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串级控制系统专题培训课件.ppt
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1、串级控制系统串级控制系统单回路单回路PID控制系统回顾控制系统回顾n什么是单回路控制系统?什么是单回路控制系统?n被控变量的选择原则?被控变量的选择原则?n操纵变量的选择选择?操纵变量的选择选择?n执行器的选择需要考虑哪些因素?执行器的选择需要考虑哪些因素?n测量变送装置的选择需要考虑哪些因素?测量变送装置的选择需要考虑哪些因素?n控制器的选择需要考虑哪些因素?控制器的选择需要考虑哪些因素?n比例度、积分时间、微分时间分别对过渡过程有比例度、积分时间、微分时间分别对过渡过程有什么样的影响?什么样的影响?课堂提问课堂提问n采用采用PI控制,控制,Ti调小时为保持系统稳定性,比调小时为保持系统稳定
2、性,比例度应该怎样变化?例度应该怎样变化?n工程整定方法有哪几种?主要步骤是什么?工程整定方法有哪几种?主要步骤是什么?n系统的投运是使执行器从手动平稳过渡到自动系统的投运是使执行器从手动平稳过渡到自动状态,该说法对不对?状态,该说法对不对?调大调大主要内容主要内容n了解串级控制系统的概念与特点;了解串级控制系统的概念与特点;n掌握串级控制系统的方框图表示法;掌握串级控制系统的方框图表示法;n结合控制原理,掌握串级系统的分析方法;结合控制原理,掌握串级系统的分析方法;n了解串级控制系统的设计原则;了解串级控制系统的设计原则;n掌握串级控制系统的参数整定方法;掌握串级控制系统的参数整定方法;反应
3、釜温度单回路控制系统反应釜温度单回路控制系统操纵变量:操纵变量:被控变量:被控变量:控制规律:控制规律:冷却剂流量冷却剂流量反应温度反应温度PID夹夹套套槽槽壁壁系统控制与扰动的分析系统控制与扰动的分析n干扰变量的影响:冷却水入干扰变量的影响:冷却水入口温度变化口温度变化 夹套内冷却夹套内冷却水温度变化水温度变化 槽壁温度变槽壁温度变化化 反应槽温度变化反应槽温度变化n控制变量的影响:冷却水调控制变量的影响:冷却水调节阀开度变化节阀开度变化 冷却水流冷却水流量变化量变化 夹套内冷却水温夹套内冷却水温度变化度变化 槽壁温度变化槽壁温度变化 反应槽温度变化反应槽温度变化问题:从扰动开始至调节器动作
4、,滞后较大,问题:从扰动开始至调节器动作,滞后较大,特别对于大容量的反应槽,滞后更大。特别对于大容量的反应槽,滞后更大。解决方法解决方法夹套夹套冷却水冷却水温度温度T2比反应槽温度比反应槽温度T1能能更快更快地地感受感受到来自到来自干扰干扰(冷却水入口温度)以及来自控制的(冷却水入口温度)以及来自控制的影响。因而可设计影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统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。但以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定的设定值应根据值应根据T1的控制要求作相应的变化(这一要求的控制要求作相应的变化(这一要求可用反应温度调节器可用反应温度调节器TC1来自动
5、实现)。来自动实现)。“串级控制串级控制”反应器温度的串级控制方案反应器温度的串级控制方案特点:两个调节器串在一特点:两个调节器串在一起工作,起工作,调节器调节器TC2通过通过调节冷却剂量以调节冷却剂量以克服冷却克服冷却水方面的扰动水方面的扰动;调节器调节器TC1通过调节夹套内水温的通过调节夹套内水温的设定值以设定值以保证反应温度维保证反应温度维持持在工艺所希望的某一在工艺所希望的某一给给定值定值。反应器温度串级控制框图反应器温度串级控制框图串级控制系统的框图串级控制系统的框图通用的串级控制系统通用的串级控制系统主控主控制器制器调节调节阀阀副对象副对象主对象主对象主测量主测量变送变送二次扰动二
