第五章 串级控制系统
(工业过程控制)5.串级控制系统
与模糊控制系统的比较
总结词
数据处理方式
详细描述
模糊控制系统处理的是模糊数据,将输入变量的精确值转换为模糊集合的隶属度;串级控制系统则直接处理输入 变量的精确值。
与模糊控制系统的比较
总结词:适用场景
详细描述:模糊控制系统适用于具有不确定性和非线性特性的复杂系统;串级控制系统适用于具有多个重要参数且需要精确 控制的过程。
测量元件是控制系统中的传感器和变 送器,用于检测系统参数和状态,并 将信号传输给控制器。
执行器应具备高精度、高可靠性和长 寿命等特点,以保证系统控制的准确 性和稳定性。
测量元件的选择与校准对于保证系统 测量的准确性和可靠性至关重要,应 根据具体需求进行选择和校准。
04
串级控制系统的调试与优化
系统调试
调试目的:确保系统正常 运行,满足工艺要求。
调试内容
检查硬件设备是否正常工 作。
测试系统逻辑控制功能。
系统优化பைடு நூலகம்
优化方法
优化目标:提高系统性能, 降低能耗。
01
调整控制参数,提高控制精
度。
02
03
优化控制逻辑,降低误操作 风险。
04
05
改进系统结构,提高响应速 度。
系统维护与升级
01
维护内容
02
定期检查硬件设备。
详细描述:多变量控制系统需要处理多个输入和输出变 量之间的耦合关系,系统复杂性较高;串级控制系统则 通过将系统分解为多个子系统来降低复杂性。
详细描述:多变量控制系统通常采用协调控制策略,以 实现多个变量之间的优化;串级控制系统则更注重单个 变量的优化和控制。
与模糊控制系统的比较
总结词:控制规则
详细描述:模糊控制系统基于模糊逻辑和模糊集合理论,通过模糊规则进行控制;串级控制系统则基 于经典控制理论,通过PID控制器等进行控制。
简述串级控制系统的特点。
简述串级控制系统的特点
串级控制系统是由多个级联连接的控制回路组成的控制系统。
其特点包括:
1. 多级控制:串级控制系统包含多个级联的控制回路,每个回路负责不同的控制任务。
不同的回路负责不同的控制目标,通过相互协调和影响来实现整体的控制效果。
2. 分层结构:串级控制系统的各个级联回路之间具有明确的层级结构,上层回路控制下层回路。
上层回路通常负责整体的控制策略和目标设定,下层回路负责具体的执行和动作控制。
3. 协调和互补:不同级联回路在控制过程中相互协调,上层回路的控制信号会影响下层回路的控制行为,以保持整个系统的稳定性和性能。
4. 灵活性和可扩展性:串级控制系统可以根据需要添加或删除不同的级联回路,使得系统的控制策略和目标可以根据需求灵活调整和扩展,提高系统的适应性。
5. 鲁棒性和容错性:由于多个回路相互协调和互补,串级控制系统具有较强的鲁棒性和容错性。
当某个回路出现故障或失效时,其他回路可以通过重新配置和调整来维持系统的整体性能。
第五章-串级控制系统
过程控制
3、主、副调节器的选择
控制规律的选择
在串级控制系统中,主、副调节器所起的作用是不同的。主调 节器起定值控制作用,副调节器起随动控制作用,这是选择控 制规律的出发点。 主参数是工艺操作的主要指标,允许波动的范围比较小,一般 要求无余差。因此,主调节器应选PI或PID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,因此副调节器只要选P控制规律。 引入积分控制规律,会延长控制过程,减弱副回路的快速作用 引入微分作用,因副回路本身起着快速作用,再引入微分作用 会使调节阀动作过大,对控制不利。
定量分析:
D2
R1 + Gd2(s) Gv(s) Gp2(s)
过程控制
D1
Gd1(s)
Gc1(s)
R2
Gc2(s)
+ Gp1(s)
Y2
Y1
-
Ym1
-
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y1 ( s) D2 ( s )
Gd 2 ( s)G p1 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s )
主调节器、副调节器;
主给定值、副给定值;
主对象、副对象;
一次扰动、二次扰动。
三、串级控制系统的组成原理
1)将原被控对象分解为两个串联的被控对象;
过程控制
2)以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控量, 构成一个简单控制系统,称为副调节系统或副环 3)以原对象的输出信号为主被控量,即分解后的第二个 被控对象的输出信号,构成一个调节系统,称为主调 节系统或主环。 4)主调节系统中调节器的输出作为副调节器的给定值, 副调节器的输出信号作为主被控对象的输入信号。
《串级控制系统》课件
5 保证系统的可靠性
采取措施确保系统的可靠性,如备份控制器、 故障检测和自动切换等。
串级控制系统的实现1Fra bibliotek软件实现
2
串级控制系统的软件实现包括控制算法
的设计、编程和调试。
