过程控制：串级控制系统课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,学习任务,5,串级控制系统控制器参数的整定,教师：孙慧峰,二九年十月,学习任务5串级控制系统控制器参数的整定教师：孙慧峰二九,教学组织与安排,一、任务下达（,5,分钟）,二、提问,（,10,分钟）,1,、查线，并画出该系统的组成框图,2,、该系统与你学过的单容水箱液位定值控制系统有何不同？多出哪些扰动因素？,二、任务导入（,10,分钟）,通过演示操作，由存在的问题导入新课,三、相关知识讲解（,20,分钟）,四、任务实施,（,90,分钟）,1,、组建串级控制系统,2,、控制器参数整定,3,、系统投运,五、成果分享与评价（,45,分钟）,教学组织与安排一、任务下达（5分钟）,一、下达任务,学习任务：,串级控制系统控制器参数的整定,工艺要求：,以中水箱液位为主控制量，上水箱液位为副控制量，中水箱液位稳定在给定值。,液位串级控制系统示意图,LC1,LT1,LC2,LT2,电动调节阀,F1-1,F1-6,F1-9,F1-10,储水池,上水箱,中水箱,磁力泵,给定值,一、下达任务学习任务：液位串级控制系统示意图LC1LT1LC,1,、串级控制系统的结构与特点,2,、串级控制系统控制器参数的整定与投运方法,3,、阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响,二、本次课要点,1、串级控制系统的结构与特点二、本次课要点,一、任务导入,一、任务导入,三、任务导入,液位定值控制系统实例,双容液位,定值控制系统,LT1,LT2,电动调节阀,F1-1,F1-6,F1-9,F1-10,储水池,上水箱,中水箱,磁力泵,LC1,给定值,主要扰动,f,1,（,t,）：,F1-10,开度变化,f,2,（,t,）：,F1-9,开度变化,f,3,（,t,）：,F1-6,开度变化,缺点：,克服扰动的能力较差,示意图,方框图,LC,1,电动调节阀,上水箱,中水箱,LT,2,h,2,(t),h,1,(t),给定,f,2,(t),f,3,(t),f,1,(t),_,三、任务导入液位定值控制系统实例双容液位LT1LT2电动,LT1,LC2,LT2,电动调节阀,F1-1,F1-6,F1-9,F1-10,储水池,上水箱,中水箱,磁力泵,缺点：,扰动,f,l,(t),未包括在系统内。,三、任务导入,液位定值控制系统实例,上水箱液位,定值控制系统,示意图,方框图,LC,2,电动调节阀,上水箱,中水箱,LT,1,h,2,(t),h,1,(t),给定,f,2,(t),f,3,(t),f,1,(t),_,LT1LC2LT2电动调节阀F1-1F1-6F1-9F1-1,LT1,LC2,LT2,电动调节阀,F1-1,F1-6,F1-9,F1-10,储水池,上水箱,中水箱,磁力泵,LC1,给定值,特点：,克服扰动的能力强,三、任务导入,液位定值控制系统实例,上水箱液位与,中水箱液位,串级,控制系统,示意图,方框图,f,1,(t),LC,2,电动调节阀,上水箱,中水箱,LT,1,h,2,(t),h,1,(t),f,2,(t),f,3,(t),_,给定,_,LT,2,LC,1,LT1LC2LT2电动调节阀F1-1F1-6F1-9F1-1,副,被,控变量,主,被,控变量,1,、串级控制系统组成及特点,四、相关知识,主控制回路,副控制回路,串级控制系统的组成,P,控制规律,PI,或,PID,控制规律,副,控制器,操纵阀,副,被控对象,副测量变送器,x,2,y,2,f,2,(t),-,主,控制器,主,被控对象,主测量变送器,x,1,y,1,f,1,(t),-,q,二次,扰动,一次,扰动,y,2,选择：,主要扰动作用在副对象上,主、副对象的时间常数不能太接近,副主1、串级控制系统组成及特点四、相关知识主控制回路副控制回,2,、串级控制系统的特点,（,1,）具有较强的抗扰动能力,（,2,）改善了对象特性，提高了工作频率,当主、副对象特性一定时，副控制器放大倍数越大，串级系统的工作频率提高得越明显。,（,3,）串级系统具有一定的自适应能力,副环是一个随动系统。