浙大工业过程控制8液位均匀控制

1、2020/8/17,课件,1,液位均匀系统,戴连奎 浙江大学智能系统与决策研究所,2020/8/17,课件,2,上一讲内容回顾,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； 详细介绍了串级控制系统的参数整定过程.,2020/8/17,课件,3,问题讨论,串级控制的概念，说明与单回路控制的区别。 以左图的反应器为例，说明引入串级控制的意义。 为什么引入串级控制可显著减少内回路的干扰，并显著提高控制系统鲁棒性？ 如何选择主副控制器的控制规律，如何整定PID参数？,2020/8/17,课件,4,串级PID系统的积分饱和问题,情况1：

2、流量副回路出现“积分饱和”，可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。,2020/8/17,课件,5,单回路系统的防积分饱和,方法：正常情况为标准的PD+PI控制算法；而当出现超限时，通过限制积分作用达到切除积分作用的目的。,2020/8/17,课件,6,单回路防积分饱和方法在串级控制系统中的局限性,串级PID控制系统（只采取单回路抗积分饱和措施） (参见模型/CascadePID/CascadePidwithLimit.mdl),2020/8/17,课件,7,串级系统积分饱和现象仿真,串级系

3、统产生积分饱和的原因分析？,2020/8/17,课件,8,串级控制系统主调节器防积分饱和连接法,2020/8/17,课件,9,串级控制系统的防积分饱和,2020/8/17,课件,10,串级系统的防积分饱和方法举例,串级PID控制系统（采取抗积分饱和措施） (参见模型/CascadePID/CasPidwithAntiSatur.mdl),2020/8/17,课件,11,串级系统防积分饱和措施举例,2020/8/17,课件,12,工业PID控制器常用结构,功能: 控制输出跟踪, 防积分饱和, 输出限幅, 正反作用选择,测量值滤波,设定值变化率限幅等.,2020/8/17,课件,13,均匀控制内容

4、,均匀控制的概念与特点； 常见的均匀控制系统； 均匀控制系统的应用场合； 仿真举例； 结论,2020/8/17,课件,14,均匀控制问题,当塔甲的进料量变化时，希望塔甲的液位h(t)与出料 qo(t)同时平稳，以确保后续设备进料波动的减少。 这完全不同于单纯的液位控制系统（那里只关心液位的平稳，而不关注控制变量的变化情况），而要求液位与出料同时“均匀”地变化。,2020/8/17,课件,15,均匀控制系统的特点,不同于常规的定值控制系统，而对被控变量(CV)与控制变量(MV)都有平稳的要求； 为解决CV与MV都希望平稳这一对矛盾，只能要求CV与MV都渐变。均匀控制通常要求在最大干扰下，液位在贮

5、罐的上下限内波动，而流量应在一定范围内平缓渐变。 均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。,2020/8/17,课件,16,常用的均匀控制方案,单回路均匀控制系统,串级均匀控制系统,讨论：两种方案有何不同？,2020/8/17,课件,17,均匀控制系统的分析,假设流量回路调节迅速，对液位对象而言其动态滞后可忽略；并不考虑液位测量滞后。则广义对象特性可表示成,A为塔底截面积,2020/8/17,课件,18,均匀控制系统的分析(续),假设液位测量范围为Hmax，进出流量的测量范围均为Qmax，则广义对象特性可表示成,其中h(t)、 qi(t)、 qo(t)分别为液位与进出流量的归一化值。,2020

6、/8/17,课件,19,均匀控制系统的分析(续),对于纯比例控制器Gc = Kc，可得到的闭环特性为：,2020/8/17,课件,20,纯比例均匀控制系统的特点,可实现进出物料的自动平衡； 当物料的平均停留时间Th一定时，控制器增益Kc的减少可使出料更加平缓，但使液位的波动范围与余差同时增大； 为减少液位的调节余差，主控制器需要引入少量的积分作用。,2020/8/17,课件,21,均匀控制系统的PID参数整定,对于串级均匀控制系统的副调节器，应选择PI规律，按单回路工程整定法确定其PI参数。 对于主调节器，一般应选择纯比例规律，即积分时间足够大。通过调整增益Kc以使出料尽可能地平缓，而同时确保液位不超出允许范围。有时为减少液位的调节余差，可引入少量的积分作用。 当液位测量噪声较大时，为避免出料流量的同频率波动，可对液位测量信号进行低通滤波。,2020/8/17,课件,22,均匀控制仿真举例,假设流量回路调节迅速，对液位对象而言其动态滞后可忽略；并不考虑液位测量滞后。则广义对象特性可表示成,A为塔底截面积,2020/8/17,课件,23,均匀控制SimuLink仿真模型,分析均匀控制与液位控制的控制目标与控制参数的不同 (参见模型/EqualControl/CascadePid.mdl),