串級控制系統(tǒng)

.,串級控制系統(tǒng)CascadeControlSystem,.,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、積分時間、微分時間分別對過渡過程有什么樣的影響？,.,課堂提問,采用PI控制，Ti調小時為保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，比例度應該怎樣變化？工程整定方法有哪幾種？主要步驟是什么？系統(tǒng)的投運是使執(zhí)行器從手動平穩(wěn)過渡到自動狀態(tài)，該說法對不對？,調大,.,.,.,主要內容,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；,.,反應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,反應溫度,PID,夾套,槽壁,.,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：冷卻水調節(jié)閥開度變化冷卻水流量變化夾套內冷卻水溫度變化槽壁溫度變化反應槽溫度變化,問題：從擾動開始至調節(jié)器動作，滯后較大，特別對于大容量的反應槽，滯后更大。,.,解決方法,夾套冷卻水溫度T2比反應槽溫度T1能更快地感受到來自干擾（冷卻水入口溫度）以及來自控制的影響。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節(jié)器TC1來自動實現(xiàn)）。,“串級控制”,.,反應器溫度的串級控制方案,特點：兩個調節(jié)器串在一起工作，調節(jié)器TC2通過調節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調節(jié)器TC1通過調節(jié)夾套內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。,.,反應器溫度串級控制框圖,.,串級控制系統(tǒng)的框圖,通用的串級控制系統(tǒng),主控制器,調節(jié)閥,副對象,主對象,主測量變送,二次擾動,一次擾動,副控制器,副測量變送,主設定值,主被控變量,副被控變量,副回路,隨動控制系統(tǒng),定值控制系統(tǒng),主回路,副設定值,.,定義:兩個控制器串聯(lián)，兩個被控對象，兩個測量變送裝置，一個執(zhí)行器，兩個回路主控制器的輸出作為副控制器的設定值由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果,串級控制系統(tǒng),.,串級控制系統(tǒng)的名詞術語,主被控變量：生產過程中的工藝控制指標。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。主被控對象：生產過程中要控制的生產設備、裝置。副被控對象：表征副被控變量特性的設備（輸入量為操縱變量，輸出量為副被控變量）。,反應槽內的溫度,夾套內的溫度,反應槽,夾套,.,主控制器：按主被控變量的測量值與設定值的偏差而工作，其輸出為副被控變量的設定值。副控制器：設定值是主控制器的輸出。主設定值副設定值主測量值副測量值,串級控制系統(tǒng)的名詞術語,TC1,TC2,.,副回路:串級控制系統(tǒng)內部。包含：副控制器、執(zhí)行器、副被控對象、副測量變送器。主回路：主控制器、副回路、主被控對象、主測量變送器。一次擾動二次擾動,串級控制系統(tǒng)的名詞術語,.,串級控制系統(tǒng),主回路為定值控制系統(tǒng)設定值固定副回路為隨動控制系統(tǒng)設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。,.,串級控制系統(tǒng)的控制過程分析,一次擾動二次擾動,.,串級與單回路控制simulink仿真,.,串級與單回路控制simulink仿真,調節(jié)時間18060余差00,.,串級與單回路控制simulink仿真,二次擾動最大偏差0.270.013,.,串級控制系統(tǒng)的特點及應用范圍,1、兩個串接工作的控制器構成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中主回路是定值控制，副回路是隨動控制2、副回路的引入，大大克服了二次擾動對系統(tǒng)被調量的影響3、迅速克服進入副回路擾動的影響，提高系統(tǒng)的抗擾動能力4、對負荷變化有一定的自適應能力（適應操作條件的變化）,特點,副回路具有先調、粗調、快調的特點；主回路具有后調、細調、慢調的特點，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。,.,應用范圍,1、純滯后大2、容量滯后大3、擾動變化劇烈、幅值大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：介質的輸送由于有一段距離需要一段時間而引起的滯后。,.,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,.,污水處理混凝加藥串級控制系統(tǒng),濁度控制器,濁度計,.,串級控制系統(tǒng)的設計,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。,被控變量應能代表一定的工藝操作指標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常要受到一些干擾影響而變化。為維持其恒定，需要較頻繁的調節(jié)。,.,主被控變量的選擇,盡量采用直接指標作為被控變量。當無法獲得直接指標信號，或其測量和變送信號滯后很大時，可選擇與直接指標有單值對應關系的間接指標作為被控變量。,被控變量應能被測量出來，并具有足夠大的靈敏度。,選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性和國內儀表產品現(xiàn)狀。,被控變量應是獨立可控的。,.,副被控變量的選擇,1、使副回路包含主要擾動，并包含盡可能多的擾動。主要擾動：對主變量影響最嚴重、最劇烈、最頻繁的擾動。擾動較多、難分主次：盡可能多的包含擾動。2、副回路的時間常數(shù)要合適，保證副回路的快速性，避免發(fā)生“共振”。一般要求主、副回路的時間常數(shù)之比為310。