过程控制教程PPT-2

(TO1s 1) KO1 KO1KO 2GC 2 (s) s 0 (T s 1)(T s 1) (T s 1) K G ( s ) K K G ( s )G ( s ) O1 O2 O1 O2 C 2 O1 O 2 C1 C2
当主控制器为PI，副控制器为P或PI时，串级控制系统才没有余差，其他 情况，串级控制系统有余差。 主控制器要采用PI控制规律，才能保证扰动作用下系统无余差。
2
2) 改善注控制器的广义对象特性，提高工作频率
R2 ( s)
注意事项： 分隔在副回路的部分主对象应占一定分量 防止主、副环的共振现象出现
14.4 CASCADE PERFORMANCE (串级控制）
对副回路内各环节特性有较强的鲁棒性 副回路各环节参数变化对稳态副环增益的影响 K K K 副环的稳态闭环增益是 M (0) 1 K K K ；设Km2=1, dM (0) dM (0) dM (0) 1 因此，dK 和 dK 均是未闭合时的 (1 K K K ) dK 说明Kc2、Kv、Kp2参数变化引起的副环比环增益的变化不大 即控制系统的控制品质不受Kc2、Kv、Kp2 参数变化的影响 2．副环近似为1：1比例环节，即环节内环节参数变化不影响它的输入输出关 系 副被控变量的检测如不采用开方器，则副环等效为开方器，引入非线性 3．主对象的非线线性特性，不能用选择控制阀的特性来补偿 但可通过非线性控制规律来补偿
e() KO1 KO 2 0 1 KC 2 KO 2 KO1KO 2 KC1KC 2
当主、副控制器中有一个具有积分作用时，串级控制系统的余差均为零。 1 F2 ②扰动进入主环：ห้องสมุดไป่ตู้动为单位阶跃信号， ( s) s 串级控制系统余差为：
e() lim sY (s) lim
s 0
14.4 CASCADE PERFORMANCE (串级控制）
GC 2GV GP 2 GP1 1 GC 2GV GP 2Gm 2 y1 ( s ) GC 2GV GP 2 R1 ( s ) 1 GC1 GP1Gm1 1 GC 2GV GP 2Gm 2 GC1GC 2GV GP 2GP1 1 GC 2GV GP 2Gm 2 GC1GC 2GV GP 2GP1
IMPLEMENTATION ISSUES (串级控制）
示例一：加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统 主被控变量：原料出口温度 副被控变量：炉膛温度 控制阀：从安全考虑，选气开，Kv为正 副对象：控制阀打开，炉膛温度升高，Kp2为正 副控制器：Kc2为正，即反作用控制器 主对象：炉膛温度升高，出口温度升高， Kp1为正 主控制器：Kc1为正，即反作用控制器 Kc2为正，因此，切主控时，主控制器不改变作用方式
当y2《u1时，u1的增长不会超过一定的极限，即不会发生积分饱和。
串级控制系统变形 1.引入中间辅助变量的串级控制系统 TY（Gd）是微分单元，稳态时，它的输出为零 当受扰动影响时，T2先变化，引入超前控制作用 克服了扰动的影响 主控制器相当于员控制器串接积分 副控制器是微分控制器 等效的串级控制系统框图如下：
1
e() lim sY (s) lim
s 0
KO1KO 2 s 0 (T s 1)(T s 1) (T s 1) K G ( s ) K K G ( s )G ( s ) O1 O2 O1 O2 C 2 O1 O 2 C1 C2
当主控制器和副控制器都为P控制规律时，串级控制系统余差为：
14.6 IMPLEMENTATION ISSUES (串级控制）
串级控制系统的余差 主、副广义对象为一阶惯性环节，分析主、副控制器采用不同控制规律下， K K 串级控制系统的余差。即 GO1 ( s) O1 GO 2 ( s) O 2
TO1 1
TO 2 1
F ①扰动进入副环：扰动为单位阶跃信号， 2 ( s) s 串级控制系统余差为：
0
Gc1(s):主控制器。细调作用。定值控制。例如，温度控制器 Gc1(s):副控制器。粗调作用。随动控制。例如，流量控制器 y1:主被控变量。 R1:主设定值。 主被控对象：Gp1(s) y2:副被控变量。 R2:副设定值。 副被控对象：Gp2(s) 主回路：由Gc1(s)、Gc1(s)、Gv(s)、Gp2(s)、Gp1(s)、和Gm1(s)组成的回路 副回路：由Gc2(s)、Gv(s)、Gp2(s)和Gm2(s)组成的回路 F2 :进入副回路的扰动。 F1：进入主回路的扰动。 两个控制串联连接，一个控制器的输出是另一个控制器的设定值 有两个检测变送器、两个控制器和一个控制阀组成 主回路的定值控制和 副回路的随动（对主控制器输出）控制和定值（对副回路的干扰）控制
C2 V P2 2 2 2 2 C2 V P2 2 P2 V C2 C2 V P2
14.4 CASCADE PERFORMANCE (串级控制）
能更精确控制操纵变量的流量 副回路是流量控制回路时 由于阀门回差、阀前后压力等影响造成流量与控制其输出不 能一一对应 副回路加入后，因副环近似为1：1比例环节 被控变量的流量与控制其输出能一一对应相等 例如在船机均匀控制系统中的流量副回路 可实现更灵活的操作方式 当主检测元件或变送器故障时，可把主控制器切除 在系统投运时，可采用主控工作方式，把副控制器切除 正常运行时，可以采用串级控制的工作方式
