第五章 串级控制系统

干扰通道----干扰变量对被控变量影响的通道。
在生产过程中可能有几个控制变量可选择，通 过分析不同的控制通道和不同的扰动通道对控 制质量的影响给出合理的选择。
操纵变量的选择要考虑对象特性对控制系统的 影响。
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1.放大系数对控制质量的影响
D( s )
R( s)
Gd ( s)
U ( s)
G0 ( s)
第五章 串级控制系统
5.1 单回路控制系统
单回路控制系统：简单控制系统。过
程控制系统中占有相当大的比例。其结构 简单，设计方案的选择及参数整定等对复 杂系统均有见解。
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简单控制系统（单回路控制系统）
一个被控对象，一个测量变送器，一个控 制器和一个执行机构（控制阀）组成的闭环 控制系统。
干扰D 设定值 偏差 被控变量
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操纵变量的选择：
从诸多影响被控变量的输入参数中，选择一
个对被控变量影响显著而且可控性能良好的
输入参数作为操纵变量，而其它未被选中的
所有输入量看作系统的干扰，通过改变操纵 变量去克服干扰的影响。
根据过程干扰因素的来源和大小，以被控过
程特性参数对控制质量的影响为依据，正确选 择操纵变量。
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被控对象的特性可由两条通道来描述： 控制通道----操纵变量对被控变量影响的通道；
控制器
控制阀
对象
检测变送
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被控变量的选择：
1）选择能直接反映过程产品和质量又易于测
量的参数作为被控变量——直接参数法；
2）选择那些间接反映产品产量和质量又与直
接参数有单值对应关系，易于测量的参数作
为被控变量——间接参数法。
例如：化工生产中精馏塔把混合物分离为较纯组分的产品，系统的要求就是 产品达到规定的纯度，塔顶出物的浓度最能直接反映过程的要求，准确检测？ 及时测量？可用塔顶的温度间接作为被控变量。
c s o
D ( s ) 1 / s, 则ess
K d 1 Kc Ko
lim sE(s) lim s 1 G (s)G (s) D(s)
s
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选择操纵变量时：
1）扰动通道放大倍数越小越好，扰动对被控 变量的影响小，控制精度越高。 2）操纵变量对被控变量的影响显著，控制作 用强，要求控制通道的放大倍数要大些，但 必须以满足工艺生产的合理性为前提条件；
Y (s)
Gc ( s ) K c Gd ( s ) Go ( s ) Kd (T1s 1)(T2 s 1) Ko Ts 1
E ( s)
Gc (s)
Gd ( s ) Y (s) D( s ) 1 Gc ( s )Go ( s ) E (s) ess Gd ( s ) D( s) 1 Gc ( s )Go ( s ) Gd ( s )
Gd ( s) Y ( s) e s D( s) 1 Gc ( s)Go ( s) y(t ) y (t )
扰动通道的纯滞后不会影响控制质量。
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2）干扰作用位置对控制质量的影响
D1 ( s )
D2 ( s )
D3 ( s )
G01 ( s )
D2 ( s )
G02 ( s) G02 s)
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2.对象动态特性的影响
1）扰动通道特性的影响
Gd ( s ) K Y (s) 1 d D( s ) 1 Gc ( s )Go ( s ) Td [ s 1 / Td ][1 Gc ( s )Go ( s )]
系统特征方程：
(s
1 )[1 Gc ( s )Go ( s )] 0 Td
根据工艺的具体情况分析，得出应该 的操纵变量。
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若采用加压空气流量作为操纵变量，空气直接 进入干燥塔，控制通道时滞最小，对干燥温度 的控制作用最灵敏。其它变量构成的干扰通道 相对滞后较大，整个控制系统的品质比较好， 应该选择方案。但是从工艺看，加压空气的作
D3 ( s )
G03 ( s) G03 ( s) G03 ( s) G03 ( s)
Y (s)
D1 ( s )
R( s)
E ( s)
Gc (s)
G01 ( s )
H (s)
G02 ( s)
G03 ( s)
Y (s)
R( s)
E ( s)
Gc (s)
G01 ( s )
G02 ( s)
H (s)
干扰通道具有惯性环节阶数增加，对干扰信号的缓和作用 越强，系统克服它的影响就越容易，控制质量也就越高。
使被控变量的超调量加大，还使过渡
过程震荡加剧，时间也增长，控制质
量变坏。
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操纵变量的选择原则： （1）构成的控制系统，其控制通道特 性应具有足够大的放大倍数，比较小的 时间常数及尽可能小的纯滞后时间；
（2）系统主要扰动通道特性应该具有 尽可能大的时间常数和尽可能小的放大 系数；
（3）应考虑工艺上的合理性、经济性。
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系统特征方程发生变化，即在根平面上增加一个 T 的 d 附加极点，随着时间常数Td的增大，其对应的过渡过程 分量的衰减系数减小，过程变慢，过渡过程时间加长； 但其分量的幅值减小到1 / Td 使过程的超调量随Td的增 大而减小，控制质量得到提高。
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扰动通道的时间常数越大，干扰对被控变量 的影响越缓慢，即对控制质量的影响越小； 扰动通道存在纯滞后时，系统的闭环传递函数为
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被控变量的选择：产品的湿度测量十
分困难，根据工艺分析，产品的湿度
与塔出口温度密切相关，若保证温度
波动小于2-5度，则符合质量要求。
选择干燥塔出口温度作为被控参数
（间接参数）。
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操纵变量的选择：
影响干燥塔出口温度的主要因素有： 加压空气流量，浆液流量，旁路空气 流量，烟道流量。可有四种变量作为 操纵变量。
操纵变量选择时，应使干扰信号远离被控量点。
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（2）控制通道的影响 控制通道中时间常数小，反应灵敏，
控制及时，有利于克服干扰的影响，
但时间常数过小，容易引起过渡的振 荡；时间常数过大，控制作用迟缓， 被控变量的超调量加大，过渡过程时 间增长。
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纯滞后的存在操纵变量对被控变量
的作用推迟，控制作用的推迟，不但
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加压空气
3 1 干 躁 塔
空气
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烟道气
4
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喷雾式干燥塔
碳酸钙浆液干燥过程工艺流程：碳酸钙浆
液与加压空气由底部进入塔内，经喷嘴喷
出呈雾状。另一路空气由鼓风机送至换热
器加热后，与未加热的空气混合后进入干
燥塔内，以蒸发浆液中的水分，成粉状， 并随空气一起送出。经旋风分离器分离， 得到粉状碳酸钙（产品）。