串级控制系统通用方块图.pptx

由于
D2' (s) ?
1
D2 (s) 1 + Gc2GvGp2Gm2
而对于动态滞后较小的副回路，有
Gc 2GvG p 2Gm2 ?? 1
D2' ?? D2
12
串级控制系统的特点（2）
改善了对象的动态特性，提高了系统的工作 频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益 可显著加大。
内环等效对象为
G
' p2
K
' p
2
?
1+
Kc2KvK p2 Kc 2KvK p2 Km2
当 Kc2 Kv K p2 Km2 ?? 1
K
' p
2
?
1 Km2
结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上 和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。
15
串级系统分析举例
R1
＋ －
Kc ym1
u
＋ －
4 ym2
1 5s + 1
F1013 (AI)
FO1013 (AO)
9
串级控制系统方块图
D2D1y1ຫໍສະໝຸດ sp＋ －y2,sp
Gc1
＋
Gc2
－ ym2
ym1
Gv Gm2 Gm1
＋ ＋
Gp2
y2
＋
Gp1 ＋
y1
副回路
主回路
注：D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主 参数的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路 （将副回路看成是一个等效的控制阀）。
6
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
T1

图2.1-5 干扰进入主回路串级调节系统方框图
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
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2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。

2、将副回路等效为一个正特性，按简单控制系统确 定主控制器的正、反作用。
副对象
输入：控制阀所控制的流量
输出： 副被控变量
主对象
输入： 副被控变量 输出：主被控变量
6
对原油波动较列方案效果好。
原油
此方案副回路包含的干扰多，副对
燃
象时间常数较大
料
油
T1C T1T
对于副控制器，它接受主调节器的输出作为外给 定起随动调节系统的作用，用副参数的快速变化 来保证主参数的不变，副控制器一般采用P作用而 不采用积分和微分，但付参数是流量对象时，副 控制器应选PI调节规律。
5
串级控制系统控制器正、反作用的选择
正、反作用的选择应先副后主的原则选择：
1、先把副回路看成简单控制系统，按简单控制系统 确定副控制器的正、反作用；
热物料
T2T
T2 C
7
若原油较平稳，燃料压力波动大，可建立温度—压力 （流量）调节系统。
原油
此方案副回路包含的干扰只有燃
气压力波动，副对象时间常数较 燃
小，快速性好
气
热物料
TT
FC
TC
FT
8
（要求：TO1 TO2为3~10倍，否则系统无法运行，系统将振 荡。 ⑶付回路设计，应考虑把调节通道中，非线性部分包括在付 回路中。 ⑷副回路的设计应符合工艺上的合理性（付参数的选择与简 单控制系统的操作变量的选择相同）。
4
串级控制系统主、副控制器控制规律选择
主参数如成份、温度等有更高的控制要求，主控 制器一般选用PID调节规律。
2
串级控制系统把非线性环节包含在副回路中
3
主、付参数的选择原则
主参数的选择原则：与单回路控制系统被控变量的选择 相同。可用于滞后大，或直接采用质量参数等为被控变 量。（比单回路控制系统被控变量的选择裕度大）

2 变 化 较 小 流 量 只 需 很 小 调 整
28
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第六章 串级控制系统
6.1.3 串级控制系统的工作过程
3 结论： 副控制器：起“粗调”作用
主控制器：起“细调”作用 两者相互配合，控制质量高于单回路控制系统。
由分析可见串级控制的优点： 副回路具有快速调节作用。
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6.1.1 串级控制系统的概念
方案3： T1C - T2C串级控制 原理图：P69 图6.1-1 （b）
θc- Qc回路(T2C)：主要用以快速克服冷 却剂方面的扰动；
θ- Qc回路(T1C): 用以克服其它扰动对温 度的影响
9
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第六章 串级控制系统
6.1.1 串级控制系统的概念（实例2）
实例2：硝酸生产中氧化炉内温度控制
4 N H 3 5 O 2 4 N O 6 H 2 O Q
要求：T控制在840±5℃范围之内
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第六章 串级控制系统
6.1.1 串级控制系统的概念
措施之一：简单温度控制系统 特点：对所有T的干扰都包含在控制回路中。 结果：响应不灵敏，动作迟缓， 最大偏差±10℃ 原因：控制通道滞后大，对氨气总管压力波 动引起氨气流量的频繁变化，不能及 时克服。
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第六章 串级控制系统
6.1.3 串级控制系统的工作过程
b. 出现一次干扰F1 ：导致T升高 （推理方法2）
F1 温度TTyC m1设 定值r1不变TC输出u1
FC设定值r2 ey2m2暂 时 ym不 2变 r2 F C 输 出 u 2 阀 门 开 度 2 流 量 Q 炉 温 T 至 设 定 值

