1、串級控制系統(tǒng)戴連奎浙江大學(xué)控制學(xué)院 2017/03/23單回路控制問題討論n如何評價(jià)一個(gè)控制系統(tǒng)的品質(zhì)（定性與定量）？n對于一般的PID控制器，如何通過改變控制參數(shù)使其成為PI或P控制器？n對于常見的被控過程，為什么采用P控制器會產(chǎn)生余差而采用PI控制器能消除余差？n為什么PID控制器中的微分作用在實(shí)際過程中使用的不多？n對于某一特性未知的被控過程，如何整定PID控制器參數(shù)？ PID控制回路穩(wěn)態(tài)分析（1）該被控過程是否為穩(wěn)定對象？（2）對于外部干擾，該控制系統(tǒng)為什么采用P控制器會產(chǎn)生余差而采用PI控制器能消除余差？PID參數(shù)的離線整定法n步驟 1：將控制器從“自動”模式切換至“手動”模式（此時(shí)

2、控制器輸出完全由人工控制），人為以階躍方式增大或減少控制器輸出，并記錄控制器相關(guān)的輸入輸出動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。n步驟 2：由階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)估計(jì)特性參數(shù) K, T,。n步驟 3：按經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)定 PID參數(shù) Kc、Ti、Td，并將控制器切換至“自動”模式。n步驟 4：根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)響應(yīng)情況，增大或減少控制器增益Kc直至滿意為止。01020304050607080901005456586062%Controller Output01020304050607080901006668707274767880%Transmitter Output離線整定仿真舉例步驟 1：階躍響應(yīng)測試 詳見 ./PIDControl

3、/PIDLoop.mdl01020304050607080901006668707274767880%minTransmitter Output步驟 2：獲取過程參數(shù)0632. 0TTtOOOttT283. 0632. 05 . 1,%,%finalinitialfinalinitialTOTOTOKCOCOCO步驟 3：獲取初始PID參數(shù)(Lambda 整定法)控制器KcTiTdP0PIT0PIDT/21TK 12TK 11.2TK 注意：上述整定規(guī)則不受/T 取值的限制爐出口溫度單回路控制仿真詳見SimuLink模型 /CascadePID/SinglePid_Furnace.mdl內(nèi) 容

4、n串級控制的引入與基本概念n串級控制系統(tǒng)的特性分析 n串級控制的設(shè)計(jì)原理與副參數(shù)的選擇n串級控制器的實(shí)現(xiàn)與參數(shù)整定步驟n加熱爐出口溫度控制仿真舉例加熱爐出口溫度單回路控制MV：燃料氣流量，CV：工藝介質(zhì)爐出口溫度控制閥：氣開閥（為什么？）TC23的正反作用如何選擇？擾動分析單回路控制過程分析問題：問題：從擾動進(jìn)入到反饋控制器開始響應(yīng)，所需信息傳遞路線遠(yuǎn)、傳遞時(shí)間長。如何改進(jìn)？假設(shè)燃料氣的入口壓力（即閥前壓力） 即使 u(t)不變，燃料氣流量（經(jīng)燃燒過程）爐膛溫度 工藝介質(zhì)爐出口溫度 T （借助于測量反饋控制） CO串級控制思想的引入 燃料供應(yīng)系統(tǒng)的波動首先影響燃料氣流量 Fgas ，然后再影響

5、工藝介質(zhì)爐出口溫度。 基本思想基本思想：一旦感受到Fgas的變化，在T開始變化以前，就應(yīng)當(dāng)調(diào)整燃料閥的操作。 具體實(shí)現(xiàn)具體實(shí)現(xiàn)：該校正動作采用Fgas為中間變量來盡早感受干擾，并通過調(diào)節(jié)MV以減少干擾對CV的影響。如何減少 Pgas變化對爐出口溫度的影響 ?一種爐出口溫度串級控制方案(1) 該方案由兩個(gè)傳感變送器、兩個(gè)控制器和一個(gè)控制閥組成。 (2) 該方案有兩個(gè)控制回路，其中一個(gè)用于控制 T，而一個(gè)用于控制 Fgas.為何叫“串級控制”？注：注：燃料氣流量只是用作中間輔助變量，以改善CV的控制性能。 試畫出上述串級控制系統(tǒng)的方塊圖 ?工藝介質(zhì)爐出口溫度串級控制方塊圖這里，TC 23 被稱為“

