5.1-4 串级控制系统与比值控制系统

第五章串级控制系统与比值控制系统§5-1 串级控制系统概念§5-2 串级控制系统分析§5-3 串级控制系统设计和实施中的几个问题§5-4 调节器的选型和整定方法§5-5 比值控制系统What is this? What is going on?Cascade ControlReactor or heat exchangerTemperature controls pressure, controls valve Notes:(1) Steam isgenerally controlled at the inlet, not outlet (steam traps )(2) Cascading T to steam pressure assumes steampressure variesSignificantly (且快速)复杂控制系统复杂控制：两个以上闭环的系统多个被调量、调节量、测量值；多台调节器、变送器…如，串级，比值，均匀前馈-反馈，分程…等控制系统例1：过热汽温经过多个容积，形成高阶系统；迟延较大；被控量将大幅波动简单PID 控制系统§5-1 串级控制系统概念PID过热器ΘrθT减温水扰动ΔWK vG c (s)G p (s)K mθTθr超调量大振荡频率低调节时间长减温水扰动超调量小振荡频率提高调节时间缩短PID2PID1减温器过热器θrθT2θT1进料产品冷却液TCTTθr单回路控制系统特点：σ大、ω低、t s 长例2：反应釜温度控制系统：T 、τ较大PID反应罐θrθT冷却液扰动干扰：1.冷却水进水温度，压力变化,流量变化；2.进料流量变化工艺要求：任何时候,反应温度恒定单回路控制进料产品冷却液TT1TC1TT2TC2θrPID2PID1罐体罐内θrθT2θT1冷却液扰动副回路主回路串级控制系统特点：σ小、ω提高、t s 缩短副调节器主调节器副对象主对象ry 2y 1副回路主回路二次扰动一次扰动一般串级控制系统结构框图常称副对象为导前区，主对象为惰性区串级控制系统的特点：有效地克服二次扰动;改善了对象的动态特性;具有一定的自适应能力;各调节器的作用：副调：粗调,克服二次扰动；主调：细调,进行系统校正。

G f1(s)G f2(S)G V (s)G C1(s)R 1E 1U 2QY 2Y 1F 1F 2U 1=R 2E 2Y M1Y M2G C2(s)G p2(s)G m2(s)G p1(s)G m1(s)串级控制系统的框图串级控制系统的相关名词术语♠主被控变量y1是要保持平稳控制的主被控变量♠副被控变量y2是串级控制系统的辅助被控变量♠主、副控制器的传递函数Gc1(s)、G c2(s)♠主、副被控对象传递函数Gp1(s)、G p2(s)♠主、副被控变量的检测变送环节Gm1(s)、G m2(s)♠主、副被控变量的测量值ym1、ym2♠一次和二次扰动F 1、F 2：进入主、副被控对象的扰动，扰动通道传函G f1(s )、G f2(s )♠由G c2(s )、G v (s )、G p2(s )和G m2(s )组成的控制回路称为副回路，或副环，对主回路而言副回路为随动系统,对克服二次扰动则看作定值系统♠由G c1(s )、副回路、G p1(s )和G m1(s )组成的控制回路称为主回路，或主环，主回路为定值系统♠串级：指调节系统中，调节器的连接方式。

即一个调节器的输出作为另一个调节器的给定，二者串接使用串级控制系统中有关的传递函数(R 1-Y 1))()()()()()()()()()(1)()()()()()()(11221222122111s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s R s Y m p p v C C m p v C p p v C C ++=G f1(s)G f2(S)G V (s)G C1(s)R 1E 1U 2QY 2Y 1F 1F 2U 1=R 2E 2Y M1Y M2G C2(s)G p2(s)G m2(s)G p1(s)G m1(s))()()()()()()()()()(1)()()()()()()()(112212*********s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s F s Y m p p v C C m p v C f m p v C f +++=G f1(s)G f2(S)G V (s)G C1(s)R 1E 1U 2QY 2Y 1F 1F 2U 1=R 2E2G C2(s)G P2(s)G m2(s)G P1(s)G m1(s)串级控制系统中有关的传递函数(F 1-Y 1))()()()()()()()()()(1)()()()(112212221221s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s F s Y m p p v C C m p v C p f ++=G f1(s)G f2(S)G V (s)G C1(s)R 1E 1U 2QY 2Y 1F 1F 2U 1=R 2E2G C2(s)G P2(s)G m2(s)G P1(s)G m1(s))()()()(1)()()()()()(2222222s G s G s G s G s G s G s G s G s R s Y m p v C p v C +==副串级控制系统中有关的传递函数(F 2-Y 1)§5-2 串级控制系统分析一、有效克服二次扰动G c (s)G p (s)RY 1二次扰动G f2(s)二次扰动Y 2Y 1G c2(s)G c1(s)G p2(s)G p1(s)RG f2 (s))()(1)()()()(221s G s G s G s G s F s Y p c p f +=单)()(1)()()()(1)()(1)()()()(2222c 1122221s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s F s Y p c p p c p c p f +++=串)()(1)()()()(221s G s G s G s G s F s Y p c p f +=单)()(1)()()()(1)()(1)()()()(2222c 1122221s G s G s G s G s G s G s G s G s G s G s F s Y p c p p c p c p f +++=串)()()()()()(1)()(22c 11222s G s G s G s G s G s G s G s G p p c p c p f ++=)()()()()(1)()(2c 1222s G s G s G s G s G s G s G p c p c p f ++=串级系统对相同干扰F 2的响应较小，抗干扰能力增加,在主环工作频率更为突出，与单回路比较可以减小10～100倍单串)()()()(2121ωωωωj F j Y j F j Y <例：加热炉出口温度控制系统炉温为被调量，滞后大，控制质量差（1）扰动分析燃料：压力、流量、成分和热值等原料：进料量、进料温度（不可控）（2）控制方案方案一：TC —FC 串级主要用于克服燃料油上游侧压力干扰的影响，燃料油黏度大，易堵，不常采用加热炉出口温度控制系统Single loop temperature control加热炉出口温度控制系统Two-controllerbasic cascade control方案二：TC—PC串级取压点在阀后，克服燃料油下游侧压力影响，燃料油黏度大，易堵，使用时要加报警系统。

