复杂过程控制系统--串级控制【专业教学】.ppt

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1、第四章 复杂过程控制系统,串级控制 前馈控制 大滞后补偿控制 比值控制 分程与选择性控制 多变量解耦控制 模糊控制 预测控制,单回路系统的局限,仅适用于比较简单的单输出生产过程的控制，不能解决多输出过程的控制问题。 即使是简单的单输出生产过程，也存在这样的情况，如其调节对象的动态特性决定了它很难控制(如过程的滞后常数很大或扰动量很大)；或调节对象的动态特性虽不复杂，但工艺对调节质量的要求很高或很持殊。 现代工业生产过程对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，使工业生产过程对操作条件要求更加严格，对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。,2,

2、技术教育,第一节 串级(Cascade)控制,一、串级控制系统的结构与工作过程,3,技术教育,方案一：图41a (单回路) 被控参数：炉的出口温度T1 (直接参数) 控制参数：燃料量 主要扰动：被加热物料的流量和初温f1(t)，燃料热值的变化、压力的波动、流量的变化f2(t)，烟囱挡板位置的改变、抽力的变化f3(t). 系统特点：所有对被控参数的扰动都包含在这个回路中，理论上都可由温度调节器予以克服，但是控制通道的时间常数和容量滞后较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力较差，不能满足生产工艺要求。,4,技术教育,方案二：图41b(单回路) 被控参数：炉膛温度T2(间接参数) 控制参数：燃料量

3、 主要扰动：被加热物料的流量和初温f1(t)，燃料热值的变化、压力的波动、流量的变化f2(t)，烟囱挡板位置的改变、抽力的变化f3(t)。 系统特点：能及时有效地克服扰动f2(t)、 f3(t)，但是扰动f1(t)未包括在系统内，系统不能克服扰动f1(t)对炉出口温度的影响，仍然不能达到生产工艺要求。,5,技术教育,方案三：图42 (串级) 主被控参数(主参数)：炉出口温度T1 副被控参数(副参数)：炉膛温度T2,特点：把炉出口温度调节器T1的输出作为炉膛温度调节器T2的给定值，扰动f2(t)、f3(t) 主要由炉膛温度调节器(副调节器)构成的控制回路(副回路)来克服，扰动f1(t)对炉出口温

4、度的影响由炉出口温度调节器(主调节器)构成的控制回路(主回路)来消除。,6,技术教育,名词术语： 主回路、副回路 主参数、副参数 主过程、副过程(对象) 主调节器、副调节器 一次扰动、二次扰动,7,技术教育,加热炉串级控制系统的工作过程,当处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同的扰动，分三种情况： 1.燃料压力、热值变化f2(t)和烟筒抽力变化f3(t) -二次扰动或副回路扰动 2.被加热物料的流

5、量和初温变化f1(t)-一次扰动或主回路扰动,8,技术教育,3.一次扰动和二次扰动同时存在 假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值上。 如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大(炉出口温度升高)，另一个减小(燃料量减少，即炉膛温度降低)，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即可满足控制要求。,9,技术教育,二、串级控制系统的特点与分析,在结构上与电力传动自动控制系统中的双闭环系统相同(比单

6、回路系统多了一个副回路)，其系统特点与分析方法亦基本相同。 主回路(外环)：定值控制系统 副回路(内环)：随动控制系统 与单回路系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器)，但控制效果却有显著的提高，其原因在于串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路。,10,技术教育,(一)改善了被控过程的动态特性,11,技术教育,副回路闭环传递函数 设W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2，Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得 式中 -等效被控过程的放大系数 -等效被控过程的时间常数,12

7、,技术教育,可见 T02仅为T02的1/(1+Kc2Kv2K02Km2)。而且随着Kc2的增大这种效果更显著。如果匹配得当，副回路可近似为1：1的环节。这样对主调节器来说，其等效被控过程只剩下不包括在副回路之内的一部分被控过程，所以其容量滞后减小了，过程的动态特性得到显著改善，使系统的响应加快，控制更为及时，从而提高了系统的控制质量。 串级控制系统由于增加了一个副回路，使等效被控过程的时间常数减小了，改善了系统的动态特性。（频域分析略）,13,技术教育,(二)大大增强了对二次扰动的克服能力,在二次扰动F2(s)的作用下，副回路传递函数 系统输出对输入的传递函数为 而系统输出对二次扰动F2(s)

8、的传递函数为,14,技术教育,对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s)越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越好，系统的抗干扰能力就越强。 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示：,15,技术教育,为了与单回路控制系统比较，用同样方法可得出单回路控制系统(图41a)输出Y(s)对输入X(s)的传递函数。 输出Y(s)对扰动F2(s)作用下的传递函数为,16,技术教育,单回路控制系统的抗干扰能力为 串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能

