23第六章1-串级控制系统教程文件.ppt

课程目录 前言第1章 化工过程控制导论第2章 被控对象的动态特性第3章 拉普拉斯变换、传递函数与系统的时域分析第4章 基本控制规律及其对动态过 程的影响第5章 单回路控制系统 第6章 复杂控制系统第7章 先进控制系统 序 前面我们们介绍绍了单单回路控制系统统，单单回路控制系统统基本上可满满足大量（70%到 80%）定值值控制的要求在对对象： 1.纯纯滞后不大； 2.容积积滞后不大（阶阶数不多）； 3.无严严重的非线线性因素； 4.干扰扰不是太多太复杂杂； 的情况下，采用单单回路控制系统统一般可以达到很好的控制效果 但对对某些比较较复杂杂的被控对对象，它们们不完全具备备以上四个 条件，或者在调节质调节质 量要求较较高的场场合，单单回路控制系统统就无 能为为力了这时这时 ，必须须借助于较较复杂杂的控制系统统我们们将除单单 回路控制系统统之外的常规规控制系统统，统统称为为复杂杂控制系统统 一般的复杂杂控制（多回路）系统统包括： 串级级控制系统统 前馈馈控制系统统 比值值控制系统统 均匀控制系统统 选择选择 性控制系统统 分程控制系统统 阀阀位控制系统统先进进控制系统统 具有大纯纯滞后过过程的控制系统统 模型预测预测 控制 自适应应、鲁鲁棒与推断控制 非线线性过过程控制 智能控制（模糊控制、神经经网络络控制、专专家系统统） 监监督控制 Cascade Control System本章的主要内容6.1.1 基本原理和结结构 一、举举例说说明串级级控制系统统的概念 二、方块图块图 及常用名词词6.1.2 串级级控制系统统分析 一、串级级控制系统统的特点 二、串级级控制系统统的适用场场合6.1.3 串级级控制系统设计统设计 一、副变变量的选择选择 二、主副控制器的选择选择 三、主副控制器正反作用的确定 四、系统统的投运和参数整定 例1、单单容水箱液位高度的控制扰动来自两个方面：入水口流量和出水口负荷流量。

当入水口流量为主要扰动时可采用串级控制系统其中流量控制回路主要用于克服入口流量的扰动液位控制回路主要用于克服所有扰动以达到控制液位的高度的目的例2 加热热炉出口 温度控制系统统扰动来自三方面：原料油入口温度和流量d1、 管壁的结垢程度与导热状况d2、 炉膛压力，燃油热值变化d3等 对象可控因素有两类：燃料气压力和流量、 炉膛压力和温度可组成串级系统如图例3 一个用泵泵抽送的化学反应应器的串级级控制系统统例4 精馏馏塔蒸汽流量和提馏馏段温度控制系统统操作变变量为为蒸汽流量主要扰动为扰动为 ： 蒸汽控制阀阀的阀阀前压压力（蒸汽回路的主要扰动扰动 ）、进进料量变变化（温度回路的主要扰动扰动 ）提馏馏段温度与蒸汽流量串级级控制系统统方块图块图下图图所示的是串级级控制系统统的方块图块图 ，主调节器副调节器调节阀副对象主对象副测量变送器主测量变送器+-+Red1d2y二、 方块图块图 及常用名词词 定义义：两个调节调节 器串联联工作，主调节调节 器的输输出作为为副调节调节 器 的给给定值值，副调节调节 器操纵阀门动纵阀门动 作的系统结统结 构称为为串级级 控制系统统 两大特点：主调节调节 器的输输出作为为副调节调节 器的给给定值值； 两个控制回路为为嵌套关系。