6、主控制器”，而 FC 13 被稱為“副控制器”；D1 表示了各種直接進(jìn)入外回路的干擾，D2 表示了各種直接進(jìn)入內(nèi)回路的干擾。干擾舉例？串級控制中的常用術(shù)語 以傳遞函數(shù)形式表示的串級控制系統(tǒng)方塊圖注：D1 反映了各種外回路干擾對主參數(shù)的綜合影響，D2 反映了各種內(nèi)回路干擾對副參數(shù)的綜合影響。試指出主副回路所對應(yīng)的“廣義對象” ？內(nèi)回路的等價(jià)變換與“廣義控制閥”概念Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGGG+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp串級控制中副回路特性分析n副回路（或稱內(nèi)回路）通常響應(yīng)迅速，并能有效克服內(nèi)回路干擾

7、對主參數(shù)的影響n副回路能顯著減少控制閥與副對象的非線性。為什么 ?22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGGG+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp串級控制中副參數(shù)的選擇原則n副參數(shù)需同時(shí)滿足：（1）能較快地感覺部分干擾，（2）直接受控制器輸出的控制，（3）對主參數(shù)有明確且較大的影響n副回路應(yīng)盡可能多地包含主要干擾，而且“越多越好”n如果可能，副回路應(yīng)包含一些非線性對象。常見的串級回路：溫度-流量、溫度-壓力、濃度-流量、濃度-溫度、液位-流量、溫度-溫度等。串級控制副參數(shù)選擇舉例討論副回路的響應(yīng)速度與包含的內(nèi)回路干擾?方案 #1方案 #2串級控制器類型選擇n副控制器

8、（也稱內(nèi)回路控制器）通常采用PI控制律原因：需要對內(nèi)回路干擾具有快速調(diào)節(jié)能力 （強(qiáng)比例作用+弱積分作用，為什么？）n主控制器通常選用PID控制律（液位串級控制除外）通常主對象的響應(yīng)速度緩慢，并帶有較顯著的純滯后，主控制器經(jīng)常引入微分作用。 串級控制器參數(shù)整定步驟 #1n設(shè)置主控制器至“手動”方式，參照單回路整定方式整定副控制器PID參數(shù)。具體步驟討論？串級控制器參數(shù)整定步驟 #2n將副控制器切換至“自動” ，并以階躍方式手動改變主控制器的輸出（即副控制器的設(shè)定值），記錄主回路“廣義對象”的輸出輸出數(shù)據(jù)；并獲取主對象對應(yīng)的動態(tài)特性參數(shù)。串級控制器參數(shù)整定步驟 #3n參照單回路離線方式整定主控制器

9、PID參數(shù)，并將主控制器切換至“自動”。結(jié)合主控制器給定值階躍響應(yīng)，適當(dāng)調(diào)整主控制器增益，直至滿意。仿真舉例串級控制方案單回路控制方案爐出口溫度單回路控制仿真詳見SimuLink模型 /CascadePID/SinglePid_Furnace.mdl爐出口溫度串級控制系統(tǒng)爐出口溫度串級控制系統(tǒng)仿真模型1詳見下列SimuLink模型，并討論參數(shù)整定問題/CascadePID/CascadePid_Furnace.mdl爐出口溫度串級與單回路控制仿真結(jié)果比較05010015020025030048505254565860Time, minYm, % 0501001502002503005060708090100Time, minU, %YspSingle LoopCascade 課堂討論：換熱器出口溫度不同串級控制方案比較方案 #1方案 #2方案 #3單回路PID控制討論n廣義對象動態(tài)特性的階躍響應(yīng)測試法n控制閥的氣開/氣關(guān)、PID控制器的正反作用的選擇nPID控制器類型的選擇nPID控制參數(shù)的離線整定法與在線整定法n流量控制回路的特殊性與控制參數(shù)整定n液位均勻控制回路的目標(biāo)與參數(shù)整定串級控制問題討論（1） 1. “串