第4章1 串级控制系统

null单回路控制系统的局限性单回路控制系统的局限性单回路系统是过程控制最基本，结构最简单，应用最广泛的一种结构形式。 对于更复杂的对象或工艺要求更高的场合，单回路不能满足要求： 1、对象时间常数或滞后时间很长。 例如:当T很大,且：τ/T>1.0 时 2、被控对象存在强烈的非线性或时变特性时。 3、受扰动影响很大，用单回路难以得到理想特性。 4、工艺有更高的控制要求时，比如精度，快速性等。第四章 复杂过程控制系统 第四章 复杂过程控制系统 1 串级控制系统 2 前馈控制系统 3 大滞后补偿系统 4 比值控制系统 5 分程与选择性控制系统 6 解耦控制 7 预测控制第一节 串级控制系统设计 第一节 串级控制系统设计 1、设计目的：用于改善被控对象特性或克服扰动对系统影响。 2、结构：双闭环；串级连接。 3、一种广泛应用的有效改善和提高控制品质的复杂控制系统。主 要 内 容主 要 内 容1、串级控制系统概述 2、串级控制系统工作过程 3、串级控制系统的特点 4、串级控制系统的设计 5、串级控制系统的参数整定与投运null 1 串级控制系统概述例： 加热炉原油出口温度控制 工艺要求：原油经过加热后温度在要求的温度范围内 加热方法：燃料加热 对象：加热炉，多环节，大时间 影响主要因素： 燃料压力流量波动； 原油初始温度和流量波动； 燃料燃烧后烟气出口排量波动一、串级控制系统基本原理及结构燃料原油炉膛炉管壁出口物料管烟气出口出口null执行器：调节阀(气开式)；控制器：温度调节器TC(反作用)被控对象： 调节点~测量点之间部分 燃料管+炉膛+炉管壁+出口物料管…单回路系统设计： 被控参数： 出口温度 控制参数： 燃料流量 测量变送器：温度传感器TT 执行器： 调节阀（气开式） 控制器： 温度调节器TC设定温度测量点调节点null影响控制质量因素： 1 被控对象特性； 2 对象的扰动。 特性-多环节大惯性对象 系统扰动： f1(t): 原料油流量或初始温度波动 f2(t): 燃料流量（压力）的波动 f3(t): 加热炉烟气排量波动TTTC燃料原油sp炉膛炉管壁出口物料管烟气出口Vnull串级控制系统概述 当扰动很大时，单回路控制系统不能满足要求。 是否在单回路系统基础上，设计克服扰动的回路(燃料油压力扰动f2(t)为例)???设计单回路系统克服扰动f2(t): 被控参数： 燃料管路压力 控制参数： 燃料流量 测量变送器：压力传感器PT 执行器： 调节阀（气开式） 控制器： 压力调节器PCnull如何实现能够克服燃料油压力扰动f2(t)的加热炉出口温度控制系统？？++++++++++++++++++++++++++？null执行器只有一个，如何听从两个调节器的调节？ 方案不可行。null实际上： 1 压力控制回路目的是保证管路中压力稳定，即保证管路中流量稳定。压力给定值实际就是要求的燃料流量大小。 2 调节器1输出的是要求调节阀的开度，就是对应的燃料流量的给定值。 3 因此，可以把调节器1的输出作为压力控制回路的给定值。即调节器1输出作为调节器2的给定值（外给定）。 4 压力控制回路作用：通过调节器2克服压力扰动f2(t),实现管路实际流量跟踪调节器1的要求流量。压力给定nullnull改进后的控制系统结构： 调节器1输出作为调节器2给定值。 一个执行器完成调节。 压力回路克服f2(t)保证流量稳定且快速跟随调节器1的给定值(随动控制)。 温度回路实现温度控制(定值控制)。温度-压力串级控制系统框图null出口温度和燃料压力串级控制系统结构图出口温度单回路控制系统结构图null温度-压力串级控制 系统方框图二、串级控制系统各部分名称二、串级控制系统各部分名称主回路（主环）-主控制器WC1(s)-主被控变量（主参数、主变量）Y1(s) 副环外主环内扰动 F1：一次扰动 副回路（副环）-副控制器WC2(s)-副被控变量（副参数、副变量）Y2(s) 副环内扰动 F2：二次扰动null主回路:温度控制回路 主调节器：TC; 主被控对象:炉膛,炉管壁,出口物料管 主被控参数：输出温度； 主测量变送：TT； 一次扰动：f1(t),f3(t) 副回路:压力控制 副调节器：PC; 副被控对象:燃油管 副被控参数:燃油管路压力； 副测量变送:PT； 二次扰动: f2(t)null串级控制系统结构特点： ◆ 系统有两个闭环回路，分别是压力控制和温度控制回路，称为主回路和副回路。 ◆ 被控对象被分成两个部分，分别是压力对象和温度对象。两部分对象是串联的关系。（被控对象是串联可分的） ◆ 有两个调节器，主调节器(主回路)和副调节器(副回路) ，并且串联工作：主调节器的输出作为副调节器的给定值输入。 ◆ 系统只有一个执行器。出口温度-炉膛温度 串级控制系统出口温度-炉膛温度 串级控制系统主回路:出口温度控制 主控制器TC1; 主被控对象:炉管壁,出口物料管 主被控参数：输出温度； 主测量变送：TT1 一次扰动：f3(t) 副回路:炉膛温度控制 副控制器:TC2; 副被控对象:燃油管路,炉膛 副被控参数:炉膛温度； 副测量变送:TT2 二次扰动: f1(t), f2(t)出口温度-炉膛温度 串级控制系统结构图出口温度-炉膛温度 串级控制系统结构图2 串级控制系统的工作过程2 串级控制系统的工作过程1、二次扰动作用于副环 2、一次扰动作用于主环 3、一次，二次扰动同时作用于主环和副环 a.作用方向相同 b.作用方向相反工作过程：是指在系统处于稳定工作情况下，克服一次、二次扰动的系统过渡过程。 例：出口温度-炉膛温度串级控制系统 设 计：控制阀为气开；主，副控制器选为反作用。sp1、二次扰动作用于副环1、二次扰动作用于副环工作过程： 副环过程：二次扰动f2燃油压力波动使得流量F↑→TT2↑→TC2↓(反作用)→V↓(气开阀) →F↓ 副环具有克服副环中扰动（二次扰动）能力。null主环过程：副环调节过程中输出变化T2↑→T1↑→TT1↑ →TC1↓(反作用)→TC2 ↓→ V↓(气开阀) → T2↓ → T1↓ 二次扰动克服由副环和主环共同完成的，副环为主，粗调。主环为辅，细调。 spnull二次扰动克服工作过程： 假如在副环中有二次扰动（如：燃油压力f2，原料油流量波动f1）时，副调节器TC2立即进行调节，使得二次扰动被副环基本克服。 ——二次扰动粗调 副环二次扰动调节中引起的副环输出T2变化，其输出波动再由主调节器TC1进行调节。 ——二次扰动细调 二次扰动经过副环作用，对主环的影响已经远小于其直接作用于主环的影响。副环具有抑制二次扰动的作用。null2、一次扰动作用于主环工作过程： 主环过程：一次扰动f3使得输出温度 T1↑→ TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓ →TC2↓→ →V↓→F↓→T2↓→T1↓ 副环跟随：TC2给定↓ →TC2↓ →V(气开阀)↓→ F↓→ T2↓null一次扰动克服工作过程： 一次扰动位于副环外-主环内，一次扰动由主环进行调节。 副环在主环一次扰动调节过程中其给定值根据主环要求变化。由于副环改善了对象的特性，所以对抑制一次扰动有间接作用。 原因：主、副两个控制器相串联，系统总的放大系数将增大，系统克服一次干扰的能力增大。3、一次，二次扰动同时作用于主环和副环3、一次，二次扰动同时作用于主环和副环 是一次、二次扰动影响的叠加，叠加的结果有两种情况 a.一次、二次扰动作用对系统影响变化方向相同null假设：一次扰动f3使T1↑,同时二次扰动f2使T2↑→T1↑，扰动作用影响输出朝相同方向变化 二次扰动f2使T2↑→TT2↑→TC2↓(反作用) →V↓→F↓ 一次扰动f3使T1↑→TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓→ V↓→F↓ 作用结果：一次扰动f3，二次 扰动f2→V↓↓→F↓↓， 调节阀的调节响应大大增强， 是两个扰动影响的叠加nullb.一次、二次扰动作用对系统影响变化方向相反 假设：一次扰动使得输出增加，二次扰动使得输出减小null一次扰动f3使T1↑,同时二次扰动f2使T2↓→T1↓，作用影响控制输出朝相反方向变化 二次扰动f2使T2↓→ TT2↓→ TC2↑(反作用)→V↑→F↑ 一次扰动f3使T1↑→ TT1↑→ TC1↓(反作用)→TC2给定↓ V↓→F↓ 作用结果：一次扰动f3， 二次扰动f2→V↑↓→F↑↓ 一次、二次扰动作用相互抵消， V作较小的响应即可调节， 调节幅度为其抵消后的值小结： 串级控制系统的工作过程小结： 串级控制系统的工作过程二次扰动经过副环（粗调），消除了大部分二次扰动对系统的影响，余下的经过主环（细调）克服。 副环使得系统具有两次克服二次扰动的过程。 一次扰动由主环克服，副环实现跟随作用。 一次、二次扰动同时作用时，对输出影响方向相同时相互叠加，调节作用增强；相反时相互抵消，调节作用减弱。3 串级控制系统的特点3 串级控制系统的特点1、由于副回路的存在，减小了副对象的时间常数，改善了对象的特性。 2、提高系统的工作频率。 3、串级控制回路具有较强抑制二次扰动能力。 4、串级控制系统具有一定的自适应能力。(1)由于副回路的存在，减小副对象的时间常数，改善了对象的特性。