復雜過程控制系統(tǒng)串級控制

第四章復雜過程控制系統(tǒng)串級控制前饋控制大滯后補償控制比值控制分程與選擇性控制多變量解耦控制模糊控制預測控制第一頁，共四十三頁。單回路系統(tǒng)的局限僅適用于比較簡單的單輸出生產(chǎn)過程的控制，不能解決多輸出過程的控制問題。即使是簡單的單輸出生產(chǎn)過程，也存在這樣的情況，如其調節(jié)對象的動態(tài)特性決定了它很難控制(如過程的滯后常數(shù)很大或擾動量很大)；或調節(jié)對象的動態(tài)特性雖不復雜，但工藝對調節(jié)質量的要求很高或很持殊。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質量，對提高生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護提出了更高的要求，使工業(yè)生產(chǎn)過程對操作條件要求更加嚴格，對工藝參數(shù)要求更加苛刻，從而對控制系統(tǒng)的精度和功能要求更高。2精品PPT|借鑒參考第二頁，共四十三頁。第一節(jié)串級(Cascade)控制一、串級控制系統(tǒng)的結構與工作過程3精品PPT|借鑒參考第三頁，共四十三頁。方案一：圖4—1a(單回路)被控參數(shù)：爐的出口溫度T1(直接參數(shù))控制參數(shù)：燃料量主要擾動：被加熱物料的流量和初溫f1(t)，燃料熱值的變化、壓力的波動、流量的變化f2(t)，煙囪擋板位置的改變、抽力的變化f3(t).系統(tǒng)特點：所有對被控參數(shù)的擾動都包含在這個回路中，理論上都可由溫度調節(jié)器予以克服，但是控制通道的時間常數(shù)和容量滯后較大，控制作用不及時，系統(tǒng)克服擾動的能力較差，不能滿足生產(chǎn)工藝要求。4精品PPT|借鑒參考第四頁，共四十三頁。方案二：圖4—1b(單回路)被控參數(shù)：爐膛溫度T2(間接參數(shù))控制參數(shù)：燃料量主要擾動：被加熱物料的流量和初溫f1(t)，燃料熱值的變化、壓力的波動、流量的變化f2(t)，煙囪擋板位置的改變、抽力的變化f3(t)。系統(tǒng)特點：能及時有效地克服擾動f2(t)、f3(t)，但是擾動f1(t)未包括在系統(tǒng)內，系統(tǒng)不能克服擾動f1(t)對爐出口溫度的影響，仍然不能達到生產(chǎn)工藝要求。5精品PPT|借鑒參考第五頁，共四十三頁。方案三：圖4—2(串級)主被控參數(shù)(主參數(shù))：爐出口溫度T1副被控參數(shù)(副參數(shù))：爐膛溫度T2特點：把爐出口溫度調節(jié)器T1的輸出作為爐膛溫度調節(jié)器T2的給定值，擾動f2(t)、f3(t)主要由爐膛溫度調節(jié)器(副調節(jié)器)構成的控制回路(副回路)來克服，擾動f1(t)對爐出口溫度的影響由爐出口溫度調節(jié)器(主調節(jié)器)構成的控制回路(主回路)來消除。6精品PPT|借鑒參考第六頁，共四十三頁。名詞術語：

主回路、副回路

主參數(shù)、副參數(shù)

主過程、副過程(對象)

