河南理工大学-过程控制-串级控制-正式.pptx

串级控制系统串级控制系统电气学院2016-114根据根据系统的结构和所担负的任务根据根据系统的结构和所担负的任务复杂控制系统串级控制系统 均匀控制系统比值控制系统分程控制系统 前馈控制系统 取代控制系统 三冲量控制系统 本讲主要内容本讲主要内容n串级控制系统的概念与特点(了解)；n串级控制系统的方框图表示法(掌握)；n结合控制原理，掌握串级系统的分析方法(重点)；n串级控制系统的设计原则(了解)；n串级控制系统的参数整定方法(掌握);加热炉出口温度单回路控制加热炉出口温度单回路控制MV：燃料气流量，：燃料气流量，CV：工艺介质炉出口温度：工艺介质炉出口温度控制阀：气开阀（控制阀：气开阀（为什么？为什么？）TC23的正反作用如何选择？的正反作用如何选择？扰动分析一、串级控制系统基本概念一、串级控制系统基本概念单回路控制过程分析单回路控制过程分析问题：问题：从扰动进入到反馈控制器开始响应，所需信息传从扰动进入到反馈控制器开始响应，所需信息传递路线远、传递时间长。递路线远、传递时间长。如何改进？如何改进？假设燃料气的入口压力（即阀前假设燃料气的入口压力（即阀前压力）压力）即使即使 u(t)不变，不变，燃料燃料气流量气流量（经燃烧过程）炉膛（经燃烧过程）炉膛温度温度 工艺介质炉出口温度工艺介质炉出口温度 T（借助于测量反馈控制）（借助于测量反馈控制）CO一、串级控制系统基本概念一、串级控制系统基本概念 在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。较大，难以满足生产上的要求。较大，难以满足生产上的要求。较大，难以满足生产上的要求。根据出口温度的变化来控制燃料阀门的开度根据出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 一、串级控制系统基本概念一、串级控制系统基本概念串级控制思想的引入串级控制思想的引入 燃料供应系统的波动首先影响燃料燃料供应系统的波动首先影响燃料气流量气流量 Fgas，然后再影响工艺介质，然后再影响工艺介质炉出口温度。炉出口温度。基本思想：基本思想：一旦一旦感受到感受到Fgas的变化，的变化，在在T开始变化以前，就应当调整燃料开始变化以前，就应当调整燃料阀的操作。阀的操作。具体实现：具体实现：该校正动作采用该校正动作采用Fgas为为中中间变量来尽早感受干扰，并通过调间变量来尽早感受干扰，并通过调节节MV以减少干扰对以减少干扰对CV的影响。的影响。如何减少如何减少 Pgas变化对炉变化对炉出口温度的影响出口温度的影响?一、串级控制系统基本概念一、串级控制系统基本概念一种炉出口温度串级控制方案一种炉出口温度串级控制方案(1)该方案由两个传感变送器、该方案由两个传感变送器、两个控制器和一个控制阀组成。两个控制器和一个控制阀组成。(2)该方案有两个控制回路，其该方案有两个控制回路，其中一个用于控制中一个用于控制 T，而一个用于，而一个用于控制控制 Fgas.为何叫为何叫“串级控制串级控制”？注：注：燃料气流量只是用作中燃料气流量只是用作中间辅助变量，以改善间辅助变量，以改善CV的控的控制性能。制性能。试画出上述串级控制系试画出上述串级控制系统的方块图统的方块图?一、串级控制系统基本概念一、串级控制系统基本概念工艺介质炉出口温度串级控制方块图工艺介质炉出口温度串级控制方块图这里，这里，TC 23 被称为被称为“主控制器主控制器”，FC 13 被称为被称为“副控制器副控制器”；D1 表示了各种直接进入外回路的干扰，表示了各种直接进入外回路的干扰，D2 表示了各种直接进入内回路的干扰。表示了各种直接进入内回路的干扰。一、串级控制系统基本概念一、串级控制系统基本概念几个串级控制系统中常用的名词几个串级控制系统中常用的名词 主变量主变量工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。主对象主对象为主变量表征其特性的生产设备。为主变量表征其特性的生产设备。副对象副对象为副变量表征其特性的工艺生产设备。为副变量表征其特性的工艺生产设备。主控制器主控制器按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。的那个控制器。副变量副变量串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。主回路主回路由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。构成的外回路。副回路副回路由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。的偏差而工作的那个控制器。副控制器副控制器串级控制中的常用术语串级控制中的常用术语 一、串级控制系统基本概念一、串级控制系统基本概念以传递函数形式表示的串级控制系统方块图以传递函数形式表示的串级控制系统方块图注：注：D1 反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，D2 反反映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。