1、串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)Cascade Control System單回路單回路PID控制系統(tǒng)小結(jié)控制系統(tǒng)小結(jié)n介紹了簡單被控過程的機理建模方法;n討論了控制閥“氣開、氣關(guān)”形式與流量特性的選擇問題；n講述了“廣義對象” 動態(tài)特性的典型測試方法；n介紹了單回路控制器“正反作用”的選擇原則；n詳細分析了單回路PID參數(shù)整定方法,n介紹了PID控制器的“防積分飽和” 技術(shù).課堂提問課堂提問n采用純比例控制，Kc增加時系統(tǒng)的穩(wěn)定性會怎樣？穩(wěn)定的情況下余差會怎樣？n采用PI控制，Ti調(diào)小時為保持系統(tǒng)穩(wěn)定性，比例度應(yīng)該怎樣變化？n什么是積分飽和？反饋控制如何防積分飽和？主要內(nèi)容主要內(nèi)容n了解串級控制系統(tǒng)

2、的概念與特點；n掌握串級控制系統(tǒng)的方框圖表示法；n結(jié)合控制原理，掌握串級系統(tǒng)的分析方法；n了解串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則；n掌握串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法與仿真實現(xiàn);n了解串級控制系統(tǒng)的防積分飽和措施。第一節(jié) 串級控制系統(tǒng) 一、串級控制系統(tǒng)概述一、串級控制系統(tǒng)概述 目的：目的：可延長爐子壽命可延長爐子壽命，防止爐管燒壞防止爐管燒壞；可保證后面精可保證后面精餾餾分分離的質(zhì)量。離的質(zhì)量。 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)1.1.串級控制系統(tǒng)的組成串級控制系統(tǒng)的組成串級控制系統(tǒng)定義串級控制系統(tǒng)定義:由兩個測量變送器、兩個控制器其中一個由兩個測量變送器、兩個控制器其中一個控制器的輸出是另一個控制器的給定、一個控制

3、閥組成的控制器的輸出是另一個控制器的給定、一個控制閥組成的2.2.串級控制系統(tǒng)中常用的名詞串級控制系統(tǒng)中常用的名詞 主被控變量（主被控變量（YlYl) )：是工藝控制指標或與工藝控制指標有直接：是工藝控制指標或與工藝控制指標有直接關(guān)系，在串級控制系統(tǒng)中起主導作用的被控變量。關(guān)系，在串級控制系統(tǒng)中起主導作用的被控變量。 副被控變量（副被控變量（Y2Y2）：大多為影響主被控變量的重要參數(shù)。：大多為影響主被控變量的重要參數(shù)。 主控制器主控制器：在系統(tǒng)中起主導作用，按主被控變量和其設(shè)定值之：在系統(tǒng)中起主導作用，按主被控變量和其設(shè)定值之差進行控制運算，并將其輸出作為副控制器給定值。差進行控制運算，并將其

4、輸出作為副控制器給定值。 副控制器副控制器：在系統(tǒng)中起輔助作用，按所測得的副被控變量和主：在系統(tǒng)中起輔助作用，按所測得的副被控變量和主控輸出之差來進行控制運算，其輸出直接作用于控制閥的控制器，控輸出之差來進行控制運算，其輸出直接作用于控制閥的控制器，簡稱為簡稱為“副控副控”。主變送器主變送器：測量并轉(zhuǎn)換主被控變量的變送器。：測量并轉(zhuǎn)換主被控變量的變送器。副變送器副變送器：測量并轉(zhuǎn)換副被控變量的變送器。：測量并轉(zhuǎn)換副被控變量的變送器。主對象主對象：大多為工業(yè)過程中所要控制的、由主被控：大多為工業(yè)過程中所要控制的、由主被控 變量表變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備或過程。征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備或過程。副

5、對象副對象：大多為工業(yè)過程中影響主被控變量的、由副被控變：大多為工業(yè)過程中影響主被控變量的、由副被控變量表征其特性的輔助生產(chǎn)設(shè)備或輔助過程。量表征其特性的輔助生產(chǎn)設(shè)備或輔助過程。副回路副回路: :由副變送器、副控制器、控制閥和副對象所構(gòu)成的由副變送器、副控制器、控制閥和副對象所構(gòu)成的閉環(huán)回路閉環(huán)回路 , , 又稱為又稱為“ “ 副環(huán)副環(huán)” ” 或或“內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán)”。主回路主回路：由主變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)、主對象：由主變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)、主對象所構(gòu)成的閉環(huán)回路，又稱為所構(gòu)成的閉環(huán)回路，又稱為“主環(huán)主環(huán)”或或“外環(huán)外環(huán)”。 副回路副回路3.3.串級控制系統(tǒng)的典型的方框圖串級控

