串级控制系统课件

串級控制系統

CascadeControlSystem單回路PID控制系統小結介紹了簡單被控過程的機理建模方法;討論了控制閥“氣開、氣關”形式與流量特性的選擇問題；講述了“廣義對象”動態特性的典型測試方法；介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；詳細分析了單回路PID參數整定方法,介紹了PID控制器的“防積分飽和”技術.習題3-4:機理建模舉例(1)列寫過程微分方程組;(2)畫出方框圖;(3)求傳遞函數習題3-4:列寫狀態方程物料平衡方程:將流量方程代入物料平衡方程,即得到過程狀態方程習題3-4:狀態方程傳遞函數表示由以上傳遞函數方程,可畫出相應的方框圖.習題3-4:過程傳遞函數方框圖習題3-4:計算輸入輸出傳遞函數利用方框圖等效變換;直接用傳遞函數計算公式;通過求解傳遞函數方程組.習題4-9:控制閥流量特性選擇熱平衡方程:控制通道靜態增益:被控對象的動態特性變化

對控制閥流量特性選擇的考慮從靜態增益補償的角度從動態特性變化的角度(Why?)單回路系統防積分飽和原理分析討論：正常情況為標準的PI控制演算法；而當出現超限時，自動切除積分作用。為什麼?本講基本要求瞭解串級控制系統的概念與特點；掌握串級控制系統的方框圖表示法；結合控制原理，掌握串級系統的分析方法；瞭解串級控制系統的設計原則；掌握串級控制系統的參數整定方法;瞭解串級控制系統的抗積分飽和措施。反應釜溫度單回路控制系統控制變數：冷卻劑量被控變數：反應溫度控制閥：氣關閥控制規律：PID單回路控制系統擾動分析問題：從擾動開始至調節器動作，調節滯後較大，特別對於大容量的反應槽，調節滯後更大。冷卻水入口溫度↑→夾套內冷卻水溫度T2↑→（經對流傳熱）槽壁溫度↑→反應槽溫度T1↑→（經回饋回路）冷卻水量↑對調節滯後的解決方法之一 對於冷卻水方面的擾動，如冷卻水的入口溫度、閥前壓力等擾動，夾套冷卻水溫度T2比反應槽溫度T1能更快地感受到。因而可設計夾套水溫單回路控制系統TC2以儘快地克服冷卻水方面的擾動。但TC2的設定值應根據T1的控制要求作相應的變化（這一要求可用反應溫度調節器TC1來自動實現）。“串級控制”反應器溫度的串級控制方案特點：兩個調節器串在一起工作，調節器TC2通過調節冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調節器TC1通過調節夾套內水溫的設定值以保證反應溫度維持在工藝所希望的某一給定值。反應器溫度串級控制框圖TC1稱為“主調節器”，TC2稱為“副調節器”。通用的串級控制系統串級控制系統方塊圖注：D1、D2綜合反映了一次擾動、二次擾動對控制系統副參數與主參數的動態影響；主回路是指：副回路閉合狀態下等效的單回路（將副回路看成是一個等效的控制閥）。串級系統副環的等效性串級控制系統的特點（1）副回路（有時稱內環）具有快速調節作用，它能有效地克服二次擾動的影響；由於而對於動態滯後較小的副回路，有串級控制系統的特點（2）對負荷或操作條件的變化具有一定的自適應能力，並能自動地克服副對象增益或調節閥特性的非線性對控制性能的影響。對於內環等效對象的增益當結論：當副回路增益足夠大時，使主回路的特性基本上和副對象、調節閥的增益無關（系統的“魯棒性”強）。串級系統的設計原則副參數的選擇應使副對象的時間常數比主對象的時間常數小，調節通道短，反應靈敏；副回路應包含被控對象所受到的主要干擾；盡可能將帶有非線性或時變特性的環節包含於副回路中。常用的串級控制系統：溫度+流量、溫度+壓力、液位+流量、溫度+溫度等。串級系統副參數的選擇舉例*分析問題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾動範圍之間的矛盾。串級方案設計舉例討論：副回路所包含的干擾與副回路快速性之間的矛盾？串級方案設計舉例（續）討論：副回路所能包括的擾動越多，副對象與主對象的動態特性的差別越小，越容易引起內外回路之間的“共振”（系統穩定性越差）。串級系統副調節器選型副調節器常選擇PI控制律

原因：副回路為隨動系統，其設定值變化頻繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服內環中的各種擾動，為加大副回路的調節能力，理想上不用加積分作用。但實際運行中，串級系統有時會斷開主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求較弱以保證副回路較強的抗干擾能力。串級系統主調節器選型主調節器常選擇PI或PID控制律

原因：主回路的任務是滿足主參數的定值控制要求。因而對於主參數為溫度的串級系統，主調節器必須加入較強的積分作用（除主參數為液位的串級均勻控制系統以外）。當主對象的調節滯後較大，而主參數變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。串級系統PID參數的整定方法Step1:先斷開主回路，按單回路方式整定副調節器的PID參數。Step2:在主調節器為“手動”、副回路閉環的情況下，測試得到主回路廣義對象的動態特性與相應特徵參數。Step3:採用單回路調節參數的工程整定法（如Z-N準則），確定主回路的PID參數。單回路控制系統的抗干擾性能(參見仿真程式…/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)串級系統的參數整定與抗干擾(參見仿真程式…/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)結論介紹了串級控制系統的概念與特點；結合控制原理，具體分析了串級系統的抗干擾性能；討論了串級控制系統的設計原則；通過Simulink仿真，詳細介紹了串級控制系統的參數整