试指出主副回路所对应的试指出主副回路所对应的“广义对象广义对象”？一、串级控制系统基本概念一、串级控制系统基本概念09:37河南理工大学电气学院13 工作原理：工作原理：两个控制器串联工作，以主控制器为主导，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合，尤其是对于二次干扰，副控制器首先互相配合，尤其是对于二次干扰，副控制器首先进行进行“粗调粗调”，主控制器再进一步，主控制器再进一步“细调细调”。因。因此控制质量必然高于简单控制系统。此控制质量必然高于简单控制系统。从结构上看，两个控制器串联工作，一个控从结构上看，两个控制器串联工作，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，共同完制器的输出作为另一个控制器的设定值，共同完成对主变量的定值控制任务。成对主变量的定值控制任务。一、串级控制系统基本概念一、串级控制系统基本概念20（1 1）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制主回路和副回路；有两个控制器；主控制器和副控制器；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。器；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。在串级控制系统中，在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统回路是个随动控制系统。（2 2）在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变）在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。要工艺变量。二、串级控制系统的特点二、串级控制系统的特点适用范围：适用范围：适用范围：适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量而频繁，负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。的要求时，采用串级控制系统是适宜的。（4 4）串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的）串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。（3 3）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制作改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。21二、串级控制系统的特点二、串级控制系统的特点22根据生产工艺的具体情况，选择一个合适根据生产工艺的具体情况，选择一个合适的副变量，从而构成一个以副变量为被控的副变量，从而构成一个以副变量为被控变量的副回路。变量的副回路。副回路的确定副回路的确定确定的原则确定的原则1.1.主、副变量间应有一定的内在联系主、副变量间应有一定的内在联系三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定 选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量；选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量；选择的副变量就是操纵变量本身，这样能及时克服它的选择的副变量就是操纵变量本身，这样能及时克服它的波动，减少对主变量的影响。波动，减少对主变量的影响。选择副变量的两类情况选择副变量的两类情况23三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定24举例举例图图5 5精馏塔塔釜温度串级控制系统精馏塔塔釜温度串级控制系统1精馏塔；精馏塔；2再沸器再沸器 通通过过这这套套串串级级控控制制系系统统，能能够够在在塔塔釜釜温温度度稳稳定定不不变变时时，蒸蒸汽汽流流量量能能保保持持恒恒定定值值，而而当当温温度度在在外外来来干干扰扰作作用用下下偏偏离离给给定定值值时时，又又要要求求蒸蒸汽汽流流量量能能作作相相应应的的变变化化，以以使使能能量量的的需需要要与与供供给给之之间间得得到到平平衡衡，从从而而保保持持釜釜温温在在要要求求的的数值上。数值上。三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定 在在上上例例中中，选选择择的的副副变变量量就就是是操操纵纵变变量量（加加热热蒸蒸汽汽量量）本本身身。这这样样，当当干干扰扰来来自自蒸蒸汽汽压压力力或或流流量量的的波波动动时时，副副回回路路能能及及时时加加以以克克服服，以以大大大大减减少少这这种种干干扰扰对对主主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。25三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定262.2.