6、次扰动一次扰动一次扰动副控副控制器制器副测量副测量变送变送主设定值主设定值主被控主被控变量变量副被控副被控变量变量副回路副回路随动控制随动控制系统系统定值控制定值控制系统系统 主回路主回路副设定值副设定值定义定义:两个控制器两个控制器串联,串联,两个被控对象两个被控对象,两个测量变送装置两个测量变送装置,一个执行器,一个执行器,两个回路两个回路主控制器的输出作为副控制器的设定值主控制器的输出作为副控制器的设定值由由副控制器的输出副控制器的输出去去操纵控制阀操纵控制阀,从而对主被控变量具,从而对主被控变量具有更好的控制效果有更好的控制效果串级控制系统串级控制系统串级控制系统的名词术语串级控制系统
7、的名词术语n主被控变量:生产过程中的工艺控制指标。主被控变量:生产过程中的工艺控制指标。n副被控变量:为了稳定主被控变量而引入的中副被控变量:为了稳定主被控变量而引入的中间辅助变量。间辅助变量。n主被控对象:生产过程中要控制的生产设备、主被控对象:生产过程中要控制的生产设备、装置。装置。n副被控对象:表征副被控变量特性的设备(输副被控对象:表征副被控变量特性的设备(输入量为操纵变量,输出量为副被控变量)。入量为操纵变量,输出量为副被控变量)。反应槽内的温度反应槽内的温度夹套内的温度夹套内的温度反应槽反应槽夹套夹套n主控制器:按主控制器:按主被控变量主被控变量的的测量值测量值与与设定值设定值的的
8、偏差偏差而工作,而工作,其输出为副被控变量的设定值其输出为副被控变量的设定值。n副控制器:副控制器:设定值是主控制器的输出设定值是主控制器的输出。n主设定值主设定值n副设定值副设定值n主测量值主测量值n副测量值副测量值串级控制系统的名词术语串级控制系统的名词术语TC1TC2n副回路副回路:串级控制系统串级控制系统内部内部。包含:。包含:副控制器副控制器、执行器执行器、副被控对象副被控对象、副测量变送器副测量变送器。n主回路:主回路:主控制器主控制器、副回路副回路、主被控对象主被控对象、主主测量变送器测量变送器。n一次扰动一次扰动n二次扰动二次扰动串级控制系统的名词术语串级控制系统的名词术语串级
9、控制系统串级控制系统n主主回路为回路为定值定值控制系统控制系统 设定值固定设定值固定n副副回路为回路为随动随动控制系统控制系统 设定值由主控制器的输出提供,随主控设定值由主控制器的输出提供,随主控制器输出的变化而变化。制器输出的变化而变化。串级控制系统的控制过程分析串级控制系统的控制过程分析一次扰动一次扰动二次扰动二次扰动串级与单回路控制串级与单回路控制simulink仿真仿真串级与单回路控制串级与单回路控制simulink仿真仿真调节时间调节时间180 60余差余差 0 0串级与单回路控制串级与单回路控制simulink仿真仿真二次扰动最大偏差二次扰动最大偏差0.27 0.013串级控制系统
10、的特点及应用范围串级控制系统的特点及应用范围1、两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统,两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统,其中主回路是定值控制,副回路是随动控制其中主回路是定值控制,副回路是随动控制2、副回路的引入,大大克服了二次扰动对系统被调量的影响、副回路的引入,大大克服了二次扰动对系统被调量的影响3、迅速克服进入副回路扰动的影响,提高系统的抗扰动能力、迅速克服进入副回路扰动的影响,提高系统的抗扰动能力4、对负荷变化有一定的自适应能力(适应操作条件的变化)、对负荷变化有一定的自适应能力(适应操作条件的变化)特点特点副回路副回路具有具有先调先调、粗调粗调、快调快调的特点;的特点;主
11、回路主回路具有具有后调后调、细细调调、慢调慢调的特点,并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响的特点,并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。能彻底加以克服。应用范围应用范围1、纯滞后大、纯滞后大2、容量滞后大、容量滞后大3、扰动变化剧烈、幅值大、扰动变化剧烈、幅值大4、具有非线性特性的过程、具有非线性特性的过程容量滞后:物料或能量的传递需要通过一定阻力容量滞后:物料或能量的传递需要通过一定阻力 而引起的滞后。而引起的滞后。纯滞后:介质的输送由于有一段距离需要一段时间纯滞后:介质的输送由于有一段距离需要一段时间 而引起的滞后。而引起的滞后。污水处理加药控制系统污水处理加药控制系统污水处