3
硬件组成
串级控制系统的硬件组成包括传感器、 执行器、控制器和通信设备。
实现过程
串级控制系统的实现包括系统设计、参 数调整和系统测试等多个步骤。
串级控制系统的应用领域
化工工业
串级控制系统在化工 工业中有广泛的应用, 能够稳定控制各种化 学过程。
食品工业
食品工业中的串级控 制系统能够确保食品 生产过程的高效、稳 定和安全。
制造业
制造业中的串级控制 系统能够提高产品的 质量和生产效率,实 现精细化生产。
冶金工业
冶金工业中的串级控 制系统能够优化冶金 过程,提高冶金产品 的质量和产量。
1 改善系统稳定性
串级控制系统能够减小系统的波动幅度,提 高系统的稳定性。
2 提高系统精度和可靠性
通过串级控制系统,我们能够降低系统的误 差,提高系统的精度和可靠性。
3 减小控制器的负担
串级控制系统能够分担控制器的负荷,使其 更加高效且稳定。
4 减小设备的故障率
串级控制系统能够有效减小设备故障的概率, 提高设备的可靠性和使用寿命。
设计原则
1 正确选择控制器
根据系统需求和特点,选 择合适的控制器类型和参 数。
2 合理设置控制参数
3 统一参考信号
根据系统需求和运行状况, 合理设置控制参数,以达 到最佳控制效果。
将所有控制器的输入信号 统一为相同的参考信号, 以保证系统的稳定性和一 致性。
4 建立完善的监测系统
串级控制系统
1. 主回路的设计
串级控制系统的主回路是定值控制,其设计单回路控制系统的设计类似,设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
2. 副回路的设计
由于副回路是随动系统, 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力,二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小,因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中,此外要尽可能包含较多的扰动。
2. 用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性,使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统,在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路,把主要扰动包含在副回路中,提高副回路对系统的控制能力,可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。
副调节器作用方式的确定:
首先确定调节阀,出于生产工艺安全考虑,燃料调节阀应选用气开式,这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态,防止燃料进入加热炉,确保设备安全,调节阀的 Kv >0 。然后确定副被控过程的Ko2,当调节阀开度增大,燃料量增大,炉膛温度上升,所以 Ko2 >0 。最后确定副调节器,为保证副回路是负反馈,各环节放大系数(即增益)乘积必须为正,所以副调节器 K 2>0 ,副调节器作用方式为反作用方式。
1. 用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中,被控过程的容量滞后较大,特别是一些被控量是温度等参数时,控制要求较高,如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性,提高系统工作频率,合理构造二次回路,减小容量滞后对过程的影响,加快响应速度。在构造二次回路时,应该选择一个滞后较小的副回路,保证快速动作的副回路。
第五章 串级控制系统
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
§5-3 串级系统设计和实施中的几个问题
•正确合理地设计,才能使串级控制系统发挥其 正确合理地设计, 特点。 特点。 设计包括主、副回路选择, •设计包括主、副回路选择,主、副控制器控制 规律选型和正、反作用的确定。 规律选型和正、反作用的确定。
一、副回路的设计
1、副参数的选择应使副回路时间常数最小,调节通 副参数的选择应使副回路时间常数最小, 道短,反应灵敏。 道短,反应灵敏。 •选择原则主要有: 选择原则主要有: (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。 (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。
x2(t) x1 + - 主控制器 + - 温度变送器2 温度变送器1 θ2(t) 副控制器 调节阀 f3、f4 炉膛 管壁 f1、f2 θ1(t)Байду номын сангаас原料油
沈阳理工大学