要使系统的主要干扰被包围在副回路内要使系统的主要干扰被包围在副回路内图6 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 在本系统中，由于在本系统中，由于选择了燃料油压力作为选择了燃料油压力作为副变量，副对象的控制副变量，副对象的控制通道很短，时间常数很通道很短，时间常数很小，因此控制作用非常小，因此控制作用非常及时，比起图及时，比起图2 2所示的所示的控制方案，能更及时有控制方案，能更及时有效地克服由于燃料油压效地克服由于燃料油压力波动对原料油出口温力波动对原料油出口温度的影响，从而大大提度的影响，从而大大提高了控制质量。高了控制质量。三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定注意注意 如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分（或热值）波动时，就不宜采用图（或热值）波动时，就不宜采用图6 6所示的控制方案，所示的控制方案，因为这时主要干扰并没有被包围在副环内，所以不因为这时主要干扰并没有被包围在副环内，所以不能充分发挥副环抗干扰能力强的这一优点。能充分发挥副环抗干扰能力强的这一优点。27三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定283.3.在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 如果在生产过程中，除了主要干扰外，还有较如果在生产过程中，除了主要干扰外，还有较多的次要干扰，或者系统的干扰较多且难于分出主要多的次要干扰，或者系统的干扰较多且难于分出主要干扰与次要干扰，在这种情况下，选择副变量应考虑干扰与次要干扰，在这种情况下，选择副变量应考虑使副环尽量多包围一些干扰，这样可以充分发挥副环使副环尽量多包围一些干扰，这样可以充分发挥副环的快速抗干扰能力，以提高串级控制系统的控制质量。的快速抗干扰能力，以提高串级控制系统的控制质量。注意 在考虑到使副环包围更多干扰时，也应同在考虑到使副环包围更多干扰时，也应同时考虑到副环的灵敏度。时考虑到副环的灵敏度。三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定 随着副回路包围干扰的增多，副环将随之扩大，副随着副回路包围干扰的增多，副环将随之扩大，副变量离主变量也就越近。这样一来，副对象的控制通道就变量离主变量也就越近。这样一来，副对象的控制通道就变长，滞后也就增大，从而会削弱副回路的快速、有力控变长，滞后也就增大，从而会削弱副回路的快速、有力控制的特性。制的特性。在选择副变量时，既要考虑到使副环包围较多的在选择副变量时，既要考虑到使副环包围较多的干扰，又要考虑到使副变量不要离主变量太近。干扰，又要考虑到使副变量不要离主变量太近。结论结论29三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定304.4.副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防以防“共振共振”的发生的发生 是为了保证副回路具有快速的抗干扰性能；是为了保证副回路具有快速的抗干扰性能；是由于串级系统中主、副回路之间是密切相关的，副是由于串级系统中主、副回路之间是密切相关的，副变量的变化会影响到主变量，而主变量的变化通过反馈变量的变化会影响到主变量，而主变量的变化通过反馈回路又会影响到副变量。回路又会影响到副变量。在串级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太接近。在串级控制系统中，主、副对象的时间常数不能太接近。三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定小结 在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间常数在选择副变量时，应注意使主、副对象的时间常数之比为之比为3 31010，以减少主、副回路的动态联系，避免，以减少主、副回路的动态联系，避免“共共振振”。当然，也不能盲目追求减小副对象的时间常数，否则当然，也不能盲目追求减小副对象的时间常数，否则可能使副回路包围的干扰太少，使系统抗干扰能力反而减可能使副回路包围的干扰太少，使系统抗干扰能力反而减弱了。弱了。31三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定5.当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后 对于含有大纯滞后的对象，可采用串级控制系统，并对于含有大纯滞后的对象，可采用串级控制系统，并通过合理选择副变量将纯滞后部分放到主对象中去，以提高通过合理选择副变量将纯滞后部分放到主对象中去，以提高副回路的快速抗干扰功能，及时克服干扰的影响，将其抑制副回路的快速抗干扰功能，及时克服干扰的影响，将其抑制在最小限度内，从而可以使主变量的控制质量得到提高。在最小限度内，从而可以使主变量的控制质量得到提高。