6、制系統(tǒng)的典型的方框圖 4. 4. 串級控制系統(tǒng)的特點串級控制系統(tǒng)的特點1) 1) 對于進入副回路的干擾具有較強的抗干擾能力。對于進入副回路的干擾具有較強的抗干擾能力。2) 2) 改善了對象特性，使控制過程加快，提高了控制質(zhì)量。改善了對象特性，使控制過程加快，提高了控制質(zhì)量。 3)3)串級控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力串級控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)出料進料冷卻劑TC調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套槽壁反應(yīng)槽溫度測量變送D2D1T1spT2T1操縱變量：冷卻劑流量被控變量：反應(yīng)溫度擾動變量：冷卻劑溫度以及工藝介質(zhì)流量控制規(guī)律：PID反應(yīng)釜溫度單回路控制響應(yīng)曲線反應(yīng)釜溫度單回路控制響

7、應(yīng)曲線單回路控制系統(tǒng)分析單回路控制系統(tǒng)分析問題：問題：從擾動開始至調(diào)節(jié)器動作，調(diào)節(jié)滯后較大，特別對于大容量的反應(yīng)槽，調(diào)節(jié)滯后更大。冷卻水入口溫度 夾套內(nèi)冷卻水溫度 T2 （經(jīng)對流傳熱）槽壁溫度 反應(yīng)槽溫度T1 （經(jīng)反饋回路）冷卻水量出料進料冷卻劑TC出料進料冷卻劑TC系統(tǒng)控制與擾動的分析系統(tǒng)控制與擾動的分析n干擾變量的影響：冷卻水入口溫度變化 夾套內(nèi)冷卻水溫度變化 槽壁溫度變化 反應(yīng)槽溫度變化n控制變量的影響：冷卻水調(diào)節(jié)閥開度變化 冷卻水流量變化 夾套內(nèi)冷卻水溫度變化 槽壁溫度變化 反應(yīng)槽溫度變化解決方法解決方法夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到來自干擾（冷卻水入口溫度）以及來自

8、控制的影響。因而可設(shè)計夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動。但TC2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T1的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC1來自動實現(xiàn)）?！按壙刂拼壙刂啤?反應(yīng)器溫度的串級控制方案反應(yīng)器溫度的串級控制方案特點：特點：兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器TC2通過調(diào)節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調(diào)節(jié)器TC1通過調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設(shè)定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值。 出料進料冷卻劑TC2TC1T2T1反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度串級控制框圖反應(yīng)器溫度串級控制框圖出料進料冷卻劑TC2TC1T2T1討論: 主副控制器的“

9、正反作用”選擇。串級控制系統(tǒng)常用術(shù)語串級控制系統(tǒng)常用術(shù)語串級控制系統(tǒng)方塊圖串級控制系統(tǒng)方塊圖注：D1、D2 綜合反映了一次擾動、二次擾動對控制系統(tǒng)副參數(shù)與主參數(shù)的動態(tài)影響；主回路是指：副回路閉合狀態(tài)下等效的單回路（將副回路看成是一個等效的控制閥）。Gm2y1,spy2,spy2ym2y1ym1Gm1Gc1Gc2GvGp2D2D1Gp1副回路主回路串級系統(tǒng)副環(huán)的等效性串級系統(tǒng)副環(huán)的等效性Gm2ym2Gc2GvGp2D2y2y2,sp22211mpvcGGGG+222221mpvcpvcGGGGGGG+D2(s)(2sDy2(s)y2,sp串級控制系統(tǒng)的特點（串級控制系統(tǒng)的特點（1）n副回路（有時

10、稱內(nèi)環(huán)）具有快速調(diào)節(jié)作用，它能有效地克服二次擾動的影響；2222211)()(mpvcGGGGsDsD+由于假設(shè)副回路的動態(tài)滯后較小，對于低頻干擾，有1222mpvcGGGG22DD 反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)串級控制系統(tǒng)的特點（串級控制系統(tǒng)的特點（2）n能自動地克服副對象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線性對控制性能的影響（系統(tǒng)的“魯棒性魯棒性”增強） 。對于內(nèi)環(huán)等效對象的穩(wěn)態(tài)增益：1222mpvcKKKK221mpKK2222221mpvcpvcpKKKKKKKK+串級控制系統(tǒng)的特點（串級控制系統(tǒng)的特點（3）n改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。在相同的衰減比下，主調(diào)節(jié)器

