1、1目目 录录6.1 串级控制系统的基本概念6.2 串级控制系统的分析6.3 串级控制系统的设计6.4 串级控制系统的整定6.5 串级控制系统的投运6.6 MATLAB对串级控制系统进行仿真本章小结234 制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300，偏差不得超过5C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。 5 图6-l即为隔焰隧道窑烧成带温度简
2、单控制系统工艺流程图，原理方框图如图6-2所示。 按照我们前面学过的简单控制系统，影响烧成带温度 l的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成 l偏离设定值，控制器就会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的 l 重新调回到设定值。 6 但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。 因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改
3、变燃料流量，对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。 也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。 7 假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等（如图6-2中用D2表示），都是首先进人燃烧室。人们会想，能否
4、通过控制燃烧室温度 2的方法来达到稳定烧成带的温度呢？于是就出现了图6-3所示的以燃烧室温度 2为被控变量的单回路控制系统。 8原料成分、窑车上装载制品的数量以及春夏秋冬、刮风下雨带来环境温度的变化等等（如图6-2中用D1表示）。由于在这个控制系统中，烧成带温度不是被控变量，所以对于干扰D1造成烧成带温度的变化，控制系统无法进行调节。 这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成带温度的影响降低到最小限度。但是，我们也知道，还有直接影响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的9的温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应
5、该是定值控制，起主导作用。而燃烧室温度控制器则起辅助作用 它在克服干扰D2的同时，应该受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值，从而就形成了图6-4所示的串级控制系统。 比较上述两个控制系统，它们各有自己的长处。第一种控制系统包括了所有干扰，第二种控制系统能对主要的和一些次要干上扰提前发现，及早控制。如果能将两个控制系统结合起来，发挥各自优势，另外，控制燃烧室的温度2并不是目的，真正的目的是烧成带10例例6-26-2 下图是单回路控制系统下图是单回路控制系统111213E-3V-1CQCQ1415问题：问题：控制通道容量滞后控制通道容量滞后很大，
6、控制缓慢。很大，控制缓慢。燃料压力或燃燃料压力或燃料的热值变化料的热值变化 影响炉膛温度影响炉膛温度 热传导给原料热传导给原料 影响出口温度影响出口温度15min3min原料出口温度原料出口温度1(t)原料原料1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉1C例例6-46-4 1617炉膛温度炉膛温度变化变化2T、2C回路先改变燃料量回路先改变燃料量1T、 1C回路再改回路再改变燃料量变燃料量出料温度出料温度变化变化解决措施解决措施：在影响出口温度的通：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。制。燃料压力燃料压力变化变化3min原料出口温度原料出口温度1(t)原
7、料原料1C1T燃料燃料管式加热炉管式加热炉2T2C18 所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。这样的控制系统被称为串级控制系统。与图6-4串级控制系统的工艺流程图对应的原理方框图如图 6-5所示。 19206.1.2 串级控制系统的组成串级控制系统的组成1串级控制系统的方框图串级控制系统的方框图 根据隔焰式隧道窑串级控制系统的方框图，可得串级控制系统标准方框图如图6-6所示。 21 2. 串级控制系统有关的术语 主、副回路 在外面的闭合回路称为主回路（主环），在里面的闭合回路称为副回路
8、（副环）。 主、副控制器 处于主回路中的控制器称为主控制器；处于副回路中的控制器称为副控制器。 主、副被控变量 主回路的被控交量称为主被控变量，也称为主变量或主参数；副回路的被控变量称为副被控变量，也称为副变量或副参数。22 主、副对象 主回路所包括的对象称为主对象；副回路所包括的对象称为副对象。 主、副检测变送器 检测和变送主变量的称为主检测变送器；检测和变送副变量的称为副检测变送器。 一、二次干扰进入主回路的干扰称为一次干扰；进人副回路的干扰称为二次干扰。 2324251. 只存在二次干扰 假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所以属于二次干扰D2。例如整个系统处于稳定状