串级级系统统于是有： 两个对对象， 两个测测量变变送， 两个调节调节 器， 一个 阀门阀门 常用名词词介绍绍 主调节调节 器：按主参数与给给定值值的偏差工作，其输输出为为副调调 节节器的设设定，在系统统中起主导导作用 副控制器：按副参数与主调节调节 器的输输出之偏差工作，其输输 出直接操纵阀门纵阀门 主参数：生产过产过 程要求控制的工艺艺参数，如 y 副参数：为为了稳稳定主参数或因某种需要而引入的 辅辅助参数 主回路：框图图中的外环环称为为主环环或主回路 副回路：框图图中的内环环称为为副环环或副回路 主对对象：主回路所包含的对对象称为为主对对象 副对对象：副回路所包含的对对象称为为副对对象 主变变送器：测测量和转换转换 主参数的变变送器称为为 主变变送器 副变变送器：测测量和转换转换 副参数的变变送器称为为 副变变送器 一次干扰扰：被主回路所包含的干扰扰称为为一次干扰扰 二次干扰扰：被副回路所包含的干扰扰称为为二次干扰扰例1 加热热炉出口温度与燃料油（气）压压力串级级控制系统统6.1.2 串级级控制系统统分析例2 一个加热热原料油的加热热炉，出口温度与燃料油（气） 流量的串级级控制系统统 TT TC FC FT主变送器副变送器主控制器副控制器燃料工艺物料流 方案一：可构成如图图所示的单单回路控制系统统 对对象的调节调节 通道包括：炉膛，管壁和被加热热物料。

干扰扰因素包括： 被加热热介质质流量，温度等； 管壁的结结垢程度与导热导热 状况； 炉膛压压力，燃油压压力与燃油热值热值 出口温度炉膛测量变送被加热物料f1y管壁f3f2壁温炉温燃料油量调节器调节阀f1f3f2 矛盾（存在问题问题 ）：调节调节 通道 与 T 都大，显显然，系统统 调节调节 通道长长，时间时间 常数大，调节调节 作用不及时时，抗干扰扰能力差， 影响到控制精度而出口温度又要求较较高，难难以满满足要求 方案二：将较长较长 的对对象分为为主副两段对对象，采用分段控制构 成串级级系统统主调节器副测量变送器主测量变送器+-副调节器调节阀+-副对象炉温壁温炉膛3f出口温度被加热物料y1f主对象2f管壁燃料油量 1、 由于副环环的存在，对对于进进入副环环的干扰扰 （二次扰动扰动 ）具有较较强的抑制能力； 设设副对对象的传递传递 函数为为 ，采用比例控制， 放大倍数为为 一、串级级控制系统统的特点K2T s +12Kc2例1串级级控制系统统从总总体上看，仍然是一个定值值系统统因此，主变变量在扰动扰动 作用下的过过渡过过程和单单回路具有相同的品质质指标标但是，由于在结结构上，从对对象中引出了中间变间变 量（即副变变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。

传递传递 函数为为： Km2D2YKvK2T2s +1Kc22 采用了串级级控制以后，当二次干扰扰D2从控制（调节调节 通道）的 输输入端进进入副回路后，首先影响副参数，于是副回路立即动动作 与原来副对对象的传递传递 函数相比 ，T与 K 分别别减小到原来的 倍在受到同样样干扰扰的条件下， Y 所受的影响要小得多，因而使 Y 所受的影响也小得多 2. 改善了整个对对象的动态动态 特性（使 T与 K 都缩缩小）； 显显而易见见，串级级系统统用一个闭闭合的副回路代替了原来一部 分对对象（广义对义对 象，包括阀门阀门 ），与另一部分对对象串联联所以，整个对对象特性 T 与 K 也分别别减小 211+K K K K vm22c21由于副环环的存在，改善了对对象特性，提高了工作频频率 Km2KvKc2T 1s +1Y2Y1K12KT s +12Kc1Km1C1对对整个系统统求传递传递 函数，由已知串级级特征公式：1 + k = 0与标标准二阶阶系统统相比串级级工作频频率 再看相应应的单单回路系统统，由已知串级级特征公式：1 + k = 0所以，单单回路工作频频率KvT s +11YK12KT s +12Kc1Km1 要想得到相同的衰减比，则则： = 所以，因为为：所以 ，即 。

