过程控制工程串级控制

4串级控制系统

CascadeControlSystem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；讲述了“广义对象”动态特性的典型测试方法；讨论了控制阀“气开、气关”形式与流量特性的选择问题；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。课堂提问采用纯比例控制，Kc增加时系统的稳定性会怎样？稳定的情况下余差会怎样？采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，比例度应该怎样变化？什么是积分饱和？反馈控制如何防积分饱和？工程整定方法有哪几种？主要步骤是什么？区别？主要内容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与仿真实现；了解串级控制系统的防积分饱和措施。加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统

反应釜温度单回路控制系统操纵变量：冷却剂流量被控变量：反应温度扰动变量：冷却剂温度以及工艺介质流量控制规律：PID单回路控制系统分析问题：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↑系统控制与扰动的分析干扰变量的影响：冷却水入口温度变化→夹套内冷却水温度变化→槽壁温度变化→反应槽温度变化控制变量的影响：冷却水调节阀开度变化→冷却水流量变化→夹套内冷却水温度变化→槽壁温度变化→反应槽温度变化解决方法夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控制的影响。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”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。反应器温度串级控制框图讨论:主副控制器的“正反作用”选择。串级控制系统常用术语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）。4.2串级控制系统分析及特点串级系统副环的等效性串级控制系统的特点（1）副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；由于假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有串级控制系统的特点（2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大。副回路等效对象为：若：串级控制系统的特点（2）结论：由于副回路的存在，使主控制通道的动态特性得到改善（时间常数显著减少）串级控制系统的特点（3）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（系统的“鲁棒性”增强）。对于内环等效对象的稳态增益：串级与单回路控制对比仿真举例单回路与串级控制性能对比衰减比 0.75 0.75调节时间 180 60余差 0 0二次扰动最大偏差

0.27 0.013一次扰动最大偏差 0.34 0.134.3串级控制系统的设计原则单回路控制不能满足性能要求；有反映系统主要干扰的可测副参数；调节阀与副参数之间具有因果关系；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；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。串级控制副参数选择练习假设反应器的主要干扰为加热蒸汽的温度变化串级系统副参数的选择分析分析问题：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。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。串级系统主调节器选型主调节器常选择PI或PID控制律

原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加入较强的积分作用（除主参数为液位的串级均匀控制系统以外）。当主对象的调节滞后较大，而主参数变化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。主、副控制器正反作用的选择主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主（1）副控制器的正、反作用要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。（2）主控制器的正、反作用根据主主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“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相反。例1.确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统主、副控制器的正反作用。例2.氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统主、副控制器的正反作用GO1(S):+GO2(S):+GV(S):+GC2(S):—GC1(S):—TC：反作用FC：反作用串级系统PID参数的整定方法逐次逼近法Step1:先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。Step2:在主调节器为“手动”、副回路闭环的情况下，测试得到主回路广义对象的动态特性与相应特征参数。Step3:采用单回路调节参数的工程整定法（如动态响应法），确定主回路的PID参数。两步法（先副环后主环的方法）

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整定方法整定副环，找出副变量出现4:1振荡过程的比例度记录下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，找出主变量出现4:1衰减振荡过程的比例度记录下δ1s及振荡周期T1s。

3）、根椐得到的δ1s、

T1s、

δ2s、

T2s值，结合主、副控制器的选型，按单回控制系统整定计算公式，可以计算出主、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小的调整。一步法

根据经验先将副控制器参数一次放好，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。串级PID系统的积分饱和问题情况1：副回路出现“积分饱和”，采用单回路抗积分饱和方法；情况2：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，可能出现限位参数不一致的情形，同样存在发生“积分饱和”的可能性。串级控制系统的防积分饱和串级控制系统主调节器的连接法串级控制的参数整定仿真4.4串级控制系统的实施选择实施方案时，需考虑的问题：所选用的仪表信号必须匹配。所选用的副控制器必需具有外给定输入接口。在选择实施方案，应考虑是否增加一只切换开关，作“串级”与“主控”的切换之用。实施方案应力求实用，少花钱多办事。实施方案应便于操作。一、用电动Ⅲ型仪表构成串级控制方案串级控制一般方案：主变送器主控制器副控制器副变送器安全栅记录仪安全栅安全栅电气转换器Sp.精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统的组成TR/FRTNFY1TCTTTEFTFEFCFVFY2FN1FN2TT孔板开方器记录仪控制器变送器安全栅热电偶控制器差压变送器安全栅安全栅控制阀电气转换器mVmV4~20mA1~5V1~5V1~5V1~5V4~20mA4~20mA4~20mA4~20mA20~100KPaΔp能实现主控—串级切换的串级方案：主变送器主控制器副控制器副变送器安全栅记录仪安全栅安全栅电气转换器Sp.主控串级在串级与主控切换过程中，必须考虑去控制阀的控制信号方向的一致性，也就是组成的控制系统必须是负反馈控制系统，这就是串级与主控直接切换的条件。只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间直接切换。如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控制器的正反作用；而当由主控切回到串级时，又必须将主控制器恢复到原来的作用型式。串级控制系统的投运将主、副控制器的切换开关都置于手动；用副手操器操纵调节阀使生产处于要求的