串級(jí)控制系統(tǒng)ppt課件

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(cè)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(guò)渡過(guò)程有 什么樣的影響?課堂提問(wèn)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？ 調(diào)大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(guò)渡到自動(dòng)狀態(tài)，該說(shuō)法對(duì)不對(duì)?常用復(fù)雜控制系統(tǒng)/勻控制系統(tǒng)/比值控制系統(tǒng) / 前饋控制系統(tǒng) Z 分程控制系統(tǒng)選擇性控制系統(tǒng) 雙重控制系統(tǒng) 基于模型計(jì)算的控制

2、系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)：在簡(jiǎn)單反饋控制回路中引入計(jì)算單元、控制單元或其他單元的控制系統(tǒng)從輸入輸出變量來(lái)看， 復(fù)雜境制系統(tǒng)基本是SISO系統(tǒng)本章研兗工業(yè)應(yīng)用中簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)約占85% 復(fù)雜控制系統(tǒng)約占15% 隨著計(jì)算機(jī)和集散控制系統(tǒng)的應(yīng)用 復(fù)雜控制系統(tǒng)的比例不斷增高復(fù)雜控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、基本工作原理 復(fù)雜控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、應(yīng)用主要內(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)TCA; 夾卒套txO .槽o出料冷卻劑操縱變量 被控變量 控制規(guī)律冷卻劑流量反應(yīng)溫度P

3、ID溫度測(cè)量變送+系統(tǒng)控制與擾動(dòng)的分析TC=iIIIin干擾變量的影響：冷卻水入 口溫度變化T夾套內(nèi)冷卻 屮卿 水溫度變化-槽壁溫度變A化一反應(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(wèn)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。I 一 一一一 一一 -I+解決方法夾套冷卻水溫度乙比反應(yīng)槽溫度爲(wèi)能更快地感受到來(lái)自干擾（冷卻水入口溫度）以及來(lái)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)TC? 以盡快地克服冷卻水方面的擾動(dòng)。但TC?的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)爲(wèi)的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反

4、應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）o反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制方案特點(diǎn)：兩個(gè)調(diào)節(jié)器串在一冷卻劑起工作，調(diào)節(jié)器TC?通過(guò) 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 TC通過(guò)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。I 一 一一一 一一 -I冷卻劑反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖TC2oo進(jìn)料串級(jí)控制系統(tǒng)定義: 兩個(gè)控制器串聯(lián)，兩個(gè)被控對(duì)象，兩個(gè)測(cè)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)的名詞術(shù)語(yǔ)Ill主被控變量：生產(chǎn)過(guò)程中的工藝控制指標(biāo)。反應(yīng)槽內(nèi)的溫度副被控變量：為了穩(wěn)定主被

5、控變量而引入的中 間輔助變量。夾套內(nèi)的溫度-主被控對(duì)象：生產(chǎn)過(guò)程中要控制的生產(chǎn)設(shè)備、 裝置。反應(yīng)槽-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）O 夾套I串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語(yǔ)主控制器：按主被控變量的測(cè)量值與設(shè)定值的 偏差而工作，其輸出為副被控變量的設(shè)定值。副控制器:TCt設(shè)定值是主控制器的輸出。tc2主設(shè)定值 副設(shè)定值主測(cè)量值副測(cè)量值串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語(yǔ)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(cè)量變送器。主回路：主控制器、副回路、主被控對(duì)象、主 測(cè)量變送器。 _次擾動(dòng)二次擾動(dòng)丫串級(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)

6、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(guò)程分析1(/1(/2冷卻劑進(jìn)料2T紳夾套一次擾動(dòng) 出料 一次擾動(dòng)risp <>- TC+ 4 +VTC2 -閥夾套水溫測(cè)量V反應(yīng)器溫度測(cè)量VM欝.E1&W齧回舟曹班串級(jí)與單回路控制simuUnk仿真調(diào)節(jié)時(shí)間18060余差00串級(jí)與單回路控制simulink仿真二次擾動(dòng)最大偏差0270.013級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 特點(diǎn)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

7、，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）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(méi)有完全克服掉的干擾影響 能徹底加以克服。j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 4、具有非線性特性的過(guò)程容量滯后：物料或能量的傳遞需要通過(guò)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)濁度討污水混合池溶液池反應(yīng)池 沉淀池圖混凝加藥單回路控制方案溶液池污水混合池 反應(yīng)池 沉淀池圖混凝加藥串級(jí)控制方案串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主、副被