主調節(jié)器、副調節(jié)器

一次擾動、二次擾動7精品PPT|借鑒參考第七頁，共四十三頁。加熱爐串級控制系統(tǒng)的工作過程當處在穩(wěn)定工況時，被加熱物料的流量和溫度不變，燃料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口溫度和爐膛溫度均處于相對平衡狀態(tài)，調節(jié)閥保持一定的開度，此時爐出口溫度穩(wěn)定在給定值上，當擾動破壞了平衡工況時，串級控制系統(tǒng)便開始了其控制過程。根據(jù)不同的擾動，分三種情況：1.燃料壓力、熱值變化f2(t)和煙筒抽力變化f3(t)----二次擾動或副回路擾動2.被加熱物料的流量和初溫變化f1(t)----一次擾動或主回路擾動8精品PPT|借鑒參考第八頁，共四十三頁。3.一次擾動和二次擾動同時存在假設調節(jié)閥為氣開式，主、副調節(jié)器均為反作用。如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)同時增大或同時減少，主、副調節(jié)器對調節(jié)閥的控制方向是一致的，即大幅度關小或開大閥門，加強控制作用，使爐出口溫度很快調回到給定值上。如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)一個增大(爐出口溫度升高)，另一個減小(燃料量減少，即爐膛溫度降低)，此時主、副調節(jié)器控制調節(jié)閥的方向是相反的，調節(jié)閥的開度只要作較小變動即可滿足控制要求。9精品PPT|借鑒參考第九頁，共四十三頁。二、串級控制系統(tǒng)的特點與分析在結構上與電力傳動自動控制系統(tǒng)中的雙閉環(huán)系統(tǒng)相同(比單回路系統(tǒng)多了一個副回路)，其系統(tǒng)特點與分析方法亦基本相同。主回路(外環(huán))：定值控制系統(tǒng)副回路(內環(huán))：隨動控制系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器與一個控制器(調節(jié)器)，增加的投資并不多(對計算機控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個測量變送器)，但控制效果卻有顯著的提高，其原因在于串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路。10精品PPT|借鑒參考第十頁，共四十三頁。(一)改善了被控過程的動態(tài)特性11精品PPT|借鑒參考第十一頁，共四十三頁。副回路閉環(huán)傳遞函數(shù)設W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2，Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得式中----等效被控過程的放大系數(shù)----等效被控過程的時間常數(shù)12精品PPT|借鑒參考第十二頁，共四十三頁?？梢奣’02僅為T02的1/(1+Kc2Kv2K02Km2)。而且隨著Kc2的增大這種效果更顯著。如果匹配得當，副回路可近似為1：1的環(huán)節(jié)。這樣對主調節(jié)器來說，其等效被控過程只剩下不包括在副回路之內的一部分被控過程，所以其容量滯后減小了，過程的動態(tài)特性得到顯著改善，使系統(tǒng)的響應加快，控制更為及時，從而提高了系統(tǒng)的控制質量。串級控制系統(tǒng)由于增加了一個副回路，使等效被控過程的時間常數(shù)減小了，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。（頻域分析略）13精品PPT|借鑒參考第十三頁，共四十三頁。(二)大大增強了對二次擾動的克服能力在二次擾動F2(s)的作用下，副回路傳遞函數(shù)系統(tǒng)輸出對輸入的傳遞函數(shù)為而系統(tǒng)輸出對二次擾動F2(s)的傳遞函數(shù)為14精品PPT|借鑒參考第十四頁，共四十三頁。