串级控制系统
于玲
浙江大学控制系
2013/03/22
主要内容
串级控制系统的概念
串级系统的特性分析
串级控制系统的设计原则
串级控制器的参数整定
加热炉出口温度仿真举例
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
sp
MV:冷却剂流量Qc
CV:反应温度
DVs:冷却剂温度以及工艺介 质流量
控制规律?
正作用?反作用?
C
CQ
,
,
f C
f C
P
,f fQ
反应釜温度单回路控制响应曲线
系统控制与扰动的分析
干扰变量的影响:
冷剂入口温度变化
→
夹套内冷 剂温度变化
→
槽壁温度变化
→
反应槽温度变化
控制变量的影响:
冷剂控制阀开度变化
→
冷剂流 量变化
→
夹套内冷剂温度变
化
→
槽壁温度变化
→
反应 槽温度变化
C
CQ
,
,
f C
f C
P
,f fQ
解决方法
夹套冷剂温度比反应槽温度能更快地感受到来自 干扰(冷剂入口温度)以及来自控制的影响。因 而可设计夹套内温度单回路控制系统TC22以尽
快地克服冷剂方面的扰动。但TC22的设定值应 根据反应槽温度的控制要求作相应的变化(这一
要求可用温度控制器TC21来自动实现)。
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案特点:两个控制器串
在一起工作。
控制器TC22通过控制 冷却剂量以克服冷剂
方面的扰动;
控制器TC21通过控制 夹套内温度的设定值
以保证反应温度维持 在工艺希望的给定值 。
试画出上述串级控制系 统的方块图
?
C
CQ
,
,
f C
f C
P
,f fQ
反应器温度的串级控制响应
反应器温度串级控制方框图
sp cfQfc
讨论: 主副控制器的“正反作用”选择。
串级控制系统常用术语
以传递函数形式表示的
串级控制系统方块图
注:D1 反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响,D2 反 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“广义对象” ?
串级系统副环的等效性
Gm2
+-
++
ym2
Gc2 Gv Gp2
D2
y2
y2,sp
22211
mpvc GGGG
222
22
1 mpvc
pvc
GGGGGGG
++
D2(s)
)('2 sD
y2(s)y2,sp
串级控制系统的特点1
副回路(或称内回路)通常具有快速调节作用
,它能有效地克服二次扰动的影响
为什么
?
22211
mpvc GGGG
222
22
1 mpvc
pvc
GGGGGGG
++
D2(s)
)('2 sD
y2(s)y2,sp
串级控制系统的特点1
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;
2222
'2
11
)()(
mpvc GGGGsDsD
由于
假设副回路的动态滞后较小,对于低频干扰,有
1222 mpvc GGGG 2'2 DD
反应器温度的串级控制响应
串级控制系统的特点2
能自动地克服副对象增益或控制阀特性的非线
性对控制性能的影响
为什么
?
22211
mpvc GGGG
222
22
1 mpvc
pvc
GGGGGGG
++
D2(s)
)('2 sD
y2(s)y2,sp
串级控制系统的特点2
能自动地克服副对象增益或控制阀特性的非
线性对控制性能的影响。
对于内环等效对象的稳态增益:
1222 mpvc KKKK2
'2
1m
p KK
222
22'2 1 mpvc
pvcp KKKK
KKKK
串级控制系统的设计原则
单回路控制不能满足性能要求;
有反映系统主要干扰的可测副参数;
控制阀与副参数之间具有因果关系;
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;
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
A1
AC
T2T3
F2
T1
F1
A2
进料
加热
蒸汽
反应器
产品
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
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。
串级控制副参数选择举例
Fgas
Fsp
T
Tsp
u(t)
TC23
TT23
工艺介质
燃料气
Ti (t)
FC13
FT13
Fm
Tm
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
串级系统控制器选型
副控制器常选择PI控制律原因:需要对内回路干扰具有快速调节能力
(强比例作
用+弱积分作用,为什么?)
