)需同時(shí)滿(mǎn)足：常見(jiàn)的串級(jí)回路：串級(jí)控制副參數(shù)選擇舉例討論副回路的響應(yīng)速度與包含的內(nèi)回路干擾?方案#1方案#2串級(jí)控制副參數(shù)選擇舉例討論副回路的響應(yīng)速度與包含的內(nèi)回路干擾串級(jí)控制器類(lèi)型選擇副控制器（也稱(chēng)內(nèi)回路控制器）通常采用PI控制律 原因：需要對(duì)內(nèi)回路干擾具有快速調(diào)節(jié)能力（強(qiáng)比例作用+弱積分作用，為什么？）主控制器通常選用PID控制律（液位串級(jí)控制除外） 通常主對(duì)象的響應(yīng)速度緩慢，并帶有較顯著的純滯后，主控制器經(jīng)常引入微分作用。串級(jí)控制器類(lèi)型選擇副控制器（也稱(chēng)內(nèi)回路控制器）通常采用PI控串級(jí)控制器參數(shù)整定步驟#1設(shè)置主控制器至“手動(dòng)”方式，參照單回路整定方式整定副控制器PID參數(shù)。具體步驟討論？串級(jí)控制器參數(shù)整定步驟#1設(shè)置主控制器至“手動(dòng)”方式，參照串級(jí)控制器參數(shù)整定步驟#2將副控制器切換至“自動(dòng)”，并以階躍方式手動(dòng)改變主控制器的輸出（即副控制器的設(shè)定值），記錄主回路“廣義對(duì)象”的輸出輸出數(shù)據(jù)；并獲取主對(duì)象對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。串級(jí)控制器參數(shù)整定步驟#2將副控制器切換至“自動(dòng)”，并以串級(jí)控制器參數(shù)整定步驟#3參照單回路離線(xiàn)方式整定主控制器PID參數(shù)，并將主控制器切換至“自動(dòng)”。結(jié)合主控制器給定值階躍響應(yīng)，適當(dāng)調(diào)整主控制器增益，直至滿(mǎn)意。串級(jí)控制器參數(shù)整定步驟#3參照單回路離線(xiàn)方式整定主控制器P仿真舉例串級(jí)控制方案單回路控制方案仿真舉例串級(jí)控制方案單回路控制方案爐出口溫度單回路控制仿真詳見(jiàn)SimuLink模型

…/CascadePID/SinglePid_Furnace.mdl爐出口溫度單回路控制仿真詳見(jiàn)SimuLink模型爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)爐出口溫度

串級(jí)控制系統(tǒng)仿真模型1詳見(jiàn)下列SimuLink模型，并討論參數(shù)整定問(wèn)題…/CascadePID/CascadePid_Furnace.mdl爐出口溫度

串級(jí)控制系統(tǒng)仿真模型1詳見(jiàn)下列SimuLink模爐出口溫度串級(jí)與單回路控制

仿真結(jié)果比較爐出口溫度串級(jí)與單回路控制

仿真結(jié)果比較課堂討論：換熱器出口溫度

不同串級(jí)控制方案比較方案#1方案#2方案#3課堂討論：換熱器出口溫度

不同串級(jí)控制方案比較方案#1方案單回路PID控制討論廣義對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的階躍響應(yīng)測(cè)試法控制閥的氣開(kāi)/氣關(guān)、PID控制器的正反作用的選擇PID控制器類(lèi)型的選擇PID控制參數(shù)的離線(xiàn)整定法與在線(xiàn)整定法流量控制回路的特殊性與控制參數(shù)整定液位均勻控制回路的目標(biāo)與參數(shù)整定單回路PID控制討論廣義對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的階躍響應(yīng)測(cè)試法串級(jí)控制問(wèn)題討論（1）

1.“串級(jí)控制”的含義，引入串級(jí)控制的意義與成本？2.何時(shí)我們可采用串級(jí)控制方案?