(1)由于副回路的存在，减小副对象的时间常数，改善了对象的特性。Y2(s)Y1(s)null副回路等效传递函数为：Y1(s)Wo2(s) -> W’o2(s)null由于：1+Kc2KvKo2Km2 >1 有： K’o2 < Ko2 T’o2 < To2 等效副对象时间常数缩小，意味着对象的容量滞后减小，系统的反应速度加快，控制更为及时，系统的控制质量提高。 等效副对象的放大系数减小，导致控制通道的放大系数缩小，克服干扰能力下降，可通过提高主控制器的放大系数的办法来弥补。 思考：控制通道和扰动通道对时间常数有什么要求？(2)提高系统的工作频率(2)提高系统的工作频率 假设主，副对象均为一阶系统，则特征方程为：null在相同的衰减比（即ξ相同）情况下，由于副环 时间常数减小，使得动态响应频率提高。 即提高了系统的工作频率。 提高工作频率意味着提高了系统响应速度。思考：工作频率与控制质量的哪些指标有关？null 串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强得多，特别是当干扰作用于副回路（二次扰动）时，系统的抗干扰能力更强。 对进入副回路的二次干扰，经过副控制器进行“粗调”，主控制器进行“细调”。 对进入主回路的一次干扰，由于副回路的存在，等效副对象的时间常数缩小，系统的工作频率提高，系统的响应速度加快，比单回路控制系统对干扰抑制更及时。 **串级控制系统对抑制一次，二次扰动比单回路均有改善，尤其有较强抑制二次扰动能力。（3）增强抑制二次扰动能力null系统方框图化简方框图null若无副回路作用时， y2与 f2的关系为：有了副回路作用时， y2 与f2的关系为：也就是说，F2对Y2的影响，有副回路的作用时已减弱为1/（1+ ）倍。(4)串级控制系统具有一定的自适应能力(4)串级控制系统具有一定的自适应能力 自适应能力是指:当系统工作条件、负荷变化或具有非线性特性时，能够自动调整运行状态，适应其变化的能力。 串级控制系统中主回路是一个定值系统，副回路是一个随动系统； nullW02’(s)令则null 当副控制器放大系数KC2整定得足够大时，副环前向通道的放大系数将远大于1，即Kc2KvKo2Km2>>1。这时 即：等效副回路的放大系数只取决于测量变送环节的放大系数Km2，而与副对象的放大系数Ko2无关，即副对象的特性变化对系统控制影响不大。 null启示：如对象存在非线性特性，可把非线性对象设计处于副回路之中。 即：在串级控制系统中，负荷变化，副对象放大系数变化，对等效副对象的放大系数影响很小。 可见，串级系统对副对象模型变化和操作条件变化具有一定的自适应能力。思考：串级控制自适应中副环、主环各起什么作用？4 串级控制系统的设计4 串级控制系统的设计串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，可以按照单回路系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要是副回路的设计。 副回路设计是根据生产工艺要求的具体情况，关键是选择一个合适的副被控变量，从而组成一个以副被控变量为输出的副回路。 副回路设计及主、副回路关系是串级控制系统设计的主要内容。（一）串级控制系统副回路的设计原则：（一）串级控制系统副回路的设计原则：（1） 使系统中主要干扰包含在副环内。null（2） 在可能情况下，应使副环包含更多一些的干扰。 （3） 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节位于副环之中。 （4） 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。 原因：副环实现快速跟随作用，纯滞后对快速跟随产生严重不利影响。 null（5）副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。 主、副对象时间常数接近，易产生共振。 一般时间常数比 ：主：副=3~10左右为佳 ◇若副对象的时间常数比主对象小得多，则副回路反应灵敏，但包含的扰动少； ◇若副对象的时间常数大于主对象的时间常数，则副回路可包含的扰动多，改善对象特性效果显著，但反应迟钝； （6）所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。（二）主、副控制器控制规律的选择：（二）主、副控制器控制规律的选择：（1）控制规律的选择根据控制要求进行 主变量是生产工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量或生产的安全，工艺上要求比较严格，主变量不允许有余差。 