,.,副變量越靠近主變量，副回路包含的擾動越多，同時通道變長，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主變量影響作用明顯，主、副變量要有一定的內在聯(lián)系。a、與主變量有一定關系的中間變量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濟性。,.,串級系統(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范圍之間的矛盾,.,（1）副參數(shù)為加熱蒸汽（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。由于蒸汽流量對象的滯后非常小，當用流量作副變量時，并不能使串級系統(tǒng)的頻率有多少提高，對克服其它擾動不明顯。,.,（2）副參數(shù)為調節(jié)閥后的蒸汽壓力（作用線2）,分析：把加熱蒸汽側的擾動完全包括在副環(huán)之內，與1相比，副環(huán)中包括了更大的時間常數(shù)，有助于改善主環(huán)的調節(jié)性能。,.,（3）副參數(shù)為再沸器的蒸發(fā)量（作用線3）,分析：把再沸器側的擾動包括在副環(huán)內（再沸器液位、塔釜溫度等），有助于改善主環(huán)的調節(jié)性能，但副環(huán)克服蒸汽方面的擾動要慢些。,.,方案1、溫度-壓力串級控制出口溫度為主變量燃油壓力為副變量能克服燃油壓力波動的影響,串級控制副變量選擇練習,如果燃油波動較大，主要擾動就是燃油壓力的波動，可采用此串級控制系統(tǒng)，以快速克服燃油壓力波動帶來的擾動。,加熱爐溫度串級控制系統(tǒng),燃料油,擾動：燃料油壓力的波動燃料油成分變化，導致燃油熱值不同,.,方案2、溫度-溫度串級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，主要擾動是燃油熱值的變化，使用該串級控制系統(tǒng)可以得到更好的控制效果。,加熱爐溫度串級控制系統(tǒng),.,精餾塔溫度串級控制系統(tǒng),分析：溫度控制對象滯后較大，加熱蒸汽壓力波動大，控制不及時，控制質量不夠理想。,解決方法：溫度-流量串級控制系統(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，大大減少這種擾動對主變量的影響。,.,主、副控制器控制規(guī)律的選擇,出發(fā)點：主回路為定值控制系統(tǒng),主控制器：PI或PID,要求：主變量，工藝要求嚴格，允許波動的范圍較小，一般不允許有余差。,主控制器,.,出發(fā)點：副回路為隨動控制系統(tǒng),副控制器：P或PI,要求：副變量無嚴格要求，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，加入較弱的積分作用，增強控制作用。,副控制器,主、副控制器控制規(guī)律的選擇,.,舉例,加熱爐溫度-壓力串級控制,加熱爐溫度-溫度串級控制,主控制器：副控制器：,PIDP,主控制器：副控制器：,PIDP,如果換成流量，又該如何選擇？,主控制器：副控制器：,PIDPI,.,主、副控制器正、反作用的選擇,主、副回路都必須是負反饋,副控制器,這時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,調節(jié)閥,副對象,主對象,主測量變送,二次擾動,一次擾動,副控制器,副測量變送,主設定值,主被控變量,副被控變量,副回路,主回路,副設定值,.,主、副控制器正、反作用的選擇,主控制器,副環(huán),主對象,主測量變送,主設定值,主被控變量,主回路,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是先副后主。（1）副控制器的正、反作用與主回路無關。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特性與主對象的正負特性相反。,.,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控制系統(tǒng)主、副控制器的正反作用。,控制閥：副對象：副測量變送:,“”“”“”,副控制器：“”,主對象：,“”,主控制器：“”,.,例2.確定下圖所示加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)主、副控制器的正反作用。,例題,控制閥：副對象：副測量變送:,“”“”“”,副控制器：“”,主對象：,“”,主控制器：“”,.,串級控制系統(tǒng)的實施,選擇實施方案時，需考慮的問題：方案應滿足操作要求。實施方案應力求實用，簡單可靠，少花錢多辦事。儀表信號必須互相匹配。不同類型儀表需配信號轉換器。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。實施方案應便于操作。,.,串級控制一般方案：,4-20mA,20-100kPa,.,主控-串級切換的串級控制方案,結論：只有當副控制器為反作用時才能由串級與主控之間直接切換。,如果副控制器為正作用，必須在向主控切換的同時改變主控制器的正反作用。,注意：串級與主控直接切換的條件:組成的控制系統(tǒng)必須是負反饋控制系統(tǒng),.,先副后主保證無擾動切換,串級系統(tǒng)的投運,原則,具體步驟,閱讀教材,.,將主、副控制器的切換開關都置于手動；使生產處于要求的工況；使副偏差為0，將副控制器切換到自動；使主控制器的偏差為0，然后將主控制器切換到自動。,.,兩步法（先副環(huán)后主環(huán)的方法）1）在主副回路閉合時，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T2s。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T1s。,串級系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法,.,3）、根椐得到的1s、T1s、2s、T2s值，結合主、副控制器的選型，按單回控制系統(tǒng)衰減曲線法的計算公式，可以計算出主、副控制器的、Ti、Td。4）、將計算所得參數(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?shù)剡M行一些微