浙大工业过程控制5串级控制系统课件

串级控制系统

CascadeControlSystem2023/2/81课件单回路PID控制系统小结介绍了简单被控过程的机理建模方法;讨论了控制阀“气开、气关”形式与流量特性的选择问题；讲述了“广义对象”动态特性的典型测试方法；介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则；详细分析了单回路PID参数整定方法,介绍了PID控制器的“防积分饱和”技术.2023/2/82课件习题3-4:机理建模举例(1)列写过程微分方程组;(2)画出方框图;(3)求传递函数2023/2/83课件习题3-4:状态方程传递函数表示由以上传递函数方程,可画出相应的方框图.2023/2/85课件习题3-4:过程传递函数方框图2023/2/86课件习题3-4:计算输入输出传递函数利用方框图等效变换;直接用传递函数计算公式;通过求解传递函数方程组.2023/2/87课件被控对象的动态特性变化

对控制阀流量特性选择的考虑从静态增益补偿的角度从动态特性变化的角度(Why?)2023/2/89课件单回路系统防积分饱和原理分析讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限时，自动切除积分作用。为什么?2023/2/810课件本讲基本要求了解串级控制系统的概念与特点；掌握串级控制系统的方框图表示法；结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；了解串级控制系统的设计原则；掌握串级控制系统的参数整定方法;了解串级控制系统的抗积分饱和措施。2023/2/811课件单回路控制系统扰动分析问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。冷却水入口温度↑→夹套内冷却水温度T2↑→（经对流传热）槽壁温度↑→反应槽温度T1↑→（经反馈回路）冷却水量↑2023/2/813课件对调节滞后的解决方法之一 对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。“串级控制”2023/2/814课件反应器温度的串级控制方案特点：两个调节器串在一起工作，调节器TC2通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。2023/2/815课件通用的串级控制系统2023/2/817课件串级控制系统方块图注：D1、D2综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参数的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是一个等效的控制阀）。2023/2/818课件串级系统副环的等效性2023/2/819课件串级控制系统的特点（2）对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力，并能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响。对于内环等效对象的增益当结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。2023/2/821课件串级系统的设计原则副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、液位+流量、温度+温度等。2023/2/822课件串级系统副参数的选择举例*分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。2023/2/823课件串级方案设计举例（续）讨论：副回路所能包括的扰动越多，副对象与主对象的动态特性的差别越小，越容易引起内外回路之间的“共振”（系统稳定性越差）。2023/2/825课件串级系统副调节器选型副调节器常选择PI控制律

原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力。2023/2/826课件单回路控制系统的抗干扰性能(参见仿真程序…/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)2023/2/829课件串级系统的参数整定与抗干扰(参见仿真程序…/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl)2023/2/830课件结论介绍了串级控制系统的概念与特点；结合控制原理，具体分析了串级系统的抗干扰性能；讨论了串级控制系统的设计原则；通过Simulink仿真，详细介绍了串级控制系统的参数整定过程;2023/2/831课件练习题1精馏塔提馏段温度控制系统如图所示