复杂过程控制系统--串级控制共44页

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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 ❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Q C 2 ( s )= Y Y 1 1 ( ( s s ) ) / /X F 2 1 ( ( s s ) )= W C W 1 ( s * ) 0 W 2 ( 's 0 2 ) ( s )= W C 1 ( s ) W C 2 ( s ) W V ( s )
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二、串级控制系统的特点与分析
在结构上与电力传动自动控制系统中的双闭 环系统相同(比单回路系统多了一个副回路)，其 系统特点与分析方法亦基本相同。
主回路(外环)：定值控制系统 副回路(内环)：随动控制系统 与单回路系统相比，串级控制系统多用了一 个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投 资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个 测量变送器)，但控制效果却有显著的提高，其原 因在于串级控制系统中增加了一个包含二次扰动 的副回路。
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单回路控制系统的抗干扰能力为
Y(s)/X(s) QD2(s)=Y(s)/F2(s)=W C(s)W V(s)
串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能力
之比:
QC2(s) =WC1(s)WC2(s)
QD2(s)
WC(s)
设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比
例放大系数分别为KC1、KC2、KC，则上式变为
第四章 复杂过程控制系统
❖串级控制 ❖前馈控制 ❖大滞后补偿控制 ❖比值控制 ❖分程与选择性控制 ❖多变量解耦控制 ❖模糊控制 ❖预测控制

e e 1 温度控 P1 制器T1C
2
温度控 制器T2C
P2 执行器
F2
θ2
温度对象2
F1
θ1
温度对象1
Z1
Z2
θ2测量变送器
θ1测量变送器
一种是干扰作用下，主、副变量的变化方向相同（ 同时增加或同时减小）；
假设干扰使2 ↑- P1 ↓）↑↑→
P2↓↓→
θ1 ↓
θ2 ↓↓ ←阀↓↓
θ10
e e 1 温度控 P1 制器T1C
2
温度控 制器T2C
P2 执行器
F2
θ2
温度对象2
F1
θ1
温度对象1
Z1
Z2
θ2测量变送器
θ1测量变送器
另一种是主、副变量的变化方向相反（一个增加，另 一个减小）；
相反干扰（ θ1 ↓ 、θ2 ↑ ）
θ1↓→
P1 ↑→ e2（=Z2 ↑ - P1 ↑）变化小→ P2变化小→
扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的 控制作用，有效地克服干扰对主被控变量的影响
θ10
e e 1 温度控 P1 制器T1C
2
温度控 制器T2C
P2 执行器
F2 θ2
温度对象2
F1
θ1
温度对象1
Z1
Z2
θ2测量变送器
θ1测量变送器
2. 当干扰作用于主对象（F1出现） 假设干扰使θ1温度升高
1. 当干扰作用于副回路（F2出现）：
设置了副回路以后，干扰F2引起θ2变化，温度控制器 T2C及时进行控制，使其很快稳定下来。
假设干扰使θ2温度升高。如干扰量小，经过副回路控制 后，影响不到物料出口温度θ1

W *02 (s)W01 (s) Y1 (s) = F2 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Y1 (s)/X 1 (s) WC1 (s)W'02 (s) QC2 (s) = = = WC1 (s)WC2 (s)WV (s) Y1 (s)/F2 (s) W *02 (s)
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(三)对一次扰动有较好的克服能力
对串级控制系统： Y1 (s)
W01 (s) = F1 (s) 1+WC1 (s)W'02 (s)W01 (s)Wm1 (s)
Байду номын сангаас
抗扰动能力：
Y1 (s)/X 1 (s) QC1 (s) = = WC1 (s)W'02 (s) Y1 (s)/F1 (s)
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(一)改善了被控过程的动态特性
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副回路闭环传递函数
WC2 (s)WV (s)W02 (s) Y2 (s) W02 (s) = = X 2 (s) 1+ WC2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
'
设W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2， ' Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得 ' K02 W02 (s) = ' T02 s + 1 ' 式中 K 02 ----等效被控过程的放大系数 ' T02 ----等效被控过程的时间常数

2 变 化 较 小 流 量 只 需 很 小 调 整
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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
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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

