《中国石油大学过程控制课件04-复杂控制-串级控制系统与均匀控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中国石油大学过程控制课件04-复杂控制-串级控制系统与均匀控制系统（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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.控制器控制阀被控对象给定 值X测量 值Zepq被控 变量 y干扰测量变送器自动控制系统自动控制系统方方框框图图 液位变送器带电气阀门定位器的气动薄膜控制阀被控 变量 y自动控制系统自动控制系统方方框框图图 控制器控制阀被控对象给定 值X测量 值Zepq被控 变量 y干扰测量变送器控制器控制阀被控对象给定 值X测
2、量 值Zepq被控 变量 y干扰测量变送器PID控制阀被控对象给定 值X测量 值Zepq被控 变量 y干扰测量变送器课堂提问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？ExaSMOCExaRQEExaOPCVF701WIN 2000Operation/ Monitoring/ ControlStandard DisplaysHISEthernetAPC DisplaysOptional EthernetOptional Remote Operation/ MonitoringV Net / VL N
3、etExasmocStationDownloadSMOC-PC(Builder)FCSSFCSProcess DataExasmoc DatanSMOC与YOKOGAWA CS3000连接浙大中控SUPCON DCS串级控制系统 Cascade Control System主要内容n了解串级控制系统的概念与特点；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。反应釜温度单回路控制系统操纵变量：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
4、制规律：PID反应釜温度单回路控制响应曲线单回路控制系统分析问题：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釜，调节滞后更大。冷却剂入口温度 夹套内冷却剂温度 T2 （经对流传热）釜壁温度 反应釜温度T1 （经反馈回路）冷却剂量系统控制与扰动的分析n干扰变量的影响：冷却剂入 口温度变化 夹套内冷却 水温度变化 釜壁温度变 化 反应釜温度变化n控制变量的影响：冷却剂调 节阀开度变化 冷却剂流 量变化 夹套内冷却剂温 度变化 釜壁温度变化 反应釜温度变化解决方法夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却剂入口温度）以及来自控制的 影响。因而可设计夹套水温单回路
5、控制系统TC2 以尽快地克服冷却剂方面的扰动。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。 反应器温度的串级控制响应反应器温度串级控制框图讨论: 主副控制器的“ 正反作用”选择。调节阀选气关阀串级控制系统常用术语两个回路：主回路副回路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
6、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）。串级系统副环的等效性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；由于假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有反应器温度的串级控制响应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”增 强） 。对于内环等效对象的稳态增益：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，主调节器的增益 可显著加大。副回路等效对象为：若：串级控制系统的特点（3）结论：由 于副回路 的
7、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串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(副参 数必须可测）；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。串级系统副参数的选择分析分析问题：副回路的快速性与副回
8、路所能包括的扰动范 围之间的矛盾。串级系统副参数的选择分析分析问题：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。串级方案设计举例流量扰动流量较小、或者流量检测 困难，或者燃料油较粘稠 ，用检测压力代替串级方案设计举例（续）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“共振” （系统稳定性越差 ）。串级系统副调节器选型n副调节器常选择PI控制律原因：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
9、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抗 干扰能力。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：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PID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。nSt
10、ep 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。串级控制系统主调节器的连接法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于要求的工况；n修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动；n修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将 主控制器切换到自动。串级系统仿真均匀控制均匀控制内容n均匀控制的概念与特点；n常见的均匀控制系统；n均匀控制系统的分析。均匀控制问题n分析：甲塔：尽量保 证液位稳定n 乙塔：进塔的流量 力求平稳n L开阀1F 关阀2Ln 液位与流量是一对 矛盾。解决方法：（1）增加缓冲罐。（2）采用
11、均匀控制系统。均匀控制系统的特点n概念： 均匀控制系统：指两个工艺参数在规定范围内能缓 慢、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼 顾、均匀协调的系统。n特点n表征前后供求矛盾的两个参数，在控制过程中都应 该是变化的。n两个参数的变化应是缓慢的，且在一定范围内变化 。n均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案 。常用的均匀控制方案单回路均匀控制系统串级均匀控制系统n简单均匀控制与简单控制区别n简单均匀控制与简单控制区别n串级均匀控制与串级控制区别均匀控制系统的分析假设流量回路调节迅速， 对液位对象而言其动态滞 后可忽略；并不考虑液位 测量滞后。则广义对象特 性可表示成均匀控制系统的分析(续1)
12、假设液位测量范围为Hmax ，进出流量的测量范围均 为Qmax，则广义对象特性 可表示成其中h(t)、 qi(t)、 qo(t)分别 为液位与进出流量的归一 化值。均匀控制系统的分析(续2)对于纯比例控制器Gc = Kc， 可得到的闭环特性为：纯比例均匀控制系统的特点n可实现进出物料的自动平衡；n当物料的平均停留时间Th一定时，控制器增益 Kc的减少可使出料更加平缓，但使液位的波动 与余差同时增大；n为减少液位的调节余差，主控制器需要引入少 量的积分作用。均匀控制系统仿真举例均匀控制的PID参数整定n对于串级均匀控制系统的副调节器，应选择PI规律， 按单回路工程整定法确定其PI参数。n对于主调节器，一般应选择纯比例规律，即积分时间 足够大。通过调整增益Kc以使出料尽可能地平缓，而 同时确保液位不超出允许范围。有时为减少液位的调 节余差，可引入少量的积分作用，但积分时间应大于 纯比例控制下系统对于主要扰动的恢复时间。n当液位测量噪声较大时，为避免出料流量的同频率波 动，可对液位测量信号进行低通滤波。
