串级控制系统

1、串级控制系统Cascade Control System,单回路PID控制系统回顾,什么是单回路控制系统？ 被控变量的选择原则？ 操纵变量的选择选择？ 执行器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？ 控制器的选择需要考虑哪些因素？ 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？,课堂提问,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？ 工程整定方法有哪几种？主要步骤是什么？ 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？,调大,主要内容,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

2、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；,反应釜温度单回路控制系统,操纵变量： 被控变量： 控制规律：,冷却剂流量,反应温度,PID,夹 套,槽 壁,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,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。,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）以及来自控制的影响。因而可设计夹套水温单

3、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”,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。,反应器温度串级控制框图,串级控制系统的框图,通用的串级控制系统,主控 制器,调节 阀,副对象,主对象,主测量 变送,二次扰动,一次扰动,副控 制器,副测量 变送,主设定值,主被控变量,副被控变量,副回路,随动控制系统,定值控制系统,主回路,副设定值

4、,定义: 两个控制器串联，两个被控对象，两个测量变送装置，一个执行器，两个回路 主控制器的输出作为副控制器的设定值 由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果,串级控制系统,串级控制系统的名词术语,主被控变量：生产过程中的工艺控制指标。 副被控变量：为了稳定主被控变量而引入的中间辅助变量。 主被控对象：生产过程中要控制的生产设备、装置。 副被控对象：表征副被控变量特性的设备（输入量为操纵变量，输出量为副被控变量）。,反应槽内的温度,夹套内的温度,反应槽,夹套,主控制器：按主被控变量的测量值与设定值的偏差而工作，其输出为副被控变量的设定值。 副控制器：设定值是主控制器的输出

5、。 主设定值 副设定值 主测量值 副测量值,串级控制系统的名词术语,TC1,TC2,副回路:串级控制系统内部。包含：副控制器、执行器、副被控对象、副测量变送器。 主回路：主控制器、副回路、主被控对象、主测量变送器。 一次扰动 二次扰动,串级控制系统的名词术语,串级控制系统,主回路为定值控制系统 设定值固定 副回路为随动控制系统 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。,串级控制系统的控制过程分析,一次扰动 二次扰动,串级与单回路控制simulink仿真,串级与单回路控制simulink仿真,调节时间180 60 余差 0 0,串级与单回路控制simulink仿真,二次扰动最大偏

6、差0.27 0.013,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， 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 3、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）,特点,副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，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。,应用范围,1、纯滞后大 2、容量滞后大 3、扰动变化剧烈、幅值大 4、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 而引起的滞后。,纯滞后：介

7、质的输送由于有一段距离需要一段时间 而引起的滞后。,污水处理加药控制系统,污水处理混凝加药单回路控制系统,浊度 控制器,浊度计,污水处理混凝加药串级控制系统,浊度 控制器,浊度计,串级控制系统的设计,主、副被控变量 主、副控制器 执行器 主、副测量变送装置 投运与参数整定,主被控变量的选择,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。, 被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般是工艺过程中较重要的变量。, 被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。,主被控变量的选择, 尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获

8、得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为被控变量。, 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度。, 选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪表产品现状。, 被控变量应是独立可控的。,副被控变量的选择,1、使副回路包含主要扰动，并包含尽可能多的扰动。 主要扰动：对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁 的扰动。 扰动较多、难分主次：尽可能多的包含扰动。 2、副回路的时间常数要合适，保证副回路的快速性，避免发生“共振”。一般要求主、副回路的时间常数之比为310 。,副变量越靠近主变量，副回路包含的扰动越多， 同时通道变长，滞后增加，控制速度变慢；

9、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。,副被控变量的选择,3、要求副变量的变化对主变量影响作用明显，主、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 b、选操纵变量作为副变量,副被控变量的选择,4、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对主变量影响小。,5、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。,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,（1）副参数为加热蒸汽（作用线1）,分析：可保持加热量稳定，它只能快速消除因蒸汽汽源压力变化引起的扰动。由于蒸汽流量对象的滞后非常小，当用流量作副变量时，

