1、过控串级控制系统第1页，共33页。本讲基本要求了解串级控制系统的概念与特点；掌握串级控制系统的方框图表示法；结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；了解串级控制系统的设计原则；掌握串级控制系统的参数整定方法；了解串级控制系统的抗积分饱和措施。第1页/共32页第2页，共33页。反应釜温度单回路控制系统出料进料冷却剂TC控制变量：冷却剂量被控变量：反应温度控 制 阀：气关阀控制规律：PID调节器调节阀夹套槽壁反应槽温度测量变送D2D1T1spT2T1第2页/共32页第3页，共33页。单回路控制系统D2扰动分析问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。冷却水入口
2、温度 夹套内冷却水温度 T2 （经对流传热）槽壁温度 反应槽温度T1（经反馈回路）冷却水量出料进料冷却剂TC第3页/共32页第4页，共33页。对调节滞后的解决方法之一 对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应釜温度调节器TC1来自动实现）。“串级控制”第4页/共32页第5页，共33页。反应器温度的串级控制方案特点：两个调节器串在一起工作，调节器TC2通过调节冷却剂流量以克服冷却水方面的扰动；调节
3、器TC1通过调节夹套内的水温以保证反应斧温度维持在工艺所希望的某一给定值。出料进料冷却剂TC2TC1T2T1第5页/共32页第6页，共33页。反应器温度串级控制框图TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。TC2阀夹套槽壁反应槽反应器温度测量D2D1T2spT2T1T1sp夹套水温测量TC1第6页/共32页第7页，共33页。通用的串级控制系统主调节器副调节器调节阀副参数测量变送副对象主对象一次扰动二次扰动主参数副参数主参数测量变送y1,spy2,spy2ym2y1ym1第7页/共32页第8页，共33页。串级控制系统方块图注：D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参数
4、的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是一个等效的控制阀）。Gm2y1,spy2,spy2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2GvGp2D2D1Gp1副回路主回路第8页/共32页第9页，共33页。串级系统副环的等效性Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGGG+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp第9页/共32页第10页，共33页。串级控制系统的特点（1）1.副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响。2222211)()(mpvcGGGGsDsD+由于而对于动态滞后较小的
5、副回路，有1222mpvcGGGG22DD 第10页/共32页第11页，共33页。串级控制系统的特点（2）2.对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力，并能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响，即具有较强的鲁棒性。对于内环等效对象的增益1222mpvcKKKK当221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK+结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。第11页/共32页第12页，共33页。单回路控制系统的抗干扰性能第12页/共32页第13页，共33页。串级系统的参数整定与抗干扰第13页/共32页第14页，
6、共33页。串级系统的设计原则1.副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；2.副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；3.尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中；4.副参数可测。常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、液位+流量、温度+温度等。第14页/共32页第15页，共33页。串级系统副参数的选择举例*PC123123加热蒸汽再沸器塔底部FCTCFC分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动源数量之间的矛盾。第15页/共32页第16页，共33页。串级方案设计举例FCTC进料出料燃料油TC进料出料燃料油PC讨论：副回路所包含的干扰与副回路快速
7、性之间的矛盾？第16页/共32页第17页，共33页。串级方案设计举例（续）TCTC燃料油进料出料讨论：副回路所能包括的扰动越多，副对象与主对象的动态特性的差别越小，越容易引起内外回路之间的“共振”（系统稳定性越差）。第17页/共32页第18页，共33页。串级系统副调节器选型1.副调节器常选择PI控制律原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能力，理论上不用加积分作用。但实际运行中，串级系统有时需要断开主回路，因而，通常需要加入积分作用。但积分作用要求较弱，以保证副回路较强的抗干扰能力。第18页/共32页第
8、19页，共33页。串级系统主调节器选型2.主调节器常选择PI或PID控制律原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加入较强的积分作用（除主参数为液位的串级均匀控制系统以外）。当主对象的调节滞后较大，而主参数变化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。第19页/共32页第20页，共33页。串级PID系统的积分饱和问题FCTC进料出料燃料油情况1：流量副回路出现“积分饱和”，可采用单回路抗积分饱和方法；情况2：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，可能出现限位参数不一致的情形，同样存在发生“积分饱和”的可能性。第20页/共32页第21页，共33页。
9、单回路系统的防积分饱和d(t)广义对象ym(t)ysp(t)ve(s)11+sTIu111+sATsTKDDDCPID 控制器方法：正常情况为标准的PD+PI控制算法；而当出现超限时，通过限制积分作用达到切除积分作用的目的。第21页/共32页第22页，共33页。单回路防积分饱和方法在串级控制系统中的局限性第22页/共32页第23页，共33页。串级系统积分饱和现象仿真串级系统产生积分饱和的原因分析？第23页/共32页第24页，共33页。串级控制主调节器防积分饱和连接法第24页/共32页第25页，共33页。串级控制系统的防积分饱和Gm2r1r2y2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2Gp2D2D1G
10、p1e2ve1第25页/共32页第26页，共33页。串级系统的防积分饱和方法举例第26页/共32页第27页，共33页。串级系统防积分饱和措施举例第27页/共32页第28页，共33页。工业PID控制器常用结构功能:控制输出跟踪,防积分饱和,输出限幅,正反作用选择,测量值滤波,设定值变化率限幅等.第28页/共32页第29页，共33页。串级系统PID参数的整定方法1.Step 1:先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。2.Step 2:在主调节器为“手动”、副回路闭环的情况下，测试得到主回路广义对象的动态特性与相应特征参数。3.Step 3:采用单回路调节参数的工程整定法（如Z-N准则
11、），确定主回路的PID参数。系统投运的无扰切换：手动/自动在回路偏差为零时切换。第29页/共32页第30页，共33页。串级控制系统调节器正反作用精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，图中，Pv为调节阀阀前压力。（1）为保证再沸器的安全，蒸汽调节阀应选用气关阀还是气开阀？为什么？（2）确定调节器TC、PC的正反作用，并画出该系统完整的方框图（尽可能在图上表明相应的信号）。PC加热蒸汽再沸器塔底部TCTspPspTmPmPTuPv第30页/共32页第31页，共33页。问题讨论 串级控制的概念，说明与单回路控制的区别。以左图的反应器为例，说明引入串级控制的意义。为什么引入串级控制可显著减少内回路的干扰，并显著提高控制系统鲁棒性？如何选择主副控制器的控制规律，如何投运PID控制器？出料进料冷却剂TC2TC1T2T1第31页/共32页第32页，共33页。感谢您的观看！第32页/共32页第33页，共33页。