對于一個控制系統(tǒng)來說，當它在給定信號作用下，其輸出量能復現(xiàn)輸入量的變化，即Y1(s)/X1(s)越接近于1時，則系統(tǒng)的控制性能越好；當它在擾動作用下，其控制作用能迅速克服擾動的影響，即Y1(s)/F2(s)越接近于0時，則系統(tǒng)的控制性能越好，系統(tǒng)的抗干擾能力就越強。圖4-5串級控制系統(tǒng)抗干擾能力可用下式表示：15精品PPT|借鑒參考第十五頁，共四十三頁。為了與單回路控制系統(tǒng)比較，用同樣方法可得出單回路控制系統(tǒng)(圖4—1a)輸出Y(s)對輸入X(s)的傳遞函數(shù)。輸出Y(s)對擾動F2(s)作用下的傳遞函數(shù)為16精品PPT|借鑒參考第十六頁，共四十三頁。單回路控制系統(tǒng)的抗干擾能力為串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)的抗擾動能力之比:設串級與單回路系統(tǒng)均采用比例調節(jié)器，其比例放大系數(shù)分別為KC1、KC2、KC，則上式變?yōu)橐话鉑C1KC2>>KC，所以QC2>>QD2。17精品PPT|借鑒參考第十七頁，共四十三頁。(三)對一次擾動有較好的克服能力對串級控制系統(tǒng)：抗擾動能力：對單回路控制系統(tǒng)：抗擾動能力：18精品PPT|借鑒參考第十八頁，共四十三頁。兩者抗一次擾動能力之比：設WC(s)=WC1(s)，一般情況下WC2(s)很大，則有一般情況下WV(s)W02(s)Wm2(s)小于1，因此串級控制系統(tǒng)的抗一次擾動的能力要比單回路控制系統(tǒng)略強一些。19精品PPT|借鑒參考第十九頁，共四十三頁。(四)對副回路參數(shù)變化具有一定的自適應能力在生產(chǎn)過程中，常含有非線性與未建模動態(tài)，工作點亦常隨負荷與操作條件發(fā)生變化，使過程特性發(fā)生變化。對于包含在副回路內的非線性與參數(shù)、負荷變化，串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力。例：加熱爐中零件數(shù)量變化（溫度控制）。20精品PPT|借鑒參考第二十頁，共四十三頁。仿真研究單回路系統(tǒng)：PID參數(shù)Kp=3.7TI=38sTD=0s未加干擾21精品PPT|借鑒參考第二十一頁，共四十三頁。串級控制(未加擾動)主調節(jié)器Kp=8.4TI=12.8sTD=0s副調節(jié)器Kp=10TI=5000sTD=0s22精品PPT|借鑒參考第二十二頁，共四十三頁。串級控制：(副回路加入階躍擾動)23精品PPT|借鑒參考第二十三頁，共四十三頁。串級控制：(主回路加入階躍擾動)24精品PPT|借鑒參考第二十四頁，共四十三頁。串級控制：(主、副回路同時加入階躍擾動)25精品PPT|借鑒參考第二十五頁，共四十三頁。PPT內容概述第四章復雜過程控制系統(tǒng)。2.被加熱物料的流量和初溫變化f1(t)----一次擾動或主回路擾動。T’02僅為T02的1/(1+Kc2Kv2K02Km2)。如果匹配得當，副回路可近似為1：1的環(huán)節(jié)。串級控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)的抗擾動能力之比:。一般KC1KC2>>KC，。所以QC2>>QD2。對于包含在副回路內的非線性與參數(shù)、負荷變化，串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應能力。例：圖4—2所示爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)。但副回路是隨動控制，只要求副參數(shù)能快速準確地跟隨主調節(jié)器的輸出變化即可。根據(jù)串級控制系統(tǒng)的設計原則，主、副過程的時間常數(shù)之比T01/T02應在3到10范圍內。將變化劇烈且幅度大的擾動包括在串級系統(tǒng)副回路中，就可大大減少其對主參數(shù)的影響。在過程控制中，一般工業(yè)過程特性都有一定的非線性。42第二十六頁，共四十三頁。參考文獻過程控制與Simulink應用，王正林,郭陽寬，200627精品PPT|借鑒參考第二十七頁，共四十三頁。三、串級控制系統(tǒng)的設計

