复杂控制系统的投运与参数整定
化工自动化及仪表第八章复杂控制系统 第一节串级控制系统
图8-4 加热炉温度串级控制系统方块图
图8-5
副回路（副控制系统）
串级
控制 系统 组成 原理 及术
主设 定值
主控 制器
副设 定值
副控 制器
干扰
操纵
变量
副被控
变量
执行器 副对象
-
-
副测量值
副测量、变送
语
主测量值
主测量、变送
(1) 组成原理
①将原被控对象分解为两个串联的被控对象。
干扰 主对象
主被控 变量
TC
TT
PC
PT
燃料油 气开阀
被加热原料
T 出口温度
解答：
(1)阀的气开、气关特性
依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于 全关闭状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀
TC燃料油 气开阀
被加热原料
T 出口温度
(2)控制器的正、反作用
副控 制器
因为：P ys e
P 燃料量 阀开度 u
根据系统的结构和所担负的任务来分：串级、均
匀、比值、分程、选择性、前馈、多冲量等
本章研究内容：
8.1 串级控制系统 8.2 均匀控制系统 8.3 比值控制系统 8.4 分程控制系统 8.6 前馈控制系统
8.1 串级控制系统
复杂控制系统中用的最多的一种。
适用场合：当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、
频繁，采用简单控制质量较差，或要求被控变量 的误差范围很小，简单控制系统不能工艺满足要 求。
人们研究出了一种不需要增加太多的仪表就可以 使被控变量达到较高的控制精度的方法——串级控制 系统。
串级控制系统的思想：
把时间常数较大的被控对象分解为两 个时间常数较小的被控对象。
PID控制器及PID参数整定
PID控制器及PID参数整定PID控制器由三个部分组成，即比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative），分别对应PID三个参数中的KP、KI和KD。
这三个参数反映了控制器在不同情况下对误差的处理方式。
比例参数(KP)控制着输出与误差的线性关系，较大的KP会使得输出更快地接近设定值，但过大的KP会导致系统振荡甚至失稳。
积分参数(KI)用于积累误差，使得一个长时间内的小误差能够得到补偿，从而提高系统的稳定性。
但过大的KI会导致系统响应过慢甚至不稳定。
微分参数(KD)用于补偿误差的变化率，即控制系统的速度。
增大KD 可以增强系统对误差的敏感性，但过大的KD会使控制器对噪声和干扰过于敏感。
PID参数的整定是指通过实验或者理论分析的方法得到合理的PID参数值，以使得控制器具有良好的控制性能。
常见的PID参数整定方法有经验法、曲线拟合法、试控法和优化法等。
经验法是基于经验的调参方法，通过工程师的经验和直觉来选择合适的PID参数，对于简单的系统比较有效。
但对于复杂的系统来说，经验法的效果有限。
曲线拟合法是通过对系统的单位步输入响应数据进行拟合，得到合适的PID参数。
这种方法需要对系统进行一系列的实验，得到的PID参数相对准确，但工作量较大。
试控法是通过模拟DCS，人工进行PID参数调试，通过改变参数值和观察控制效果的变化，逐步找到最优的PID参数。
优化法是利用数学优化算法来寻找最优的PID参数。
这种方法可以通过数学模型对系统进行建模，然后通过算法来寻找使得系统误差最小的PID参数值。
总之，PID控制器是一种简单而又广泛应用的控制方法，通过合理调整PID参数可以实现控制器对不同系统的适应性。
PID参数整定的方法多种多样，需要根据具体的控制系统进行选择，以达到理想的控制效果。
串级调节系统
实验串级调节系统一、实验目的1、熟悉串级调节系统的组成，结构。
2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。
3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。
二、实验原理串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。
在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。
由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。
1、串级控制系统的结构图1 串级控制系统结构如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。
2、串级控制系统的名词术语：（1）、主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。
（2）、副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。
（3）、主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。
（4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分，其输出控制主控参数。
（5）、主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。
（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。
（7）、副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。
（8）、主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。
（9）、一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
（10）、二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。
3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点：串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。
它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统的结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：（1）、改善了过程的动态特性串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。
pid参数整定法
pid参数整定法
