串级控制系统过程控制自动化PPT课件

.,1,单回路PID控制系统小结,介绍了简单被控过程的机理建模方法；讨论了控制阀“气开、气关”形式与流量特性的选择问题；讲述了“广义对象”动态特性的典型测试方法；介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则；详细分析了单回路PID参数整定方法；介绍了PID控制器的“防积分饱和”技术。,.,2,习题3-4:机理建模举例,(1)列写过程微分方程组;(2)画出方框图;(3)求传递函数,.,3,习题3-4:列写状态方程,物料平衡方程:,将流量方程代入物料平衡方程,即得到过程状态方程,.,4,习题3-4:状态方程传递函数表示,由以上传递函数方程,可画出相应的方框图.,.,5,习题3-4:过程传递函数方框图,.,6,习题3-4:计算输入输出传递函数,利用方框图等效变换;直接用传递函数计算公式;通过求解传递函数方程组.,.,7,习题4-9:控制阀流量特性选择,热平衡方程:,控制通道静态增益:,-冷凝潜热；C1-比热容,.,8,被控对象的动态特性变化对控制阀流量特性选择的考虑,从静态增益补偿的角度,从动态特性变化的角度(Why?),？,.,9,单回路系统防积分饱和原理分析,讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。为什么?,.,10,课堂提问,采用纯比例控制，Kc增加时系统的稳定性会怎样？稳定的情况下余差会怎样？采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，比例度应该怎样变化？什么是积分饱和？反馈控制如何防积分饱和？,.,11,串级控制系统CascadeControlSystem,.,12,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。,.,13,反应釜温度单回路控制系统,操纵变量：冷却剂流量被控变量：反应温度扰动变量：冷却剂温度以及工艺介质流量控制规律：PID,.,14,单回路控制系统的抗干扰性能,(参见仿真程序/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl),.,15,反应釜温度单回路控制响应曲线,.,16,单回路控制系统分析,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,.,17,系统控制与扰动的分析,干扰变量的影响：冷却水入口温度变化夹套内冷却水温度变化槽壁温度变化反应槽温度变化控制变量的影响：冷却水调节阀开度变化冷却水流量变化夹套内冷却水温度变化槽壁温度变化反应槽温度变化,.,18,解决方法,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。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（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。,“串级控制”,串级控制系统,.,19,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通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。,.,20,反应器温度串级控制框图,讨论:主副控制器的“正反作用”选择。,.,21,串级系统的参数整定与抗干扰,(参见仿真程序/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl),.,22,反应器温度的串级控制响应,.,23,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）。,.,24,串级控制系统常用术语,.,25,串级系统副环的等效性,.,26,串级控制系统的特点（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；,由于,而对于动态滞后较小的副回路，有,.,27,串级控制系统的特点（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。,对于内环等效对象的增益,当,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）。,.,28,补充说明,鲁棒性：控制系统的控制品质对对象特性变化的敏感程度。系统品质对对象特性变化越不敏感，则该系统的鲁棒性越好。主回路对副对象和控制阀的特性变化具有鲁棒性，但副回路本身却并没有这种特性，副对象或控制阀特性的变化依然会较敏感地影响副回路的稳定性。主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。,.,29,串级控制系统的特点（3）,改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大。,副回路等效对象为：,若：,.,30,串级控制系统的特点（3）-续,结论：由于副回路的存在，使主控制通道的动态特性得到改善（时间常数显著减少）,.,31,反应器温度的串级控制响应,.,32,串级系统的设计原则,单回路控制不能满足性能要求；有反映系统主要干扰的可测副参数；调节阀与副参数之间具有因果关系；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；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。,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。