11、的增益可顯著加大。22222, 2221)()()(mpvcpvcsppGGGGGGGsysysG+副回路等效對象為：;1222+sTKGppp若：2222;ccvvmmGKGKGK串級控制系統(tǒng)的特點（串級控制系統(tǒng)的特點（3）22222222222222222222222222221()111111pcvpppcvmpcvpppcvpmpcvppcvpmpppcvpmKKKTsGsKKKKTsKKKKTsKKKKTsKKKKKKKKTTTKKKK+結(jié)論結(jié)論：由于副回路的存在，使主控制通道的動態(tài)特性得到改善（時間常數(shù)顯著減少）反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則

12、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則n單回路控制不能滿足性能要求；n有反映系統(tǒng)主要干擾的可測副參數(shù)；n調(diào)節(jié)閥與副參數(shù)之間具有因果關(guān)系；n副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對象的時間常數(shù)比主對象的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；n盡可能將帶有非線性或時變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。串級控制副參數(shù)選擇練習串級控制副參數(shù)選擇練習假設(shè)反應(yīng)器的主要干擾為加熱蒸汽的溫度變化串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇分析串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇分析PC123123加熱蒸汽再沸器塔底部FCTCFC分析問題分析問題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾動范圍之間的矛盾。串級方案設(shè)計舉例串級方案設(shè)計舉例FCTC進料出料燃料油TC進料出料燃料油PC串級方案設(shè)計舉例（續(xù)）串

13、級方案設(shè)計舉例（續(xù)）TCTC燃料油進料出料討論討論：副回路所能包括的擾動越多，副對象與主對象的動態(tài)特性的差別越小，越容易引起內(nèi)外回路之間的“共共振振”（系統(tǒng)穩(wěn)定性越差）。串級系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型串級系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器選型n副調(diào)節(jié)器常選擇PI控制律原因：原因：副回路為隨動系統(tǒng)，其設(shè)定值變化頻繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服內(nèi)環(huán)中的各種擾動，為加大副回路的調(diào)節(jié)能力，理想上不用加積分作用。但實際運行中，串級系統(tǒng)有時會斷開主回路，因而，通常需要加入積分作用。但積分作用要求較弱積分作用要求較弱以保證副回路較強的抗干擾能力。串級系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型串級系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器選型n主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID

14、控制律原因：原因：主回路的任務(wù)是滿足主參數(shù)的定值控制要求。因而對于主參數(shù)為溫度的串級系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器必須加入較強的積分作用（除主參數(shù)為液位的串級均勻控制系統(tǒng)以外）。當主對象的調(diào)節(jié)滯后較大，而主參數(shù)變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。串級系統(tǒng)串級系統(tǒng)PID參數(shù)的整定方法參數(shù)的整定方法nStep 1: 先斷開主回路，按單回路方式整定副調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)。nStep 2: 在主調(diào)節(jié)器為“手動”、副回路閉環(huán)的情況下，測試得到主回路廣義對象的動態(tài)特性與相應(yīng)特征參數(shù)。nStep 3: 采用單回路調(diào)節(jié)參數(shù)的工程整定法（如動態(tài)響應(yīng)法），確定主回路的PID參數(shù)。串級串級PID系統(tǒng)的積分飽和問題系統(tǒng)的積分飽和問題情況情況1：副回路出現(xiàn)“積分飽和”，采用單回路抗積分飽和方法；情況情況2：當主副控制器均采用單回路抗積分飽和方法時，可能出現(xiàn)限位參數(shù)不一致的情形，同樣存在發(fā)生“積分飽和”的可能性。為什么？如何克服？串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的連接法串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的連接法y1sp(t)uKCe(t)11+sTAsTDDD11+sTI串級系統(tǒng)主控制器防積分飽和連接方法ym2(t)ym1(t)串級控制系統(tǒng)的防積分飽和串級控制系統(tǒng)的防積分飽和串級控制系統(tǒng)的投運串級控制系統(tǒng)的投運n將主、副控制器