过程控制--复杂控制串级控制系统与均匀控制系统 ppt课件
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出料 水温度变化 →釜壁温度变 化 → 反应釜温度变化
控制变量的影响：冷却剂调 节阀开度变化 → 冷却剂流 量变化 → 夹套内冷却剂温 度变化 → 釜壁温度变化 → 反应釜温度变化
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17
解决方法
夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却剂入口温度）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 以尽快地克服冷却剂方面的扰动。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）。
Qi(t) 精 馏
H(t) 塔
A
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
LC
表示成
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
D2' (s)
1
D2 (s) 1+ Gc2GvGp2Gm2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc2GvGp2Gm2 1
D2' D2
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25
反应器温度的串级控制响应
ppt课件
26
串级控制系统的特点（2）
振”（系统稳定性
进料 越差）。
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38
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。
修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动； 修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将
主控制器切换到自动。
增量型
+
手操器 Man
增量型
+
手操器 Man
ysp (t) e1(t) KD
+
+
-
+
Auto
u1(t) e2 (t) KD
+
+
-
+
Auto
u2 (t)
ym1 (t )
1
1
TI s +1
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20
反应器温度串级控制框图
TC1
TC2
T2
T1
讨论: 主副控制器的 “正反作用”选择。
出料
调节阀选气关阀
冷却剂
进料
T1sp
＋ －
T2sp TC1 ＋
－
TC2
阀
D2
T2
夹套
槽壁
夹套水温测量
D1 T1
反应槽
反应器温度测量
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21
串级控制系统常用术语
二次扰动
一次扰动
y1,sp
＋ －
y2,sp
副回路等效对象为：
G
' p
2
(s)
y2 (s) y2,sp (s)
Gc2GvGp2
1+ Gc2GvGp2Gm2
若：
Gp2
K p2 ; Tp2s +1
Gc2 Kc2 ; Gv Kv ; Gm2 Km2
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28
串级控制系统的特点（3）
G
' p
2
(
s
)
1+
Kc2Kv
K p2 Tp2s + 1
测量变送器
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7
给定 值X
干扰
被控
e
p
q
变量
控制器
控制阀
被控对象 y
测量 值Z
测量变送器
给定 值X
e PID
干扰
被控
p
q
变量
控制阀
被控对象 y
测量 值Z
测量变送器
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8
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？
（将副回路看成是一个等效的控制阀）。
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23
串级系统副环的等效性
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ D2
＋
Gp2
y2
D2(s)
1 1 + Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
Gc2GvG p2 1 + Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
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24
串级控制系统的特点（1）
工程师站
总线 0 总线 1
SCnet
上位计算机： 软仪表计算
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11
串级控制系统 Cascade Control System
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12
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。
51
串级均匀控制与串级控制区别
ppt课件
52
均匀控制系统的分析
Qi(t) 精 馏
H(t) 塔
A
LC FC
Qo(t)
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
dH (t) dt
Qi
(t)
Qo
(t)
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53
均匀控制系统的分析(续1)
ppt课件
41
串级控制系统主调节器的连接法
y1sp(t)
＋
e(t)
KC
－
ym1(t)
TD s + 1 ADTD s + 1
串级系统主控制器 防积分饱和连接方法
＋ ＋
1 TI s + 1
u ym2(t)
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42
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工况；
Exasmoc Station
SMOC-PC Optional (Builder) Ethernet
Download
FCS
SFCS Process Data Exasmoc Data
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10
➢ 浙大中控SUPCON DCS
操作站
操作站
JX300 JX300 JX300
1# 2#
3#
现场控制站
TC
塔
底
再
部
沸
器
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。
ppt课件
34
串级系统副参数的选择分析
1
TC
PC
加热蒸汽
塔
底
再
部
沸
器
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。
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35
串级系统副参数的选择分析
加热蒸汽
TC
3
FC
塔
底
再
部
沸
器
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。
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36
串级方案设计举例
TC
FC 进料
燃料油
流量扰动
TC
PC 进料
出料
出料
燃料油
流量较小、或者流量检测 困难，或者燃料油较粘稠， 用检测压力代替
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37
串级方案设计举例（续）
TC TC 燃料油
出料
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
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：
K
' p2
Kc2Kv K p2 1 + Kc2Kv K p2K m2
Kc2 Kv K p2 Km2 1
K
' p
2
1 Km2
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27
串级控制系统的特点（3）
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。
两个参数的变化应是缓慢的，且在一定范围内变 化。
均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。
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48
常用的均匀控制方案
塔
塔
塔
甲
塔 乙
甲
乙
h(t)
LC
LC
FC
qo(t)
单回路均匀控制系统
串级均匀控制系统
ppt课件
49
简单均匀控制与简单控制区别
ppt课件
50
简单均匀控制与简单控制区别
ppt课件
主调
副调
节器 ＋
节器
－
ym2
ym1
两个回路： 主回路 副回路
调节阀 副参数 测量变送 主参数 测量变送
ppt课件
副对象
y2
y1
主对象
副参数
主参数
22
串级控制系统方块图
D2
D1
y1,sp
y2,sp
＋
Gc1
＋
Gc2
Gv
－
－
ym2
Gm2
ym1 Gm1
＋ ＋
Gp2
＋
Gp1 ＋
y1
副回路
主回路
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
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.