9、态下，突然燃料压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度T1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。262. 只存在一次干扰 假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度1的降低。对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的“反”作用，它的输出必然增大，也就是说副控制器
10、的设定值增大了。因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量（燃烧室的温度2）没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。对于副控制器来说，设定值增大而测量值没变，可以等效为其设定值不变而测量值减小。根据副控制器的“反”作用，其输出将增大，“气开”式的控制阀门开度增大，从而加大燃料的流量，使燃烧室温度2升高，进而使窑道烧成带温度回升至设定值。273. 一次干扰和二次干扰同时存在 两种干扰同时存在又可分为两种不同情况。 一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化，即同时增大或同时减小。 假定一次干扰为窑车的前进速度减小，将引起主变量（烧成带温度） l升高；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量（
11、燃烧室温度） 2也升高。对于主控制器来讲，由于它的测量值升高，根据它的“反作用关系，它的输出将在稳态时的基础上减小，也就是副控制器的设定值将减小。而对于副控制器来讲，由于它的测量值增大，其输出的变化应该根据它的“反”作用以及设定值和测量值的变化方向共同决定。不妨将设定值的变化等效为设定值不变而测量值变化的情况，设定值减小可以等效为设定值不变而测量值增大。根据副控制器的“反”作用关系，上述两种干扰都将使副控制器的输出减小，都要求阀门开度关小。28一次干扰和二次干扰引起主、副变量反方向变化，即一个增大而另一个减小。 假定一次干扰为窑车前进速度增大，引起主变量（烧成带温度） l下降；二次干扰为燃料压
12、力增大，导致副变量（燃烧室温度）T2升高。对主控制器来说，由于其测量值减小，根据其“反”作用关系，它的输出将增大，也将使副控制器的设定值增大。对副控制器来说，由于其测量值增大，设定值也增大，如果它们同步增大，幅度相同，即副控制器的输入信号偏差没有改变，控制器的输出当然也就不变，控制阀开度不变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节。 如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器再根据偏差的性质作小范围调节可将主变量稳定在设定值上。 29 从串级控制系统的工作过程可以看出:u两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳
13、定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。u尤其是对于二次干扰，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步“细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统。 30313233)()()()()()()()()()(1)()()()()()(1)()()()()()(1)()()()(1)()()()(2211122212222221112221221sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsDsYovcomcmovcodmovcovcomcmovcod串(6-1)34)()()()()(1)()()()(211221sGsGsGs
14、GsGsGsGsDsYmoovcod单(6-2)35211222211122( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )dpcvpmcmpcvpGs GsY sD sGs G s Gs GsG s Gs Gs Gs G s Gs21121112( )( )( )( ) 1( )( )( ) ( )( )dpcmpvpG s G sY sD sG s G s G s G s G s36372221omvcKKKK38222222222222222221( )( )( )11111cvpcvpmppppcvpmcvpmKK KKK KKKYSGsTSRST
