4.串级控制系统-过程控制(自动化)解析

C1sH1 ( s) Q1 ( s) C2 sH 2 ( s)
H1 ( s ) H1 ( s ) H 2 ( s ) , R2 R12
H1 ( s ) H 2 ( s ) H 2 ( s ) R12 R3
习题4-9: 控制阀流量特性选择
蒸汽 G2 u(t)
TC
Tsp
热平衡方程:
H1 ( s ) H ( s) , Q3 ( s) 2 , R2 R3 H1 ( s ) H 2 ( s ) R12
1 C2 s
1 R3
Q12
1 C1s Q2 1 R2
H1
_ +
1 R12
+ _
H2(s)
习题3-4: 计算输入输出传递函数

利用方框图等效变换; 直接用传递函数计算公式; 通过求解传递函数方程组.
由以上传递函数方程,可画出相 应的方框图.
习题3-4: 过程传递函数方框图
H1 ( s ) H 2 ( s) 1 Q1 (s) Q2 (s) Q12 (s), C1s 1 Q12 (s) Q3 (s) C2 s
H2 Q1(s)
+ _ + _
Q2 ( s) Q12 ( s)
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。
本讲基本要求

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； 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。
反应釜温度单回路控制系统
操纵变量：冷却剂流量
TC 出料
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
冷却剂 进料
控制规律：PID
D2
调节器 调节阀 夹套
T1sp ＋ －
T2
D1
槽壁 反应槽
Fra Baidu bibliotekT1
温度测量变送
单回路控制系统的抗干扰性能
(参见仿真程序…/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)
反应釜温度单回路控制响应曲线
单回路控制系统分析
冷却水入口温度↑→ 夹套内
TC 出料
G1 Tp G2 稳定性变差 即控制阀开度 Kv 选快开阀
单回路系统防积分饱和原理分析
d(t) ysp(t)
＋ －
e(s) KC
＋ ＋
u1
v
广义 对象
＋
＋
ym(t)
1 TI s 1
umin , v u1 , u , max
u1 umin umin u1 umax u1 umax
h2 R3 Q3
dh1 C1 Q1 Q2 Q12 , dt dh2 C2 Q12 Q3 dt h1 h2 Q2 , Q3 , R2 R3
h1 h2 Q12 R12
Q2
R2
将流量方程代入物料平衡方程, 即得到过程状态方程
习题3-4: 状态方程传递函数表示
dh1 C1 Q1 Q2 Q12 , dt dh2 C2 Q12 Q3 dt h h Q2 1 , Q3 2 , R2 R3
“串级控制”
串级控制系统
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。
TC1
TC2
T2
C1G1 (T T1 ) G2
Tm
G1, T1 进料 凝液 T
λ---冷凝潜热；C1--比热容
控制通道静态增益:
Kp T 1 G2 C1G1 G1
被控对象的动态特性变化 对控制阀流量特性选择的考虑
从静态增益补偿的角度
G1 Kp G2 Kv 选等百分比阀 即控制阀开度
从动态特性变化的角度 (Why?) ？
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）
冷却剂 进料
冷却水量↑
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槽，调节滞后更大。
系统控制与扰动的分析
干扰变量的影响：冷却水入
TC
出料
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
冷却剂 进料
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
对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、 阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温 度T1能更快地感受。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）。
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。 为什么?
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？
串级控制系统 Cascade Control System
习题 3-4: 机理建模举例
R1 Q1
(1) 列写过程微分方 程组; (2) 画出方框图;
h1
Q12 C1 R12 C2
h2 R3 Q3
(3) 求传递函数
H 2 ( s) G p ( s) Q1 ( s)
Q2
R2
习题3-4: 列写状态方程
物料平衡方程:
R1 Q1
h1
Q12 C1 R12 C2
h1 h2 Q12 R12
H1 ( s ) 1 Q1 (s) Q2 (s) Q12 (s), C1s
1 Q12 (s) Q3 (s) H 2 ( s) C2 s
H1 ( s ) H 2 ( s) Q2 ( s) , Q3 ( s) , R2 R3 H1 ( s ) H 2 ( s ) Q12 ( s) R12