串級(jí)控制系統(tǒng)

1、.,串級(jí)控制系統(tǒng) Cascade Control System,.,單回路PID控制系統(tǒng)回顧,什么是單回路控制系統(tǒng)？ 被控變量的選擇原則？ 操縱變量的選擇選擇？ 執(zhí)行器的選擇需要考慮哪些因素？ 測量變送裝置的選擇需要考慮哪些因素？ 控制器的選擇需要考慮哪些因素？ 比例度、積分時(shí)間、微分時(shí)間分別對(duì)過渡過程有什么樣的影響？,.,課堂提問,采用PI控制，Ti調(diào)小時(shí)為保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，比例度應(yīng)該怎樣變化？ 工程整定方法有哪幾種？主要步驟是什么？ 系統(tǒng)的投運(yùn)是使執(zhí)行器從手動(dòng)平穩(wěn)過渡到自動(dòng)狀態(tài)，該說法對(duì)不對(duì)？,調(diào)大,.,.,.,主要內(nèi)容,了解串級(jí)控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)； 掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖表示法； 結(jié)合

2、控制原理，掌握串級(jí)系統(tǒng)的分析方法； 了解串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則； 掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；,.,反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng),操縱變量： 被控變量： 控制規(guī)律：,冷卻劑流量,反應(yīng)溫度,PID,夾 套,槽 壁,.,系統(tǒng)控制與擾動(dòng)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(yīng)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(yīng)槽溫度變化,問題：從擾動(dòng)開始至調(diào)節(jié)器動(dòng)作，滯后較大， 特別對(duì)于大容量的反應(yīng)槽，滯后更大。,.,解決方法,夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到來自干擾（冷卻水入口溫度）以

3、及來自控制的影響。因而可設(shè)計(jì)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(dòng)。但TC2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T1的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC1來自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）。,“串級(jí)控制”,.,反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制方案,特點(diǎn)：兩個(gè)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(dòng)；調(diào)節(jié)器TC1通過調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設(shè)定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值。,.,反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖,.,串級(jí)控制系統(tǒng)的框圖,通用的串級(jí)控制系統(tǒng),主控 制器,調(diào)節(jié) 閥,副對(duì)象,主對(duì)象,主測量 變送,二次擾動(dòng),一次擾動(dòng),副控 制器,副測量 變送,主設(shè)定值,主被控變量,副被控變量,副

4、回路,隨動(dòng)控制系統(tǒng),定值控制系統(tǒng),主回路,副設(shè)定值,.,定義: 兩個(gè)控制器串聯(lián)，兩個(gè)被控對(duì)象，兩個(gè)測量變送裝置，一個(gè)執(zhí)行器，兩個(gè)回路 主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值 由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對(duì)主被控變量具有更好的控制效果,串級(jí)控制系統(tǒng),.,串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語,主被控變量：生產(chǎn)過程中的工藝控制指標(biāo)。 副被控變量：為了穩(wěn)定主被控變量而引入的中間輔助變量。 主被控對(duì)象：生產(chǎn)過程中要控制的生產(chǎn)設(shè)備、裝置。 副被控對(duì)象：表征副被控變量特性的設(shè)備（輸入量為操縱變量，輸出量為副被控變量）。,反應(yīng)槽內(nèi)的溫度,夾套內(nèi)的溫度,反應(yīng)槽,夾套,.,主控制器：按主被控變量的測量值與設(shè)定值的偏差而工作，

5、其輸出為副被控變量的設(shè)定值。 副控制器：設(shè)定值是主控制器的輸出。 主設(shè)定值 副設(shè)定值 主測量值 副測量值,串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語,TC1,TC2,.,副回路:串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)部。包含：副控制器、執(zhí)行器、副被控對(duì)象、副測量變送器。 主回路：主控制器、副回路、主被控對(duì)象、主測量變送器。 一次擾動(dòng) 二次擾動(dòng),串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語,.,串級(jí)控制系統(tǒng),主回路為定值控制系統(tǒng) 設(shè)定值固定 副回路為隨動(dòng)控制系統(tǒng) 設(shè)定值由主控制器的輸出提供，隨主控制器輸出的變化而變化。,.,串級(jí)控制系統(tǒng)的控制過程分析,一次擾動(dòng) 二次擾動(dòng),.,串級(jí)與單回路控制simulink仿真,.,串級(jí)與單回路控制simulink仿真,調(diào)節(jié)時(shí)