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液位与流量是一对 矛盾。 解决方法：（1）增加缓冲罐。
（2）采用均匀控制系统。
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47
均匀控制系统的特点
概念：
均匀控制系统：指两个工艺参数在规定范围内能缓 慢、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼 顾、均匀协调的系统。
特点
表征前后供求矛盾的两个参数，在控制过程中都 应该是变化的。
尽可能将带有非线性或时变特性的环节 包含于副回路中。
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31
串级控制副参数选择练习
加热
蒸汽
F2
假设反应器的主要干扰为加热
蒸汽的温度变化
F1
T2
T3
进料
T1
A2
反应器
ppt课件
AC
A1
产品32
串级系统副参数的选择分析
TC
加热蒸汽
塔
底
再
部
沸
器
ppt课件
33
串级系统副参数的选择分析
FC
加热蒸汽
ppt课件
9
WIN 2000
SMOC与YOKOGAWA CS3000连接
Ethernet
Standard
HIS
Operation/ Displays
Monitoring/
Control
APC
Displays
V Net / VL Net
ExaSMOC ExaRQE ExaOPC VF701
Optional Remote Operation/ Monitoring
ym2 (t)
TI s + 1
ppt课件
43
串级系统仿真
ppt课件
44
均匀控制
ppt课件
45
均匀控制内容
均匀控制的概念与特点； 常见的均匀控制系统； 均匀控制系统的分析。
ppt课件
46
均匀控制问题
分析：甲塔：尽量保 证液位稳定
乙塔：进塔的流量 力求平稳
L↑→开阀1→F↑→关 阀2→L↑
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13
反应釜温度单回路控制系统
TC
冷却剂 进料
T1sp
＋ －
调节器
出料
调节阀
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
D2
T2
夹套
釜壁
D1 T1
反应釜
温度测量变送
ppt课件
14
反应釜温度单回路控制响应曲线
ppt课件
15
单回路控制系统分析
ppt课件
39
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。
“串级控制”
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18
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
T1
冷却剂
进料
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
出料 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。
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19
反应器温度的串级控制响应
1
自动控制系统方框图
给定 值X
干扰
被控
e
p
q
变量
控制器
控制阀
被控对象 y
测量 值Z
测量变送器
ppt课件
2
液位变送器
ppt课件
3
ppt课件
4
带电气阀门定位器的气动薄膜控制阀
ppt课件
5
自动控制系统方框图
ppt课件
被控 变量 y
6
给定 值X
干扰
被控
e
p
q
变量
控制器
控制阀
被控对象 y
测量 值Z
ppt课件
40
串级系统PID参数的整定方法
Step 1: 先断开主回路，按单回路方式整定副 调节器的PID参数。
Step 2: 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。
Step 3: 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。
TC
冷却剂 进料
冷却剂入口温度↑→ 夹套内 出料 冷却剂温度 T2 ↑→ （经对流
传热）釜壁温度↑→ 反应釜 温度T1 ↑→（经反馈回路） 冷却剂量↑
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釜，调节滞后更大。
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16
系统控制与扰动的分析
TC
冷却剂 进料
干扰变量的影响：冷却剂入 口温度变化 → 夹套内冷却
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）
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29
反应器温度的串级控制响应
ppt课件
30
控制变量的影响：冷却剂调 节阀开度变化 → 冷却剂流 量变化 → 夹套内冷却剂温 度变化 → 釜壁温度变化 → 反应釜温度变化
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17
解决方法
夹套冷却剂温度T2比反应釜温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却剂入口温度）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 以尽快地克服冷却剂方面的扰动。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）。
Qi(t) 精 馏
H(t) 塔
A
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
LC
表示成
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
D2' (s)
1
D2 (s) 1+ Gc2GvGp2Gm2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc2GvGp2Gm2 1
D2' D2
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25
反应器温度的串级控制响应
ppt课件
26
串级控制系统的特点（2）
振”（系统稳定性
进料 越差）。
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38
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。
修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动； 修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将
主控制器切换到自动。
增量型
+
手操器 Man
增量型
+
手操器 Man
ysp (t) e1(t) KD
+
+
-
+
Auto
u1(t) e2 (t) KD
+
+
-
+
Auto
u2 (t)
ym1 (t )
1
1
TI s +1
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20
反应器温度串级控制框图
TC1
TC2
T2
T1
讨论: 主副控制器的 “正反作用”选择。
出料
调节阀选气关阀
冷却剂
进料
T1sp
＋ －
T2sp TC1 ＋
－
TC2
阀
D2
T2
夹套
槽壁
夹套水温测量
