串级控制系统

1、串级控制系统串级控制系统Cascade Control System单回路单回路PID控制系统回顾控制系统回顾n什么是单回路控制系统？什么是单回路控制系统？n被控变量的选择原则？被控变量的选择原则？n操纵变量的选择选择？操纵变量的选择选择？n执行器的选择需要考虑哪些因素？执行器的选择需要考虑哪些因素？n测量变送装置的选择需要考虑哪些因素？测量变送装置的选择需要考虑哪些因素？n控制器的选择需要考虑哪些因素？控制器的选择需要考虑哪些因素？n比例度、积分时间、微分时间分别对过渡过程有比例度、积分时间、微分时间分别对过渡过程有什么样的影响？什么样的影响？课堂提问课堂提问n采用采用PI控制，控制，Ti调

2、小时为保持系统稳定性，比调小时为保持系统稳定性，比例度应该怎样变化？例度应该怎样变化？n工程整定方法有哪几种？主要步骤是什么？工程整定方法有哪几种？主要步骤是什么？n系统的投运是使执行器从手动平稳过渡到自动系统的投运是使执行器从手动平稳过渡到自动状态，该说法对不对？状态，该说法对不对？主要内容主要内容n了解串级控制系统的概念与特点；了解串级控制系统的概念与特点；n掌握串级控制系统的方框图表示法；掌握串级控制系统的方框图表示法；n结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；n了解串级控制系统的设计原则；了解串级控制系统的设计原则；n掌握串级控制系统的参数整定方法；

3、掌握串级控制系统的参数整定方法；反应釜温度单回路控制系统反应釜温度单回路控制系统出料进料冷却剂TC调节器调节阀夹套槽壁反应槽温度测量变送D2D1T1spT2T1操纵变量：操纵变量：被控变量：被控变量：控制规律：控制规律：冷却剂流量冷却剂流量反应温度反应温度PID夹夹套套槽槽壁壁出料进料冷却剂TC系统控制与扰动的分析系统控制与扰动的分析n干扰变量的影响：冷却水入干扰变量的影响：冷却水入口温度变化口温度变化 夹套内冷却夹套内冷却水温度变化水温度变化 槽壁温度变槽壁温度变化化 反应槽温度变化反应槽温度变化n控制变量的影响：冷却水调控制变量的影响：冷却水调节阀开度变化节阀开度变化 冷却水流冷却水流量变

4、化量变化 夹套内冷却水温夹套内冷却水温度变化度变化 槽壁温度变化槽壁温度变化 反应槽温度变化反应槽温度变化问题：从扰动开始至调节器动作，滞后较大，问题：从扰动开始至调节器动作，滞后较大，特别对于大容量的反应槽，滞后更大。特别对于大容量的反应槽，滞后更大。解决方法解决方法夹套夹套冷却水冷却水温度温度T2比反应槽温度比反应槽温度T1能能更快更快地地感受感受到来自到来自干扰干扰（冷却水入口温度）以及来自控制的（冷却水入口温度）以及来自控制的影响。因而可设计影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统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。但以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定的设

5、定值应根据值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器可用反应温度调节器TC1来自动实现）。来自动实现）。“串级控制串级控制” 出料进料冷却剂TC反应器温度的串级控制方案反应器温度的串级控制方案特点：两个调节器串在一特点：两个调节器串在一起工作，起工作，调节器调节器TC2通过通过调节冷却剂量以调节冷却剂量以克服冷却克服冷却水方面的扰动水方面的扰动；调节器调节器TC1通过调节夹套内水温通过调节夹套内水温的设定值以的设定值以保证反应温度保证反应温度维持维持在工艺所希望的某一在工艺所希望的某一给定值给定值。 出料进料冷却剂TC2TC1T2T1反应器温

6、度串级控制框图反应器温度串级控制框图出料进料冷却剂TC2TC1T2T1串级控制系统的框图串级控制系统的框图通用的串级控制系统通用的串级控制系统主控主控制器制器调节调节阀阀副对象副对象主对象主对象主测量主测量变送变送二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动副控副控制器制器副测量副测量变送变送主设定值主设定值主被控主被控变量变量副被控副被控变量变量副回路副回路随动控随动控制系统制系统定值控定值控制系统制系统 主回路主回路副设定值副设定值定义定义:两个控制器两个控制器串联，串联，两个被控对象两个被控对象，两个测量变送装置两个测量变送装置，一个执行器，一个执行器，两个回路两个回路主控制器的输出作为副控制器的设

