工业过程控制工程课件第六章__串级控制系统

第六章串级控制系统第六章串级控制系统本章的主要内容:6.1基本原理和结构6.2串级控制系统分析串级控制系统设计6.3串级控制系统设计6.4串级系统投运及参数整定6.4串级系统投运及参数整定6.5串级控制系统举例1第六章串级控制系统6.1基本原理和结构本节的主要内容:6.1.1串级控制系统的概念P696.1.1串级控制系统的概念P696.1.2方框图及常用名词P696.1.3串级控制系统的工作过程2第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念（实例1）实例1实例1：连续搅拌反应釜温度控制P69图6.1-1原理：搅拌物料放热反应产生热量原理：搅拌物料放热反应产生热量冷却剂移走热量控制目标反应混合物温度()Tct控制目标：反应混合物温度控制手段（操纵变量）：冷却剂流量Qc()Tct3第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念4第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念实例1：连续搅拌反应釜温度控制5第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念控制方案控制方案：方案1：由于来自物料温度θf和流量Qf的变化很快由θ反映出来，一般单回路控制足已克服该扰动。已克服该扰动。即：采用θ和Qc单回路控制方案即可。6原理图：P69图6.1-1（a）第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念f.ccf.cP、变化冷却剂温度变化物料温度变化Pfc和θfc的变化首先反映为夹套内冷却剂温度θc的变化，而后才反映为θ的变化，因而由θ和Qc组成的单回路控制对克服来自冷却剂方面的扰动不是很及时。假若改用θc和Qc组成单回路，则能较快克服这些扰动。7快克服这些扰动。第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念方案2采用θ和Q单回路控制方案2：采用θc和Qc单回路控制优点：可以克服冷却剂方面的扰动缺点：不能克服进料方面扰动对θ的影响方案3：综合方案TCTC串级控制T1C-T2C串级控制8第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念方案3TCTC串级控制方案3：T1C-T2C串级控制原理图：P69图6.1-1（b）θc-Qc回路(T2C)：主要用以快速克服冷2却剂方面的扰动；θ-Qc回路(TC):用以克服其它扰动对温θ-Qc回路(T1C):用以克服其它扰动对温度的影响9第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念（实例2）实例2硝酸生产中氧化炉内温度控制实例2：硝酸生产中氧化炉内温度控制446OOOQ3224546NHONOHOQ要求T控制在840±5℃范围之内要求：T控制在840±5℃范围之内10第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念措施之简单温度控制系统措施之一：简单温度控制系统特点：对所有T的干扰都包含在控制回路中。结果：响应不灵敏，动作迟缓，最大偏差±10℃最大偏差±原因：控制通道滞后大，对氨气总管压力波动引起氨气流量的频繁变化不能及动引起氨气流量的频繁变化，不能及时克服。11第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念措施之二采用氨气流量单回路控制系统措施之二：采用氨气流量单回路控制系统。原因：氨气流量的变化对反应温度的影响很大特点：能迅速克服氨气总管压力波动引起的氨气流量干扰气流量干扰结果：最大偏差±8℃，流量控制不能克服其它干扰因素对温度的影响它干扰因素对温度的影响措施之三：用温度控制器来自动校正流量控制器12设定值，属串级控制。第六章串级控制系统6.1.1串级控制系统的概念串级控制系统的概念P69串级控制系统的概念P69一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称作是“串级”控制；作是串级控制；两个控制器都有各自的测量输入；只有主控制器具有自独立的设定值只有主控制器具有自己独立的设定值，副控制器的输出信号送给被控制过程的执行13器。这样组成的系统称为串级控制系统。第六章串级控制系统6.1.2方块图及常用名词串级系统和简单系统的显著区别串级系统和简单系统的显著区别：串级系统在结构上形成两个闭环通用的串级控制方块图：P70图6.1-2副回路（或副环）：包含在虚线框内的部分，在控制系统中起“粗调”作在控制系统中起粗调作用主回路（或主环）在控制系统中起“细调”作14主回路（或主环）：在控制系统中起“细调”作用第六章串级控制系统6.1.2方块图及常用名词15第六章串级控制系统6.1.2方块图及常用名词串级控制系统的名词术语P69串级控制系统的名词术语：P69主变量（y1），保持其平稳是控制的标主要目标。副变量（y2），它是被控过程中引出副变量（y2），它是被控过程中引出的中间变量。16第六章串级控制系统6.1.2方块图及常用名词副对象副对象在图中以表示，它反映了副变量与操纵变量之间的通道特性2pGs纵变量之间的通道特性。主对象在图中以表示，它是主变量和副变量之间的通道特性。1pGs之间的通道特性主控制器即图中它接受的是主变量的偏差Gs17即图中，它接受的是主变量的偏差，其输出用来改变副控制器的设定值。1cGs第六章串级控制系统6.1.2方块图及常用名词副控制器副控制器即图中，它接受的是副变量的偏差，2cGs其输出去操纵阀门。副回路副回路处于串级控制系统内部的，由副变量测量变送器副控制器控制阀副对象组成变送器、副控制器、控制阀、副对象组成的回路。18第六章串级控制系统6.1.2方块图及常用名词主回路主回路若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入以副变量2为输出的等效环节（如图中入、以副变量y2为输出的等效环节（如图中虚线所示），则串级系统转化为一个单回路，称这个单回路为主回路称这个单回路为主回路。注意：主回路并不是指将副变量测量变送环节前（或后）断开后而形成的单回路。