,.,33,串级系统副参数的选择举例*,分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。,.,34,分析,图中表示的是塔的提馏段和再沸器。提馏段某块板的温度定为主变量，控制阀安装在再沸器的加热蒸汽管线上。中间变量可以是1加热蒸汽流量、2加热蒸汽压力、3再沸器工艺介质一侧的气相流量。选择蒸汽流量作为副变量，它只能快速消除因蒸汽汽源压力或冷凝压力变化引起的干扰。由于蒸汽流量对象的滞后非常小，当用流量作为副变量时，并不能使串级系统的频率有多少提高，所以对克服其他干扰，串级控制的优点不明显。,.,35,分析（续）,阀后加热蒸汽压力是冷凝温度的一种度量，在某种程度上，也是对壁温的一种度量。金属壁通常有几秒的时间常数，若将加热蒸汽压力选作副变量，则能把这个时间常数包含在副对象中。但保持蒸汽压力恒定并不能保证工艺介质气相流量的恒定，而它是更为重要的变量。,.,36,分析（续）,若将工艺介质气相流量作副变量，副对象又增加了再沸器液相侧的滞后。经过扩大副对象，包括再沸器液位、温度及传热系数等的变化都进入了副回路，因而能较快的校正，但对加热蒸汽汽源压力波动的校正就不如前面两个方案快速了。-以上是从控制质量来选择副变量。在实际应用时，还需考虑工艺上的合理性和经济性。,.,37,串级方案设计举例,讨论：副回路所包含的干扰与副回路快速性之间的矛盾？,.,38,分析,左图中，当燃料油流量的波动成为主要干扰因素时，可以考虑采用炉出口温度对燃料油流量的串级控制。优点：当燃料油流量发生变化后，还未影响到炉出口温度之前，其内环即先进行调节，以减小甚至消除燃料油流量的干扰，从而改善控制质量。,.,39,分析（续）,右图，若加热炉所需燃料油量较少或其输送管道较小时，其流量测量较困难，特别是当采用黏度较大的重质燃料油时更难测量。一般来说，压力测量较流量方便，因此可以采用炉出口温度对燃料油阀后压力的串级控制。该方案应用较广。采用该方案时，需要注意的是：如果燃料喷嘴部分堵塞，也会使阀后压力升高，此时副控制器的动作使阀门关小，这是不适宜的。因此，在运行时必须防止这种现象发生，特别是采用重质燃料油或燃料气中夹带液体时更要注意。,.,40,串级方案设计举例（续）,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）。,共振的解决办法-主、副回路的时间常数要相差3倍,.,41,分析当受到干扰因素例如燃料油的压力、热值、烟囱抽力等作用后，首先将反映到炉膛温度的变化，以后再影响到炉出口温度，而前者滞后远小于后者，据某实测，前者仅为3min，而后者长达15min。采用炉出口温度对炉膛温度串级后，就把原来滞后的对象一分为二，副回路起超前作用，能使这些干扰因素一影响到炉膛温度时，就迅速采取控制手段，这将显著改善控制质量。,该方案的注意事项：1、应选择有代表性的炉膛温度检测点，而且要反应快。但选择较困难，特别对圆筒炉。2、为了保护设备，炉膛温度不应有较大波动，所以在参数整定时，对于副控制器不应整定得过于灵敏，且不加微分作用。3、由于炉膛温度较高，测温元件及其保护套管材料必须耐高温。,.,42,串级系统副调节器选型,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，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级系统有时会断开主回路，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。,.,43,串级系统主调节器选型,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。,.,44,串级系统PID参数的整定方法,Step1:先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。Step2: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。Step3:采用单回路调节参数的工程整定法（如Z-N准则），确定主回路的PID参数。,.,45,串级PID系统的积分饱和问题,情况1：副回路出现“积分饱和”，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。为什么？如何克服？,.,46,串级控制系统主调节器的连接法,.,47,串级控制系统的防积分饱和,.,48,串级控制系统的投运,将主、副控制器的切换开关都置于手动；用副手操器操纵调节阀使生产处于要求的工况；修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动；修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将主控制器切换到自动。,.,49,结论,介绍了串级控制系统的概念与特点；结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；讨论了串级控制系统的设计原则；介绍了串级控制系统的参数整定过程介绍了串级控制系统的抗积分饱和措施。介绍了串级控制系统的投运过程。,.,50,练习题1,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）。,.,51,作业,题6-4在一个串级控制系统中，原来选用口径为20mm的气开阀，后来改为口径为32mm的气关阀。问：主、副控制器的正反作用要否改变？为什么？副控制器的比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什么？主控制器的比例度和积分时间要否改变？是变大还是变小？为什么？题6-5在一个串级控制系统中，主变量是温度，温度变送器量程原