D1 T1
反应槽
反应器温度测量
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21
串级控制系统常用术语
二次扰动
一次扰动
y1,sp
＋ －
y2,sp
副回路等效对象为：
G
' p
2
(s)
y2 (s) y2,sp (s)
Gc2GvGp2
1+ Gc2GvGp2Gm2
若：
Gp2
K p2 ; Tp2s +1
Gc2 Kc2 ; Gv Kv ; Gm2 Km2
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28
串级控制系统的特点（3）
G
' p
2
(
s
)
1+
Kc2Kv
K p2 Tp2s + 1
测量变送器
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7
给定 值X
干扰
被控
e
p
q
变量
控制器
控制阀
被控对象 y
测量 值Z
测量变送器
给定 值X
e PID
干扰
被控
p
q
变量
控制阀
被控对象 y
测量 值Z
测量变送器
ppt课件
8
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？
（将副回路看成是一个等效的控制阀）。
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23
串级系统副环的等效性
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ D2
＋
Gp2
y2
D2(s)
1 1 + Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
Gc2GvG p2 1 + Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
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串级控制系统的特点（1）
工程师站
总线 0 总线 1
SCnet
上位计算机： 软仪表计算
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11
串级控制系统 Cascade Control System
ppt课件
12
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。
51
串级均匀控制与串级控制区别
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52
均匀控制系统的分析
Qi(t) 精 馏
H(t) 塔
A
LC FC
Qo(t)
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
dH (t) dt
Qi
(t)
Qo
(t)
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53
均匀控制系统的分析(续1)
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41
串级控制系统主调节器的连接法
y1sp(t)
＋
e(t)
KC
－
ym1(t)
TD s + 1 ADTD s + 1
串级系统主控制器 防积分饱和连接方法
＋ ＋
1 TI s + 1
u ym2(t)
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42
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工况；
Exasmoc Station
SMOC-PC Optional (Builder) Ethernet
Download
FCS
SFCS Process Data Exasmoc Data
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10
➢ 浙大中控SUPCON DCS
操作站
操作站
JX300 JX300 JX300
1# 2#
3#
现场控制站
TC
塔
底
再
部
沸
器
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。
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34
串级系统副参数的选择分析
1
TC
PC
加热蒸汽
塔
底
再
部
沸
器
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。
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35
串级系统副参数的选择分析
加热蒸汽
TC
3
FC
塔
底
再
部
沸
器
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。
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36
串级方案设计举例
TC
FC 进料
燃料油
流量扰动
TC
PC 进料
出料
出料
燃料油
流量较小、或者流量检测 困难，或者燃料油较粘稠， 用检测压力代替
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37
串级方案设计举例（续）
TC TC 燃料油
出料
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
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：
K
' p2
Kc2Kv K p2 1 + Kc2Kv K p2K m2
Kc2 Kv K p2 Km2 1
K
' p
2
1 Km2
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27
串级控制系统的特点（3）
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。
两个参数的变化应是缓慢的，且在一定范围内变 化。
均匀控制指的是控制功能，而不是控制方案。
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48
常用的均匀控制方案
塔
塔
塔
甲
塔 乙
甲
乙
h(t)
LC
LC
FC
qo(t)
单回路均匀控制系统
串级均匀控制系统
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49
简单均匀控制与简单控制区别
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50
简单均匀控制与简单控制区别
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主调
副调
节器 ＋
节器
－
ym2
ym1
两个回路： 主回路 副回路
调节阀 副参数 测量变送 主参数 测量变送
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副对象
y2
y1
主对象
副参数
主参数
22
串级控制系统方块图
D2
D1
y1,sp
y2,sp
＋
Gc1
＋
Gc2
Gv
－
－
ym2
Gm2
ym1 Gm1
＋ ＋
Gp2
＋
Gp1 ＋
y1
副回路
主回路
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
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.