副变量要求不严格，允许有波动和有余差，设置副变量的目的在于保证和提高主变量的控制质量。 null （2）主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用，因此宜采用PI或PID。 （3）副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器一般不用积分作用，微分作用一般不需要，宜采用比例P作用。null一般： 主控制器：PI、PID 副控制器：P、（PD） 注：（1）当主控制器有积分作用时，不论干扰在副回路还是主回路，都能保证主变量无余差。 （2）当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时，只有干扰作用于副回路，主变量无余差；干扰作用于主回路，主变量仍然存在余差。（三） 主、副控制器正反作用的选择（三） 主、副控制器正反作用的选择主、副控制器正、反作用的选择顺序： —先副后主。 （1） 副控制器正、反作用根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。 副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用。 即：调节阀副对象测量变送器副控制器选择原则：使得副回路构成负反馈。null（2） 主控制器正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。选择原则：使得主回路构成负反馈。++++——**把副回路看成组成主回路的一个独立环节。副回路的放大系数可视为“正”。 因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一致。null主、副控制器正、反作用选择顺序： 1、按照安全性、节约原料和介质特性确定调节阀的气开、气关形式。 2、在副回路中按副回路负反馈要求确定副调节器的正、反作用形式。 3、按照副回路环节为正，在主回路中按负反馈要求确定主调节器的正、反作用形式。 选择原则：使得系统构成负反馈。null主、副控制器正反作用选择汇总：null例： 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 1、 调节阀：控制阀应选气开阀 2、副回路：副对象放大系数为正特性→副变送器放大系数为正特性→副控制器应为正增益（反作用）。 3、主回路：主对象放大系数为正特性→主控制器应为正增益（反作用）。控制阀：气开阀， + 副对象：+ 主对象：++++++反作用反作用null副控制器GC2(s)增益为+，为反作用 主控制器GC1(s)增益为+，为反作用null塔温度-蒸汽流量串级控制系统： 副对象：蒸汽管道 主对象：回热炉+精馏塔塔体 阀：GV(s): 气开 + 副：GO2(s): + GC2(s): + 主：GO1(s): + GC1(s): + 副调节器FC：反作用 主调节器TC：反作用null热风流量-氧气压力串级控制： 副对象：氧气管道 主对象：热风管道+部分氧气管道 阀：GV(s):+ 副(压力)： GO2(s): - GC2(s): - 主(流量) ：GO1(s): + GC1(s):+ 主QC：反作用 副PC：正作用5 串级系统工程整定方法5 串级系统工程整定方法串级控制系统整定：确定主，副调节器的调节规律，使系统获得最佳控制质量 主回路：定值控制系统 副回路：随动控制系统 两个调节器相互联系，整定比单回路复杂。 工程整定方法：两步法，逐步逼近法和一步法null1. 两步法 先副环，后主环。 适用于主副回路的工作频率和操作周期相差很大，其动态联系很小，可忽略不计时 1）在主副回路闭合时，将主控制器δ置100%、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1衰减曲线法整定副环，记录下比例度δ2s 及振荡周期T2s 。 2）将副控制器置δ2s 、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定主环，记录下比例度δ1s 及振荡周期T1s。null3）根椐得到的δ1s 、 T1s 、 δ2s 、T2s值，按单回路控制系统衰减曲线法整定计算公式，计算出主、副控制器的δ、Ti 、Td。 4）将计算所得参数按先副环、后主环；先比例再积分后微分的顺序在控制器上放好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地进行一些微调。