14.6 IMPLEMENTATION ISSUES (串级控制）
串级控制系统中防积分饱和问题 产生积分饱和的原因：外因是偏差长期存在 内因是控制器有积分作用 图示间歇示夹套反应釜串级控制系统 开始时，釜温低，主控制器输出生到上限，进入饱和 同时，副控制器设定上升，控制阀全开，也进入饱和 使退出积分饱和的时间更长，控制更不及时，超调更严重 防积分饱和的有效方法是采用积分外反馈，即消除内因 串级控制系统使用副被控变量作为主控制器的积分外反馈信号 图中的蓝色箭头表示的是积分外反馈信号 采用积分外反馈，即消除内因 用副被控变量作用主控制器的积分外反馈信号 副控制器有I作用，稳态时：y2=v2=u1,与采用u1作为积分正反馈时相同。 动态时： U (s) K E (s) 1 Y (s)
14.4 CASCADE PERFORMANCE (串级控制）
改善主控制器的广义对象特性 定性分析 如果副回路被整定成衰减振荡 副回路可近似成二阶振荡环节 低频时，幅值近似为1，相位差近似为0 即副回路可近似用1：1比例环节描述 定量分析 GC 2 (s)GV (s)GP 2 (s) y2 ( s) 副回路的等效传递函数是：(s) 1 G (s)G (s)G (s) R C2 V P2 y (s) 2 GC 2 (s)GV (s)GP 2 (s) >>1,有 1
2 P2 2
Y2 (s) GP 2 (s) F2 ( s) 1 GC 2 ( s)G ( s)GP 2 ( s)Gm2( S )
C2
P2
C2
C2
V
P2
m2
14.4 CASCADE PERFORMANCE (串级控制）
迅速克服进入副回路的扰动 以加热炉出口温度控制为例：★扰动分析 燃料：燃料油出口、流量、成份和热值等 原料：原料进嘹亮、进料温度等（不可控） ★控制方案 1 TC-FC串级控制：用于克服燃油上游侧压力干扰的影响 燃油黏度大，易堵，不常采用 2 TC-PC串级控制：取压点在控制阀后，用于克服压力影响 喷嘴易堵，使用时要增加报警系统 3 TC-TC 串级控制：炉内温度作为副被控变量，常用于克服燃料影响，例如，成份、热值 等。温度点不易找准 4 TC 单回路控制：炉温作为被控变量，滞后大，控制质量差
14.4 CASCADE PERFORMANCE (串级控制）
1) 能迅速克服进入副回路的扰动 定性分析： 定量分析：
14.4 CASCADE PERFORMANCE (串级控制）
串级控制副环扰动通道传函 Y ( s) 单回路控制副环扰动通道传函 G ( s) F ( s) 因此 串级控制系统中进入副环的等效干扰 1 是单回路控制时的 1 G (s)G (s)G (s)Gm2(S ) K 串级控制系统的余差是单回路控制的 1 K K K K 这表明： 由于串级控制系统的副回路存在，是进入副环的干扰在进入主环时已经大大减小，因 此，能迅速克服进入副回路扰动的影响 在设计串级控制系统时，应尽量使干扰进入副回路，即 应使主要干扰进入副回路 应使尽可能多的干扰进入副回路
CASCADE CONTROL (串级控制）
14.6 IMPLEMENTATION ISSUES
CASCADE CONTROL (串级控制）
串级控制系统的投运和参数整定 串级控制系统的投运： 正确选择主副控制器的正反作用方式 接线检查，应正确无误 主控制器置（内给定），副控制器（外给定） 主控制器手动输出调整到接近等于副被控变量测量值时，副控制器切入自动 主控制器手动调整设定到接近等于主被控变量测量值时，主控制器切入自动 串级控制系统的参数整定： 一步法：副控参数一次设置，主控切自动后整定主控参数 两步法：先整定副控参数，再整定主控参数，交替整定到最优
y1 ( s ) F ( s) 1 1 GC1
GP1 GC 2GV GP 2 GP1Gm1 1 GC 2GV GP 2Gm 2
GC1GC 2GV GP 2GP1Gm1 GP1 1 GC 2GV GP 2Gm 2 GC1GC 2GV GP 2GP1Gm1
y1 ( s) GP1GP 2 F2 ( s) 1 GC 2GV GP 2Gm 2 GC1GC 2GV GP 2GP1Gm1
CASCADE CONTROL (串级控制）
串级控制系统的投运与参数整定的方法有关，两步法整定参数的系统投运步骤下。 设置主控制器为“内给”、“手动”，设置副控制器为“外给”、“手动”。 主控制器手动输出，调整副控制器手动输出至偏差为零时，将副控制器切“自动” 整定副控制器参数，使副被控变量的响应满足所需性能指标（例如衰减比指标） 调整主控制器手动输出至偏差为零时，将主控制器切“自动” 整定主控制器参数，使主被控变量的响应满足所需性能指标（例如衰减比指标、 余差等） 串级控制系统的投运宜先副后主，由于设置副环的目的是提高主被控变量的控制 品质，因此，对副控制器参数整定的结果不应作过多限制，应以快速、准确跟踪 主控制器输出为整定参数的目标。当工艺过程对副被控变量也有一定控制指标要 求时（例如精确流量测量等），可采用逐步逼近法整定参数，使副被控变量也能 够满足所需控制指标。