7、定值主控制器的输出作为副控制器的设定值由由副控制器的输出副控制器的输出去去操纵控制阀操纵控制阀，从而对主被控变量具，从而对主被控变量具有更好的控制效果有更好的控制效果串级控制系统串级控制系统串级控制系统的名词术语串级控制系统的名词术语n主被控变量：生产过程中的工艺控制指标。主被控变量：生产过程中的工艺控制指标。n副被控变量：为了稳定主被控变量而引入的中副被控变量：为了稳定主被控变量而引入的中间辅助变量。间辅助变量。n主被控对象：生产过程中要控制的生产设备、主被控对象：生产过程中要控制的生产设备、装置。装置。n副被控对象：表征副被控变量特性的设备（输副被控对象：表征副被控变量特性的设备（输入量为

8、操纵变量，输出量为副被控变量）。入量为操纵变量，输出量为副被控变量）。反应槽内的温度反应槽内的温度夹套内的温度夹套内的温度反应槽反应槽夹套夹套n主控制器：按主控制器：按主被控变量主被控变量的的测量值测量值与与设定值设定值的的偏差偏差而工作，而工作，其输出为副被控变量的设定值其输出为副被控变量的设定值。n副控制器：副控制器：设定值是主控制器的输出设定值是主控制器的输出。n主设定值主设定值n副设定值副设定值n主测量值主测量值n副测量值副测量值串级控制系统的名词术语串级控制系统的名词术语TC1TC2n副回路副回路:串级控制系统串级控制系统内部内部。包含：。包含：副控制器副控制器、执行器执行器、副被控

9、对象副被控对象、副测量变送器副测量变送器。n主回路：主回路：主控制器主控制器、副回路副回路、主被控对象主被控对象、主主测量变送器测量变送器。n一次扰动一次扰动n二次扰动二次扰动串级控制系统的名词术语串级控制系统的名词术语串级控制系统串级控制系统n主主回路为回路为定值定值控制系统控制系统 设定值固定设定值固定n副副回路为回路为随动随动控制系统控制系统 设定值由主控制器的输出提供，随主控设定值由主控制器的输出提供，随主控制器输出的变化而变化。制器输出的变化而变化。串级控制系统的控制过程分析串级控制系统的控制过程分析出料进料冷却剂TC2TC1T2T1一次扰动一次扰动二次扰动二次扰动串级与单回路控制串

10、级与单回路控制simulink仿真仿真串级与单回路控制串级与单回路控制simulink仿真仿真调节时间调节时间180 60余差余差 0 0串级与单回路控制串级与单回路控制simulink仿真仿真二次扰动最大偏差二次扰动最大偏差0.27 0.013串级控制系统的特点及应用范围串级控制系统的特点及应用范围1、两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统，两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统， 其中主回路是定值控制，副回路是随动控制其中主回路是定值控制，副回路是随动控制2、副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影响、副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影响3、迅速克服进入副回路扰动

11、的影响，提高系统的抗扰动能力、迅速克服进入副回路扰动的影响，提高系统的抗扰动能力4、对负荷变化有一定的自适应能力（适应操作条件的变化）、对负荷变化有一定的自适应能力（适应操作条件的变化）副回路副回路具有具有先调先调、粗调粗调、快调快调的特点；的特点；主回路主回路具有具有后调后调、细细调调、慢调慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。能彻底加以克服。1、纯滞后大、纯滞后大2、容量滞后大、容量滞后大3、扰动变化剧烈、幅值大、扰动变化剧烈、幅值大4、具有非线性特性的过程、具有非线性特性的过程容量滞后：物料或能量的传递需要通过一定阻力