19第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程目的分析串级控制系统的工作过程得出目的：分析串级控制系统的工作过程，得出串级控制系统克服干扰的一般过程。步骤：先分析稳态时工作状况，再分别加入干扰进行分析。干扰进行分析有关概念复习：a控制阀的气开/气关形式a.控制阀的气开/气关形式：气开式：气源压力阀门开度（即：输入量）20第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程b对偏差定义的区别b.对偏差定义的区别：控制系统：e=r-ym仪表行业：e’=ym-rc.控制器的正/反作用方式（前提：设定值不变）正作用方式测量信号↑输出↑正作用方式：测量信号↑→输出↑反作用方式：测量信号↑→输出↓21第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程工作过程分析工作过程分析：实例：氧化炉反应温度流量串级控制系统已知条件：控制阀：气开式TC温度控制器反作用方式稳定状态物料能量达到平衡并维持不变FC反作用方式流量控制器稳定状态：物料、能量达到平衡并维持不变；TC、FC输出相对稳定，控制阀处22于某一开度位置不变。第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程下面分析系统引入干扰后的工作过程下面分析系统引入干扰后的工作过程：a.出现二次干扰F2：导致氧气流量增加Q↑。由框图可见，F2至副变量Y2距离短，距主变量Y1距离长。流量Q的变化首先被副变送器检测到，由FC进行控制。初始阶段，Q的变化不会一下子影响初始阶段，Q的变化不会下子影响到炉温T，故TC的输出暂时不变，即FC的输入暂时不变23输入暂时不变。第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程22212ummyFQFCyTCr流量输出暂时不变输出暂时不变对于小干扰：由FC进行控制，不会引起炉温T的变化Q阀门开度流量对于小干扰由进行控制不会引起炉温的变化对于大干扰：经FC控制后，大大消弱对T的影响。随时间t的增加，Q的变化对T的影响会慢慢显示出来，炉温T发生变化，再由TC进行控制，直至T恢复稳定（回到原设定值），此24时控制阀将处于一个新的开度上。第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程b出现一次干扰F1：导致T升高（推理方法1）b.出现次干扰F1：导致T升高（推理方法1）F1→T↑→ym1↑→uC1↓设定值不变TC设定值r1不变→FC设定值r2↓2→e2↓=r2↓–ym2(ym2暂时不变)→u↓（FC:反作用方式→“+”极性）→u2↓（FC:反作用方式→+极性）22uFCQT输出阀门开度流量炉温至设定值2522uFCQT输出阀门开度流量炉温至设定值第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程b出现一次干扰F1：导致T升高（推理方法2）b.出现次干扰F1：导致T升高（推理方法2）111umyFTTC温度输出设定值不变111222mTCreyrFC设定值不变设定值22mFCry设定值暂时不变uFCQT输出阀门开度流量炉温至设定值在此过程中，氨气流量Q是不断变化的，但这是为适应温度控制的需要并不是干扰22uFCQT输出阀门开度流量炉温至设定值26但这是为适应温度控制的需要，并不是干扰直接作用的结果。第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程cF1和F2同c.F1和F2同时出现：分两种情况第种情况扰动使主副变量同时变化TQ第一种情况：扰动使主、副变量同时变化。Q111112ummTyeyrr2mQy很快降至设定值2222umeyrT很快下降至设定值27第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程第种情况扰动使主副变量反方向变化T第二种情况：扰动使主、副变量反方向变化。QT本身具有互补作用QT本身具有互补作用111122222mmmmTyeyrreyrQy222mee变化较小可大、可小变化较小流量只需很小调整282变化较小流量只需很小调整第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程3结论副控制器起“粗调”作用3结论：副控制器：起“粗调”作用主控制器：起“细调”作用两者相互配合，控制质量高于单回路控制系统。由分析可见串级控制的优点：副回路具有快速调节作用副回路具有快速调节作用。29第六章串级控制系统6.1.3串级控制系统的工作过程串级控制的优点串级控制的优点：副回路具有快速调节作用。对于发生于副回路的干扰，在影响主变量之前即可由副控制器予以校正；串级系统设计时，可将主要的扰动包括在副回路中，发挥副回路快速调节的作用在副回路中，发挥副回路快速调节的作用30第六章串级控制系统6.2串级控制系统分析串级控制系统从总体上看仍然是串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统。因此，主变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标但是串级控制过程具有相同的品质指标。但是，串级控制系统和单回路系统比较，在结构上，从对象系统和单回路系统比较，在结构上，从对象中引出中间变量（即副变量）构成一个回路，31因此具有一系列特点。第六章串级控制系统6.2串级控制系统分析本节的主要内容:6.2.1临界频率和临界增益P70临界频率和临界增益6.2.2系统的鲁棒性P726.2.3串级控制系统的特点P736.2.4串级控制系统的应用场合32第六章串级控制系统6.2.1临界频率和临界增益例已知P70例：已知P701Gs1130131pGsss2211101pGsss和都是纯比例的。串级控制系统方块图：P70图6.2-11cGs2cGs比较：单回路和串级控制系统的临界频率和临界增益33和临界增益第六章串级控制系统6.2.1临界频率和临界增益34第六章串级控制系统6.2.1临界频率和临界增益解1）求副回路的P70k解：1）求副回路的、：P70副回路的开环传函：（621）12c2ck（6.2-1）