第五章 复杂过程控制系统

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。
定量分析：
热物料
过程控制
燃料
冷物料
影响炉出口温度的因素很多，主要有： f1(t)：被加热物料的流量和初温； f2(t)： 燃料热值的变化、压力的波动，流量的变化； f3(t)： 烟囱挡板位置的改变、抽力的变化。
方案1：
T1T T1C
过程控制
热物料
燃料
冷物料 单回路系统(控制炉出口温度)
过程控制
选取炉的出口温度为被控对象，选取燃料量为控制参数，构成 如图所示的单回路控制系统。
2、提高了系统的工作频率
R1 + Y2 Gc1(s) Gp2(s) Gp1(s)
过程控制
Y1
－
Ym1 Gm1(s)
串级控制系统的等效方框图
R1 + Y2 Gc(s) Gp2(s) Gp1(s) Y1
－
Ym Gm1(s)
单回路控制系统的方框图
串级系统的特征方程为： 1 Gc1 ( s )G 2 ( s )Gm1 ( s ) 0 p
过程控制
y1(t)
串级控制系统和单回路控制系统在二次单位阶跃扰动下的响应曲线 蓝线：串级 绿线：单回路
过程控制
y1(t)
串级控制系统和单回路控制系统在一次单位阶跃扰动下的响应曲线 蓝线：串级 绿线：单回路
过程控制
串级控制的效果
单回路控制系统 控制品质指标 串级控制系统
Kc1=8.4， Kc2=10， Ti=12.8s
过程控制
燃料压力、热值变化f2(t)和烟囱抽力变化f3(t) （二次扰 动或副回路扰动） f2(t)和f3(t)先影响炉膛温度，于是副调节器立即发出校正信号， 控制调节阀的开度，改变燃料量，克服上述扰动对炉膛温度的 影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制，一般不影响 炉出口温度； 如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，仍影响炉 出口温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变化，副控制 器的设定和测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动 的调节过程，使炉出口温度回复到给定值。
过程控制 Y
1
－
Ym1
Gm1(s) 串级控制系统的等效方框图
Gc 2 ( s )Gv ( s )G p 2 ( s ) Y2 ( s ) G 2 ( s ) p R2 ( s ) 1 Gc 2 ( s )Gv ( s )G p 2 ( s ) K p2 G p 2 ( s) Gc 2 ( s) K c 2 Gv ( s) K v Gm 2 ( s) K m 2 Tp 2 s 1
以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路对炉出口 温度起着的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的 “细调”任务。
过程控制
R1 + Gc1(s)
R2
Gc2(s)
Gv(s)
Gp2(s)
Y2
+ Gp1(s)
Y1
－
Ym1
－
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
R1 +
Y2 Gc1(s) Gp2(s) Gp1(s)
方案3： 选取炉出口温度为主被控参数（简称主参数）
过程控制
选取炉膛温度为副被控参数(简称副参数)
把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值
构成了炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统
过程控制
T1C T2T T2C T1 T 热物料
燃料
冷物料 串级控制系统
过程控制
f2 R1 + 主调 － 节器 Ym1 R2 副调 － 节器 Ym2 调节 阀 Gm2(s)
过程控制
F2
R1 + R2 Gf2(s)
F1
Gf1(s)
Gc1(s)
Gc2(s)
Gv(s)
Gp2(s)
+ Gp1(s)
Y2
Y1
－
Ym1
－
Ym2 Gm2(s)
Gm1(s) 串级控制系统方框图
G f 2 ( s)G p1 ( s) Y1 ( s) F2 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s) Gc1 ( s)Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s)
优点：所有对温度的干扰都包含在控制回路之中，理论上都可 以由温度调节器予以调节 缺点：控制通道的时间常数和容量滞后较大，控制作用不及 时，系统克服扰动的能力较差。
方案2：
T2T T2C
过程控制
热物料
燃料
冷物料 单回路系统(控制炉膛温度)
过程控制
选取炉膛的出口温度为被控对象，选取燃料量为控制参数，构 成如图所示的单回路控制系统。 优点：能及时而有效地克服来自f2(t) 、 f3(t)的干扰。 缺点：炉膛的出口温度控制只起辅助作用；放弃炉出口温度控 制将无法克服来自f1(t) 变化等方面的干扰。
过程控制
G f 2 ( s)G p1 ( s) Y1 ( s) F2 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s) Gc1 ( s)Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s)
G f 2 ( s)G p1 ( s) Y1 ( s) F2 ( s) 1 Gc ( s)Gv ( s )G p 2 ( s)G p1 ( s )Gm ( s)
f3
炉膛 Y2 管壁
f1 物料 Y1
Gm1(s)
控制系统方框图
过程控制
F2 R1 + F1 Y2 Gp1(s) Y1 R2
－
Ym1
Gc1(s)
－
Gc2(s)
Gv(s)
Gp2(s)
Ym2 Gm2(s)
Gm1(s) 控制系统方框图
过程控制
扰动f2(t)、 f3(t)对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（简 称副调节器）构成的控制回路（称为副回路）来克服 扰动f1(t)对炉出口温度的影响由出口温度调节器（称为主调节器） 构成的控制回路（称为主回路）来消除
G 2 ( s ) p K 2 p Tp2 s 1
过程控制
K 2 p Kc2 Kv K p2 1 Kc2 Kv K p2 K m2
等效被控过程的放大系数
Tp 2
Tp 2 1 Kc2 Kv K p2 Km2