15、SKK KKKKK KKc2其中，可取较大值，因此2222222222( )( )( )( ),( )1pppccvvmmpY sGsR sKGsGsK ,G (s)=K ,G (s)=KT s副回路看成等效对象：假设：2pP2TT因此有：3940 众所周知，生产过程往往包含一些非线性因素。随着操作条件和负荷的变化，对象的静态增益也将发生变化。因此，在一定负荷下，即在确定的工作点情况下，按一定控制质量指标整定的控制器参数只适应于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化过大，超出这个范围，那么控制质量就会下降。在单回路控制中若不采取其它措施是难以解决的。但在串级系统中情况就不同了，负荷变化引起副回路
16、内个各环节参数的变化，可以较少影响或不影响系统的控制质量。 41 一方面可以用式（6-3）所表示的等效副对象的来表示，即等效对象的传递函数为一般情况下， ，因此 （6-13） )()()()(1)()()()()()(22222222sGsGsGsGsGsGsGsRsYsGmovcovco1)()()()(222sGsGsGsGomvc)(1)(22sGsGmo42由式（6-13）可知： 串级系统中的等效对象仅与测量变送装置有关。如果副对象或调节阀的特性随负荷变化时，对等效对象的影响不大。只要测量变送环节进行了线性化处理，副对象和调节阀的非线性特性对整个系统的控制品质影响是很小的。 因而在不改
17、变控制器整定参数的情况下，系统的副回路能自动地克服非线性因素的影响，保持或接近原有的控制质量。43另一方面，由于副回路通常是一个流量随动系统，当系统操作条件或负荷改变时，主控制器将改变其输出值，副回路能快速跟踪及时而又精确地控制流量，从而保证系统的控制品质。 从上述两个方面看，串级控制系统对负荷的变化有一定自适应能力。 综上所述，可以将串级控制系统具有较好的控制性能的原因归纳为： 对二次干扰有很强的克服能力；对二次干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。对负荷或操作条件的变化有一定自适
18、应能力。 44 如果把串级控制系统中整个闭环副回路作为一个等效对象来考虑，可以看到主回路与一般单回路控制系统没有什么区别，主变量的选择原则与单回路控制系统的选择原则是一致的，无须特殊讨论。454647484950222( )2nnnG ss5122=1-;=1-2dnrn1 23r522312121rdrd或531122123dddd或2211123dddd或54 55565758 与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现正常运行，其主、副回路都必须构成负反馈，因而必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式。(1) 副控制器正、反作用的选择 串级控制系统中，副控制器作用方式的选择，是根据工艺安
19、全等要求，在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成副反馈系统的原则来确定的。因此，副控制器的作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关。59 在假定副测量变送装置的增益为正的情况下，副控制器正反作用选择的判别式为 （副控制器增益）（调节阀）（副对象增益） =（+）其中，调节阀的“”取决于它的“气开”还是“气关”作用方式，“气开”为“+”，“气关”为“-”；而副对象的“”取决于控制变量和副被控变量的关系，控制变量增大，副被控变量也增大时称其为“+”，否则称其为“-”。 60(2) 主控制器正、反作用的选择 串级控制系统中，主控制器作用方式的选择完全由工艺情况确定，而与调节阀的气开、
20、气关形式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据主对象的特性，选择即只需根据主对象的特性，选择与其作用方向相反的主控制器就行了。与其作用方向相反的主控制器就行了。 由于副回路是一个随动控制系统，在选择主控制器的作用方式时，首先把整个副回路简化为一个环节，该环节的输入信号与输出信号之间总是正作用，即输入增加，输出亦增加。因此，整个副回路可看成为一个增益为整个副回路可看成为一个增益为正的环节。正的环节。61 这样，在假定主测量变送装置的增益为正的情况下，主控制器正、反作用的选择实际上只取决于主对象的增益符号. 主控制器正反作用方式选择的判别式为 （主控制器增益） (主对象增益）=（+） 由这个判别
21、式也可看出，主控制器的作用方向与主对象的特性相反。即当主对象为正作用时，主控制器选反作用；而当主对象为负作用时，主控制器选正作用。62 在此还应说明一点，有些生产过程要求控制系统既可以进行申级控制，又可以由主控制器单独控制。两种控制方式切换时，要注意主控制器的正、反作用方式是否需要改变。 如果副控制器是反作用，切换时主控制器的作用方式无需改变；如果副控制器是正作用，切换时主控制器的作用方式必须改变。这一点在实施中要特别注意（见下表）。 63主、副调节器正、反作用方式的确定及切换主、副调节器正、反作用方式的确定及切换 表表5-1 主副调节器作用方向主副调节器作用方向643. 防止控制器积分饱和的