32三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰?方案#1方案#2三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定33举例举例某化纤厂胶液压力的控制问题某化纤厂胶液压力的控制问题图图7 7压力与压力串级控制系统压力与压力串级控制系统11计量泵；计量泵；22板式热交换器；板式热交换器；33过滤器过滤器 在计量泵和冷却器之间，在计量泵和冷却器之间，靠近计量泵的适当位置，选靠近计量泵的适当位置，选择压力测量点，并作为副变择压力测量点，并作为副变量组成一个压力与压力的串量组成一个压力与压力的串级控制系统，以提高控制质级控制系统，以提高控制质量。量。图中主控制器图中主控制器P1C的输出的输出作为副控制器作为副控制器P2C的给定值，的给定值，由副控制器的输出来改变计量由副控制器的输出来改变计量泵的转速，从而控制纺丝胶液泵的转速，从而控制纺丝胶液的压力。的压力。三、串级控制系统中副回路的确定三、串级控制系统中副回路的确定n副控制器（也称内回路控制器）通常采用副控制器（也称内回路控制器）通常采用PI控制律控制律原因：原因：需要对内回路干扰具有快速调节能力需要对内回路干扰具有快速调节能力（强比例作用强比例作用+弱积分作用，为什么？弱积分作用，为什么？）副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一般不宜加微副回路为随动系统，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。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抗干扰能力。四、串级控制器类型选择四、串级控制器类型选择n主控制器通常选用主控制器通常选用PID控制律（液位串级控制除外）控制律（液位串级控制除外）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作用（除主参数为液位的串级均匀控制系统以外）。）。当主对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。小的微分作用。四、串级控制器类型选择四、串级控制器类型选择串级控制器参数整定步骤串级控制器参数整定步骤#1n设置主控制器至设置主控制器至“手动手动”方式，参照单回路整定方式整方式，参照单回路整定方式整定副控制器定副控制器PID参数。参数。具体步骤讨论？具体步骤讨论？五、串级系统参数整定方法五、串级系统参数整定方法串级控制器参数整定步骤串级控制器参数整定步骤#2n将副控制器切换至将副控制器切换至“自动自动”，并以阶跃方式手动改变主，并以阶跃方式手动改变主控制器的输出（即副控制器的设定值），记录主回路控制器的输出（即副控制器的设定值），记录主回路“广义对象广义对象”的输出输出数据；并获取的输出输出数据；并获取主对象对应的动态主对象对应的动态特性参数。特性参数。五、串级系统参数整定方法五、串级系统参数整定方法串级控制器参数整定步骤串级控制器参数整定步骤#3n参照单回路离线方式整定主控制器参照单回路离线方式整定主控制器PID参数，并将主控制参数，并将主控制器切换至器切换至“自动自动”。结合主控制器给定值阶跃响应，适。结合主控制器给定值阶跃响应，适当调整主控制器增益，直至满意。当调整主控制器增益，直至满意。五、串级系统参数整定方法五、串级系统参数整定方法1)应用于克服被控过程较大的容量滞后；五、串级系统五、串级系统 应用应用2)用于纯滞后较大的过程 五、串级系统五、串级系统 应用应用3)应用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；五、串级系统五、串级系统 应用应用4)应用于参数关联过程五、串级系统五、串级系统 应用应用5)应用于非线性过程五、串级系统五、串级系统 应用应用换热器出口温度串级控制方案比较换热器出口温度串级控制方案比较方案#1方案#2方案#3小 结n串级控制的引入与基本概念n串级控制系统的特性分析 n串级控制的设计原理与副参数的选择n串级控制器的实现与参数整定步骤n串级控制的应用问题讨论n串级控制系统在过程工业中获得了广泛应用，原因何在？n何时我们可采用串级控制方案?n串级控制参数如何整定？n串级控制与单回路控制、前馈反馈控制有何异同?下一讲预习：前馈与比值控制仿真举例串级控制方案单回路控制方案被控过程仿真模型的建立线性与非线性动态模型的描述方法炉出口温度单回路控制系统动态模型参数确定n初始条件Kgas=0.4，u0=60%，Pgas0=0.25 MPa，Fgas0=12 T/hr，T0=300，Ti0=120 n测量仪表量程（即测量范围）燃料气流量：0 40 T/hr，工艺介质炉出口温度：200 400 n动态参数Tf1=2 min，K1=5，T1=10 min，1=5 min，K2=1，T2=1 min，Tm1=2 min，Tm2=0.2 min 炉出口温度单回路控制仿真炉出口温度串级控制系统炉出口温度串级控制仿真建立相应的SimuLink模型，并讨论参数整定问题炉出口温度串级与单回路控制仿真结果比较串级控制中的积分饱和现象串级控制中的抗积分饱和方法多层串级控制系统举例讨论设计原理与参数整定步骤