,结论：当系统容量滞后比较大或含有非线性对象时，如果采用单回路控制达不到质量要求，可以考虑采用串级控制。,但所需的仪表多，投运和整定相应地也要复杂一些。,四、相关知识,2、串级控制系统的特点四、相关知识,3,、串级控制系统工业应用,(1),用于克服被控对象较大的容量滞后,(2),用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动,将变化剧烈而且幅度大的扰动包括在串级系统副回路之中。,(3),用于克服被控过程的非线性,当负荷变化时，对象特性会发生变化，引起工作点的移动。,在设计和应用串级控制系统时要注意：副回路时间常数不宜过小，以防止包括的扰动太少，但也不宜过大，以防止产生共振。,四、相关知识,3、串级控制系统工业应用四、相关知识,4,、串级控制系统的设计,（,1,）主、副被控变量的选择,保证副被控变量是操纵变量到主被控变量这个控制通道中的一个适当的中间变量。,副被控变量的选择还要考虑以下几个因素。,使主要扰动作用在副对象上。,使副对象包含适当多的扰动,。,主、副对象的时间常数不能太接近。,否则将失去设置副回路的意义，同时系统可能出现“共振”。,通常使副对象的时间常数明显小于主对象的时间常数。原则上，主、副对象时间常数之比应在,3-10,范围内。,四、相关知识,4、串级控制系统的设计 四、相关知识,4,、串级控制系统的设计,(2),主、副控制器控制规律的选择,主控制器应选,PI,或,PID,控制规律。,副控制器只要选,P,控制规律即可,。一般不引人积分控制规律，否则会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。,但是，,若副被控变量流量参数，,比例度必须选得较大，以,保持系统稳定,，,比例控制作用偏弱，,为此采用,PI,控制规律，,以增强控制作用。副控制器一般也不引人微分控制规律，否则会使控制阀动作过大，对控制不利。,四、相关知识,4、串级控制系统的设计 四、相关知识,4,、串级控制系统的设计,(3),主、副控制器正、反作用的选择,选择顺序：先副后主。,副环内所有各环节放大系数符号的乘积应为“负”。,主环内，,整个副回路可视为一个放大系数为“正”的环节看待。主控制器的正、反作用与主对象的放大系数符号相反。,K,C2,K,V,K,O2,K,m2,x,2,y,2,-,K,C1,K,O1,K,m1,x,1,y,1,-,K,f,串级控制系统静态结构图,四、相关知识,4、串级控制系统的设计 KC2KVKO2Km2x2y2-KC,4,、串级控制系统的设计,(3),主、副控制器正、反作用的选择,例,1,：图,5-10,所示的加热炉出口温度与燃料油（或燃料气）压力串级控制系统，试确定主、副控制器正、反作用,四、相关知识,4、串级控制系统的设计 四、相关知识,5,、串级控制系统的控制器参数整定,整定方法：,一步整定法和两步整定法,四、相关知识,整定主控制器参数,参照表,5-2,设置副控制器比例度,一步整定法步骤,加大主控制器或减小副控制器的参数整定值消除“共振”,将,1,从大到小进行整定,得,4:1,衰减时的,1s,、,T,1s,按表,4-4,整定得,1,、,T,i1,、,T,d1,看曲线调参数至,4:1,衰减曲线,副变量类型,温度,压力,流量,液位,比例度,%,2060,3070,4080,2080,控制器参数,控制规律,/%,Ti/min,Td/min,P,s,PI,1.2,s,0.5T,s,PID,0.8,s,0.3T,s,0.1T,s,表,4-4 4:1,衰减曲线法整定计算公式,表,5-2,副控制器比例度经验值,5、串级控制系统的控制器参数整定四、相关知识整定主控制,技术要求：,1,、,中水箱的液位为主控制量，上水箱的液位为副控制量，中水箱液位稳定在给定值,构成串级控制系统。,2,、采用一步整定法整定控制器参数。,（,1,）画出系统的方框图。,（,2,）求出输出响应呈,4,：,1,衰减时,LC1,的参数。,（,4,）观察并分析,LC2,的,大小对系统动态性能的影响。,（,5,）观察并分析,LC1,的,和,Ti,改变对系统动态性能的影响。