9、力之比: 设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比例放大系数分别为KC1、KC2、KC，则上式变为 一般KC1KC2 KC， 所以QC2QD2。,17,技术教育,(三)对一次扰动有较好的克服能力,对串级控制系统： 抗扰动能力： 对单回路控制系统： 抗扰动能力：,18,技术教育,两者抗一次扰动能力之比： 设WC(s)=WC1(s)，一般情况下WC2(s)很大，则有 一般情况下WV(s)W02(s)Wm2(s)小于1，因此串级控制系统的抗一次扰动的能力要比单回路控制系统略强一些。,19,技术教育,(四)对副回路参数变化具有一定的自适应能力,在生产过程中，常含有非线性与未建模动态，工作点亦常随负荷与

10、操作条件发生变化，使过程特性发生变化。对于包含在副回路内的非线性与参数、负荷变化，串级控制系统具有一定的自适应能力。 例：加热炉中零件数量变化（温度控制）。,20,技术教育,仿真研究,单回路系统：PID参数 Kp=3.7 TI=38s TD=0s,未加干扰,21,技术教育,串级控制(未加扰动) 主调节器 Kp=8.4 TI=12.8 s TD=0 s 副调节器 Kp=10 TI=5000 s TD=0 s,22,技术教育,串级控制：(副回路加入阶跃扰动),23,技术教育,串级控制： (主回路加入阶跃扰动),24,技术教育,串级控制：(主、副回路同时加入阶跃扰动),25,技术教育,参考文献,过程

11、控制与Simulink应用，王正林, 郭阳宽，2006,26,技术教育,三、串级控制系统的设计 (一)主、副回路的设计,串级控制系统主回路是一个定值控制系统。主参数的选择和主回路的设计可以按照单回路控制系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。 1副回路应包括尽可能多的扰动 副回路对于包含在其内的二次扰动以及非线性、参数变化有很强的抑制能力与一定的自适应能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈且幅度大的主要扰动。,27,技术教育,并不是说在副回路中包括的扰动愈多愈好，而应该是合理。原因：副回路包括的扰动愈多，通道就愈长，时间常数就愈大，无法

12、快速克服扰动。 2应使主、副过程的时间常数适当匹配 原则上，主、副过程时间常数之比应在3到10范围之内。 如果副过程的时间常数比主过程小得太多，这时虽然副回路反应灵敏，控制作用快，但此时一般情况下副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就减少了。,28,技术教育,如果副回路的时间常数接近甚至大于主过程的时间常数，这时副回路虽对改善过程特性的效果较显著，但副回路反映较迟钝，不能及时有效克服扰动。 如果主、副过程的时间常数比较接近，这时主、副回路的动态联系十分密切，一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡（共振），不利于生产的正常进行。 串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题

13、，工程上应根据具体过程的实际情况与控制要求来定。,29,技术教育,(二)主、副调节器控制规律的选择,出发点：主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用。 主调节器选PI或PID控制规律：主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围较小，一般要求无余差。 副调节器选P控制规律：副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围内变化，允许有余差。一般不引入积分(会延长控制过程，减弱副回路的快速作用)。也不引入微分(副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利)。,30,技术教育,(三)确定主、副调节器正反作用方式,主、副调节器正/反作用方式的选择原则： 使整个控制系

14、统构成负反馈系统，即主通道各环节放大系数极性乘积必须为正。 （各环节放大系数极性的规定与单回路系统相同） 例：图42所示炉出口温度与炉膛温度串级控制系统。,31,技术教育,四、串级控制系统调节器参数的整定,串级控制系统两个调节器串联起来控制一个调节阀，是相互关联的，因此其参数整定也是相互关联的，需相互协调、反复核定才能取得最佳效果。 在整定主调节器时，必须知道副调节器的动态特性；在整定副调节器时，又必须知道主调节器的动态特性。 原则：主回路为定值控制，要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。但副回路是随动控制，只要求副参数能快速准确地跟随主调节器的输出变化即可。,32,

15、技术教育,1两步整定法,根据串级控制系统的设计原则，主、副过程的时间常数之比T01/T02应在3到10范围内。此时主、副回路的工作频率和周期相差很大，动态联系很小，可忽略不计。所以，副调节器参数按单回路系统方法整定后，可以将副回路作为主回路的一个环节，按单回路系统的整定方法整定主调节器的参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。 另外，现代工业生产过程对于主参数的质量指标要求很高，而对副参数的质量指标没有严格要求，设置副参数是为了进一步提高主参数的控制质量。在副调节器参数整定好后，再整定主调节器参数，只要主参数的质量通过主调节器的参数整定得到保证，副参数的控制质量可以允许牺牲一些。,33