null 2. 逐步逼近法： 用于主、副过程对象时间常数相差不大时。 步骤为： （1）断开主回路，视副回路为单回路控制系统，求取副调节器的整定参数[δ;Ti;Td]21； （2）设置副调节器为（1）整定值，闭合主回路，把副回路视为一个等效环节，按单回路控制系统的方法求取主调节器整定值[δ;Ti;Td]11 ；null（3）设置主调节器为整定值[δ;Ti;Td]11，求取副调节器的整定值[δ;Ti;Td]22 ，完成一次逼近循环，若控制质量达标，结束整定； （4）若控制质量不达标，保持副调节器的整定值[δ;Ti;Td]22 ，按上述求取主调节器整定值[δ;Ti;Td]12 ，如此循环，逐步逼近，直至达标。null 3. 一步法： 根据经验先将副控制器参数一次放好（如下表），不再变动，然后按一般单回路系统整定方法，直接整定主控制器参数。 在整定过程中以牺牲副参数的质量指标的原则（副参数在允许的范围内），使主参数达到规定的质量指标的要求。 null一步法副调节器P作用整定经验值串级控制系统的投运 串级控制系统的投运 投运的原则： （1）投运顺序 先投副环，后投主环。 （2）无扰动投运 预置给定等于实际测量。 串级控制系统典型应用串级控制系统典型应用1、用于容量滞后较大的过程对象 减少等效时间常数，改善动态特性。 例如：加热炉出口温度-炉膛温度串级控制 加热炉时间常数大，干扰因素多。 采用炉膛温度作为副对象， 构成的出口温度-炉膛温度 串级控制系统。 有利于改善系统的特性， 提高控制质量。null例如：夹套式聚合釜温度控制 氯乙稀在釜中进行聚合反应，生产聚氯乙稀并释放热量。 保证反应温度51±0.3度。 用夹套冷却水量来控制聚合 温度。 夹套-反应釜容积大，时间常数大，聚合反应速度快。 选择夹套温度为副参数构成 聚合釜温度-夹套温度串级控制系统。null2、应用于纯时延较大的系统 在纯时延小，离执行器较近地方取副参数，有利于在扰动经过大的纯时延影响主参数前进行克服。 例：网前箱温度控制系统 纸浆与水混合在蒸汽加热下到72度,经立筛\园筛过滤,到网前箱,经铜网脱水。要求网前箱温度61±1度。 从网前箱到混合器纯时延很大，而且纸浆流量波动很大。用单回路时，纸浆波动在网前箱温度波动达8.5度。 设计网前箱温度- 混合器温度串级 控制系统，实现对 主要扰动的调节。 不影响网前箱温度。null例：纺丝胶液压力控制系统 纺丝胶液从混合器由计量泵送到板式热交换器中进行冷却又被送到过滤器以除去杂质。过滤前的胶液压力应稳定在250kPa。从计量泵到过滤器的距离很长，纯时延大。胶液的进料压力波动影响过滤前的压力稳定性。 单回路无法满足要求 热交换器前管路中 选择一个测压点设 计压力-压力串级控 制系统。null3、应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程 副回路对二次扰动有较强的调节能力，可以把变化激烈而且幅度大的扰动包括在副回路中。 例：精馏塔温度控制 控制要求塔温度为±1.5度。由于蒸汽流量和压力变化剧烈，而且幅度大，最大变化达40%。单回路不能满足要求。 采用蒸汽流量-温度串级 控制设计，由流量副回路 调节蒸汽流量，保证温度 控制满足工艺要求。null4、用于非线性过程 利用对副对象具有自适应能力的特性，把非线性过程放到副回路中。 例：乙炔合成反应器-中部温度控制 合成反应器、换热器都有非线性，取反应器中部温度为主被控参数，取反应器进口温度为副被控参数，则由副回路调节换热器的负荷变化引起的工作点偏移。保证中部温度稳定。小结：串级控制系统设计小结：串级控制系统设计 1、串级控制系统概述 被控对象被分成主对象和副对象两个部分，两部分对象是串联的关系； 有两个调节器，主调节器和副调节器，并且串联工作：主调节器的输出作为副调节器的给定值输入。 2、串级控制系统工作过程 在一次扰动，二次扰动作用下的过渡过程。null3、串级控制系统的特点 改善了对象的特性；提高系统的工作频率；抑制二次扰动能力强；对副对象具有一定的自适应能力。 4、串级控制系统的设计 主要是副回路的设计 副环包含主要干扰且多一些的干扰；使非线性环节位于副环之中；不包括纯滞后；应考虑主、副对象时间常数的匹配；经济性和工艺。null5、串级控制系统的参数整定 主回路是一个定值系统，采用PI或PID。 副回路是一个随动系统，采用比例P作用。 调节器正反作用选择：调节阀，副调节器，主调节器顺序进行。 选择原则：使得系统构成负反馈。 工程整定方法：两步法，逐步逼近法和一步法。