,五、操作训练（实训）,液位串级控制系统示意图,LC1,LT1,LC2,LT2,电动调节阀,F1-1,F1-6,F1-9,F1-10,储水池,上水箱,中水箱,磁力泵,给定值,技术要求：五、操作训练（实训）液位串级控制系统示意图LC1L,六、课后思考,问题：,1,、试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量是否仍很小，为什么？,2,、为什么本实验中的副调节器为比例（,P,）调节器？,3,、改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰性能有何影响，试从理论上给予说明。,4,、评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？,六、课后思考问题：,习题讲解,【,例,5-1】,某聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发生事故，为此采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高，且冷却水压力、温度波动较大，故设置控制系统如图,5-30,所示。,这是什么类型的控制系统？试画出其方块图，说明其主变量和副变量是什么。,选择控制阀的气开、气关形式。,选择控制器的正、反作用。,选择主、副控制器的控制规律。,如主要干扰是冷却水的温度波动，试简述其控制过程。,如主要干扰是冷却水的压力波动，试简述其控制过程，并说明这时可如何改进控制方案，以提高控制质量。,习题讲解【例5-1】某聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发,习题讲解,【,例题,5-2】,某干燥器的流程如图,5-32,所示。干燥器采用夹套加热和真空抽吸并行的方式来干燥物料。夹套内通入的是经列管式加热器加热后的热水，而加热器采用的是饱和蒸汽。为了提高干燥速度，应有较高的干燥温度,但,过高会使物料的物性发生变化，这是不允许的，因此要求对干燥温度,进行严格控制。,如果蒸汽压力波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制阀的气开、气关形式与控制器的正、反作用。,如果冷水流量波动是主要干扰，应采用何种控制方案？为什么？试确定这时控制器的正、反作用和控制阀的气开、气关形式。,如果冷水流量与蒸汽压力都经常波动，应采用何种控制方案？为什么？试画出这时的控制流程图，确定控制器的正、反作用。,习题讲解【例题5-2】某干燥器的流程如图5-32所示。干燥器,三、任务导入,液位定值控制系统实例,【5-15】,精馏塔温度一流量串级控制系统。工艺要求塔内温度稳定在,T,士,1,；一旦发生重大事故应立即关闭蒸汽供应。,画出控制系统组成的框图。,选择控制阀的流量特性及确定气开、气关形式,选择主、副控制器的控制规律及确定其正、反作用方式。,三、任务导入液位定值控制系统实例【5-15】精馏塔温度一,三、任务导入,液位定值控制系统实例,【5-16】,反应釜内进行的是放热化学反应，釜内温度过高会发生事故，因此采用反应釜夹套中的冷却水来进行冷却，以带走反应过程中所产生的热量。由于工艺对该反应过程温度控制精度要求很高，单回路控制满足不了要求，需采用串级控制。试问,当冷却水压力波动是次要干扰时，应怎样组成串级控制系统？画出控制流程图和系统框图。,当冷却水人口温度波动是主要干扰时，应怎样组成申级控制系统？画出控制流程图和系统框图。,对上述两种不同控制方案，选择确定控制阀的开闭形式及主、副控制器的正、反作用。,三、任务导入液位定值控制系统实例【5-16】反应釜内进,三、任务导入,液位定值控制系统实例,【5-20】,对于图,5-40,所示的加热器串级控制系统。,画出该控制系统的方块图，并说明主变量、副变量分别是什么。主控制器、副控制器分别是什么。,若工艺要求加热器温度不能过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关形式。,确定主、副控制器的正、反作用。,当蒸汽压力突然增加时，简述该控制系统的控制过程。,当冷物料流量突然加大时，简述该控制系统的控制过程。,三、任务导入液位定值控