22、措施防止控制器积分饱和的措施 对于具有积分作用的控制器，当系统长时间存在偏差而不能消除时，控制器将出现积分饱和现象。这一现象将造成系统控制品质下降甚至失控。在串级控制系统中，如果副控制器只是P作用，而主控制器是PI或PID控制时，出现积分饱和的条件与单回路控制系统相同，利用外部积分反馈法，只要在主控制器的反馈回路中加一个间歇单元就可以有效地防止积分饱和。65666768 在一般情况下，既然主、副环的频率相差很多，互相之间的影响不大，这时就可以首先在主环开路的情况下，接通常整定简单控制系统的方法整定副调节器。然后，在投入副调节器的情况下，再按通常方法把主调节器整定好。 由于受到副参数选择的限制，
23、主、副环的频率比较接近时，它们之间的影响就比较大了。在这种情况下，就需要在主、副环之间反复进行试凑，才能达到最佳的整定。这样的反复试凑是很麻烦的。 下面介绍两种串级系统整定的方法。697071727374 两步整定法虽然比逐步逼近法简便得多，但仍然要分两步进行整定，要寻求两个4：1的衰减振荡过程。因而仍比较麻烦。 人们在采用两步法整定参数的实践中，对两步法反复进行总结、简化，从而得到了一步整定法。 所谓一步整定法，就是根据经验先确定副控制器的比例度，然后按照单回路控制系统的整定方法整定主控制器的参数。一步法的整定准确性虽然比两步法低一些，但由于方法更简便，易于操作和掌握，因而在工程上得到了广泛
24、的应用。 75 一步整定法是在工程实践中被发现的。对于一个串级控制系统，在纯比例控制的情况下，要得到主变量的4：1衰减振荡过程，主、副控制器的放大系数Kc1、Kc2可以有好几组搭配，它们的相互关系近似满足Kc1Kc2=Ks（常数），如表6-2所示的实验数据可以说明这一点。7677 当采用1至3组整定参数时，主变量均可得到4：1衰减振荡过程，且过渡过程时间均在9min左右，而Ks一般为3.3。这说明主、副控制器的放大系数可以在一定范围内任意匹配，而控制效果基本相同。这样就可以依据经验，先将副控制器的比例度确定一个数值，然后按一般单回路控制系统参数整定方法整定主控制器的参数。虽然副控制器按经验设置
25、的比例度不一定很合适，但可以通过调整主控制器的比例度进行补偿，使主变量最终得到4：1的衰减振荡过程。78 一步整定法的具体步骤： 由以上方法选择副控制器的比例度久，使副回路按纯比例控制运行。 将系统投人申级控制状态运行，按单回路控制系统参数整定的方法对主控制器进行参数整定，使主变量的控制品质最佳。 796.5 串级控制系统的投运 选用不同类型的仪表组成的串级控制系统，投运方法也有所不同，但是所遵循的原则基本上都是相同的。 其一是投运顺序，串级控制系统有两种投运方式：一种是先投副回路后投主回路；另一种是先投主回路后投副回路。目前一般都采用“先投副回路，后投主回路”的投运顺序； 其二是和简单控制系
26、统的投运要求一样，在投运过程中必须保证无扰动切换。80 这里以DDZ-III型仪表组成的串级控制系统的投运方法为例，介绍其投运顺序。具体投运步骤如下所述。(1) 将主、副控制器的切换开关部置于手动位置，主控制器设置为“内给（定）”，并设置好主设定值，副控制器设置为“外给（定）”，并将主、副控制器的正、反作用开关置于正确的位置；(2) 在副控制器处于软手动状态下进行遥控操作，使生产处于要求的工况，即使主变量逐步在主设定值附近稳定下来；(3) 调整副控制器手动输出至偏差为零时，将副控制器切换到“自动”位置；(4) 调整主控制器的手动输出至偏差为零时，将主控制器切入“自动”。这样就完成了串级控制系统
27、的整个投运工作，而且投运过程是无扰动的。 8111( )(301)(31)pGsss221( )(101)(1)pGsss6.6 利用MATLAB对串级控制系统进行仿真例6-1 某隧道窑系统，构成以烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统，假设主、副对象传递函数分别为；试采用串级控制设计主、副PID控制器的参数，给出整定后系统的阶跃响应特性曲线，并与等效的单回路控制系统进行比较。 82解解 1）单回路控制系统(1) 利用NCD Outport模块，首先建立如图6-12所示的单回路PID控制系统的Simulink结构图。 83842）串级控制系统(1) 设定控制系统所用主、副控制器的传
28、递函数分别为：221111)(;111 )(ccdiccKsGsTsTKsG(2) 利用NCD Outport模块，建立如图6-15所示的串级控制系统的Simulink结构图。 85 由以上可知，利用NCD Outport模块所得串级控制系统的调节过程和性能指标明显比单回路控制系统好。 86例例6-2 针对例6-1整定好的隧道窑串级控制系统，试分析串级控制系统与等效单回路控制系统的抗干扰能力。图6-19 串级系统对副回路的抗干扰特性曲线图6-21 单回路控制系统的抗干扰特性曲线 87本章小结n 串级控制系统，是一种具有两个闭合回路的复杂控制系统，它采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵调节阀。n串级控制系统的优点。n掌握串级控制系统的设计（副参数选择，控制器的 选型）、框图、 分析（正反作用）。
