PID串级控制

§6.1串级控制原理§6.2串级控制系统的特点§6.3串级控制系统的设计§6.4串级控制系统的参数整定§6.5串级控制系统的工业应用第六章串级控制系统设计返回例：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。一、串级控制系统的组成干扰：原料的流量、初始温度；燃料的流量、燃料热值。§6.1串级控制原理方案一：管式加热炉出口温度的单回路控制温度检测变送器温度控制器期望温度由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时；偏差大，控制质量差。存在的问题：方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）存在的问题：在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间接控制系统无法将变化了的温度调回来；期望流量流量检测变送器流量控制器管式加热炉出口温度的间接控制（2）期望炉膛温度用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料油流量的扰动方案三：加热炉出口温度与燃料流量的串级控制同样：加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油流量的扰动和热值扰动。串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个执行阀，实现定值控制的控制系统。串级控制系统中常见的名词术语：温度-流量串级控制系统的方框图如下：执行阀流量对象流量检测变送器）（SE1）（SR2）（SR1）（SE2温度调节器流量调节器温度对象温度检测变送器流量原料出口温度）（SD2）（SD1主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、副检测变送器，主、副回路。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。串级控制系统的通用方框图：执行阀副对象副检测变送器主调节器主对象主检测变送器副参数主参数副调节器二次扰动一次扰动设定值二、串级控制系统的工作过程（参见P198）仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度-流量串级控制系统克服干扰的过程。调节阀：气开式温度调节器、流量调节器：反作用内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。情况一：干扰来自燃料油流量的变化初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改变执行阀的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器的设定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制，直到炉出口温度重新恢复到设定值。先副回路，后主回路情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高出口温度温度控制器输出流量控制器设定值。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。情况三：一次干扰和二次干扰同时存在主、副变量同向变化主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化，使得炉出口温度很快恢复到设定值。主、副变量反向变化两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回路控制系统。返回1、能迅速克服进入副回路的二次干扰串级控制系统方框图如下：)()()()()()()()()()(1)()()()()(2022101022101022111sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWSXSYmVcmVccVcc）（）（§6.2串级控制系统的特点输出对于输入的传递函数：)(1sWc)(2sWc)(sWV)(02sW)(01sW)(2sWm)(1sWm)(1sF)(2sF)(1sY)(2sY)(2sE)(1sE)(1sX)(2sX)(1sZ)(2sZ++++++--)()()()()()()()()()(1)()()(20221010221010221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWSFSYmVcmVccV）（）（来表示）（）（）（）（用若克服二次干扰的能力SFSYSXSY2111//)()(//212111SWSWSFSYSXSYcc）（）（）（）（则2211)()(ccccKSWKSW，用比例调节器，即假设主、副调节器均采21ccKK输出对于二次扰动的传递函数：)(1sWc)(2sWc)(sWV)(02sW)(01sW)(2sWm)(1sWm)(1sF)(2sF)(1sY)(2sY)(2sE)(1sE)(1sX)(2sX)(1sZ)(2sZ++++++--单回路控制系统方框图如下：)()()()()(1)()()()()()(01020102sWsWsWsWsWsWsWsWsWSXSYmVcVc)()()()()(1)()()(010201022sWsWsWsWsWsWsWsWSFSYmVcV）（）（)(//2SWSFSYSXSYc）（）（）（）（则：ccKSW)(假设：cK）（SX）（SF2)(SWc)(SWV)(02SW）（SF1)(01SW)(SWm）（SYcccKKK12取值较大，一般cccKKK21即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统（约10～100倍）。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。2、提高了系统的工作频率双容对象的单回路控制系统如下图所示：)(SX)(SYcKSTK0221STK0111其特征方程式为：0)1()(21020120201KKKSTTSTTc1)1()1(220222222SKKTKKKKSWccc）（则：01021010102:2TTTT则阻尼振荡频率为：1210201020121011211TTTTd自然振荡频率阻尼比双容对象的串级控制系统如下图所示：)(1SX)(1SY1cKSTK0221STK01112cK)(2SY)(2SX）（SW202T2K串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间，提高了系统的快速性。同理可得：2220201020122022211TTTTd时，有当要求衰减比21)1(220202KKTTc其中：020102011211TTTTdd越大，工作频率越高。性一定时，，而且当主、副对象特显然212cddK3、减小了对象的时间常数)1(220202KKTTc等效副对象的时间常数)1(22222KKKKKcc等效副对象的放大倍数由特点2可知副回路的传递函数：10222STKSW）（式中：等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度更快。4、对负荷变化有一定的适应能力无串级时，开环传函：)()()()(0102SWSWSWSGc)(1SX)(1SY）（SWc）（SW02）（SW01)(SH有串级时，开环传函：)()()(1)()()(010202SWSHSWSWSWSGc时当1)()(02SHSW)()(1)()(01SWSHSWSGc所以，串级控制可以减小或消除副对象的非线性。返回某控制系统方框图如下：与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求的参数作为主变量。一、主变量的选择二、副变量的选择选择原则：（1）在保证副回路时间常数较小的前提下，使其纳入主要的和更多的干扰副回路包含的干扰越多，其通道越长，克服干扰的灵敏度越低。§6.3串级控制系统的设计（2）应使主、副对象的时间常数匹配副回路工作频率12)10~3(dd为确保串联系统不产生共振，一般取主回路工作频率（3）应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性三、主、副控制器的选择（1）控制规律的选择主控制器：一般用P精度要求较高PI主对象滞后较大PID副控制器：一般用P精度要求较高，副对象时间常数过小PI（2）控制器正反作用方式的选择“先副后主”将副回路看作是一个设定值不变的单回路，用与单回路中确定调节器正反作用同样的方法进行确定；将副回路当作一个正环节，对主回路进行考虑，方法同上。执行阀流量对象流量检测变送器）（SE1）（SR2）（SR1）（SE2温度调节器流量调节器温度对象温度检测变送器流量原料出口温度）（SD2）（SD1气开式反作用反作用返回副回路：是一个随动系统，一般对其控制品质要求不高，对其快速性要求较高。主回路：是一个定值控制系统，其控制品质和单回路控制系统一样。参数整定的方法：逐步逼近法两步整定法一步整定法自学P211-216§6.4串级控制系统的参数整定返回1、应用于容量滞后较大的过程设计指导思想：如果用单回路控制系统能够满足控制性能要求，就不用串级控制等复杂控制系统。温度、质量等容量滞后较大且控制质量要求较高的系统例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统原料油热值变化引起炉膛温度变化只需3分钟§6.5串级控制系统的工业应用2、应用于纯延时较大的过程当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。例：网前箱温度-温度串级控制系统要求：Co1最大偏差不超过Co72Co61s90滞后单回路控制：min/35kg如果纸浆流量波动sCo4508过渡过程时间最大偏差达串级控制：sCo2001过渡过程时间最大偏差不超过3、应用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统要求：Co5.1最大偏差单回路控制：kPakPa300500下降至如果蒸汽压力从Co10最大偏差达串级控制：Co5.1最大偏差不超过4、应用于非线性过程对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时，会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。例：合成反应炉中部温度与进气口温度的串级控制系统非线性设备5、自校正设定值串级控制系统中，副控制器的设定值是由主控制器的输出来决定的，而主控制器的输出又是随主变量的变化而产生的。因此，凡是被控量的设定值需要随另一被控量的变化而变化时，都可用串级控制系统来实现。例：进加料器的一次风压力与一次风流量的串级控制系统注意：此系统对主变量的要求并不严格，而主要希望副变量能够迅速地随主变量的变化而变化，在参数整定时要加以注意。返回