6、間 180 60 余差 0 0,.,串級(jí)與單回路控制simulink仿真,二次擾動(dòng)最大偏差 0.27 0.013,.,串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍,1、兩個(gè)串接工作的控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)， 其中主回路是定值控制，副回路是隨動(dòng)控制 2、副回路的引入，大大克服了二次擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)被調(diào)量的影響 3、迅速克服進(jìn)入副回路擾動(dòng)的影響，提高系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力 4、對(duì)負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力（適應(yīng)操作條件的變化）,特點(diǎn),副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對(duì)于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。,.,應(yīng)用范圍,1、純滯后大 2、容量滯后大 3、擾動(dòng)變化劇烈、幅值大

7、 4、具有非線性特性的過程,容量滯后：物料或能量的傳遞需要通過一定阻力 而引起的滯后。,純滯后：介質(zhì)的輸送由于有一段距離需要一段時(shí)間 而引起的滯后。,.,污水處理加藥控制系統(tǒng),污水處理混凝加藥單回路控制系統(tǒng),濁度 控制器,濁度計(jì),.,污水處理混凝加藥串級(jí)控制系統(tǒng),濁度 控制器,濁度計(jì),.,串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),主、副被控變量 主、副控制器 執(zhí)行器 主、副測量變送裝置 投運(yùn)與參數(shù)整定,.,主被控變量的選擇,主被控變量（簡稱主變量）的選擇與簡單控制系統(tǒng)被控變量的選擇原則相同。, 被控變量應(yīng)能代表一定的工藝操作指標(biāo)或能反映工藝操作狀態(tài)，一般是工藝過程中較重要的變量。, 被控變量在工藝操作過程中經(jīng)常要受

8、到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調(diào)節(jié)。,.,主被控變量的選擇, 盡量采用直接指標(biāo)作為被控變量。當(dāng)無法獲得直接指標(biāo)信號(hào)，或其測量和變送信號(hào)滯后很大時(shí)，可選擇與直接指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接指標(biāo)作為被控變量。, 被控變量應(yīng)能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。, 選擇被控變量時(shí)，必須考慮工藝合理性和國內(nèi)儀表產(chǎn)品現(xiàn)狀。, 被控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。,.,副被控變量的選擇,1、使副回路包含主要擾動(dòng)，并包含盡可能多的擾動(dòng)。 主要擾動(dòng)：對(duì)主變量影響最嚴(yán)重、最劇烈、最頻繁 的擾動(dòng)。 擾動(dòng)較多、難分主次：盡可能多的包含擾動(dòng)。 2、副回路的時(shí)間常數(shù)要合適，保證副回路的快速性，避免發(fā)生“共振”。一般要求

9、主、副回路的時(shí)間常數(shù)之比為310 。,.,副變量越靠近主變量，副回路包含的擾動(dòng)越多， 同時(shí)通道變長，滯后增加，控制速度變慢； 副變量越靠近操縱變量，副回路包含的擾動(dòng)越少， 通道越短，控制速度越快。,副被控變量的選擇,3、要求副變量的變化對(duì)主變量影響作用明顯，主、副變量要有一定的內(nèi)在聯(lián)系。 a、與主變量有一定關(guān)系的中間變量 b、選操縱變量作為副變量,.,副被控變量的選擇,4、主要的非線性環(huán)節(jié)納入副回路。使非線性對(duì)主變量影響小。,5、副回路盡量少包含或不包含純滯后。,6、考慮工藝合理性和經(jīng)濟(jì)性。,.,串級(jí)系統(tǒng)副參數(shù)的選擇分析,副回路的快速性與副回路所能包括的擾動(dòng)范圍之間的矛盾,.,（1）副參數(shù)為加