3.干扰同时作用于副回路和主回路 . 主副回路干扰的综合影响有两种情况: 主副回路干扰的综合影响有两种情况: (1)主副回路的干扰影响方向相同。如: )主副回路的干扰影响方向相同。 燃料压力f ↑→炉膛温度↑ →出口温度 ↑→炉膛温度 出口温度↑ 燃料压力 3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑ →副控制器开始调节 原油流量f ↓→出口温度↑ ↓→出口温度 原油流量 1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节
二次干扰 一次干扰
干扰 给定 + - 主控制器 + - 副变送器 主变送器 副控制器 执行器 副对象 副变量 主对象 主变量
三、串级控制系统的工作过程
沈阳理工大学
1.燃料压力f3(t)、燃料热值 4(t)发生扰动 .燃料压力 发生扰动—— 、燃料热值f 发生扰动 干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度, 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度,副变送 器提前测出,副控制器立即开始控制, 器提前测出,副控制器立即开始控制,控制过程大 为缩短。 为缩短。
串级控制系统
控制器、执行器和被控对象三个环节的作用 方向。
执行器及被控对象的正、反作用
执行器的作用方向: 1.气开阀是正作用方向。 2.气关阀是反作用方向。 3.气开或气关型式从工艺安全角度来确定。
被控对象的作用方向: 1.被控变量随操纵变量增加而增加的对象是正作 用方向。 2.被控变量随操纵变量的增加而降低的对象是反 作用方向。
串级控制系统中副回路的确定
1.主、副回路应有一定的内在联系; 2.副回路应尽可能多地包含干扰因素;
主要干扰应包含在副回路中;在可能条件下,使副回 路包含较多的次要干扰; 3.注意主、副回路的时间匹配,防止“共振”;
1.主副变量间应有一定的内在联系
1)选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量; 管式加热炉的温度串级控制系统中,选择的副变量是燃 料进入量至原料油出口温度通道中间的一个变量,即炉 膛温度。由于它的滞后小、反应快, 可以提前预报主变量 的变化。 2)选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的 波动,减少对主变量的影响。
管式加热炉串级控制系统
生产实践中,往往根据炉膛温度的变化,先改变燃料量, 然后再根据原料油出口温度与其给定值之差,进一步改 变燃料量,保持原料油出口温度的恒定。
管式加热炉串级控制系统基本工作原理
“粗调”作 用。 “细调”作用。 两个控制器协同工作直到原料油出口温度重 新稳定在给定值。
管式加热炉串级控制系统的方框图
2. 干扰作用于主对象
某一时刻,由于原料油的进口流量或温度变化,F2不存 在,只有F1作用于温度对象1上。
结论:在串级控制系统中,如果干扰作用于主对象,由 于副回路的存在,可以及时改变副变量的数值,以达到 稳定主变量的目的。
热工控制系统课堂ppt_第五章串级控制系统概要
WT1(S)
X2
WT2(S)
WZ(S)
Wm2(S) Wm1(S)
Wf(S)
WD2(S)
Y2
WD1(S)
Y1
-
-
图5-3
串级控制系统原理方框图
图中Z2是进入副环的扰动,从副回路看,传递函数为:
WD 2 W f S WD 2 S y2 S S z2 S 1 WT 2 S W f S WD 2 S Wm 2 S WZ S
象动态特性,提高系统的工作频率
设对象是惯性环节,其它均为比例环节, 即:
K2 WD 2 S T2 S 1 WT 1 S K T 1 Wz S Kz K1 WD1 S T1 S 1 W f S K f (5-4) K m2
主对象(惰性区):主参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为副变量,输出信号为主参数(主变量)。 副对象(导前区):副参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为主调节器输出信号,其输出信号为副参数(副变量)。
第二节
串级控制系统的特点
总体上看,串级控制系统仍然是一个定值控制系统,主参数在干 扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形
(高温段)θ1。(返回例一,返回例二)
副参数(副变量):其给定值随主调节器的输出而变化,能提前
反映主信号数值变化的中间参数称为副参数。这是一个为了提高控
制质量而引进的辅助参数。例一中为锅炉热量Qr ,例二中为蒸汽 温度(低温段)2。 主调节器(主控制器):根据主参数与给定值的偏差而动作,其
输出作为调节器的给定值的那个调节器称为主调节器,如压力调节
