1、串级控制系统,戴连奎浙江大学控制学院 2017/03/23,单回路控制问题讨论,如何评价一个控制系统的品质（定性与定量）？对于一般的PID控制器，如何通过改变控制参数使其成为PI或P控制器？对于常见的被控过程，为什么采用P控制器会产生余差而采用PI控制器能消除余差？为什么PID控制器中的微分作用在实际过程中使用的不多？对于某一特性未知的被控过程，如何整定PID控制器参数？,PID控制回路稳态分析,（1）该被控过程是否为稳定对象？（2）对于外部干扰，该控制系统为什么采用P控制器会产生余差而采用PI控制器能消除余差？,PID参数的离线整定法,步骤 1：将控制器从“自动”模式切换至“手动”模式（此时
2、控制器输出完全由人工控制），人为以阶跃方式增大或减少控制器输出，并记录控制器相关的输入输出动态响应数据。步骤 2：由阶跃响应数据估计特性参数 K, T,。步骤 3：按经验公式设定 PID参数 Kc、Ti、Td，并将控制器切换至“自动”模式。步骤 4：根据系统闭环响应情况，增大或减少控制器增益Kc直至满意为止。,离线整定仿真举例步骤 1：阶跃响应测试,详见 ./PIDControl/PIDLoop.mdl,步骤 2：获取过程参数,步骤 3：获取初始PID参数(Lambda 整定法),注意：上述整定规则不受/T 取值的限制,炉出口温度单回路控制仿真,详见SimuLink模型 /CascadePID
3、/SinglePid_Furnace.mdl,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,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）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
4、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
5、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,副参数
6、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
7、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,炉出口温度单回路控制仿真,详见SimuLink模型 /C
8、ascadePID/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,课堂讨论：换热器出口温度不同串级控制方案比较,方案 #1,方案 #2,方案 #3,单回路PID控制讨论,广义对象动态特性的阶跃响应测试法控制阀的气开/气关、PID控制器的正反作用的选择PID控制器类型的选择PID控制参数的离线整定法与在线整定法流量控制回路的特殊性与控制参数整定液位均匀控制回路的目标与参数整定,串级控制问题讨论（1）,1. “串级控制”的含义，引入串级控制的意义与成本？2. 何时我们可采用串级控制方案 ? 3. 串级控制系统副参数如何选择？,如何减少 Pgas变化对炉出口温度的影响 ?,串级控制问题讨论（2）,4. 串级控制参数如何整定？5. 串级控制存在积分饱和的原因分析，如何防止？6. 串级控制与单回路控制、前馈控制有何异同 ?,