10、熱蒸汽（作用線1）,分析：可保持加熱量穩(wěn)定，它只能快速消除因蒸汽汽源壓力變化引起的擾動(dòng)。由于蒸汽流量對(duì)象的滯后非常小，當(dāng)用流量作副變量時(shí)，并不能使串級(jí)系統(tǒng)的頻率有多少提高，對(duì)克服其它擾動(dòng)不明顯。,.,（2）副參數(shù)為調(diào)節(jié)閥后的蒸汽壓力（作用線2）,分析：把加熱蒸汽側(cè)的擾動(dòng)完全包括在副環(huán)之內(nèi)，與1相比，副環(huán)中包括了更大的時(shí)間常數(shù)，有助于改善主環(huán)的調(diào)節(jié)性能。,.,（3）副參數(shù)為再沸器的蒸發(fā)量（作用線3）,分析：把再沸器側(cè)的擾動(dòng)包括在副環(huán)內(nèi)（再沸器液位、塔釜溫度等），有助于改善主環(huán)的調(diào)節(jié)性能，但副環(huán)克服蒸汽方面的擾動(dòng)要慢些。,.,方案1、溫度-壓力串級(jí)控制 出口溫度為主變量 燃油壓力為副變量 能克服燃

11、油壓力波動(dòng)的影響,串級(jí)控制副變量選擇練習(xí),如果燃油波動(dòng)較大，主要擾動(dòng)就是燃油壓力的波動(dòng)， 可采用此串級(jí)控制系統(tǒng)，以快速克服燃油壓力波動(dòng)帶來的擾動(dòng)。,加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng),燃料油,擾動(dòng)： 燃料油壓力的波動(dòng) 燃料油成分變化，導(dǎo)致燃油熱值不同,.,方案2、溫度-溫度串級(jí)控制 出口溫度為主變量 爐膛溫度為副變量 能克服燃油熱值等問題的影響,燃油壓力較穩(wěn)定的情況下，主要擾動(dòng)是燃油熱值的變化， 使用該串級(jí)控制系統(tǒng)可以得到更好的控制效果。,加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng),.,精餾塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng),分析： 溫度控制對(duì)象滯后較大， 加熱蒸汽壓力波動(dòng)大， 控制不及時(shí)，控制質(zhì)量不夠理想。,解決方法： 溫度-流量串級(jí)控制

12、系統(tǒng) 精餾塔塔釜溫度為主變量 蒸汽流量為副變量,使蒸汽流量穩(wěn)定，大大減少這種擾動(dòng)對(duì)主變量的影響。,.,主、副控制器控制規(guī)律的選擇,出發(fā)點(diǎn)：主回路為定值控制系統(tǒng),主控制器：PI或PID,要求：主變量，工藝要求嚴(yán)格，允許波動(dòng)的范圍較小， 一般不允許有余差。,主控制器,.,出發(fā)點(diǎn)：副回路為隨動(dòng)控制系統(tǒng),副控制器：P或PI,要求：副變量無嚴(yán)格要求，副回路要具有快速性， 最好不帶積分作用。但是，選流量參數(shù)為副變量 時(shí)，加入較弱的積分作用，增強(qiáng)控制作用。,副控制器,主、副控制器控制規(guī)律的選擇,.,舉例,加熱爐溫度-壓力串級(jí)控制,加熱爐溫度-溫度串級(jí)控制,主控制器： 副控制器：,PID P,主控制器： 副控