(5-2)
(5-3)
串级控制系统
第三章串级控制系统简单控制系统由于结构简单,而得到广泛的应用,其数量占有所有控制系统总数的80% 以上,在绝大多数场合下已能满足生产要求。
但随着科技的发展,新工艺、新设备的出现,生产过程的大型化和复杂化,必然导致对操作条件的要求更加严格,变量之间的关系更加复杂。
同时,现代化生产往往对产品的质量提出更高的要求,例如甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1℃石油裂解气的生冷分离中,乙烯纯度要求达到99.99%等,此外,生产过程中的某些特殊要求,如物料配比、前后生产工序协调问题、为了安全而采取的软保护的问题、管理与控制一体化问题等,这些问题的解决都是简单控制系统所不能胜任的,因此,相应地就出现了复杂控制系统。
在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统统称为复杂控系统。
复杂控制系统种类较多,按其所满足的控制要求可分为两大类:以提高系统控制质量为目的的复杂控制系统,主要有串级和前馈控制系统;满足某些特定要求的控制系统,主要有比值、均匀、分程、选择性等。
本章将重点介绍串级控制系统。
串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种,它对改善控制产品有独到之处。
当过程的容量之后较大,负荷或扰动变化比较剧烈、比较频繁、或是工艺对生产质量提出的要求很高,采用单控制系统不能满足要求时,可考虑采用串级控制系统。
3.1 串级控制系统概述图3-1串级控制系统方框图3.2 串级控制系统的特点串级控制系统从总体来看,仍然是一个定制控制系统,因此主变量在扰动作用下的过渡过程和简单定制控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式。
但是串级控制系统和简单控制系统相比,在结构上增加了一个与之相连的副回路,因此具有一系列特点。
由于副回路的存在,改善了过程的动态特性提高了系统的工作频率。
串级控制系统在结构上区别于接单控制系统的主要标志是用一个闭合的副回路代替了原来的一部分被控对象。
所以,也可以把整个副回路看作是主回路的一个环节,或把副回路称为等效副对象。
第五章串级控制系统
(s)
W01
(s)
Wm2 Wm1
(s) (s)
1 WT1(s)
(1) 适当选择主调节器WT1(s)的参数,以造成一个动 态特性较好的等效控制对象WO*(s)。
(2)选择好W1(s)的参数和得到了等效控制对象WO*(s) 后,就可以按单回路系统整定等效调节器[WT1(s)WT2(s)], 从面得出副调节器WT2(s)的参数。
WT 2 (s) KT 2;
可得: WZ (s) KZ ; W (s) K ; Wm2 (s) Km2
W0*2
(s)
K0*2 T0*2s 1
其中:
K
* 02
KT 2 KZ K K02
1 KT 2 KZ K K02 Km2
T0*2
1
T02 KT 2 KZ K K02 Km2
二、两步整定法
1.先整定副调节器:副回路的方框图如5-8(a)所示。按 单回路系统的方法整定副调节器参数即可。
2.整定主调节器:在主回路中副回路可看作一个比例环节, 如图5-8(b)所示。可按单回路系统的整定方法整定主调节器 的参数。
要达到此要求整定时应考虑以下几点问题:
(1)对象的动态特性 控制对象导前区动态特性与整个控制对象的
(3)由于副回路的存在,使串级系统有一定的自适应能 力。
在串级系统中,负荷变化引起副回路内各环节参数的 变化,可以较少影响或不影响系统的控制质量。
K0*2
Байду номын сангаас
1
KT 2 KZ K K02 KT 2 KZ K K02 Km2
一方面 ,副对象增益或调节阀的特性随负荷变化时,
串级控制系统
1、串级控制系统的概念
串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。
它是由主、副两个控制器串接工作的。
主控制器的输出作为副控制器的给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对变量的定值控制。
2、串级控制系统的特点
串级控制系统的主要特点为:
(1)在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统;
(2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量}
(3)由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主变量的影响;
(4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。
3、串级控制系统的特点主要应用场合?