12、容量滞后：物料或能量的传递需要通过一定阻力 而引起的滞后。而引起的滞后。纯滞后：介质的输送由于有一段距离需要一段时间纯滞后：介质的输送由于有一段距离需要一段时间 而引起的滞后。而引起的滞后。污水处理加药控制系统污水处理加药控制系统污水处理混凝加药单回路控制污水处理混凝加药单回路控制系统系统溶液池溶液池混合池混合池反应池反应池沉淀池沉淀池污水污水图图 混凝加药单回路控制方案混凝加药单回路控制方案浊度浊度控制器控制器浊度计浊度计污水处理混凝加药污水处理混凝加药串级串级控制控制系统系统溶液池溶液池混合池混合池反应池反应池沉淀池沉淀池污水污水图图 混凝加药串级控制方案混凝加药串级控制方案FTFC浊度浊

13、度控制器控制器浊度计浊度计串级控制系统的设计串级控制系统的设计n主、副被控变量主、副被控变量n主、副控制器主、副控制器n执行器执行器n主、副测量变送装置主、副测量变送装置n投运与参数整定投运与参数整定主被控变量的选择主被控变量的选择n主被控变量（简称主变量）的选择与简单控制主被控变量（简称主变量）的选择与简单控制系统被控变量的选择原则相同。系统被控变量的选择原则相同。 被控变量应能代表一定的工艺操作被控变量应能代表一定的工艺操作指标指标或能反映或能反映工艺操作工艺操作状态状态，一般是工艺过程中较，一般是工艺过程中较重要的变量重要的变量。 被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰被控变量在工艺

14、操作过程中经常要受到一些干扰影响而影响而变化变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。为维持其恒定，需要较频繁的调节。 主被控变量的选择主被控变量的选择 尽量尽量采用直接指标采用直接指标作为被控变量。当无法获得作为被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有可选择与直接指标有单值对应关系单值对应关系的的间接指标间接指标作为作为被控变量。被控变量。 被控变量应被控变量应能被测量能被测量出来，并具有足够大的灵敏出来，并具有足够大的灵敏度。度。 选择被控变量时，必须考虑选择被控变量时，必须考虑工艺合理性工艺合理性和和国内仪

15、国内仪表产品现状表产品现状。 被控变量应是被控变量应是独立可控独立可控的。的。 副被控变量的选择副被控变量的选择1、使副回路包含、使副回路包含主要扰动主要扰动，并包含尽可能多的扰动。，并包含尽可能多的扰动。 主要扰动主要扰动：对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁：对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁 的扰动。的扰动。 扰动较多、扰动较多、难分主次难分主次：尽可能多的包含扰动。：尽可能多的包含扰动。2、副回路的时间常数要副回路的时间常数要合适，保证副回路的快速性，合适，保证副回路的快速性，避免发生避免发生“共振共振”。一般要求主、副回路的时间常数。一般要求主、副回路的时间常数之比为之比为310 。

16、副变量越副变量越靠近主变量靠近主变量，副回路，副回路包含包含的的扰动越多扰动越多， 同时同时通道变长通道变长，滞后增加，滞后增加，控制速度变慢控制速度变慢； 副变量越靠近操纵变量，副回路包含的扰动越少，副变量越靠近操纵变量，副回路包含的扰动越少， 通道越短，控制速度越快。通道越短，控制速度越快。副被控变量的选择副被控变量的选择3、要求要求副变量的变化对主变量影响作用明显副变量的变化对主变量影响作用明显，主、，主、副变量要有一定的内在联系。副变量要有一定的内在联系。 a、与主变量有一定关系的中间变量、与主变量有一定关系的中间变量 b、选操纵变量作为副变量、选操纵变量作为副变量副被控变量的选择副被

17、控变量的选择4、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对主变量影响小。主变量影响小。5、副回路尽量少包含或不包含纯滞后。、副回路尽量少包含或不包含纯滞后。6、考虑工艺合理性和经济性。、考虑工艺合理性和经济性。串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析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（1）副参数为加热蒸汽（作用线）副参数为加热蒸汽（作用线1）主调主调节器节器调节调节阀阀蒸汽管蒸汽管路系统路系统再沸再沸器器塔底塔底温度测量温度测量D2rD1副调副调节器节器流量流量测量测量QrQ控制方案控