PID参数整定法是一种用于调节控制系统PID控制器参数的方法。
PID控制器是一种广泛应用于自动控制系统中的控制器，它可以根据系统反馈信号对控制对象进行控制，以达到期望的输出效果。
PID控制器的三个参数分别为比例系数（P）、积分系数（I）和微分系数（D），它们的设置对控制系统的稳定性、响应速度和抗干扰性等方面都有很大影响。
PID参数整定法的目的是为了使得控制系统的响应速度和稳定性达到最佳状态。
常见的PID参数整定方法有基于试验的经典方法和基于数学模型的自适应方法等。
经典方法包括根轨迹法、频域法、步跃响应法等，其中步跃响应法是最为简单易行的一种方法，可以通过对控制系统进行一段时间的实际控制，再结合分析实验数据来进行参数整定，具有较好的实用性。
PID参数整定法虽然可以提高控制系统的性能，但是也存在一些问题，如参数整定不当会导致系统不稳定，需要在实际应用中进行反复调试和优化。
因此，对于复杂的控制系统，还需要进行更为深入的研究和分析，以求达到最佳的控制效果。
- 1 -。
PID自动控制系统参数整定实验报告
T13. PID自动控制系统参数整定（化工仪表与自动化，指导教师：卢红梅）实验一：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验二：上水箱液位PID整定实验一、实验目的1）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
2）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
3）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
4）、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。
5）、分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。
6）、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。
二、实验设备THKJ100-1型过程控制实验装置配置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、实验连接线。
型参数为串联釜数N三、实验原理实验一原理：阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过控制器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。
同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
实验二原理：图13.1单回路上水箱液位控制系统图13.1为单回路上水箱液位控制系统，单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。
根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。
当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。
一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。
dcs实验指导书
（1）本实验过程中，右上水箱出水阀不得任意改变开度大小。
（2）阶跃信号不能取得太大，以免影响正常运行；但也不能过小，以防止因读数误差和其他随机干扰影响对象特性参数的精确度。一般阶跃信号取正常输入信号的5%~15%。
(3)在输入阶跃信号前，过程必须处于平衡状态。
八、思考题
（1）在做本实验时，为什么不能任意变化右上水箱出水阀的开度大小？
SP314
0
0
模拟量输入通道（1~5V）
AI0
1号左上水箱液位信号
SP314
0
1
模拟量输入通道（1~5V）
AI1
1号右上水箱液位信号
SP314
0
2
模拟量输入通道（1~5V）
AI2
1号左下水箱液位信号
SP314
0
3
模拟量输入通道（1~5V）
AI3
1号右下水箱液位信号
SP314
1
0
模拟量输入通道（1~5V）
式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q1的阶跃变化量为R0，其拉氏变换式为Q1（S）=RO/S，RO为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：
当t=T时，则有：
图解法是确定模型参数的一种实用方法。不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
如图1-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得：
在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：
第四章 串级控制系统
（3）烟囱抽力变化f3(t)；
（4）配用、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t). 缺陷：由于对象内部燃料油要经管道传输、燃烧、传热等一系列环节，总滞后较大 （15min），导致控制作用不及时，另燃料油压力变化较大且频繁，致使偏差较大。 东北大学
' K02 K02
K C 2 KV K 02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
' T02
T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
由于Km2>1，有:
' T02 T02
从以上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小，整个 系统中对象总的时间滞后近似地等于主对象的时间滞后，单回路控制系统对象总的时间 滞后要有所缩短，使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
FC
设 定 值 FT
2
蒸汽
凝液 塔底出料
进料 精 1馏 塔
TT
TC
FC
FT
最大偏差不超过 1.5 C
o
再 沸 器
2
蒸汽
凝液 塔底出料
东北大学
4.2串级控制系统的应用范围 4. 克服对象的非线性
工业过程存在非线性，负荷变化引起工作点的移动，通过调节阀的 特性补偿。由于受调节阀等各种条件的限制，仍存在较大非线性。 采用串级控制系统，能适应负荷和操作条件的变化，自动调节副调 节器的给定值，改变调节阀未知，使系统运行在新的工作点。
常用复杂控制系统之串级控制原理
先副回路， 后主回 路 情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度 升高
