串级控制系统综述

1、串级控制系统串级控制系统Cascade Control System单回路单回路PID控制系统小结控制系统小结n介绍了简单被控过程的机理建模方法;n讨论了控制阀“气开、气关”形式与流量特性的选择问题；n讲述了“广义对象” 动态特性的典型测试方法；n介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则；n详细分析了单回路PID参数整定方法,n介绍了PID控制器的“防积分饱和” 技术.课堂提问课堂提问n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？n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？n什么是积分饱和？反馈控制如何防积分饱和？主要内容主要内容n了解串级控制系统

2、的概念与特点；n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；n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与仿真实现;n了解串级控制系统的防积分饱和措施。第一节 串级控制系统 一、串级控制系统概述一、串级控制系统概述 目的：目的：可延长炉子寿命可延长炉子寿命，防止炉管烧坏防止炉管烧坏；可保证后面精可保证后面精馏馏分分离的质量。离的质量。 串级控制系统串级控制系统1.1.串级控制系统的组成串级控制系统的组成串级控制系统定义串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器其中一个由两个测量变送器、两个控制器其中一个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制

3、阀组成的控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制阀组成的2.2.串级控制系统中常用的名词串级控制系统中常用的名词 主被控变量（主被控变量（Yl)Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接：是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。 副被控变量（副被控变量（Y2Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。：大多为影响主被控变量的重要参数。 主控制器主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。差进行控制运算，并将其输

4、出作为副控制器给定值。 副控制器副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器，控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器，简称为简称为“副控副控”。主变送器主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。：测量并转换主被控变量的变送器。副变送器副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。：测量并转换副被控变量的变送器。主对象主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表变量表征其主要特性的生产设备或过程。征其主要特性的生产设备或过程。副对

5、象副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。副回路副回路: :由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路闭环回路 , , 又称为又称为“ “ 副环副环” ” 或或“内环内环”。主回路主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路，又称为所构成的闭环回路，又称为“主环主环”或或“外环外环”。 副回路副回路3.3.串级控制系统的典型的方框图串级控制

6、系统的典型的方框图 4. 4. 串级控制系统的特点串级控制系统的特点1) 1) 对于进入副回路的干扰具有较强的抗干扰能力。对于进入副回路的干扰具有较强的抗干扰能力。2) 2) 改善了对象特性，使控制过程加快，提高了控制质量。改善了对象特性，使控制过程加快，提高了控制质量。 3)3)串级控制系统的自适应能力串级控制系统的自适应能力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：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反应釜温度单回路控制响应曲线反应釜温度单回路控制响应

7、曲线单回路控制系统分析单回路控制系统分析问题：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）冷却水量出料进料冷却剂TC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n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 反应槽温度变化解决方法解决方法夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控

8、制的影响。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” 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：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。 出料进料冷却剂TC2TC1T2T1反应器温度的串级控制响应反应器温度的串级控制响应反应器温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讨论: 主副控制器的“正

9、反作用”选择。串级控制系统常用术语串级控制系统常用术语串级控制系统方块图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）。Gm2y1,spy2,spy2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2GvGp2D2D1Gp1副回路主回路串级系统副环的等效性串级系统副环的等效性Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGGG+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（1）n副回路（有时称

10、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+由于假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有1222mpvcGGGG22DD 反应器温度的串级控制响应反应器温度的串级控制响应串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（2）n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（系统的“鲁棒性鲁棒性”增强） 。对于内环等效对象的稳态增益：1222mpvcKKKK221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK+串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（3）n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

11、增益可显著加大。22222, 2221)()()(mpvcpvcsppGGGGGGGsysysG+副回路等效对象为：;1222+sTKGppp若：2222;ccvvmmGKGKGK串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（3）22222222222222222222222222221()111111pcvpppcvmpcvpppcvpmpcvppcvpmpppcvpmKKKTsGsKKKKTsKKKKTsKKKKTsKKKKKKKKTTTKKKK+结论结论：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）反应器温度的串级控制响应反应器温度的串级控制响应串级控制系统的设计原则串

12、级控制系统的设计原则n单回路控制不能满足性能要求；n有反映系统主要干扰的可测副参数；n调节阀与副参数之间具有因果关系；n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；n尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。串级控制副参数选择练习串级控制副参数选择练习假设反应器的主要干扰为加热蒸汽的温度变化串级系统副参数的选择分析串级系统副参数的选择分析PC123123加热蒸汽再沸器塔底部FCTCFC分析问题分析问题：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。串级方案设计举例串级方案设计举例FCTC进料出料燃料油TC进料出料燃料油PC串级方案设计举例（续）串级

13、方案设计举例（续）TCTC燃料油进料出料讨论讨论：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“共共振振”（系统稳定性越差）。串级系统副调节器选型串级系统副调节器选型n副调节器常选择PI控制律原因：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积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力。串级系统主调节器选型串级系统主调节器选型n主调节器常选择PI或PID控

14、制律原因：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。串级系统串级系统PID参数的整定方法参数的整定方法nStep 1: 先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。nStep 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。nStep 3: 采用单回路调节参数的工程整定法（如动态响应法），确定主回路的PID参数。串级串级PID系统的积分饱和问题系统的积分饱和问题情况情况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？串级控制系统主调节器的连接法串级控制系统主调节器的连接法y1sp(t)uKCe(t)11+sTAsTDDD11+sTI串级系统主控制器防积分饱和连接方法ym2(t)ym1(t)串级控制系统的防积分饱和串级控制系统的防积分饱和串级控制系统的投运串级控制系统的投运n将主、副控制器的切换开关都置于手动；n用副手操器操纵调节阀使生产处