1、 序序 前面我们介绍了单回路控制系统，单回路控制系统基本上可前面我们介绍了单回路控制系统，单回路控制系统基本上可满足大量（满足大量（70%到到 80%）定值控制的要求。在对象：）定值控制的要求。在对象： 1.纯滞后不大；纯滞后不大； 2.容积滞后不大（阶数不多）；容积滞后不大（阶数不多）； 3.无严重的非线性因素；无严重的非线性因素； 4.干扰不是太多太复杂；干扰不是太多太复杂； 的情况下，采用单回路控制系统一般可以达到很好的控制效果。的情况下，采用单回路控制系统一般可以达到很好的控制效果。 但对某些比较复杂的被控对象，它们不完全具备以上四个但对某些比较复杂的被控对象，它们不完全具备以上四个
2、条件，或者在调节质量要求较高的场合，单回路控制系统就无条件，或者在调节质量要求较高的场合，单回路控制系统就无 能为力了。这时，必须借助于较复杂的控制系统。我们将除单能为力了。这时，必须借助于较复杂的控制系统。我们将除单 回路控制系统之外的常规控制系统，统称为复杂控制系统。回路控制系统之外的常规控制系统，统称为复杂控制系统。 一般的复杂控制（多回路）系统包括：一般的复杂控制（多回路）系统包括： 串级控制系统串级控制系统 前馈控制系统前馈控制系统 比值控制系统比值控制系统 均匀控制系统均匀控制系统 选择性控制系统选择性控制系统 分程控制系统分程控制系统 阀位控制系统阀位控制系统先进控制系统先进控制
3、系统 具有大纯滞后过程的控制系统具有大纯滞后过程的控制系统 模型预测控制模型预测控制 自适应、鲁棒与推断控制自适应、鲁棒与推断控制 非线性过程控制非线性过程控制 智能控制（模糊控制、神经网络控制、专家系统）智能控制（模糊控制、神经网络控制、专家系统） 监督控制监督控制 Cascade Control System本章的主要内容本章的主要内容6.1.1 6.1.1 基本原理和结构基本原理和结构 一、举例说明串级控制系统的概念一、举例说明串级控制系统的概念 二、方块图及常用名词二、方块图及常用名词6.1.2 6.1.2 串级控制系统分析串级控制系统分析 一、串级控制系统的特点一、串级控制系统的特点
4、 二、串级控制系统的适用场合二、串级控制系统的适用场合6.1.3 6.1.3 串级控制系统设计串级控制系统设计 一、副变量的选择一、副变量的选择 二、主副控制器的选择二、主副控制器的选择 三、主副控制器正反作用的确定三、主副控制器正反作用的确定 四、系统的投运和参数整定四、系统的投运和参数整定 例例1 1、单容水箱液、单容水箱液位高度的控制位高度的控制扰动来自两个方面：扰动来自两个方面：入水口流量和出水口入水口流量和出水口负荷流量。负荷流量。当入水口流量为主要当入水口流量为主要扰动时可采用串级控扰动时可采用串级控制系统。其中流量控制系统。其中流量控制回路主要用于克服制回路主要用于克服入口流量的
5、扰动。液入口流量的扰动。液位控制回路主要用于位控制回路主要用于克服所有扰动以达到克服所有扰动以达到控制液位的高度的目控制液位的高度的目的的例例2 2 加热炉出口加热炉出口 温度控制系统温度控制系统扰动来自三方面：扰动来自三方面：原料油入口温度和流量原料油入口温度和流量d1d1、 管壁的结垢程度与导热状管壁的结垢程度与导热状况况d2d2、 炉膛压力，燃油热值变化炉膛压力，燃油热值变化d3d3等。等。 对象可控因素有两类：对象可控因素有两类：燃料气压力和流量、燃料气压力和流量、 炉膛压力和温度。炉膛压力和温度。可组成串级系统如图。可组成串级系统如图。例例3 3 一个用泵抽送的化学反应器的串级控制系
6、统一个用泵抽送的化学反应器的串级控制系统例例4 4 精馏塔蒸汽流量和提馏段温度控制系统精馏塔蒸汽流量和提馏段温度控制系统操作变量为蒸汽流量。主要扰动为：操作变量为蒸汽流量。主要扰动为： 蒸汽控制阀的阀前压力（蒸汽回路的主要扰动）、蒸汽控制阀的阀前压力（蒸汽回路的主要扰动）、进料量变化（温度回路的主要扰动）进料量变化（温度回路的主要扰动）提馏段温度与蒸汽流量串级控制系统方块图提馏段温度与蒸汽流量串级控制系统方块图下图所示的是串级控制系统的方块图，下图所示的是串级控制系统的方块图，主调节器副调节器调节阀副对象主对象副测量变送器主测量变送器+-+Red1d2y二、二、 方块图及常用名词方块图及常用名