串级控制系统主要应用于:对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。
开环控制和闭环控制的优缺点
一、开环控制
控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。
开环控制系统方块图
优点:简单、稳定、可靠。
若组成系统的元件特性和参数值比较稳定,且外界干扰较小,开环控制能够保持一定的精度。
缺点:精度通常较低、无自动纠偏能力。
二、闭环控制
闭环控制系统特点:输出端和输入端之间存在反馈回路,输出量对控制过程有直接影响。
闭环的作用:应用反馈,减少偏差。
优点:精度较高,对外部扰动和系统参数变化不敏感
缺点:存在稳定、振荡、超调等问题,系统性能分析和设计麻。
串级控制系统ppt课件
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统(无抗积分饱和措施) (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
+
KC +
-
+
d(t)
v
广义
+ +
对象
y(t)
1 TI s +1
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。
串级回
路的等 R1
效系统
+ -
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
+ +
y2
1
+ +
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
+
D2
D1
u
1
+ +
y2
1
+ +
Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
-
副回路对主对象开环特性 的影响举例
串级控制
(4) 如果 [GT2 (s)]2 的参数值与第(1)步得到的 [GT2 (s)]1 的参数
值基本相同,那么整定就告完成。
信息科学与工程学院
5 串级控制
二. 两步整定法
当副回路受到阶跃扰动时,在较短时间内副回
路控制过程就告结束;在此期间,主回路基本上不 参加动作。可断开主回路,按单回路系统的整定方法 整定副控制器 GT2 (s) 的参数。 2.再整定主控制器 1.先整定副控制器
5 串级控制
5 串级控制
本章学习内容
5.1 5.2 5.3 串级控制系统的基本原理和结构 串级控制系统的分析 串级控制系统的设计
5.4
串级控制系统应用举例
信息科学与工程学院
5 串级控制
5.1 串级控制系统的基本原理和结构
电厂锅炉过热汽温控制系统 被 控 量:主汽温θ 控制手段:喷水减温
导前信号
1
5 串级控制
主调 副调 导前区 惰性区
副回路(内回路):粗调 副参数(副变量): θ
2
主回路(外回路):细调 主参数(主变量): θ
1
副(导前区)对象
副控制(调节)器
主(惰性区)对象
主控制(调节)器
信息科学与工程学院
5 串级控制 5.2 串级控制系统的分析 5.2.1串级控制系统的特点
(1)串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克 F(s) 服能力。
使控制作用更加及时。
信息科学与工程学院
5 串级控制 (3)提高系统的工作频率,改善了系统控制 质量。
将整个副回路看成是一个等效对象 G02 (s) 等效对象的时间常数缩小了,而且随着副调节 器比例增益的增大而减小 , 从而加快了副回路的响 应速度,提高了系统的工作频率。(证明)
串级控制系统
系统工作频率提高分析
GC1(s)
GC2(s) GV (s) Gm1 (s)
Y2 (s) Y1(s)
G0 2 (s)
G01(s)
由上图求出闭环系统的 特征方程: 1 GC1(s)GC2 (s)Gm1(s)GV (s)G02(s)G01(s) 0
串级控制系统工作频率
假设G01(s)
K01 T01s
T02s
K02
1 K02KC2Km2KV K02 ,
1
T02
s T02s 1
1 K02KC2Km2KV
K 02
K 02 1 KC 2 KV T02 KC 2 KV K 02 K m2
可见:K02 K02 ,T02 T02
随着K
(1)被加热物料的流量和初温f 1(t); (2)燃料热值的变化、压力波动、 流量的变化f 2(t);
(3)烟窗挡板位置的改变、抽力的 变化f 3(t).