方案三：TC—TC串级炉内温度作为副被调量，拥有克服燃料影响，如温度、成分等，温度点不宜找准。

设计系统时,应使主要的扰动、尽可能多的扰动进入副回路二、改善广义对象特性，提高工作频率G c2(s)G c1(s)G p2(s)G p1(s)RY 2Y 1二次扰动一次扰动副回路主回路G c1(s)G'p2(s)G p1(s)RY 2Y 1主回路G c (s)G p2(s)G p1(s)RY 2Y 1单回路比较单回路一般取，设)()(1)()()(22222s G s G s G s G s G p c p c p +='22)(c c K s G =1)(222+=s T K s G p p p 222222222222222222211111)(11)()(p c p p c p c p c p p c p p c p p c p K K s T K K K K K K s T K K s T K s G s T K s G s G +++=++=+++='1)(222+''=s T K s G pp p ,122>p c K K 当1,222≈'<'p p p K T T副调的增益k c2↑→T 'p2↓，加快副回路响应速度T'p2很小,G'p2(s)≈1对象等效传函为：G'p (s)= G p1(s) 系统工作频率提高T p2T'p2副对象阶跃响应特性等效副对象阶跃响应特性串级控制可改善动态特性，提高频率等效时间常数变小，调节过程缩短，有利调节速度提高； 等效放大倍数变小，则可将K c1整定得在一些，这样更有利于调节质量的全面提高T p2T'p2副对象阶跃响应特性等效副对象阶跃响应特性串级系统的工作频率设主、副对象为一阶环节，串级系统的其它环节为比例环节，即1)(,1)(,)(,)(2221112211+=+===s T K s G s T K s G K s G K s G p p p p p p c c c c 串级系统的闭环传函为)()()(1)()()()()()(12112111s G s G s G s G s G s G s R s Y s p p c p p c '+'==Φ闭环特征方程为)()()(1)(121='+=s G s G s G s P p p c11111221=++''+s T K s T K K p p pp c 01)(12121221=+'+'++'p p c p p p p K K K s T T s T T 222221p c p c p K K K K K +='22221p c p pK K T T +='其中比较二阶标准形式0222=++nn s s ωξω21212p p p p n T T T T ''+=ξω212121pp pp n T T T T ''+=ξω则串级系统的工作频率为212122211pp p p cs cscs ncs T T T T ''+-=-=ξξξωω单回路特征方程为单回路工作频率)()()(1)(12=+=s G s G s G s P p p c 单01)(1221221=++++p p c p p p p K K K s T T s T T 212122211p p p p s ss ns T T T T +-=-=ξξξωω若通过调节器的参数整定使单回路和串级系统具有相同的衰减系数，即212111p p p p scsT T T T +'+=ωωcss ξξ=则二者的工作频率可进行比较如下：因2121p p pp T T T T >'则有scs ωω>注意：防止主副回路共振;分隔在副回路部分被控对象应占一部分三、有一定的自适应能力在调节阀和导前区对象出现的由于负荷变化引起非线性，对控制品质的影响可大大减小；由于副环近似为1:1的比例环节，输入输出关系不受环内参数的影响2）副回路是一个快速流量随动系统,能快速跟踪主调节器的输出,精确地控制调节量(流量),从而保证控制品质单回路系统是定值系统，其给定值不变，只能在工作点附近工作，超出范围则不能适应。