串级控制系统

串级控制系统基本要求了解串级控制系统的概念与特点；掌握串级控制系统的方框图表示法；结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；了解串级控制系统的设计原则；掌握串级控制系统的投用方法（包括抗积分饱和、参数整定等）。串级调节系统概念定义:串级调节系统是在自动调节系统中,用两台调节器串接起来,主调节器的输出作为副调节器的给定值,由副调节器去操纵阀门的调节系统.串级调节系统的方块图副控制器执行器副对象主对象主控制器副变送器主变送器给定+主变量扰动f扰动f+21S203串级调节系统的工作过程1.干扰作用于副回路副参数塔底流量波动使系统状况发生变化时,它会迅速反映出这种情况,副调节器便立即进行调节.对于幅度小的干扰,经过副回路的及时调节,一般影响不到液面的变化.当干扰很大时在副回路快速调节下干扰幅值大大减少,尽管还将影响到主参数----塔底液面,当主调节器投入调节过程后,很快可以克服干扰.2.干扰作用于副回路假如塔底流量正常,进料流量发生变化,至使塔底液面偏离给定值,此时主调节器立即工作,输出相应变化,通过改变副调节器的给定值与塔底流量的偏差发出相应的输出信号,改变调节阀的开度从而使塔底液面尽快回到给定值上.串级调节系统的特点1.串级调节系统副回路的存在,明显改善了对象特性提高了系统抗干扰的能力2两个调节器串在一起调节,提高了系统的调节精度3串级系统具有一定的自适应能力。总之,串级调节系统从主环上看,是一个闭环负反馈系统,从副环看,它是主环内的一个负反馈系统.两个调节器串联在一起,无论干扰由什么地方进入系统,都具有良好的可控性.干扰未使主调节发生调节作用前,就被副调以”先调”.”快调.粗调所克服.剩余的干扰作用,再由主调.慢调.细调来克服.在串级调节系统中,由于引入了一个副回路,即能急早克服进入副回路的干扰对主参数的影响,又能保证被调参数(主参数)在其它干扰作用下及时加以调节,因此能大大提高调节系统的质量,以满足生产的要求.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。出料进料冷却剂TC2TC1T2T1反应器温度串级控制框图TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。TC2阀夹套槽壁反应槽反应器温度测量D2D1T2sp＋－T2T1T1sp＋－夹套水温测量TC1DCS串级控制组态方框图T1036(AI)TIC1036(REGCTL)PULL“AUTO”FIC1013(REGTCL)F1013(AI)FO1013(AO)“CAS”PULLPUSHpvspspopPv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）。Gm2＋－＋－＋＋＋＋y1,spy2,spy2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2GvGp2D2D1Gp1副回路主回路串级系统副环的等效性Gm2＋－＋＋ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGGG+＋＋D2(s))('2sDy2(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；2222'211)()(mpvcGGGGsDsD+由于而对于动态滞后较小的副回路，有1222mpvcGGGG2'2DD串级控制系统的特点（2）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。22222,22'21)()()(mpvcpvcsppGGGGGGGsysysG+内环等效对象为串级控制系统的特点（2）22222'222222'2'2'2'21,1,1)(pmpvcppmpvcpvcppppTKKKKTTKKKKKKKKsTKsG+++;1222+sTKGppp若;22ccKG;vvKG22mmKG则结论：由于副回路的存在，使主控制通道的动态特性得到改善（时间常数显著减少）串级控制系统的特点（3）对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力，并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。对于内环等效对象的增益1222mpvcKKKK当2'21mpKK22222'21mpvcpvcpKKKKKKKK+结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。串级系统分析举例＋－＋－＋＋＋＋R1uy2ym2y1ym1Kc4D2D1151+s1201+s串级系统分析举例（续）＋－＋＋＋＋R1uy2y1KcD2D1151+s1201+s原单回路系统串级回路的等效系统＋－＋＋＋＋R1uy2y1KcD2D118.0+s1201+s1152.0++ss副回路对主对象开环特性的影响举例引入副回路后的等效主对象原始的主对象副回路的引入对主参数开环特性的影响串级系统的设计原则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；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、液位+流量、温度+温度等。串级系统副参数的选择举例PC123123加热蒸汽再沸器塔底部FCTCFC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FCTC进料出料燃料油TC进料出料燃料油PC串级方案设计举例（续）TCTC燃料油进料出料讨论：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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。但积分作用要求弱些以保证副回路较强的抗干扰能力。串级系统主调节器选型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Step1:先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。Step2: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。Step3:采用单回路调节参数的工程整定法（如Z-N准则），确定主回路的PID参数。单回路与串级系统的性能比较单回路PID控制系统(参见仿真程序…/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)单回路与串级系统的性能比较串级PID控制系统(参见仿真程序…/CascadePID/CascadePid.mdl)讨论：若主对象与副对象的动态特性互换，结果如何？单回路系统的“积分饱和”问题＋－＋＋ud(t)广义对象y(t)ysp(t)÷÷øöççèæ+sTKIC11v问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少，直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系统才能恢复正常。单回路系统的积分饱和现象举例单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施）(参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)单回路系统的防积分饱和＋－＋＋d(t)广义对象y(t)ysp(t)vKCe(s)＋＋11+sTI讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。单回路系统的抗积分饱和举例单回路PID控制系统（采取抗积分饱和措施）(参见模型…/CascadePID/SinglePidwithNoInteSatur.mdl)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。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/CasPidwithSingAntiSature.mdl)带有防积分饱和功能的工业PID控制器＋－ysp(t)uKCe(t)＋＋y(t)11++sTAsTDDD11+sTIut(t)单回路工业PID控制器连接法＋－ysp(t)uKCe(t)＋＋y(t)11++sTAsTDDD11+sTI单回路防积分饱和控制器连接方法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)串级控制系统的防积分饱和Gm2＋－＋－＋＋＋＋r1r2y2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2Gp2D2D1Gp1e2ve1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/CasPidwithCasAntiSature.mdl)单回路无扰动切换的实现＋－ysp(t)uKCe(t)＋＋y(t)11++sTAsTDDD11+sTIAutoMan增量型手操器+练习题1时间/min024681012被控变量200.1201.1204.0227.0251.0280.0302.5时间/min141618202224被控变量318.0329.5336.0339.0340.5341.0已知某温度对象控制通道的阶跃响应数据如下表所示，其中控制量变化Δu=+50%，温度仪表量程为100~400℃。（1）用一阶加纯滞后近似该对象，求取K、T和τ值；（2）应用动态特性参数法选择PI调节器参数。练习题2精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，图中，Pv为调节阀阀前压力，Fbr为塔底循环量。（1）为保证再沸器的安全，蒸汽调节阀应选用气关阀还是气开阀？为什么？（2）确定调节器TC、PC的正反作用，并画出该系统完整的方框图（需在图上表明相应的信号）。PC加热蒸汽再沸器塔底部TCTspPspTmPmPTuPvFbr