出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。
情况三：一次干扰和二次干扰同时
存在 主、副变量同向变化
主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化， 使得炉出口温度很快恢复到设定值。
偏差大，控制质量差。
方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）
流量检测 变送器
期望 流量
流量控 制器
存在的问题：
在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入 口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间 接控制系统无法将变化了的温度调回来；
管式加热炉出口温度的间接控制（2）
期望炉膛 温度
返回
Kc2 K 2 ( K c 2 K 2 1)
等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意
味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度
更快。
串级控制系统的设计
一、主变量的选择
与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映 生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求 的参数作为主变量。
Z1 ( s ) E1 ( s )
F1 ( s )
WV ( s )
-
X 2 (s) Wc1 ( s ) +
Z 2 (s)
E2 (s)
+
Wc 2 ( s )
-
+
Y (s) W02 ( s ) 2 +
+
W01 ( s )
Y1 ( s )
Wm 2 ( s )
Wm1 ( s )
输出对于输入的传递函数：
A3000过程控制实验指导 第四章
第四章串级控制系统实验第一节串级控制系统的连接实践一、串接控制系统的组成图4-1是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的设定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图4-1 串级控制系统的方框图R-主参数的给定值 C1-被控的主参数 C2-副参数f1(t)-作用在主对象上的扰动 f2(t)-作用在副对象上的扰动二、串级控制系统的特点1.改善了过程的动态特性由负反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快，动态性能得到改善。
2.能与时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，与时减小或消除扰动对主参数的影响。
基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的控制质量。
至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响，一般通过主回路的控制来消除。
3.提高了系统的鲁棒性由于副回路的存在，它对副对象（包括执行机构）特性变化的灵敏度降低，即系统的鲁棒性得到了提高。
具有一定的自适应能力串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动系统。
主调节器能按照负荷和操作条件的变化，不断地自动改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值能适应负荷和操作条件的变化。
三、串级控制系统的设计原则1.主、副回路的设计1)副回路不仅要包括生产过程中的主要扰动，而且应该尽可能包括更多的扰动信号。
2)主、副对象的时间常数要合理匹配，一般要求主、副对象时间常数的匹配能使主、副回路的工作频率之比大于3。
为此，要求主、副回路的时间常数之比应该在3～10之间。
过程控制考试复习资料(1)
过程控制工程复习资料一、填空题1．过程控制系统一般由控制器、执行器、被控过程或被控对象、测量变送器等环节组成。
2、调节阀按能源不同分为三类：气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀。
3、自动控制系统按工作原理可分为三类：反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统。
按给定值特点分类可分为三类：定值控制系统、随动控制系统、程序控制系统。
4、过程控制系统方案设计的基本要求是：安全、稳定、经济。
5、过程数学模型的求取方法有三种，分别是：机理法建模、系统辨别法建模、混合法（机理分析+系统辨别）建模。
6、理想流量特性有四类，分别是直线、对数、抛物线、快开。
7、定比值控制系统包括：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。
8、控制器参数整定法有：经验法、临界比例度法、衰减振荡法、响应曲线法。
9、根据实践经验的总结发现，除少数无自平衡的对象以外，大多数对象均可用一阶、二阶、一阶加纯滞后、二阶加纯滞后这四种典型的动态特性来加以近似描述。
为进一步简化，也可以将所有的对象的动态特性都简化为一阶加纯滞后的形式，用传递函数可以表示为：（）。
其中K表示对象的静态放大系数，T表示对象的时间常数，表示纯滞后时间。
10、调节器的比例度δ越大，则放大倍数Kc越小，比例调节作用就越弱，过渡过程曲线就越平稳，但余差也越大。
积分时间T i越小，则积分速度越大，积分特性曲线的斜率越大，积分作用越强，消除余差越快，微分时间T d越大，微分作用越强。
11、定值控制系统是按测量与给定偏差大小进行调节的，而前馈调节是按扰动量大小进行调节的；前者是闭环调节，后者是开环调节。
采用前馈-反馈调节的优点是利用前馈调节的及时性和反馈调节的静态准确性。
12、防止几分饱和有哪三种方法：限幅法、外反馈法、积分切除法。
13、测量变送器的要求：准确、快速、可靠。
14、在串级控制系统中，调节器参数的整定方法有：逐次逼近法、两步整定法、一步整定法。
二、选择题1、下列控制系统中，哪些是开环控制(C)，哪些是闭环控制（ABD）A、定值控制B、随动控制C、前馈控制D、程序控制2、对某PI控制系统，为了防止积分饱和，采取下列措施，问哪一条是不起作用的（D）C、采用高低阻幅器 B、采用调节器外部积分反馈法C、采用PI-P调节器D、采用PI-D调节器3、如果甲乙两个广义调节对象的动态特性完全相同（如均为二阶对象），甲采用PI作用调节器，乙采用P作用调节器。