同样样的衰减比，而工作频频率高，意味着调节调节 周期短，对对象特性被改善3. 加快了副环环的响应应速度，提高了系统统的工作频频率 通常情况下，副对对象是单单容或双容对对象因此，副调节调节 器的增益 可以取得很大，这样这样 等效时间时间 常数可以减小，从而加快了副环环的响应应 速度，提高系统统的工作频频率4. 副回路的随动动特性使串级级系统统具有一定的自适应应能力 主回路 定值值系统统 副回路 随动动系统统 主调节调节 器按负负荷和操作条件的变变化不断地纠纠正副调节调节 器的给给定值值，使副调节调节器的给给定值值适应负应负 荷的变变化如果对对象有较较大的非线线性存在，把这这部分包含到副回路中去，则则当负负荷或操作条件变变化时时，必然使副回路的工作点移动动而影响副回路的稳稳定裕度，即影响副回路的衰减率但在串级级系统统中，副回路衰减率的变变化对对整个系统统的稳稳定性影响很小，所以从这这个意义义上说说，串级级系统统能适应应不同负负荷变变化和操作条件的改变变 克服进入内环的扰动D2串级和单回路比较克服进入外环的扰动D1的情况二、 串级级控制系统统的适用场场合1、过过程纯纯滞后比较较大，单单回路不能满满足调节质调节质 量。

2、过过程容积积滞后较较大，用单单回路时过时过 渡过过程时间时间 太长长，调节质调节质 量差3、系统统中进进入激烈且幅值较值较 大的干扰扰，单单回路抗干扰扰能力不足4、对对象具有较较大的非线线性特性，且负负荷变变化较较大5、操作变变量或调节阀调节阀 具有较较大的非线线性特性6.1.3 串级级控制系统设计统设计一、主、副变变量的选择选择 1、副变变量的选择选择 从对对象中能引出中间变间变 量是设计设计 串级级系统统的前提条件 当可有多个中间变间变 量时时，一般选择选择 ： （1）、将主要扰动扰动 或更多的扰动扰动 包括在副回路中 （2）、副对对象的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应应性能 （3）、将对对象中具有显显著非线线性或时变时变 特性的一部分归归于副对对象中 （4）、需要流量实现实现 精确的跟踪时时，可选选流量为为副变变量 2、主副对对象时间时间 常数要错错开 避免由于主、副回路工作频频率相近而产产生共振 一般应应使 T主 3 5 T副二、 主、副调节调节 器控制规规律的选择选择 ： 主调节调节 器的控制规规律与单单回路时选择时选择 相同，P、I、D 副调节调节 器的控制规规律一般选选用纯纯比例 控制。

且K大（小）以加强对对干扰扰的抑制三、 主、副调节调节 器正、反作选择选择 保证闭环负证闭环负 反馈馈四、 系统统投运和参数整定 1、 两步法：先副环环、后主环环 （用衰减曲线线法求 1s、 2s） a. 将主调节调节 器 100%，Ti = ，Td = 0 ； 用衰减曲线线法整定副回路，求出副回路的 比例度 2s 和工作周期T2s b. 把副回路看成是主回路的一个环节环节 ，用衰减曲线线法整定主环环 求出主回路的比例度 1s 和工作周期T1s c. 根据 1s、 2s 和T1s、 T2s的数据按书书中110页页 表53、表54分别别求出调节调节 器的整定参数 先投运主环环，再投运副环环 2、一步法 将串级级系统统看成是两个控制器串联联的单单回路系统统总总的K为为 K = Kc1 Kc2 ，按表61（书书第131页页）先选选定Kc2，然后与整定 单单回路一样样整定主调节调节 参数，3、逐步逼近法 先副环环，后主环环，逐步逼近所需数值值 第一步：断开主环环，按单单回路方法整定副控制器参数； 第二步：闭闭合主环环，把副环环看成是主环环等效对对象的一部分 按单单回路整定主控制器参数； 第三步：再副 主 副 主， 如此往复，直到满满意为为止。

习题 试设计反应釜温度和夹套水温的串级控制系统。