浙大工业过程控制8.液位均匀控制

2020/2/26工业过程控制液位均匀系统戴连奎浙江大学智能系统与决策研究所2020/2/26工业过程控制上一讲内容回顾介绍了串级控制系统的概念与特点；结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；讨论了串级控制系统的设计原则；详细介绍了串级控制系统的参数整定过程.2020/2/26工业过程控制问题讨论串级控制的概念，说明与单回路控制的区别。以左图的反应器为例，说明引入串级控制的意义。为什么引入串级控制可显著减少内回路的干扰，并显著提高控制系统鲁棒性？如何选择主副控制器的控制规律，如何整定PID参数？出料进料冷却剂TC2TC1T2T12020/2/26工业过程控制串级PID系统的积分饱和问题FCTC进料出料燃料油情况1：流量副回路出现“积分饱和”，可采用单回路抗积分饱和方法；情况2：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，可能出现限位参数不一致的情形，同样存在发生“积分饱和”的可能性。2020/2/26工业过程控制单回路系统的防积分饱和＋－＋＋d(t)广义对象ym(t)ysp(t)ve(s)＋＋11sTIu111sATsTKDDDCPID控制器方法：正常情况为标准的PD+PI控制算法；而当出现超限时，通过限制积分作用达到切除积分作用的目的。2020/2/26工业过程控制单回路防积分饱和方法在串级控制系统中的局限性串级PID控制系统（只采取单回路抗积分饱和措施）(参见模型…/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)2020/2/26工业过程控制串级系统积分饱和现象仿真串级系统产生积分饱和的原因分析？2020/2/26工业过程控制串级控制系统主调节器防积分饱和连接法＋－y1sp(t)uKCe(t)＋＋11sTAsTDDD11sTI串级系统主控制器防积分饱和连接方法ym2(t)ym1(t)2020/2/26工业过程控制串级控制系统的防积分饱和Gm2＋－＋－＋＋＋＋r1r2y2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2Gp2D2D1Gp1e2ve12020/2/26工业过程控制串级系统的防积分饱和方法举例串级PID控制系统（采取抗积分饱和措施）(参见模型…/CascadePID/CasPidwithAntiSatur.mdl)2020/2/26工业过程控制串级系统防积分饱和措施举例2020/2/26工业过程控制工业PID控制器常用结构功能:控制输出跟踪,防积分饱和,输出限幅,正反作用选择,测量值滤波,设定值变化率限幅等.2020/2/26工业过程控制均匀控制内容均匀控制的概念与特点；常见的均匀控制系统；均匀控制系统的应用场合；仿真举例；结论2020/2/26工业过程控制均匀控制问题LCh(t)qo(t)qi(t)塔甲塔乙当塔甲的进料量变化时，希望塔甲的液位h(t)与出料qo(t)同时平稳，以确保后续设备进料波动的减少。这完全不同于单纯的液位控制系统（那里只关心液位的平稳，而不关注控制变量的变化情况），而要求液位与出料同时“均匀”地变化。2020/2/26工业过程控制均匀控制系统的特点不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量(MV)都有平稳的要求；为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，液位在贮罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变。均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。2020/2/26工业过程控制常用的均匀控制方案LC塔甲塔乙LCh(t)qo(t)塔甲FC塔乙单回路均匀控制系统串级均匀控制系统讨论：两种方案有何不同？2020/2/26工业过程控制均匀控制系统的分析LCH(t)Qo(t)精馏塔FCQi(t)A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)()()(tQtQdttdHAoiA为塔底截面积2020/2/26工业过程控制均匀控制系统的分析(续)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maxmax),()()(QAHTtqtqdttdhThoih其中h(t)、qi(t)、qo(t)分别为液位与进出流量的归一化值。2020/2/26工业过程控制均匀控制系统的分析(续)＋－＋Gcqi(s)sTh1－qo(s)H(s)Hsp(s)对于纯比例控制器Gc=Kc，可得到的闭环特性为：,111)()(sKTKKsTsQsHchcchi,11)()(sKTKsTKsQsQchchcio2020/2/26工业过程控制纯比例均匀控制系统的特点可实现进出物料的自动平衡；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，但使液位的波动范围与余差同时增大；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。2020/2/26工业过程控制均匀控制系统的PID参数整定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。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。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。2020/2/26工业过程控制均匀控制仿真举例LCH(t)Qo(t)精馏塔FCQi(t)A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)()()(tQtQdttdHAoiA为塔底截面积2020/2/26工业过程控制均匀控制SimuLink仿真模型分析均匀控制与液位控制的控制目标与控制参数的不同(参见模型…/EqualControl/CascadePid.mdl)2020/2/26工业过程控制结论介绍了液位均匀控制的概念与特点；讨论了常见的均匀控制系统；列举了均匀控制系统的应用场合；通过仿真举例分析了均匀控制与简单液位控制在控制目标与控制器参数选择方面的不同.