18、制方案1方框图方框图分析分析：可保持加热量稳定，它只：可保持加热量稳定，它只能快速消除因蒸汽汽源压力变化能快速消除因蒸汽汽源压力变化引起的扰动。由于蒸汽流量对象引起的扰动。由于蒸汽流量对象的滞后非常小，当用流量作副变的滞后非常小，当用流量作副变量时，并不能使串级系统的频率量时，并不能使串级系统的频率有多少提高，对克服其它扰动不有多少提高，对克服其它扰动不明显。明显。（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线2）主调主调节器节器调节调节阀阀蒸汽管蒸汽管路系统路系统再沸再沸器器塔底塔底温度测量温度测量D2rD1副调副调节器节器流量测量流量测量Qr控制方案控制方案2

19、方框图方框图P分析：分析：把加热蒸汽侧的扰动完全把加热蒸汽侧的扰动完全包括在副环之内，与包括在副环之内，与1相比，副相比，副环中包括了更大的时间常数，有环中包括了更大的时间常数，有助于改善主环的调节性能。助于改善主环的调节性能。（3）副参数为再沸器的蒸发量（作用线）副参数为再沸器的蒸发量（作用线3）分析：分析：把再沸器侧的扰动包括在把再沸器侧的扰动包括在副环内（再沸器液位、塔釜温度副环内（再沸器液位、塔釜温度等），有助于改善主环的调节性等），有助于改善主环的调节性能，但副环克服蒸汽方面的扰动能，但副环克服蒸汽方面的扰动要慢些。要慢些。主调主调节器节器调节调节阀阀蒸汽管蒸汽管路系统路系统再沸再沸

20、器器塔底塔底温度测量温度测量D2rD1副调副调节器节器流量测量流量测量QrQ控制方案控制方案3方框图方框图方案方案1、温度温度-压力串级控制压力串级控制出口温度为主变量出口温度为主变量燃油压力为副变量燃油压力为副变量能克服燃油压力波动的影响能克服燃油压力波动的影响串级控制副变量选择练习串级控制副变量选择练习如果如果燃油波动较大燃油波动较大，主要扰动就是燃油压力的波动，主要扰动就是燃油压力的波动，可采用此串级控制系统，以快速克服燃油压力波动带来的扰动。可采用此串级控制系统，以快速克服燃油压力波动带来的扰动。加热炉温度串级控制系统加热炉温度串级控制系统燃料油燃料油扰动：扰动：燃料油压力的波动燃料油

21、压力的波动燃料油成分变化，导致燃油热值不同燃料油成分变化，导致燃油热值不同方案方案2、温度、温度-温度串级控制温度串级控制出口温度为主变量出口温度为主变量炉膛温度为副变量炉膛温度为副变量能克服燃油热值等问题的影响能克服燃油热值等问题的影响燃油压力较稳定燃油压力较稳定的情况下，主要扰动是燃油热值的变化，的情况下，主要扰动是燃油热值的变化，使用该串级控制系统可以得到更好的控制效果。使用该串级控制系统可以得到更好的控制效果。加热炉温度串级控制系统加热炉温度串级控制系统精馏塔温度串级控制系统精馏塔温度串级控制系统分析：分析：温度控制对象滞后较大，温度控制对象滞后较大，加热蒸汽压力波动大，加热蒸汽压力波

22、动大，控制不及时，控制质量不够理想。控制不及时，控制质量不够理想。解决方法：解决方法：温度温度-流量串级控制系统流量串级控制系统精馏塔塔釜温度为主变量精馏塔塔釜温度为主变量蒸汽流量为副变量蒸汽流量为副变量使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响。使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响。主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择出发点：主回路为定值控制系统出发点：主回路为定值控制系统主控制器：主控制器：PI或或PID要求：主变量，工艺要求严格，允许波动的范围较小，要求：主变量，工艺要求严格，允许波动的范围较小， 一般不允许有余差。一般不允许有余差。出发点：副回路为随动控制

23、系统出发点：副回路为随动控制系统副控制器：副控制器：P或或PI要求：副变量无严格要求，副回路要具有快速性，要求：副变量无严格要求，副回路要具有快速性， 最好不带积分作用。最好不带积分作用。但是但是，选，选流量流量参数为副变量参数为副变量 时，加入较弱的积分作用，增强控制作用。时，加入较弱的积分作用，增强控制作用。主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择加热炉温度加热炉温度-压力串级控制压力串级控制加热炉温度加热炉温度-温度串级控制温度串级控制主控制器：主控制器：副控制器：副控制器：PIDP主控制器：主控制器：副控制器：副控制器：PIDP如果换成流量，又该如何选择？如果换成流量，又该