16、,技术教育,整定步骤：第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。（先副后主） 1)在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用下，主调节器的比例度置于100，用单回路控制系统的衰减曲线法(如4：1)整定，求取副调节器的比例度2s和周期T2s 。 2)将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度1s和周期T1s 。,34,技术教育,3)根据1s、T1s 、2s、T2s，按单回路系统衰减曲线法的整定公式计算主调节器的比例度、积分时间TI和微分时间TD。 4)按先副后主、先比例后积分的顺序，设置主、副调节器的参数，再观

17、察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳。,35,技术教育,2逐步逼近法,对于主、副过程的时间常数相差不大的串级控制系统，由于主、副回路的动态联系比较密切，所以系统整定必须反复进行、逐步逼近。 逐步逼近法：在主回路断开的情况下，求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求数值上，将主回路闭合以求取主调节器的整定参数值。而后，将主调节器的参数设置在所求数值上再进行整定，求出第二次副调节器的整定参数值。比较上述两次的整定参数值和控制质量，如果达到了控制品质指标，整定工作就此结束。否则再按此法求取第二次主调节器的整定参数值，依次循环，直到求得合适的整定参数值。（整定步骤略）

18、,36,技术教育,五、串级控制系统的工业应用(一)用于克服被控过程较大的容量滞后,现代工业生产，一些以温度等作为被控参数的过程，往往其容量滞后较大，控制要求又较高。若采用单回路控制系统，控制质量不能满足生产要求。此时可选用串级控制系统，充分利用其改善过程的动态特性、提高工作频率的特点。为此，选择一个滞后较小的副参数，组成一个快速动作的副回路，以减小等效过程的时间常数，加快响应速度，从而取得较好的控制质量。 例：图42加热炉。,37,技术教育,(二)用于克服被控过程的纯滞后,当工业过程纯滞后时间较长时，可用串级控制来改善控制质量，即在离调节阀较近、纯滞后较小的地方选择一个副参数，构成一个纯滞后较

19、小的副回路，把主要扰动包括在副回路中，在其影响主参数前，由副回路实现对主要扰动的及时控制，从而提高控制质量。 例41 造纸厂网前箱温度串级控制(图4-7)。 纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72左右，经过立筛、圆筛除去杂质后送到网前箱，再经铜网脱水。为保证纸张质量，工艺要求网前箱温度保持在61左右，允许偏差不得超过1。,38,技术教育,若用单回路系统，从混合器到网前箱纯滞后达90s，当纸浆流量波动35kg/min时，温度最大偏差8.5，过渡过程时间450s，控制质量差，不能满足工艺要求。 在离调节阀较近处选择混合器出口温度为副参数，网前箱温度为主参数构成串级控制，把主要扰动(纸

20、浆流量波动) 包括在副回路中。实践表明，网前箱温度最大偏差未超过1，过渡过程时间200s，完全满足工艺要求。,72,611,39,技术教育,(三)用于抑制变化剧烈且幅度大的扰动,将变化剧烈且幅度大的扰动包括在串级系统副回路中，就可大大减少其对主参数的影响。 例42 精馏塔塔釜温度的串级控制 对于由多组份组成的混合物，利用其各组份不同的挥发度，通过精馏操作可将其分离成较纯组份的产品。生产工艺要求塔釜温度控制在1.5。实际生产中，蒸汽压力变化剧烈且幅度大，有时从0.5MPa突然降至0.3MPa，压力变化40。若采用单回路控制系统，调节器的比例放大系数调到13时，塔釜温度最大偏差达10，不能满足生产

21、工艺要求。,40,技术教育,以蒸汽流量为副参数、塔釜温度为主参数的串级控制系统，把蒸汽压力变化这个主要扰动包括在副回路中，充分利用串级控制系统对进入副回路的扰动具有较强抑制能力的特点。实际运行表明，将副调节器的比例系数调到5，塔釜温度最大偏差未超过1.5，完全满足生产工艺要求。,41,技术教育,(四)用于克服被控过程的非线性,在过程控制中，一般工业过程特性都有一定的非线性。当负荷变化时，过程特性会发生变化，会引起工作点的移动。这种特性的变化虽然可通过调节阀的特性来补偿，使广义过程的特性在整个工作范围内保持不变，然而不可能完全补偿，过程仍然有较大的非线性。此时单回路系统往往不能满足生产工艺要求，如果采用串级控制系统，则能适应负荷和操作条件的变化，自动调整副调节器的给定值，从而改变调节阀的开度，使系统运行在新的工作点上。当然，这会使副回路的衰减率有所变化，但对整个系统的稳定性影响却很小。 例：图49醋酸乙炔合成反应（略）,42,技术教育,