10、并不能使串级系统的频率有多少提高，对克服其它扰动不明显。,（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线2）,分析：把加热蒸汽侧的扰动完全包括在副环之内，与1相比，副环中包括了更大的时间常数，有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3）,分析：把再沸器侧的扰动包括在副环内（再沸器液位、塔釜温度等），有助于改善主环的调节性能，但副环克服蒸汽方面的扰动要慢些。,方案1、温度-压力串级控制 出口温度为主变量 燃油压力为副变量 能克服燃油压力波动的影响,串级控制副变量选择练习,如果燃油波动较大，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。,加

11、热炉温度串级控制系统,燃料油,扰动： 燃料油压力的波动 燃料油成分变化，导致燃油热值不同,方案2、温度-温度串级控制 出口温度为主变量 炉膛温度为副变量 能克服燃油热值等问题的影响,燃油压力较稳定的情况下，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。,加热炉温度串级控制系统,精馏塔温度串级控制系统,分析： 温度控制对象滞后较大， 加热蒸汽压力波动大， 控制不及时，控制质量不够理想。,解决方法： 温度-流量串级控制系统 精馏塔塔釜温度为主变量 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。,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,主

12、控制器：PI或PID,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。,主控制器,出发点：副回路为随动控制系统,副控制器：P或PI,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。但是，选流量参数为副变量 时，加入较弱的积分作用，增强控制作用。,副控制器,主、副控制器控制规律的选择,举例,加热炉温度-压力串级控制,加热炉温度-温度串级控制,主控制器： 副控制器：,PID P,主控制器： 副控制器：,PID P,如果换成流量，又该如何选择？,主控制器： 副控制器：,PID PI,主、副控制器正、反作用的选择,主、副回路都必须是负反馈,副控制器,这时不考虑主控制

13、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。,(副控制器) (执行器) (副对象) (副测量变送) =,主控制器,主、副控制器正、反作用的选择,主控 制器,调节 阀,副对象,主对象,主测量 变送,二次扰动,一次扰动,副控 制器,副测量 变送,主设定值,主被控变量,副被控变量,副回路,主回路,副设定值,主、副控制器正、反作用的选择,主控 制器,副环,主对象,主测量 变送,主设定值,主被控变量,主回路,副环始终为正作用。,主测量变送为正作用。,(主控制器) (主对象)=,主、副控制器正反作用的选择原则,主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。 （1）副控制器的正、反作用与

14、主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用。 （2）主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。副回路视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性相反。,例题,例1.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。,控制阀： 副对象： 副测量变送:,“” “” “”,副控制器：“”,主对象：,“”,主控制器：“”,例2.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。,例题,控制阀： 副对象： 副测量变送:,“” “” “”,副控制器：“”,主对象：,“”,主控制器

15、：“”,串级控制系统的实施,选择实施方案时，需考虑的问题： 方案应满足操作要求。 实施方案应力求实用，简单可靠，少花钱多办事。 仪表信号必须互相匹配。不同类型仪表需配信号转换器。 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。 实施方案应便于操作。,串级控制一般方案：,4-20mA,20-100kPa,主控-串级切换的串级控制方案,结论： 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。,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。,注意： 串级与主控直接切换的条件:组成的控制系统必须是负反馈控制系统,先副后主 保证无扰动切换,串级系统的投运,原则,具

16、体步骤,阅读教材,将主、副控制器的切换开关都置于手动； 使生产处于要求的工况； 使副偏差为0，将副控制器切换到自动； 使主控制器的偏差为0，然后将主控制器切换到自动。,两步法（先副环后主环的方法） 1）在主副回路闭合时，将主控制器置100%、 Ti置、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副环，找出副变量出现4:1振荡过程的记录下比例度2s 及振荡周期T 2s 。 2）将副控制器置2s 、 Ti置、Td 置0，然后按4:1整定方法整定主环，找出主变量出现4:1衰减振荡过程，记录下比例度1s 及振荡周期T 1s。,串级系统PID参数的整定方法,3）、根椐得到的1s 、 T 1s 、 2s 、 T 2s值，结合主、副控制器的选型，按单回控制系统衰减曲线法的计算公式，可以计算出主、副控制器的、Ti 、Td。 4）、将计算所得参数按先副环后主环、先比例再积分后微分的顺序在控制器上放好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地