串级控制系统 戴连奎 浙江大学控制系 2015/04/08

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 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）炉膛温度 ↑→ 工艺介质炉出口温度 T ↑→（借助于测量反馈控制） CO↓ 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？

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。 (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，TC 23 被称为“主控制器”，而 FC 13 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 常见的串级回路： 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 方案 #1 方案 #2 讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰?

串级控制器类型选择 副控制器（也称内回路控制器）通常采用PI控制律 主控制器通常选用PID控制律（液位串级控制除外） 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

被控过程仿真模型的建立 线性与非线性动态模型的描述方法

炉出口温度单回路控制系统

动态模型参数确定 初始条件 测量仪表量程（即测量范围） 动态参数 Kgas = 0.4，u0 = 60 %，Pgas0= 0.25 MPa，Fgas0 = 12 T/hr，T0 = 300 ℃，Ti0= 120 ℃ 测量仪表量程（即测量范围） 燃料气流量：0 ~ 40 T/hr， 工艺介质炉出口温度：200 ~ 400 ℃ 动态参数 Tf1 = 2 min，K1 = 5，T1 = 10 min，τ1 = 5 min，K2 = 1，T2 = 1 min，Tm1 = 2 min，Tm2 = 0.2 min

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

详见下列SimuLink模型，并讨论参数整定问题 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

串级控制中的积分饱和现象 详见以下仿真举例 …/CasPidwithResetWindup.mdl

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 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 …/CasPidwithoutResetWindup.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

换热器出口温度 串级控制方案比较 方案 #2 方案 #1 方案 #3

小 结 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 小 结 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 串级控制中的积分饱和现象及其防止

问题讨论 串级控制系统在过程工业中获得了广泛应用，原因何在？ 何时我们可采用串级控制方案? 串级控制系统中的副参数如何选择？ 串级控制参数如何整定？ 串级控制中也存在积分饱和现象，原因分析，并提出防止措施。 串级控制与单回路控制、前馈反馈控制有何异同?