G6
例：
R(s) G1 G2 G3 G5 G7 G4
C(s)
分析方框图中，出现三个环且其中两环出现交叉。 如解除交叉，则可方便简化 可见：移动G6分支所在取出点，则可使问题简化。
解：
R(s) G1
G6
G2
1/G4 C(s) G3 G5 G4
G7
G6/G4
R(s)
G1
G2
G3G4 1+G3G4G5
信号只能沿箭头方向流通，即信号的传递具有单向性。
引出点：信号引出或测量的位置
表示信号从该点取出。注意，从同一信号 线上取出的信号，大小和性质完全相同。 比较点： 表示两个或两个以上信号在该点相加 （+）或相减（-）。 注意，比较点处信号的运算符号（正、负）必须 标明，一般不标明则取正号。 方框：（环节） 表示输入、输出信号之间的动态传递关系，有 运算关系： Y（S）=G（S）X（S）
3． 反馈联接
R(s)
E(s) B(s)
G(s）
C(s)
H（s）
主通道：由输入信号开始经G(S)到输出通道称为主 通道，也称前向通道。 反馈通道：由取出点经反馈装置到主反馈 B(S)的通 道称为反馈通道，也称反馈通路。 可见：E(S)=R(S)-B(S)为偏差信号
几个定义： 开环传递函数：主反馈信号与偏差信号之比 GK(S)=B(S)/E(S)
① N（s）=0时（无扰动）
E（s）=R（s）-B（s） = R（s）-H（s）C（s） = R（s）-H（s）G1（s）G2（s）E（s）
E( s) B( s) H ( s)C( s) H ( s)G2( s)[N ( s) G 1 ( s) E( s)] E2 ( s) H ( s)G2( s) N ( s) 1 G 1 G2H ( s)

由于串级控制系统具有上述特点,使得它在实际生产 中解决了许多简单控制系统所不能解决的控制问题。 在工艺要求高、对象的滞后和时间常数大、干扰作 用强而频繁、负荷变化大的场合,简单控制系统满足 不了控制质量的要求时,可以采用串级控制系统,尤 其当主要干扰来自调节阀方面时,应用串级控制是很 适宜的。
加热炉出口温度与燃料流量串级控制系统
2.由于副回路的引入,改善了对象特性。串级控制系统 可以把副回路看作主回路的一个环节，或把副回路称 为等效对象。由于副回路的作用，等效对象的时间常 数减小了，因而改善了这部分对象的动态特性，使系 统的反应速度加快，控制更为及时。如果是单回路控 制系统，对象包括主对象和副对象两部分，因此整个 对象容量大 反应慢 使得控制不及时。

根据操作原理，当温度高时，应该把燃料气流量 控制器设定值减少一些，当温度偏低的时候，则 应将燃料气流量控制器的设定值增加一些。据此 将两个控制器串联起来，流量控制器的设定值由 温度控制器的输出值来决定，即流量控制器的设 定值不是固定的，这样既能迅速克服影响流量的 的扰动作用，又能使温度在其他扰动作用的情况 下保持在设定值，这种系统就是串级控制系统。
所谓“复杂”控制系统，是相对于“简单”控制 系统而言。通常指由两个或两个以上测量变送器 （或控制器、控制阀）组成的控制系统都可称为 复杂控制系统。目前常用的常规复杂控制控制常 使用的有串级、均匀、比值、前馈、分程、选择 性控制系统等。这些系统有的是已他们的结构命 名，有的以其工作原理命名，而且他们还可以相 互结合在一起使用。




串级控制系统中常用的的一下几个名词。 主变量：是工艺控制指标，在串级控制系统中起到主导作用 的被控变量，如上例中加热炉出口温度。 副变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引 入的辅助变量，如上例中的燃料气流量。 主对象：为主变量表征器特性的生产设备，反映了主变量与 副变量之间的关系。如上例中从燃料气流量检测点到炉出口 温度测点间的工艺生产设备，只要指燃料气烧嘴和炉内物料 受热管道，图中标为温度对象。