12、理混凝加药单回路控制污水处理混凝加药单回路控制系统系统溶液池溶液池混合池混合池反反应应池池沉淀池沉淀池污污水水图图 混凝加混凝加药单药单回路控制方案回路控制方案浊度浊度控制器控制器浊度计浊度计污水处理混凝加药污水处理混凝加药串级串级控制控制系统系统溶液池溶液池混合池混合池反反应应池池沉淀池沉淀池污污水水图图 混凝加混凝加药药串串级级控制方案控制方案FTFC浊度浊度控制器控制器浊度计浊度计串级控制系统的设计串级控制系统的设计n主、副被控变量主、副被控变量n主、副控制器主、副控制器n执行器执行器n主、副测量变送装置主、副测量变送装置n投运与参数整定投运与参数整定主被控变量的选择主被控变量的选择n主
13、被控变量(简称主变量)的选择与简单控制主被控变量(简称主变量)的选择与简单控制系统被控变量的选择原则相同。系统被控变量的选择原则相同。被被控控变变量量应应能能代代表表一一定定的的工工艺艺操操作作指指标标或或能能反反映映工艺操作工艺操作状态状态,一般是工艺过程中较,一般是工艺过程中较重要的变量重要的变量。被被控控变变量量在在工工艺艺操操作作过过程程中中经经常常要要受受到到一一些些干干扰扰影响而影响而变化变化。为维持其恒定,需要较频繁的调节。为维持其恒定,需要较频繁的调节。主被控变量的选择主被控变量的选择 尽尽量量采采用用直直接接指指标标作作为为被被控控变变量量。当当无无法法获获得得直直接接指指标
14、标信信号号,或或其其测测量量和和变变送送信信号号滞滞后后很很大大时时,可可选选择择与与直直接接指指标标有有单单值值对对应应关关系系的的间间接接指指标标作作为为被控变量。被控变量。被被控控变变量量应应能能被被测测量量出出来来,并并具具有有足足够够大大的的灵灵敏敏度。度。选选择择被被控控变变量量时时,必必须须考考虑虑工工艺艺合合理理性性和和国国内内仪仪表产品现状表产品现状。被控变量应是被控变量应是独立可控独立可控的。的。副被控变量的选择副被控变量的选择1、使副回路包含、使副回路包含主要扰动主要扰动,并包含尽可能多的扰动。,并包含尽可能多的扰动。主要扰动主要扰动:对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁:
15、对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁 的扰动。的扰动。扰动较多、扰动较多、难分主次难分主次:尽可能多的包含扰动。:尽可能多的包含扰动。2、副回路的时间常数要副回路的时间常数要合适,保证副回路的快速性,合适,保证副回路的快速性,避免发生避免发生“共振共振”。一般要求主、副回路的时间常数。一般要求主、副回路的时间常数之比为之比为310。副变量越副变量越靠近主变量靠近主变量,副回路,副回路包含包含的的扰动越多扰动越多,同时同时通道变长通道变长,滞后增加,滞后增加,控制速度变慢控制速度变慢;副变量越靠近操纵变量,副回路包含的扰动越少,副变量越靠近操纵变量,副回路包含的扰动越少,通道越短,控制速度越快。通
16、道越短,控制速度越快。副被控变量的选择副被控变量的选择3、要求要求副变量的变化对主变量影响作用明显副变量的变化对主变量影响作用明显,主、,主、副变量要有一定的内在联系。副变量要有一定的内在联系。a、与主变量有一定关系的中间变量、与主变量有一定关系的中间变量 b、选操纵变量作为副变量、选操纵变量作为副变量副被控变量的选择副被控变量的选择4、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对主变量影响小。主变量影响小。5、副回路尽量少包含或不包含纯滞后。、副回路尽量少包含或不包含纯滞后。6、考虑工艺合理性和经济性。、考虑工艺合理性和经济性。串级系统副参数的选择分析串级系
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