主控制器通常选用PID控制律(液位串级控
制除外)通常主对象的响应速度缓慢,并带有较显著的纯滞后,主
控制器经常引入微分作用。
常见的串级回路:
温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、 液位-流量、温度-温度等。
串级PID参数的整定方法#1
设置主控制器至“手动”方式,参照单回路整定方
式整定副控制器PID参数。具体步骤讨论?
串级PID参数的整定方法 #2
将副控制器切换至“自动” ,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“广义对象”的输出输出数据;并获
取主对象对应的动态特性参数。
串级PID参数的整定方法 #3
参照单回路动态响应方法整定主控制器PID参数
,并将主控制器切换至“自动”。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。
仿真举例
串级控制方案单回路控制方案
Fgas
Fsp
T
Tsp
u(t)
TC23
TT23
工艺介质
燃料气
Ti (t)
FC13
FT13
Fm
Tm
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
gasgas PtuK )(u(t)
Pgas MPa
)(tFgas
T/hr 11
1 sT f
Fgas∑
0gasF
_ s
sTK
11
1 exp1
12
2
sTK
℃
Ti∑
0iT_
T, ℃∑
+
+
++
+
T 0
%副对象 主对象
炉出口温度单回路控制系统
副对象
u(t)
Pgas
Fgas
Ti
T
%主对象
TT 23
TmTsp
+_
TC23
11
1
sTK
m
m∑
+
T 0
+ _∑
+
Tm
TT 23
T
T m0
动态模型参数确定
初始条件
Kgas = 0.4,u0 = 60 %,Pgas0 = 0.25 MPa,Fgas0 = 12
T/hr,T0 = 300 ℃,Ti0 = 120 ℃
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 ℃
动态参数Tf1 = 2 min,K1 = 5,T1 = 10 min,τ1 = 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
FC13
TT 23
Fsp
+-
Tsp
+-
TC23
FmTm
FgasFT 13
M1
Auto
Man
Auto
ManM2
u副对象
Pgas Ti
T主对象
炉出口温度串级控制仿真
炉出口温度串级与单回路控制 仿真结果比较
0 50 100 150 200 250 30048
50
52
54
56
58
60
Time, min
Ym
, %
0 50 100 150 200 250 30050
60
70
80
90
100
Time, min
U, %
YspSingle LoopCascade
串级PID系统的积分饱和问题
问题:当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时,在限位 参数不一致的情形下,同样存在发生“积分饱和”的可能性。
调节阀
副对象
主参数主对象
11iT s
cK +
+1
1iT s
cK +
+
+
-
+
-设定值
主控制器 副控制器
副测量变送
主测量变送
Why?How?
串级控制系统的防积分饱和
调节阀
副对象
主参数主对象
11iT s
cK +
+1
1iT s
cK +
+
+
-
+
-设定值
主控制器 副控制器
副测量变送
主测量变送
串级控制系统的投运
将主、副控制器的切换开关都置于手动;
用副手操器操纵调节阀使生产处于要求的工况;
修改主手操器使副偏差为0,将副控制器切换到自动;
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。
+-
++
Auto
Man
KD( )spy t
11IT s
1( )e t
1( )my t
增量型手操器
+
2 ( )my t
1( )u t+
-++
11sTI
Auto
Man
KD2 ( )e t
增量型手操器
+
2 ( )u t
多层串级控制系统举例
讨论设计原 理与参数整 定步骤
T1sp
燃料气
工艺
介质
T1m
T2sp
T1
Pgas
T2m T2TT23
TT25
TC25
TC23
PC31
PT31
Fgas
换热器出口温度串级控制方案
方案
#1 方案
#2
方案
#3
换热器T
RV
Tsp
Psp PV
Ti
TT27
TC27
PT37
PC37
Pm
Tm
工艺介质
凝液
蒸汽
小 结
串级控制的引入与基本概念
串级控制系统的特性分析
串级控制的设计原理与副参数的选择
串级控制器的实现与参数整定步骤
串级控制中的积分饱和现象及其防止
问题讨论
串级控制在过程工业中获得广泛应用,原因
何在?
何时我们可采用串级控制方案?
串级控制参数如何整定?
串级控制中也存在积分饱和现象,原因分析
,并提出防止措施。
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