(一)主、副回路的設計串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值控制系統(tǒng)。主參數(shù)的選擇和主回路的設計可以按照單回路控制系統(tǒng)的設計原則進行。串級控制系統(tǒng)的設計主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設計以及主、副回路關系的考慮。1．副回路應包括盡可能多的擾動副回路對于包含在其內的二次擾動以及非線性、參數(shù)變化有很強的抑制能力與一定的自適應能力，因此副回路應包括生產(chǎn)過程中變化劇烈且幅度大的主要擾動。28精品PPT|借鑒參考第二十八頁，共四十三頁。并不是說在副回路中包括的擾動愈多愈好，而應該是合理。原因：副回路包括的擾動愈多，通道就愈長，時間常數(shù)就愈大，無法快速克服擾動。2．應使主、副過程的時間常數(shù)適當匹配原則上，主、副過程時間常數(shù)之比應在3到10范圍之內。

如果副過程的時間常數(shù)比主過程小得太多，這時雖然副回路反應靈敏，控制作用快，但此時一般情況下副回路包含的擾動少，對于過程特性的改善也就減少了。29精品PPT|借鑒參考第二十九頁，共四十三頁。如果副回路的時間常數(shù)接近甚至大于主過程的時間常數(shù)，這時副回路雖對改善過程特性的效果較顯著，但副回路反映較遲鈍，不能及時有效克服擾動。如果主、副過程的時間常數(shù)比較接近，這時主、副回路的動態(tài)聯(lián)系十分密切，一個參數(shù)發(fā)生振蕩時，會使另一個參數(shù)也發(fā)生振蕩（共振），不利于生產(chǎn)的正常進行。串級控制系統(tǒng)主、副過程時間常數(shù)的匹配是一個比較復雜的問題，工程上應根據(jù)具體過程的實際情況與控制要求來定。30精品PPT|借鑒參考第三十頁，共四十三頁。(二)主、副調節(jié)器控制規(guī)律的選擇出發(fā)點：主調節(jié)器起定值控制作用，副調節(jié)器起隨動控制作用。

主調節(jié)器選PI或PID控制規(guī)律：主參數(shù)是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍較小，一般要求無余差。

副調節(jié)器選P控制規(guī)律：副參數(shù)的設置是為了保證主參數(shù)的控制質量，可以在一定范圍內變化，允許有余差。一般不引入積分(會延長控制過程，減弱副回路的快速作用)。也不引入微分(副回路本身起著快速作用，再引入微分規(guī)律會使調節(jié)閥動作過大，對控制不利)。31精品PPT|借鑒參考第三十一頁，共四十三頁。(三)確定主、副調節(jié)器正反作用方式主、副調節(jié)器正/反作用方式的選擇原則：使整個控制系統(tǒng)構成負反饋系統(tǒng)，即主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正。（各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的規(guī)定與單回路系統(tǒng)相同）例：圖4—2所示爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)。32精品PPT|借鑒參考第三十二頁，共四十三頁。四、串級控制系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定串級控制系統(tǒng)兩個調節(jié)器串聯(lián)起來控制一個調節(jié)閥，是相互關聯(lián)的，因此其參數(shù)整定也是相互關聯(lián)的，需相互協(xié)調、反復核定才能取得最佳效果。在整定主調節(jié)器時，必須知道副調節(jié)器的動態(tài)特性；在整定副調節(jié)器時，又必須知道主調節(jié)器的動態(tài)特性。原則：主回路為定值控制，要求主參數(shù)有較高的控制精度，其品質指標與單回路定值控制系統(tǒng)一樣。但副回路是隨動控制，只要求副參數(shù)能快速準確地跟隨主調節(jié)器的輸出變化即可。33精品PPT|借鑒參考第三十三頁，共四十三頁。1．兩步整定法根據(jù)串級控制系統(tǒng)的設計原則，主、副過程的時間常數(shù)之比T01/T02應在3到10范圍內。此時主、副回路的工作頻率和周期相差很大，動態(tài)聯(lián)系很小，可忽略不計。所以，副調節(jié)器參數(shù)按單回路系統(tǒng)方法整定后，可以將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路系統(tǒng)的整定方法整定主調節(jié)器的參數(shù)，而不再考慮主調節(jié)器參數(shù)變化對副回路的影響。另外，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對于主參數(shù)的質量指標要求很高，而對副參數(shù)的質量指標沒有嚴格要求，設置副參數(shù)是為了進一步提高主參數(shù)的控制質量。在副調節(jié)器參數(shù)整定好后，再整定主調節(jié)器參數(shù)，只要主參數(shù)的質量通過主調節(jié)器的參數(shù)整定得到保證，副參數(shù)的控制質量可以允許犧牲一些。34精品PPT|借鑒參考第三十四頁，共四十三頁。整定步驟：第一步整定副調節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調節(jié)器參數(shù)。（先副后主）1)在工況穩(wěn)定、主回路閉合，主、副調節(jié)器都在純比例作用下，主調節(jié)器的比例度置于100％，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法(如4：1)整定，求取副調節(jié)器的比例度δ2s和周期T2s。2)將副調節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值δ2s上，把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調節(jié)器的比例度δ1s和周期T1s。35精品PPT|借鑒參考第三十五頁，共四十三頁。3)根據(jù)δ1s、T1s、δ2s、T2s，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法的整定公式計算主調節(jié)器的比例度δ、積分時間TI和微分時間TD。4)按先副后主、先比例后積分的順序，設置主、副調節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調整，直到系統(tǒng)質量達到最佳。36精品PPT|借鑒參考第三十六頁，共四十三頁。2．逐步逼近法對于主、副過程的時間常數(shù)相差不大的串級控制系統(tǒng)，由于主、副回路的動態(tài)聯(lián)系比較密切，所以系統(tǒng)整定必須反復進行、逐步逼近。逐步逼近法：在主回路斷開的情況下，求取副調節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調節(jié)器的參數(shù)設置在所求數(shù)值上，將主回路閉合以求取主調節(jié)器的整定參數(shù)值。而后，將主調節(jié)器的參數(shù)設置在所求數(shù)值上再進行整定，求出第二次副調節(jié)器的整定參數(shù)值。比較上述兩次的整定參數(shù)值和控制質量，如果達到了控制品質指標，整定工作就此結束。否則再按此法求取第二次主調節(jié)器的整定參數(shù)值，依次循環(huán)，直到求得合適的整定參數(shù)值。（整定步驟略）37精品PPT|借鑒參考第三十七頁，共四十三頁。五、串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應用