8、控變量 主、副控制器 執(zhí)行器 主、副測(cè)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(jiǎn)稱主變量）的選擇與簡(jiǎn)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(guò)程中較重要的變量。被控變量在工藝操作過(guò)程中經(jīng)常要受到_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(wú)法獲得 直接指標(biāo)信號(hào)，或其測(cè)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(cè)量出來(lái)，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(guó)內(nèi)儀 表產(chǎn)品現(xiàn)狀。 被

9、控變量應(yīng)是獨(dú)立可控的。副被控變量的選擇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” o 一般要求主、副回路的時(shí)間常數(shù) 之比為3-10 o乂副被控變量的選擇1=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(zhǎng)，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。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

10、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)范圍之間的矛盾塔底部進(jìn)料&-3加熱蒸汽三再沸器節(jié)器節(jié)器閥|D2(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(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。再沸器Df 塔底-r控制方案丄方框圖(2)副參數(shù)為調(diào)節(jié)閥后的蒸汽壓力(作用線2)進(jìn)料L加熱蒸汽主調(diào)節(jié)器再沸器

11、塔底部分析：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。D1副調(diào)節(jié)器D2調(diào)節(jié) 閥蒸汽管 路系統(tǒng)再沸器流量測(cè)量溫度測(cè)量控制方案3方框圖進(jìn)料塔底部D2D1（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?？刂品桨?方框圖調(diào)節(jié) 閥蒸汽管路系統(tǒng)再沸器塔底控制方案#方框圖控制方案5方框圖流量測(cè)量 溫度測(cè)量控制方案#方框圖31串級(jí)控制副變量選擇練習(xí)鼻加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)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I

12、llIII方案J溫度壓力串級(jí)控制 出口溫度為主變量IIJ燃油壓另為副變量缺測(cè)油能克服燃油壓力波動(dòng)的影響 燃料油 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(lái)的擾動(dòng)。*加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)1=1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。+ 精懈塔溫度串級(jí)控制系統(tǒng)分析:進(jìn)料溫度控制對(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)控制系統(tǒng)精儲(chǔ)塔塔釜溫度為主變量蒸汽流量為副變量塔底產(chǎn)品家汽使蒸汽流量穩(wěn)定，大大減少這種擾動(dòng)對(duì)主變量的影響。占主、副控制器控制規(guī)律

13、的選擇主控制器出發(fā)點(diǎn)：主回路為定值控制系統(tǒng) 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O主控制器：PI或PID主、副控制器控制規(guī)律的選擇副控制器出發(fā)點(diǎn)：副回路為隨動(dòng)控制系統(tǒng)要求：副變量無(wú)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：P或PId: uBa® aid :常輙豐d : SBSfiS aid :常哺爭(zhēng)豐igwwx鞅瞬番血Id : HWSfffl aid :韻興豐主、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、

14、反作用方式選擇相同。（副控制器）X （執(zhí)行器）X （副對(duì)象）jl主、副控制器正、反作用的選擇主控制器副回路r主設(shè)定值主被控主.副控制器正.反作用的選擇I 主被控 .主測(cè)量變送為正作用+'。（主控制器）X（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(wú)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(lái)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(lái)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?！崩}III例1確定下

15、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。副控制器：“一” 主對(duì)象：“+”控制閥： “+” 副對(duì)象： “十” 副測(cè)量變送：“+”例題Ill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。副控制器：“一” 主對(duì)象：“+”控制閥： “+” 副對(duì)象： “十” 副測(cè)量變送：“+”主控制器：“一”串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)施塾實(shí)施方案時(shí),需考慮的問(wèn)題：方案應(yīng)滿足操作要求。實(shí)施方案應(yīng)力求實(shí)用，簡(jiǎn)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

16、一般方案:4-20mA20-100kPaL主控串級(jí)切換的串級(jí)控制方案注意：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):只有當(dāng)副控制器為反作用時(shí)才能由串級(jí)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(shí)改變主控 制器的正反作用。出串級(jí)系統(tǒng)的投運(yùn)原則先副后主保證無(wú)擾動(dòng)切換具體步驟-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)。+串級(jí)系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法兩步法（先副環(huán)后主環(huán)的方法）2s °1）在主副回路閉合時(shí)，將主控制器。置100%、 Ti置8、Td置0,然后按4江整定方法整定副環(huán)， 找出副變量出現(xiàn)4： 1振蕩過(guò)程的記錄下比例度6s及 振蕩周期T2）將副控制器置&2s、R置8、Td置0,然后按 4江整定方法整定主環(huán)，找出主變量出現(xiàn)4江衰減振 蕩過(guò)程，記錄下比例度6s及振蕩周期Tlso3）、根據(jù)得到的®s、Tls. 52s. T2s<,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6、Ti、 Tdo 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(guò)程