• 主被控参数——起主导作用的被控参数。 • 副被控参数——为稳定主参数而引入的中
间辅助参数。 工业过程中多数为流量参数。 • 主对象——由主被控参数作为输出的生产
过程。 • 副对象——由副被控参数作为输出的生产
过程。
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7.3 串级控制系统方块图分析
y1,sp
y2,sp
＋
Gc1
＋
Gc2
Gv
－
－ ym2
选
➢在条件许可的情况下，尽量选择直
择
接反映控制目的的参数为主变量，不
行时可选择与控制目的有某种单值对
原
应关系的间接参数作为主变量；
则
➢所选的主变量必须有足够的变化灵
是
敏度；还应考虑工艺上的合理性和实
现的可能性。
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7.5.1 串级控制系统设计原则
2、副变量的选择
副回路的设计质量是保证发挥串级控制系统 优点的关键。
•一般认为：T01/T02=310 较合适。
•究竟T02取多大为好，应按具体情况确定。若欲 快速克服主干扰，则小一点为好；若欲克服对象的大
滞后，可取大点；若欲克服对象的非线性，则
T01/T02宜取大一些。
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7.5.2 主、副控制器的选择
• 主、副控制器控制规律的选择 • 控制器正、反作用的选择 • 控制器积分饱和的预防
器宜选择PI控制作用。为了克服对象的容量滞后， 进一步提高主变量的控制质量，可再加入微分作用 ，即选择PID控制。 • 对于副控制器，因对副变量的控制品质要求不高， 一般选P作用就行了。此时引入积分作用反而减弱了 副回路的快速性。
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控制规律的选择
②对主变量的控制要求较高，对副变量的控制要求也不 低。为了使主变量在外界干扰作用下不至于产生余 差，主控制器选择PI作用；

过程控制
第五章 复杂过程控制系统
5.1 串级控制
过程控制
一、串级控制系统的结构和工作过程
1、串级控制系统的结构
串级控制系统(Cascade Control Ststem)是一种常用的复杂控制 系统，它根据系统结构命名。
由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作 为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。
0.75
余差
0
系统工作频率
0.087
二次扰动下的最大偏差
0.27
一次扰动下的最大偏差
0.34
过程控制
串级控制系统
Kc1=8.4， Kc2=10， Ti=12.8s
0.75 0
0.23 0.013 0.13
三、串级控制系统的设计
1、主变量的选择
过程控制
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主变量的 选择和主回路的设计，可以按照单回路控制系统的设计原则 进行。
s2T p1T p 2s1K c1K p2K p1K m 10
T p1 T p 2
T p 1 T p 2
写成标准形式： s22 00 20
从控制理论可知，当0<<1时，系统出现振荡，振荡频率即 为系统的工作频率，即：
c0
12

12 2
Tp1Tp2 Tp1Tp2
串级控制系统对进入主环的扰动也有克服能力。扰动从主环进 入时，因串级控制系统的工作频率提高，被调量受影响比单回 路往往可以减小25倍。
过程控制
4、对负荷和操作条件的变化具有一定的自适应能力
定性分析： 由于副回路是一个随动控制系统，它的设定值随主控制器的输 出而变化。这样主控制器就可以按照操作条件和负荷的变化情 况，相应地调整副控制器的设定值，从而保证在操作条件和负 荷发生变化的情况下，控制系统仍然具有良好的控制质量。

一、用于克服对象的纯滞后
当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、ห้องสมุดไป่ตู้纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副 回路。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是 对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。
例 如下图所示：
被控参数：A点温度
控制参数：减温水流量
主要干扰：减温水压力波动。
例 如下张图：
燃料油热值 变化后，炉膛反 应滞后3分钟，而 出口温度则需 15 分钟。
三、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰
串级控制系统对二次 干扰具有很强的克服能 力。 设计时应把变化剧 烈、幅值大的干扰包含 在副回路中。 副回路放大系数应大 些，会使抗干扰能力大 大提高。 例 如下图4-13，脱 气塔的压力对主控指标 (液位)影响很大，甚至 造成溢出或打干的事故， 是主干扰，串级控制后 效果很好。
3、对主变量控制要求不高，甚至允许小波动 主变量采用P规律，副回路对主回路的跟随要求快 而准时采用PI控制规律。
4、对主、副变量控制要求均不高 可均采用P规律；必要时对主变量控制引进微分 作用 。
(二)、正、反作用方式的选择 副控制器按单回路方式选择，具体见前章。
主控制器按下式确定: (主控制器+/-)(副对象+/-)(主对象+/-)=(-) 主、副控制器正、反作用方式的确定是否正确， 可进行验证，如图。
思考题
1、与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主
要特点？ 2、为什么说串级控制系统具有改善过程动态特 性的特点？T’02和K’02减小与提高控制质量有何关系 ？
3、为什么提高系统工作频率也算是串级控制系
统的一大特点？
下一章
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温度测量

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。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
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。
-过程控制 过程控制
第四章 复杂过程控制系统
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
回顾
单回路系统： 一个被控过程，采用一个测量变送器检测被控
过程，采用一个控制器保持一个被控参数恒定， 或在小范围内变化，其输出也只控制一个执行 机构的系统。
着眼点：
运用PID控制，着眼于一个物理量的稳定工作， 控制方块图也是由一个闭环完成的。
控参数，输出量为主被控参数。
t 副被控过程—由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参 数。 t 主调节器 —按主被控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。 t 副调节器 —按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的 调节器，其输出控制调节阀动作。
t副回路—由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。
t一次扰动—不包括在副回路内的扰动。 t二次扰动—包括在副回路内的扰动。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
串级控制原理
一、串级控制系统的组成
例 ：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），
其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统