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液位与流量是一对 矛盾。 解决方法：（1）增加缓冲罐。
（2）采用均匀控制系统。
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47
均匀控制系统的特点
概念：
均匀控制系统：指两个工艺参数在规定范围内能缓 慢、均匀地变化，使前后设备在物料供求上相互兼 顾、均匀协调的系统。
特点
表征前后供求矛盾的两个参数，在控制过程中都 应该是变化的。
尽可能将带有非线性或时变特性的环节 包含于副回路中。
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31
串级控制副参数选择练习
加热
蒸汽
F2
假设反应器的主要干扰为加热
蒸汽的温度变化
F1
T2
T3
进料
T1
A2
反应器
ppt课件
AC
A1
产品32
串级系统副参数的选择分析
TC
加热蒸汽
塔
底
再
部
沸
器
ppt课件
33
串级系统副参数的选择分析
FC
加热蒸汽
ppt课件
9
WIN 2000
SMOC与YOKOGAWA CS3000连接
Ethernet
Standard
HIS
Operation/ Displays
Monitoring/
Control
APC
Displays
V Net / VL Net
ExaSMOC ExaRQE ExaOPC VF701
Optional Remote Operation/ Monitoring
ym2 (t)
TI s + 1
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43
串级系统仿真
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44
均匀控制
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45
均匀控制内容
均匀控制的概念与特点； 常见的均匀控制系统； 均匀控制系统的分析。
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46
均匀控制问题
分析：甲塔：尽量保 证液位稳定
乙塔：进塔的流量 力求平稳
L↑→开阀1→F↑→关 阀2→L↑
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13
反应釜温度单回路控制系统
TC
冷却剂 进料
T1sp
＋ －
调节器
出料
调节阀
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
D2
T2
夹套
釜壁
D1 T1
反应釜
温度测量变送
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14
反应釜温度单回路控制响应曲线
ppt课件
15
单回路控制系统分析
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39
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。
“串级控制”
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反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
T1
冷却剂
进料
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
出料 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。
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反应器温度的串级控制响应
1
自动控制系统方框图
给定 值X
干扰
被控
e
p
q
变量
控制器
控制阀
被控对象 y
测量 值Z
测量变送器
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2
液位变送器
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3
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4
带电气阀门定位器的气动薄膜控制阀
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5
自动控制系统方框图
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被控 变量 y
6
给定 值X
干扰
被控
e
p
q
变量
控制器
控制阀
被控对象 y
测量 值Z
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串级系统PID参数的整定方法
Step 1: 先断开主回路，按单回路方式整定副 调节器的PID参数。
Step 2: 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。
Step 3: 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。
TC
冷却剂 进料
冷却剂入口温度↑→ 夹套内 出料 冷却剂温度 T2 ↑→ （经对流
传热）釜壁温度↑→ 反应釜 温度T1 ↑→（经反馈回路） 冷却剂量↑
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釜，调节滞后更大。
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系统控制与扰动的分析
TC
冷却剂 进料
干扰变量的影响：冷却剂入 口温度变化 → 夹套内冷却
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）
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反应器温度的串级控制响应
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