方案1的分析
系统的框图如下:
r(t)
f2 (t) f3(t) f1(t) y(t)
调节器 调节阀 炉膛 管壁 物料
测量变送器
方案1的分析
• 所有的扰动都包含在环内 ,理论上都 可以由温度控制器予以克服;
1
,
GC1
(s)
KC1
GV (s) KV ,Gm1(s) Km1,则
T01T02s2 (T01 T02)s 1 KC1KC2 Km1KV K02K01 0
串级控制系统工作频率
与二阶标准形式对比, 得:
2 0
T01 T02 T01T02
系统工作频率 与自然频率 0的关系为:
5.1 串级控制系统
主、副变量间应有一定的内在联系,选择与主变量有 一定关系的某一中间变量作为副变量;选择的副变量就是 操纵变量本身。
图10-4 精馏塔塔釜温度与加热蒸汽 流量串级控制系统 1-精馏塔;2-再沸器
5.1.3 控制器参数的工程整定
两步整定法:先整定副环,再稳定主环。 系统运行工况稳定后,主、副控制器运行在纯比例作
用条件下,将主控制器比例度1调到100%,逐渐减小副 控制器比例度2,按4:1(或其它比值)衰减曲线法整定 副环,获得副环相应的2s和T2s。
在副环2=2s条件下,逐渐减小主控制器比例度1, 按4:1衰减曲线法整定主环,获得主环相应的1s和T1s。
干扰F1作用于主对象 主回路控制,及时改变副变量的数值 ,稳定主变量。
干扰( F2 、 F1 )同时作用于副对象和主对象 作用方向相同,主、副回路共同控制,加强、加快;
作用方向相反,主、副控制能相互抵消一部分,控制平稳。
串级控制系统结构:
串级控制系统由主、副两个控制系统串级工作组成。
具有两个对象、两个被控变量、两个控制器、两个控制回
要使系统的主要干扰被包含在副回路内。
图10-5 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 尽可能使副回路包含更多的次要干扰。 考虑到主、副对象时间常数的匹配,以防“共振”的发 生。
例如前面管式加热炉中,如果主要干扰来自燃料油的压 力波动时,应选择燃料油压力作为副变量,图10-6所示的加 热炉原料油出口温度与燃料油压力串级控制系统。
图5-1 管式加热炉出口温度控制系统
图10-2是管式加热炉出口温度串级控制系统,主对象为受 热管道,温度对象1,输出变量为原料出口温度1,主控制 器为T1C;副对象为炉膛及燃烧装置,温度对象2,输出变 量为炉膛温度2,副控制器为T2C;操纵变量为燃料流量.
