串级控制系统-浙江大学-控制科学与工程学院课件.ppt

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1、串级控制系统戴连奎浙江大学控制学院2017/03/23内容串级控制的引入与基本概念串级控制系统的特性分析串级控制的设计原理与副参数的选择串级控制器的实现与参数整定步骤加热炉出口温度控制仿真举例串级控制中的积分饱和现象及其防止加热炉出口温度单回路控制MV：燃料气流量，CV：工艺介质炉出口温度控制阀：气开阀（为什么？）TC23的正反作用如何选择？扰动分析单回路控制过程分析问题：从扰动进入到反馈控制器开始响应，所需信息传递路线远、传递时间长。如何改进？假设燃料气的入口压力（即阀前压力）↑→即使u(t)不变，燃料气流量↑→（经燃烧过程

2、）炉膛温度↑→工艺介质炉出口温度T↑→（借助于测量反馈控制）CO↓串级控制思想的引入燃料供应系统的波动首先影响燃料气流量Fgas，然后再影响工艺介质炉出口温度。基本思想：一旦感受到Fgas的变化，在T开始变化以前，就应当调整燃料阀的操作。具体实现：该校正动作采用Fgas为中间变量来尽早感受干扰，并通过调节MV以减少干扰对CV的影响。如何减少Pgas变化对炉出口温度的影响?一种炉出口温度串级控制方案(1)该方案由两个传感变送器、两个控制器和一个控制阀组成。(2)该方案有两个控制回路，其中一个用于控制T，而一个用于控制Fgas.为

3、何叫“串级控制”？注：燃料气流量只是用作中间辅助变量，以改善CV的控制性能。试画出上述串级控制系统的方块图?工艺介质炉出口温度串级控制方块图这里，TC23被称为“主控制器”，而FC13被称为“副控制器”；D1表示了各种直接进入外回路的干扰，D2表示了各种直接进入内回路的干扰。干扰举例？串级控制中的常用术语以传递函数形式表示的串级控制系统方块图注：D1反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，D2反映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。试指出主副回路所对应的“广义对象”？内回路的等价变换与“广义控制阀”概念串级控制中副回路特性

4、分析副回路（或称内回路）通常响应迅速，并能有效克服内回路干扰对主参数的影响副回路能显著减少控制阀与副对象的非线性。为什么?串级控制中副参数的选择原则副参数需同时满足：（1）能较快地感觉部分干扰，（2）直接受控制器输出的控制，（3）对主参数有明确且较大的影响副回路应尽可能多地包含主要干扰，而且“越多越好”如果可能，副回路应包含一些非线性对象。常见的串级回路：温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、液位-流量、温度-温度等。串级控制副参数选择举例讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰?方案#1方案#2串级控制器类型选择副控

5、制器（也称内回路控制器）通常采用PI控制律原因：需要对内回路干扰具有快速调节能力（强比例作用+弱积分作用，为什么？）主控制器通常选用PID控制律（液位串级控制除外）通常主对象的响应速度缓慢，并带有较显著的纯滞后，主控制器经常引入微分作用。串级控制器参数整定步骤#1设置主控制器至“手动”方式，参照单回路整定方式整定副控制器PID参数。具体步骤讨论？串级控制器参数整定步骤#2将副控制器切换至“自动”，并以阶跃方式手动改变主控制器的输出（即副控制器的设定值），记录主回路“广义对象”的输出输出数据；并获取主对象对应的动态特性参数。串级

6、控制器参数整定步骤#3参照单回路离线方式整定主控制器PID参数，并将主控制器切换至“自动”。结合主控制器给定值阶跃响应，适当调整主控制器增益，直至满意。仿真举例串级控制方案单回路控制方案炉出口温度单回路控制仿真详见SimuLink模型…/CascadePID/SinglePid_Furnace.mdl炉出口温度串级控制系统炉出口温度串级控制系统仿真模型1详见下列SimuLink模型，并讨论参数整定问题…/CascadePID/CascadePid_Furnace.mdl炉出口温度串级与单回路控制仿真结果比较单回路控制的抗积分

7、饱和原理原理：当控制器输出超出正常操作范围时，将积分作用切除。单回路控制系统抗积分饱和仿真举例串级控制中的积分饱和现象详见以下仿真举例…/CascadePidwithResetWindup.mdl炉出口温度串级控制系统仿真模型2为揭示串级控制的积分饱和现象，待加热的工艺介质进料温度发生了较大的变化仅采用单回路抗积分饱和措施的仿真结果串级控制中的抗积分饱和方法详见以下仿真举例…/CascadePidwithoutResetWindup.mdl炉出口温度串级控制系统仿真模型3采用串级控制的抗积分饱和措施的仿真结果PID控制器

8、的防积分饱和方法对于单回路或串级控制系统，积分作用的引入都可能出现积分饱和现象积分饱和现象产生的原因在于控制系统的调节范围有限。为防止积分饱和，要求控制器的输出仅在当前实际阀位或副参数的实测值的基础上作相应的PID增量调节（讨论）问题讨论串级控制系统在过程工业中获得了广泛应用