(一)用于克服被控過程較大的容量滯后現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，一些以溫度等作為被控參數(shù)的過程，往往其容量滯后較大，控制要求又較高。若采用單回路控制系統(tǒng)，控制質量不能滿足生產(chǎn)要求。此時可選用串級控制系統(tǒng)，充分利用其改善過程的動態(tài)特性、提高工作頻率的特點。為此，選擇一個滯后較小的副參數(shù)，組成一個快速動作的副回路，以減小等效過程的時間常數(shù)，加快響應速度，從而取得較好的控制質量。例：圖4—2加熱爐。38精品PPT|借鑒參考第三十八頁，共四十三頁。(二)用于克服被控過程的純滯后當工業(yè)過程純滯后時間較長時，可用串級控制來改善控制質量，即在離調節(jié)閥較近、純滯后較小的地方選擇一個副參數(shù)，構成一個純滯后較小的副回路，把主要擾動包括在副回路中，在其影響主參數(shù)前，由副回路實現(xiàn)對主要擾動的及時控制，從而提高控制質量。例4—1造紙廠網(wǎng)前箱溫度串級控制(圖4-7)。紙漿用泵從儲槽送至混合器，在混合器內用蒸汽加熱至72℃左右，經(jīng)過立篩、圓篩除去雜質后送到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。為保證紙張質量，工藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在61℃左右，允許偏差不得超過1℃。39精品PPT|借鑒參考第三十九頁，共四十三頁。若用單回路系統(tǒng)，從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達90s，當紙漿流量波動35kg/min時，溫度最大偏差8.5℃，過渡過程時間450s，控制質量差，不能滿足工藝要求。在離調節(jié)閥較近處選擇混合器出口溫度為副參數(shù)，網(wǎng)前箱溫度為主參數(shù)構成串級控制，把主要擾動(紙漿