串级控制系统pid -回复
串级控制系统pid -回复什么是串级控制系统?串级控制系统是一种常用的自动控制系统,它有着广泛的应用。
它由一个或多个控制环构成,每个环负责系统的不同方面。
其中,PID控制器是串级控制系统中的重要组成部分。
PID控制器的基本结构由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个部分组成。
这些部分根据需要采取不同的权重,通过对输入信号进行加权和调整来实现对系统输出的精确控制。
具体而言,PID控制器会根据误差信号对输出信号进行调整,从而使系统的响应更快、更准确。
在串级控制系统中,PID控制器通常用于对内环进行控制,以使内环更加稳定和精确。
内环输出的调节信号则作为外环的输入,进一步调节并优化整个系统的性能。
这种层次化的控制结构使得串级控制系统能够应对不同的系统需求,并提供更加强大的控制能力。
串级控制系统的设计与调整需要经过多个步骤,以确保系统能够实现更高的控制精度和稳定性。
下面,我们将逐步介绍串级控制系统PID的一般设计和调整过程。
第一步:系统建模和理论分析在设计串级控制系统之前,我们需要对被控对象进行建模和理论分析。
这包括对系统的动态特性和稳定性进行分析,以及参数的确定。
通过数学模型、实验数据和仿真等手段,我们可以了解系统的频率响应、阻尼比和时间响应等重要参数。
第二步:内环控制器设计和调整根据内环的稳定性和控制要求,我们可以设计和调整PID控制器。
常见的方法包括经验调参、Ziegler-Nichols方法和优化算法等。
通过调整比例、积分和微分参数,我们可以使系统的超调量、稳定时间和稳态误差等性能指标满足预期要求。
第三步:外环控制器设计和调整在内环控制器设计和调整完毕后,我们需要继续进行外环的设计和调整。
外环的目标是进一步改善系统的响应速度、稳定性和精度。
在这一步骤中,我们可以选择适当的控制策略和参数,例如,比例控制器、模糊控制器或者多变量控制器等。
第四步:系统仿真和优化在设计和调整内外环控制器后,我们可以使用仿真软件对整个串级控制系统进行仿真和优化。
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干扰通道----干扰变量对被控变量影响的通道。
在生产过程中可能有几个控制变量可选择,通 过分析不同的控制通道和不同的扰动通道对控 制质量的影响给出合理的选择。
操纵变量的选择要考虑对象特性对控制系统的 影响。
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1.放大系数对控制质量的影响
D( s )
R( s)
Gd ( s)
U ( s)
G0 ( s)
第五章 串级控制系统
5.1 单回路控制系统
单回路控制系统:简单控制系统。过
程控制系统中占有相当大的比例。其结构 简单,设计方案的选择及参数整定等对复 杂系统均有见解。
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简单控制系统(单回路控制系统)
一个被控对象,一个测量变送器,一个控 制器和一个执行机构(控制阀)组成的闭环 控制系统。
干扰D 设定值 偏差 被控变量
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操纵变量的选择:
从诸多影响被控变量的输入参数中,选择一
个对被控变量影响显著而且可控性能良好的
输入参数作为操纵变量,而其它未被选中的
所有输入量看作系统的干扰,通过改变操纵 变量去克服干扰的影响。
根据过程干扰因素的来源和大小,以被控过
程特性参数对控制质量的影响为依据,正确选 择操纵变量。
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被控对象的特性可由两条通道来描述: 控制通道----操纵变量对被控变量影响的通道;
控制器
控制阀
对象
检测变送
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被控变量的选择:
1)选择能直接反映过程产品和质量又易于测
量的参数作为被控变量——直接参数法;
2)选择那些间接反映产品产量和质量又与直
接参数有单值对应关系,易于测量的参数作
为被控变量——间接参数法。
例如:化工生产中精馏塔把混合物分离为较纯组分的产品,系统的要求就是 产品达到规定的纯度,塔顶出物的浓度最能直接反映过程的要求,准确检测? 及时测量?可用塔顶的温度间接作为被控变量。
c s o
D ( s ) 1 / s, 则ess
K d 1 Kc Ko
lim sE(s) lim s 1 G (s)G (s) D(s)
s
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选择操纵变量时:
1)扰动通道放大倍数越小越好,扰动对被控 变量的影响小,控制精度越高。 2)操纵变量对被控变量的影响显著,控制作 用强,要求控制通道的放大倍数要大些,但 必须以满足工艺生产的合理性为前提条件;
Y (s)
Gc ( s ) K c Gd ( s ) Go ( s ) Kd (T1s 1)(T2 s 1) Ko Ts 1
E ( s)
Gc (s)
