第二章_串级控制系统

nullnull过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程 Email:Sunhc@mail.buct.edu.cn第二章 串级控制系统 null串级控制系统2.1 概述 2.2 串级控制系统 2.3 投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计 (改错:公式2—23a、2—24a中2β、1β为2c、1c) 实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究第2章教学进程null2.1概述null复杂系统--随着控制理论与工业应用的发展，包含的内容也不同，例如 复杂大系统--人口系统，环境控制，能源控制，企业生产经营控制等。 复杂系统--多回路系统 多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路组成的系统。2.1概述●复杂控制系统null80-90%控制系统是基于PID控制的系统，包括多回路系统。 多回路系统应用状况 以乙烯生产厂为例，它共有421个控制回路 其中：常规PID单回路 347个 串级、比值等 74个（串级24） 多回路系统占17.5%●多回路系统的发展2.1概述null●串级控制系统原理 精馏控制过程： 提馏段温度控制 — 通过控制再沸器加热蒸汽量来维持提馏段温度恒定 2.1概述精馏塔提馏段温度控制：null结果：温度控制不稳定2.1概述 分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路 可控制温度情况一，很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会 有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀 门开度情况下，加热蒸汽量不同。null解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定 ？ 问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾 温度控制系统 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 增加或减小蒸汽流量，而流量控制系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。 2.1概述null串级控制系统：两套控制系统的协调控制2.1概述null2.1概述温度控制器流量控制器控制阀流量变送器null形成两个环: 副环或副回路－－“ 粗调”作用 主环或主回路－－“ 细调”作用 主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定 副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀 副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀 主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀 2.1概述null2.1概述●串级控制系统工作过程● 情况1:—— 副环内出现干扰● 情况2:——主环内出现干扰● 情况3:——主环和副环同时出现干扰蒸汽进料null● 情况1: —— 副环内出现干扰 流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调” 2.1概述蒸汽流量突然增大→（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大→（流量控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）→蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响） →提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）→流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。null● 情况2: —— 主环内出现干扰 进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降→温度控制器负偏差，输出增大→（流量控制器负偏差，流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加）→提馏段温度回升2.1概述null2.1概述●情况3: ——主环和副环同时（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度降低；（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度升高。spspnull2.1概述 串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过程中应用比较普遍。 温度控制器：“细调” 结论：流量控制器：“粗调”null串级控制系统2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计 实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究第2章教学进程null2.2串级控制系统的实施组成控制系统的设备不同，实施方法也有差异 目前主要是： 电动Ⅲ型仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 系统、 气动Ⅲ型仪表系统、 计算机控制系统（DCS、PLC） null● 实施前要考虑的几个问题 （1）系统设备间的传输信号要匹配，电信号4~20mA, 1~5V，气信号0.02~0.1Mpa，混合时需要转换装置（电-气转换） （2）副控制器必须具有外给定功能 （3）是否需要切换开关，即切换成： a 主控制器直接控制控制阀； b 副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制，并且要考虑无扰动切换。 （4）实施 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 力求简洁实用，便于操作。2.2串级控制系统的实施null2.2.1串级控制系统控制方案 电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机 （1）一般的串级方案 （2）能实现主控 – 串级切换的串级方案null2.2.2串级控制系统的实施 主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格， 一般不允许有余差 副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差； 主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服 对象滞后，也加入微分作用； 副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用， 只选择比例控制规律； 只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰 出现在什么位置。（1）主、副控制器控制规律的选择null2.2.2串级控制系统的实施 选择顺序：先副后主 副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系 即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号 主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。 副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 —— 随动系统，跟踪主 控制器的输出。 （2）主、副控制器正反作用的选择null2.2.2串级控制系统的实施null副控制器： 控制阀选“气开”式——正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升——正 变送器一般均为正 主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升——正2.2.2串级控制系统的实施null例2精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统2.2.2串级控制系统的实施副控制器： 控制阀选“气闭”式——负 正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大——正 变送器一般均为正 主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加， 提馏段温度上升——正null2.2.2串级控制系统的实施结论（1）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关；（2）直接先确定主控的正反作用。null2.2.2串级控制系统的实施 串级→主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀 主控→串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀 无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确——直接切换条件 （3）串级与主控的切换条件null2.2.2串级控制系统的实施副控制器为反作用（负）：副控制器为正作用（正）：可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。此时主、副控制器输出信号变化不一致null如副控是反作用，可执行切换；如副控是正作用，需先 改变主控的方向，再切换。条件结论如对控制阀的开闭形式没有要求，应选择使副控为反作用 的开、闭形式。2.2.2串级控制系统的实施null串级控制系统2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计 实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究第2章教学进程null2.3串级控制系统的投运和整定2.3.1串级控制系统的投运 根据组成系统的仪表类型有所不同 基本原则：先投副环，后投主环，保证投运无扰动 （Ⅲ型以上仪表、计算机控制） null2.3.1串级控制系统的投运● 投运步骤4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零 5、分别将副、主控制器切入自动 1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器 外给定，正反作用正确，PID参数正确2、副控制器手动操作3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数 变化也比较平稳null2.3.2串级控制系统的工程整定方法逐步逼近法、两步法、一步法，先副环，后主环 ● 两步法●主环控制器比例度100%，积分时间最大，微分时间最小， 按 4：1整定方法直接整定副环，确定副环4：1振荡过程 时的比例度和振荡周期； ●放好副控制器4：1的比例度，积分时间最大，微分时间最小， 同样方法整定主控制器，确定副环4：1振荡过程时的比例度和 振荡周期；分两步整定两个控制器●按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算PID参数；●先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。null2.3.2串级控制系统的工程整定方法● 一步法●表2-1 副控制器参数经验设置值；●按单回路方法直接整定主控制器；主要整定主控制器，比两步法简单、实用●观察控制过程，适当调整主控制器K值，或适当调整副控制器的参数null串级控制系统2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计 实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究第2章教学进程null系统方块图的比较，串级系统和单回路系统，可见串级系统的特点: ①多了一个副回路； ②多了一个控制器。2.4串级控制系统的特点null2.4串级控制系统的特点（1）副回路的存在，改善了对象特性，提高了系统工作频率null2.4串级控制系统的特点 比较可知，串级系统的等效副对象的放大倍数和时间常数都比原副对象的要小结论null2.4串级控制系统的特点（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力串级系统的内环具有快速作用，能有效地克服二次扰动的影响在二次干扰下，被控量受二次干扰的影响, 串级系统 比单回路系统要减小10－100倍。null 特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行 控制，副“粗调”，主“细调”，副环起到超前调节的作用 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10—100倍， 干扰作用于主环时，也可提高2—5倍 例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰2.4串级控制系统的特点（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力null2.4串级控制系统的特点（3）串级系统具有一定的自适应能力 自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象 设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性， 操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就 变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据 操作条件的变化，不断修改副控制器的给定值—— 自适应能力 “能力有限”，自适应控制（现代控制技术） null2.4串级控制系统的特点（3）串级系统具有一定的自适应能力副回路增益不受主回路系统负荷影响 副回路是个随动系统，快速跟踪的能力 串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂 工程上，宜简不宜繁 null串级控制系统2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计 实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究第2章教学进程null2.5串级系统副回路的设计 串级系统的关键在于副环的设计 设计合理，能有效发挥串级系统的优势 设计不合理，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化 关键：对工艺进行细致的分析 包含有两方面的内容:1) 主参数的确定2) 副参数的确定null2.5串级系统副回路的设计设计原则● （1） 使副环包含系统的主要干扰 副环具有快速抗干扰的能力 （2） 使副环包含更多的干扰系统干扰较多且难于分出主要干扰 null2.5串级系统副回路的设计例1加热炉出口温度控制系统A）炉出口温度与燃料压力串级方案燃料压力波动null2.5串级系统副回路的设计例1加热炉出口温度控制系统B）炉出口温度与炉膛温度串级方案燃料组成波动null2.5串级系统副回路的设计另外，还要考虑副环离主变量的“远、近”问题 非线性使对象特性发生畸变，因此使系统“不适应” 副环是个随动系统，具有一定的自适应能力，因此，可以使控制系统在一定程度上克服非线性的影响 （3） 应使非线性环节尽量包含在副环中null2.5串级系统副回路的设计例 2醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统把换热器这个非线性干扰环节设计在副环中，对主参数的控制具有 一定的帮助。 null2.5串级系统副回路的设计 图 化纤厂纺丝胶液压力控制系统，串级系统有效地克服胶液传送纯滞后。 （4）当对象具有较大的纯滞后时，应使副环尽量少包含或不包含纯滞后尽量将纯滞后放到主对象中，以提高副回路的快速抗干扰能力。null（5）虑主、副对象时间常数的匹配，防止“共振”发生 共振：在主、副回路振荡频率范围内，其信号相互影响，相互增幅。 原因： 主副回路的工作频率接近2.5串级系统副回路的设计     null 由频率特性分析，得出结论： 1）副环工作频率应该大于主环工作频率的3倍， 即 ω2β>3ω1β 对于时间常数，有 T01 > 3 T02 2）控制器的参数整定上下功夫，（主控参数放宽） 拉开工作频率。2.5串级系统副回路的设计ω2β > 3 ω1β null （6） 考虑方案的经济性、工艺的合理性 2.5串级系统副回路的设计 图 丙烯冷却器两种不同串级控制方案