24、如何选择？主控制器：主控制器：副控制器：副控制器：PIDPI主、副控制器正、反作用的选择主、副控制器正、反作用的选择n主、副回路都必须是负反馈主、副回路都必须是负反馈这时不考虑主控制器的作用方式。这时不考虑主控制器的作用方式。与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同。与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同。(副控制器副控制器) (执行器执行器) (副对象副对象) (副测量变送副测量变送)=主、副控制器正、反作用的选择主、副控制器正、反作用的选择主控主控制器制器调节调节阀阀副对象副对象主对象主对象主测量主测量变送变送二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动副控副控制器制器副测量副测量变送变

25、送主设定值主设定值主被控主被控变量变量副被控副被控变量变量副回路副回路主回路主回路副设定值副设定值主、副控制器正、反作用的选择主、副控制器正、反作用的选择主控主控制器制器副环副环主对象主对象主测量主测量变送变送主设定值主设定值主被控主被控变量变量主回路主回路副环始终为正作用副环始终为正作用。主测量变送为正作用主测量变送为正作用。(主控制器主控制器) (主对象主对象)=主、副控制器正反作用的选择原则主、副控制器正反作用的选择原则n主、副控制器正、反作用的选择顺序应是主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主先副后主。n（1）副控制器副控制器的正、反作用与的正、反作用与主回路无关主回路无关。副环

26、可。副环可以以按照单回路控制系统按照单回路控制系统确定正、反作用的确定正、反作用的方法来确定方法来确定副控制器的正、反作用。副控制器的正、反作用。n（2）主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各）主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。环节来确定。副回路视为副回路视为“正正”，因，因变送器变送器一般为一般为“正正”，这样，这样主控制器主控制器的正负特性与的正负特性与主对象主对象的正负特性的正负特性相反相反。例题例题n例例1.确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统主、副控制器的正反作用。力串级控制系统主、副控制器的正反作用。控制阀：控制

27、阀：副对象：副对象：副测量变送副测量变送: :“”“”“”副控制器：副控制器：“”主对象：主对象：“”主控制器：主控制器：“”n例例2.确定下图所示加热炉出口温度与炉膛温度确定下图所示加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统主、副控制器的正反作用。串级控制系统主、副控制器的正反作用。例题例题控制阀：控制阀：副对象：副对象：副测量变送副测量变送: :“”“”“”副控制器：副控制器：“”主对象：主对象：“”主控制器：主控制器：“” 串级控制系统的实施串级控制系统的实施选择实施方案时，需考虑的问题：选择实施方案时，需考虑的问题：n方案应满足操作要求。方案应满足操作要求。n实施方案应力求实用，简单可靠，少

28、花钱多办事。实施方案应力求实用，简单可靠，少花钱多办事。n仪表信号必须互相匹配。不同类型仪表需配信号转仪表信号必须互相匹配。不同类型仪表需配信号转换器。换器。n副控制器必须具有外给定输入接口。接收主控制器副控制器必须具有外给定输入接口。接收主控制器的外给定信号。的外给定信号。n实施方案应便于操作。实施方案应便于操作。串级控制一般方案：串级控制一般方案：4-20mA4-20mA20-100kPa20-100kPa主控主控-串级切换的串级控制方案串级切换的串级控制方案结论：结论： 只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间直接切换。直接切换。如果副控制

29、器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控制器的正反作用。制器的正反作用。注意：注意：串级与主控直接切换的条件串级与主控直接切换的条件:组成的控制系统必须是组成的控制系统必须是负反馈控制系统负反馈控制系统n先副后主先副后主n保证无扰动切换保证无扰动切换串级系统的投运串级系统的投运n阅读教材阅读教材n将将主、副控制器主、副控制器的切换开关都置于的切换开关都置于手动手动；n使生产处于要求的工况使生产处于要求的工况；n使使副偏差为副偏差为0，将，将副控制器副控制器切换到切换到自动自动；n使使主控制器的偏差为主控制器的偏差为0，然后将，然后将主控制器主控制器切换到切换到自动自动。n两步法（两步法（先副环后主环先副环后主环的方法）的方法） 1）在主副回路闭合时，将）在主副回路闭合时，将主控制器主控制器置置100%、