過程控制工程5.串級控制系統(tǒng)

1、串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)基本要求n了解串級控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)；n掌握串級控制系統(tǒng)的方框圖表示法；n結(jié)合控制原理，掌握串級系統(tǒng)的分析方法；n了解串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；n掌握串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法;n了解串級控制系統(tǒng)的抗積分飽和措施。反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)出料進(jìn)料冷卻劑TC控制變量：冷卻劑量被控變量：反應(yīng)溫度控 制 閥：氣關(guān)閥控制規(guī)律：PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套槽壁反應(yīng)槽溫度測量變送D2D1T1spT2T1單回路控制系統(tǒng)擾動分析單回路控制系統(tǒng)擾動分析問題：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(yīng)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

2、 T2 （經(jīng)對流傳熱）槽壁溫度 反應(yīng)槽溫度T1 （經(jīng)反饋回路）冷卻水量出料進(jìn)料冷卻劑TC對調(diào)節(jié)滯后的解決方法之一對調(diào)節(jié)滯后的解決方法之一對于冷卻水方面的擾動，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(yīng)槽溫度T1能更快地感受到。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。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來自動實(shí)現(xiàn)）。“串級控制串級控制” 反應(yīng)器溫度的串級控制方案反應(yīng)器溫度的串級控制方案特點(diǎn)：特點(diǎn)：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(shè)

3、定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值。 出料進(jìn)料冷卻劑TC2TC1T2T1反應(yīng)器溫度串級控制框圖反應(yīng)器溫度串級控制框圖TC1稱為“主調(diào)節(jié)器”，TC2稱為“副調(diào)節(jié)器”。TC2閥夾套槽壁反應(yīng)槽反應(yīng)器溫度測量D2D1T2spT2T1T1sp夾套水溫測量TC1通用的串級控制系統(tǒng)通用的串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副參數(shù)測量變送副對象主對象一次擾動二次擾動主參數(shù)副參數(shù)主參數(shù)測量變送y1,spy2,spy2ym2y1ym1串級控制系統(tǒng)方塊圖串級控制系統(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

4、一個等效的控制閥）。Gm2y1,spy2,spy2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2GvGp2D2D1Gp1副回路主回路串級系統(tǒng)副環(huán)的等效性Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGGG+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）n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；2222211)()(mpvcGGGGsDsD+由于而對于動態(tài)滯后較小的副回路，有1222mpvcGGGG22DD 串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（2）n對負(fù)荷或操作條件的變化具有一定的自適應(yīng)能力，并能自動地克服副對象增益或

5、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1222mpvcKKKK當(dāng)221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK+結(jié)論結(jié)論：當(dāng)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(guān)（系統(tǒng)的“魯棒性魯棒性”強(qiáng)）。串級系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則串級系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則n副參數(shù)的選擇應(yīng)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(yīng)靈敏；n副回路應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾；n盡可能將帶有非線性或時變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。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。串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇舉例串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇舉例*PC123123加熱

6、蒸汽再沸器塔底部FCTCFC分析問題分析問題：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。串級方案設(shè)計(jì)舉例串級方案設(shè)計(jì)舉例FCTC進(jìn)料出料燃料油TC進(jìn)料出料燃料油PC討論：副回路所包含的干擾與副回路快速性之間的矛盾？串級方案設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）串級方案設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）TCTC燃料油進(jìn)料出料討論討論：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“共共振振”（系統(tǒng)穩(wěn)定性越差）。串級系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型串級系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型n副調(diào)節(jié)器常選擇PI控制律原因：原因：副回路為隨動系統(tǒng)，其設(shè)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

7、，為加大副回路的調(diào)節(jié)能力，理想上不用加積分作用。但實(shí)際運(yùn)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積分作用要求較弱以保證副回路較強(qiáng)的抗干擾能力。串級系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型串級系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型n主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID控制律原因：原因：主回路的任務(wù)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(qiáng)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(dāng)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。串級系統(tǒng)串級系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法參數(shù)的整定方法nStep 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)

8、。nStep 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對象的動態(tài)特性與相應(yīng)特征參數(shù)。nStep 3: 采用單回路調(diào)節(jié)參數(shù)的工程整定法（如Z-N準(zhǔn)則），確定主回路的PID參數(shù)。練習(xí)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(yīng)選用氣關(guān)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(yīng)的信號）。PC加熱蒸汽再沸器塔底部TCTspPspTmPmPTuPv串級PID系統(tǒng)的積分飽和問題FCTC進(jìn)料出料燃料油情況情況1：流量副回路出現(xiàn)“積分飽和”，可采用單回路抗積分飽和方法；情況情況2：當(dāng)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。單回路系統(tǒng)的防積分飽和d(t)廣義對象ym(t)ysp(t)ve(s)11+sTIu111+sATsTKDDDCPID 控制器方法方法：正常情況為標(biāo)準(zhǔn)的PD+PI控制算法；而當(dāng)出現(xiàn)超限時，通過限制積分作用達(dá)到切除積分作用