Gd ( s ) Y (s) D( s ) 1 Gc ( s )Go ( s ) E (s) ess Gd ( s ) D( s) 1 Gc ( s )Go ( s ) Gd ( s )
Gd ( s) Y ( s) e s D( s) 1 Gc ( s)Go ( s) y(t ) y (t )
扰动通道的纯滞后不会影响控制质量。
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2)干扰作用位置对控制质量的影响
D1 ( s )
D2 ( s )
D3 ( s )
G01 ( s )
D2 ( s )
G02 ( s) G02 s)
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2.对象动态特性的影响
1)扰动通道特性的影响
Gd ( s ) K Y (s) 1 d D( s ) 1 Gc ( s )Go ( s ) Td [ s 1 / Td ][1 Gc ( s )Go ( s )]
系统特征方程:
(s
1 )[1 Gc ( s )Go ( s )] 0 Td
根据工艺的具体情况分析,得出应该 的操纵变量。
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若采用加压空气流量作为操纵变量,空气直接 进入干燥塔,控制通道时滞最小,对干燥温度 的控制作用最灵敏。其它变量构成的干扰通道 相对滞后较大,整个控制系统的品质比较好, 应该选择方案。但是从工艺看,加压空气的作
D3 ( s )
G03 ( s) G03 ( s) G03 ( s) G03 ( s)
Y (s)
D1 ( s )
R( s)
E ( s)
Gc (s)
G01 ( s )
H (s)
G02 ( s)
G03 ( s)
Y (s)
R( s)
E ( s)
Gc (s)
G01 ( s )
G02 ( s)
H (s)
干扰通道具有惯性环节阶数增加,对干扰信号的缓和作用 越强,系统克服它的影响就越容易,控制质量也就越高。
使被控变量的超调量加大,还使过渡
过程震荡加剧,时间也增长,控制质
量变坏。
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操纵变量的选择原则: (1)构成的控制系统,其控制通道特 性应具有足够大的放大倍数,比较小的 时间常数及尽可能小的纯滞后时间;
(2)系统主要扰动通道特性应该具有 尽可能大的时间常数和尽可能小的放大 系数;
(3)应考虑工艺上的合理性、经济性。
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系统特征方程发生变化,即在根平面上增加一个 T 的 d 附加极点,随着时间常数Td的增大,其对应的过渡过程 分量的衰减系数减小,过程变慢,过渡过程时间加长; 但其分量的幅值减小到1 / Td 使过程的超调量随Td的增 大而减小,控制质量得到提高。
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扰动通道的时间常数越大,干扰对被控变量 的影响越缓慢,即对控制质量的影响越小; 扰动通道存在纯滞后时,系统的闭环传递函数为
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被控变量的选择:产品的湿度测量十
分困难,根据工艺分析,产品的湿度
与塔出口温度密切相关,若保证温度
波动小于2-5度,则符合质量要求。
选择干燥塔出口温度作为被控参数
(间接参数)。
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操纵变量的选择:
影响干燥塔出口温度的主要因素有: 加压空气流量,浆液流量,旁路空气 流量,烟道流量。可有四种变量作为 操纵变量。
操纵变量选择时,应使干扰信号远离被控量点。
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(2)控制通道的影响 控制通道中时间常数小,反应灵敏,
控制及时,有利于克服干扰的影响,
但时间常数过小,容易引起过渡的振 荡;时间常数过大,控制作用迟缓, 被控变量的超调量加大,过渡过程时 间增长。
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纯滞后的存在操纵变量对被控变量
的作用推迟,控制作用的推迟,不但
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加压空气
3 1 干 躁 塔
空气
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烟道气
4
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喷雾式干燥塔
碳酸钙浆液干燥过程工艺流程:碳酸钙浆
液与加压空气由底部进入塔内,经喷嘴喷
出呈雾状。另一路空气由鼓风机送至换热
器加热后,与未加热的空气混合后进入干
燥塔内,以蒸发浆液中的水分,成粉状, 并随空气一起送出。经旋风分离器分离, 得到粉状碳酸钙(产品)。