13、制器：,PID P,如果換成流量，又該如何選擇？,主控制器： 副控制器：,PID PI,.,主、副控制器正、反作用的選擇,主、副回路都必須是負(fù)反饋,副控制器,這時(shí)不考慮主控制器的作用方式。,與單回路控制系統(tǒng)中控制器正、反作用方式選擇相同。,(副控制器) (執(zhí)行器) (副對(duì)象) (副測量變送) =,.,主控制器,主、副控制器正、反作用的選擇,主控 制器,調(diào)節(jié) 閥,副對(duì)象,主對(duì)象,主測量 變送,二次擾動(dòng),一次擾動(dòng),副控 制器,副測量 變送,主設(shè)定值,主被控變量,副被控變量,副回路,主回路,副設(shè)定值,.,主、副控制器正、反作用的選擇,主控 制器,副環(huán),主對(duì)象,主測量 變送,主設(shè)定值,主被控變量,主回

14、路,副環(huán)始終為正作用。,主測量變送為正作用。,(主控制器) (主對(duì)象)=,.,主、副控制器正反作用的選擇原則,主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)是先副后主。 （1）副控制器的正、反作用與主回路無關(guān)。副環(huán)可以按照單回路控制系統(tǒng)確定正、反作用的方法來確定副控制器的正、反作用。 （2）主控制器的正、反作用根據(jù)主回路所包括的各環(huán)節(jié)來確定。副回路視為“正”，因變送器一般為“正”，這樣主控制器的正負(fù)特性與主對(duì)象的正負(fù)特性相反。,.,例題,例1.確定下圖所示加熱爐出口溫度與燃料油壓力串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器的正反作用。,控制閥： 副對(duì)象： 副測量變送:,“” “” “”,副控制器：“”,主對(duì)象：,“”,主控

15、制器：“”,.,例2.確定下圖所示加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器的正反作用。,例題,控制閥： 副對(duì)象： 副測量變送:,“” “” “”,副控制器：“”,主對(duì)象：,“”,主控制器：“”,.,串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)施,選擇實(shí)施方案時(shí)，需考慮的問題： 方案應(yīng)滿足操作要求。 實(shí)施方案應(yīng)力求實(shí)用，簡單可靠，少花錢多辦事。 儀表信號(hào)必須互相匹配。不同類型儀表需配信號(hào)轉(zhuǎn)換器。 副控制器必須具有外給定輸入接口。接收主控制器的外給定信號(hào)。 實(shí)施方案應(yīng)便于操作。,.,串級(jí)控制一般方案：,4-20mA,20-100kPa,.,主控-串級(jí)切換的串級(jí)控制方案,結(jié)論： 只有當(dāng)副控制器為反作用時(shí)才能由串級(jí)與主控

16、之間直接切換。,如果副控制器為正作用，必須在向主控切換的同時(shí)改變主控制器的正反作用。,注意： 串級(jí)與主控直接切換的條件:組成的控制系統(tǒng)必須是負(fù)反饋控制系統(tǒng),.,先副后主 保證無擾動(dòng)切換,串級(jí)系統(tǒng)的投運(yùn),原則,具體步驟,閱讀教材,.,將主、副控制器的切換開關(guān)都置于手動(dòng)； 使生產(chǎn)處于要求的工況； 使副偏差為0，將副控制器切換到自動(dòng)； 使主控制器的偏差為0，然后將主控制器切換到自動(dòng)。,.,兩步法（先副環(huán)后主環(huán)的方法） 1）在主副回路閉合時(shí)，將主控制器置100%、 Ti置、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副環(huán)，找出副變量出現(xiàn)4:1振蕩過程的記錄下比例度2s 及振蕩周期T 2s 。 2）將副控制器置2s 、 Ti置、Td 置0，然后按4:1整定方法整定主環(huán)，找出主變量出現(xiàn)4:1衰減振蕩過程，記錄下比例度1s 及振蕩周期T 1s。,串級(jí)系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法,.,3）、根椐得到的1s 、 T 1s 、 2s 、 T 2s值，結(jié)合主、副控制器的選型，按單回控制系統(tǒng)衰減曲線法的計(jì)算公式，可以計(jì)算出主、副控制器的、Ti 、Td。 4）、將計(jì)算所得參數(shù)按先副環(huán)后主環(huán)、先比例再積分后微分的順序在控制器上放好，觀察控制過程曲線，如不夠滿意，可適當(dāng)?shù)?/p>