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1、串级控制系统串级控制系统Cascade Control System戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2004/03/18单回路PID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.习题 3-4: 机理建模举例 R12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12Q1R1(1) 列写过程微分方程组;(2) 画出方框图;(3) 求传递函数)()()(12sQsHsGp习题3-4:
2、列写状态方程R12C1C2h1h2R3Q3R2Q2Q12Q1R131222122111,QQdtdhCQQQdtdhC物料平衡方程:122112323212,RhhQRhQRhQ将流量方程代入物料平衡方程,即得到过程状态方程习题3-4: 状态方程传递函数表示31222122111,QQdtdhCQQQdtdhC122112323212,RhhQRhQRhQ由以上传递函数方程,可画出相应的方框图.)()(1)(,)()()(1)(31222122111sQsQsCsHsQsQsQsCsH122112323212)()()(,)()(,)()(RsHsHsQRsHsQRsHsQ习题3-4: 过程传
3、递函数方框图)()(1)(,)()()(1)(31222122111sQsQsCsHsQsQsQsCsH122112323212)()()(,)()(,)()(RsHsHsQRsHsQRsHsQ+_+_Q12Q1(s)Q2sC1121R+_+_H1121RH2sC2131RH2(s)习题3-4: 计算输入输出传递函数n利用方框图等效变换;n直接用传递函数计算公式;n通过求解传递函数方程组.32122122122121111)()()()(,)()()()()(RsHRsHsHssHCRsHsHRsHsQssHC习题4-9: 控制阀流量特性选择TC蒸汽凝液进料TspTmTG2G1, T1u(t)
4、热平衡方程:2111)(GTTGC11121GGCGTKp控制通道静态增益:G1G2即控制阀开度KpKv选等百分比阀被控对象的动态特性变化对控制阀流量特性选择的考虑G1G2即控制阀开度KpKv选等百分比阀从静态增益补偿的角度从动态特性变化的角度 (Why?)G1G2即控制阀开度TpKv选快开阀稳定性变差单回路系统防积分饱和原理分析讨论讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。为什么?d(t)广义对象ym(t)ysp(t)vKCe(s)11sTIu1max1maxmax1min1min1min,uuuuuuuuuuv本讲基本要求n了解串级控制系统的概念与特点；n掌握串
5、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;n了解串级控制系统的抗积分饱和措施。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控制变量：冷却剂量被控变量：反应温度控 制 阀：气关阀控制规律：PID调节器调节阀夹套槽壁反应槽温度测量变送D2D1T1spT2T1单回路控制系统扰动分析单回路控制系统扰动分析问题：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
6、料进料冷却剂TC对调节滞后的解决方法之一对调节滞后的解决方法之一对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到。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TC2T
7、C1T2T1反应器温度串级控制框图反应器温度串级控制框图TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。TC2阀夹套槽壁反应槽反应器温度测量D2D1T2spT2T1T1sp夹套水温测量TC1通用的串级控制系统通用的串级控制系统主调节器副调节器调节阀副参数测量变送副对象主对象一次扰动二次扰动主参数副参数主参数测量变送y1,spy2,spy2ym2y1ym1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,spy2ym2y1ym1Gm1
8、Gc1Gc2GvGp2D2D1Gp1副回路主回路串级系统副环的等效性Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG222221mpvcpvcGGGGGGGD2(s)(2sDy2(s)y2,sp串级控制系统的特点（1）n副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；2222211)()(mpvcGGGGsDsD由于而对于动态滞后较小的副回路，有1222mpvcGGGG22DD 串级控制系统的特点（2）n对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力，并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。对于内环等效对象的增益1222mpvcKK
9、KK当221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK结论结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性鲁棒性”强）。串级系统的设计原则串级系统的设计原则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副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；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。常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、液位+流量、温度+温度等。串级系统副参数的选择举例串级系统副参数的选择举例*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
10、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讨论：副回路所包含的干扰与副回路快速性之间的矛盾？串级方案设计举例（续）串级方案设计举例（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
11、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
12、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Z-N准则），确定主回路的PID参数。单回路控制系统的抗干扰性能(参见仿真程序/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)串级系统的参数整定与抗干扰(参见仿真程序/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)结 论n介绍了串级控制系统的概念与特点；n结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；n讨论了串级控制系统的设计原则；n通过Simulink仿真，详细介绍了串级控制系统的参数整定过程;练习题 1精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，图中，Pv为调节阀阀前压力。（1）为保证再沸器的安全，蒸汽调节阀应选用气关阀还是气开阀？为什么？（2）确定调节器TC、PC的正反作用，并画出该系统完整的方框图（尽可能在图上表明相应的信号）。PC加热蒸汽再沸器塔底部TCTspPspTmPmPTuPv