副参数塔底流量波动使系统状况发生变化时,它会迅速反映出这种情况,副调节器便 立即进行调节.对于幅度小的干扰,经过副回路的及时调节,一般影响不到液面的变化. 当干扰很大时在副回路快速调节下干扰幅值大大减少,尽管还将影响到主参数----塔底 液面,当主调节器投入调节过程后,很快可以克服干扰. 2.干扰作用于副回路 假如塔底流量正常,进料流量发生变化,至使塔底液面偏离给定值,此时主调节器立即 工作,输出相应变化,通过改变副调节器的给定值与塔底流量的偏差发出相应的输出信 号,改变调节阀的开度从而使塔底液面尽快回到给定值上.
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s +1
讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限 时，自动切除积分作用。
串级回
路的等 R1
效系统
＋ －
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
＋
D2
D1
u
1
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
－
副回路对主对象开环特性 的影响举例

❖现金结算：即用钞票结算（易 手）。
串级控制系统的设计
p 串级控制系统副参数的选择及副回路的设计
•主副变量间应有一定的内在联系 •系统的主要干扰应包围在副回路中 •在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 •副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生。 即主副时间常数不能太接近 •当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应 使副环 尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后
串级控制系统的工作过程
干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）
r1 +
Gc1(s) r2 +
Gc2 (s)
Gv (s)
F2
F1
Gp2 (s) y2 Gp1(s) y1
-
-
ym2
Gm2 (s)
ym1 Gm1(s)
图4-6 干扰进入副回路时串级调节系统方框 图
串级控制系统的工作过程
干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）
y2
Go1(s)
y1
上图中： Go2'(s)Go2(s)T2Kso21
串级控制系统分析
可得闭环特征方程：
1G c1 G o2'(s)G o1(s)0 其中：
s22'0's0'20
2'0'
T1 T2 T1T2
0'2
1Kc1Ko1Ko2 T1T2
求解可得单回路系统的过渡过程频率 z 2 为
z21'2
结论：当干扰进入副回路，由于主、副回路的共同作用 （作用方向相同，都是使氨气流量调节阀开度减小），使副 调节器的给定与测量两方面变化加在一起，加速了克服干扰 的能力。
串级控制系统的工作过程

4 ym2
1 5s +1
＋ ＋
D2 y2
1 20s + 1
＋ ＋
D1
y1
2020/3/11
串级系统分析举例（续）
串级回
路的等 R1
效系统
＋ －
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
＋
D2
D1
u
1
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
Kc
5s +1
20s + 1
串级系统主调节器选型
• 主调节器常选择PI或PID控制律
原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。 因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加 入较强的积分作用（除主参数为液位的串级均匀控制 系统以外）。当主对象的调节滞后较大，而主参数变 化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。
2020/3/11
2020/3/11
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
2020/3/11
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s +1
TC FC
进料
燃料油
情况1：流量副回路出现“积 分饱和”，可采用单回路抗 积分饱和方法； 情况2：当主副控制器均采用 单回路抗积分饱和方法时， 出料 可能出现限位参数不一致的 情形，同样存在发生“积分 饱和”的可能性。

3）扰动F1、 F2 同时出现：
假设反应釜串级系统中调节阀为气关式，主、副调节器均为反作用。
如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减少， 主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度开大或关小阀 门，加强控制作用，使反应温度很快调回到给定值上。
如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大（反应温度 升高），另一个减小（夹套温度降低），此时主、副调节器控制调节 阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。
第5章 串级控制系统
1）扰动来自F2：导致T2改变，内环立即开始调节，迅速纠正F2引起的T2的 偏差，此偏差还来不及影响T1。内环调节及时，对外环影响小，具有 “超前”调节作用。
2）扰动来自F1： F1改变，外环立即开始调节，主调节器的输出改变，从 而改变副调节器的给定，然后调节冷却水流量，保证T1不变。
2） 主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。
第5章 串级控制系统
复习：
1.串级的概念： 一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定
值，这样连接起来的两个控制器称作是“串级”的。 2.主回路（定值）、副回路（随动） 3.主对象：输入量、输出量 4.副对象：输入量、输出量 5.主调节器的输出、副调节器的输出 6.一次扰动、二次扰动
主要原因： 调节不及时
进料(F1)
水 T1
TT
TC
Tr
出料
冷却水(F2)
第5章 串级控制系统
5.采用串级控制：
设想：如果能在干扰出现后，调节器立即开始动作，则控制效果就会大大 改善。
如何才能使调节器适时动作呢？
经过分析不难看到：
冷却水方面的干扰F2的变化很快会在夹套温度T2上表现出来，如果把 T2的变化及时测量出来，并反馈给调节器T2C，则控制动作即可大大提前 了。但是仅仅依靠调节器T2C的作用是不够的。进料(F1) 因为：