等效被控过程的时间常数
在串级控制系统中，由于副回路的存在，改善了原有一部分 对象的特性，使等效副对象的时间常数减小了。时间常数的 减小，意味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时， 响应速度更快，控制质量必然得到提高。 如果匹配得当，副回路可近似为1：1的环节 等效副对象的放大系数减小了，这种减小不仅不会影响控 制质量，反而此时串级控制系统中主控制器放大系数Kc1可 以整定得比单回路系统中更大一些，对提高系统抗干扰能 力更加有利。
如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大（炉出口 温度升高），另一个减小（即炉膛温度降低），此时主、副调 节器控制调节器的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小的 变化即满足控制要求。
过程控制
二、串级控制系统的特点与分析
1、改善了被控过程的动态特性
串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副 回路则为一个随动系统。
Kc2 Kv Ko2 Kc2 Kv Ko2 1 Ko2 1 Kc2 Kv Ko2 K m2 Kc2 Kv Ko2 Km2 K m2
过程控制
5、举例说明
例：设串级控制系统的方框图如图，其中主、副对象的传递 函数分别为：
1 (30s 1)(3s 1) 1 Go 2 ( s) (10s 1)( s 1) 2 Go1 ( s)
串级控制系统的基本术语： 主被控参数Y1、副被控参数Y2、主被控过程（主对象）Gp1(s)、副 被控过程（副对象）Gp2(s)、一次扰动F1、二次扰动F2
过程控制
反应釜温度的单回路控制
过程控制
反应釜简单控制系统框图
过程控制
反应釜温度与夹套温度的串级控制
过程控制
2、串级控制系统的工作过程
当处于稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料的 流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口稳定和炉膛温度 均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口 温度稳定在给定值上 当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。 根据ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ同的扰动，分三种情况讨论：
过程控制
F2
R1 + Gf2(s) Gp2(s)
F1
Gf1(s)
Gc(s)
Gv(s)
+ Gp1(s)
Y1
－
Ym1
Gm(s)
单回路控制系统方框图
G f 2 ( s)G p1 ( s) Y1 ( s) F2 ( s) 1 Gc ( s)Gv ( s )G p 2 ( s)G p1 ( s )Gm ( s)
设：
2
过程控制
G p1 ( s )
K p1 Tp1s 1
, Gc1 ( s ) K c1 , Gm1 ( s ) K m1
Tp1 Tp 2 1 K c1 K 2 K p1 K m1 p s s 0 Tp1T p 2 T p1T p 2
写成标准形式：
2 s 2 20 0 0
主、副调节器的传递函数分别为：
1 Gc1 ( s ) K c1 (1 ) TI s Gc 2 ( s ) K c 2
R1 +
Gc1(s)
R2
F2
Gc2(s) Go2(s)
过程控制
F1
Go1(s) Y1
－
－
串级控制系统方框图
F2
R1 + Gc(s) Go2(s)
F1
Go1(s)
Y1
－
单回路控制系统方框图
Kc=3.7，Ti=38s
衰减率 0.75
0.75
余差
系统工作频率
二次扰动下的最大偏差 一次扰动下的最大偏差
0
0.087 0.27 0.34
0
0.23 0.013 0.13
被加热物料的流量和初温变化f1(t) （一次扰动或主回路 扰动） 扰动f1(t)使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服对 炉出口温度的影响。
由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对炉出口温度的影 响比单回路系统时小。 一次扰动和二次扰动同时存在
过程控制
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 小，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关 小或开度阀门，加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定 值上。
因此可以说，串级控制系统的结构使二次扰动对主参数这一 通道的动态增益明显减小。当二次扰动出现时，很快就被副 调节器所克服。与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰 的影响往往可以减小10100倍。 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。
如果通过调节器的参数整定，使串级控制系统与单回路控制系 统具有相同的衰减率，即=，则：
c d
T p1 1 Tp 2 1 T p1 1 Tp 2
以上结论虽然是依据简单的被控过程(一阶惯性环节)和简单的 调节规律(比例控制)推导得出的，可以证明，这些结论对高阶 被控过程和其他调节规律也是正确的。
过程控制
3、能迅速克服进入副回路扰动的影响
定性分析： 当扰动进入副回路后，首先，副被控变量检测到扰动的影响，并 通过副回路的定值控制作用，及时调节控制变量，使副被控变量 回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减小。即副回 路对扰动进行粗调，主回路对扰动进行细调。因此，串级控制系 统能迅速克服进入副回路扰动的影响。 定量分析：
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：
1 2 Tp1 Tp 2 2 c 0 1 2 Tp1Tp 2
同理，可求得单回路控制系统的工作频率为：
过程控制
1 2 Tp1 Tp 2 d 0 1 2 2 Tp1Tp 2
过程控制
第 五 章
复杂过程控制系统
过程控制
5.1 串级控制
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。