7、词 定义：两个调节器串联工作，主调节器的输出作为副调节器定义：两个调节器串联工作，主调节器的输出作为副调节器 的给定值，副调节器操纵阀门动作的系统结构称为串级的给定值，副调节器操纵阀门动作的系统结构称为串级 控制系统。控制系统。 两大特点：主调节器的输出作为副调节器的给定值；两大特点：主调节器的输出作为副调节器的给定值； 两个控制回路为嵌套关系。两个控制回路为嵌套关系。 串级系统于是有：串级系统于是有： 两个对象，两个对象， 两个测量变送，两个测量变送， 两个调节器，两个调节器， 一个一个 阀门。阀门。常用名词介绍常用名词介绍 主调节器：按主参数与给定值的偏差工作，其输出为副调主调节器：按主参
8、数与给定值的偏差工作，其输出为副调 节器的设定，在系统中起主导作用。节器的设定，在系统中起主导作用。 副控制器：按副参数与主调节器的输出之偏差工作，其输副控制器：按副参数与主调节器的输出之偏差工作，其输 出直接操纵阀门。出直接操纵阀门。 主参数：生产过程要求控制的工艺参数，如主参数：生产过程要求控制的工艺参数，如 y。 副参数：为了稳定主参数或因某种需要而引入的副参数：为了稳定主参数或因某种需要而引入的 辅助参数。辅助参数。 主回路：框图中的外环称为主环或主回路。主回路：框图中的外环称为主环或主回路。 副回路：框图中的内环称为副环或副回路。副回路：框图中的内环称为副环或副回路。 主对象：主回路
9、所包含的对象称为主对象。主对象：主回路所包含的对象称为主对象。 副对象：副回路所包含的对象称为副对象。副对象：副回路所包含的对象称为副对象。 主变送器：测量和转换主参数的变送器称为主变送器：测量和转换主参数的变送器称为 主变送器。主变送器。 副变送器：测量和转换副参数的变送器称为副变送器：测量和转换副参数的变送器称为 副变送器。副变送器。 一次干扰：被主回路所包含的干扰称为一次干扰。一次干扰：被主回路所包含的干扰称为一次干扰。 二次干扰：被副回路所包含的干扰称为二次干扰。二次干扰：被副回路所包含的干扰称为二次干扰。例例1 1 加热炉出口温度与燃料油（气）压力串级控制系统加热炉出口温度与燃料油（
10、气）压力串级控制系统6.1.2 6.1.2 串级控制系统分析串级控制系统分析例例2 2 一个加热原料油的加热炉，出口温度与燃料油（气）一个加热原料油的加热炉，出口温度与燃料油（气） 流量的串级控制系统流量的串级控制系统 TT TC FC FT主变送器主变送器副变送器副变送器主控制器主控制器副控制器副控制器燃料燃料工艺物料流工艺物料流 方案一：可构成如图所示的单回路控制系统方案一：可构成如图所示的单回路控制系统 对象的调节通道包括：炉膛，管壁和被加热物料。对象的调节通道包括：炉膛，管壁和被加热物料。 干扰因素包括：干扰因素包括： 被加热介质流量，温度等；被加热介质流量，温度等； 管壁的结垢程度与
11、导热状况；管壁的结垢程度与导热状况； 炉膛压力，燃油压力与燃油热值。炉膛压力，燃油压力与燃油热值。 出口温度炉膛测量变送被加热物料f1y管壁f3f2壁温炉温燃料油量调节器调节阀f1f3f2 矛盾（存在问题）：调节通道矛盾（存在问题）：调节通道 与与 T 都大，都大，显然，系统显然，系统 调节通道长，时间常数大，调节作用不及时，抗干扰能力差，调节通道长，时间常数大，调节作用不及时，抗干扰能力差， 影响到控制精度。而出口温度又要求较高，难以满足要求。影响到控制精度。而出口温度又要求较高，难以满足要求。 方案二：将较长的对象分为主副两段对象，采用分段控制构方案二：将较长的对象分为主副两段对象，采用分
12、段控制构 成串级系统。成串级系统。主调节器副测量变送器主测量变送器+-副调节器调节阀+-副对象炉温壁温炉膛3f出口温度被加热物料y1f主对象2f管壁燃料油量 1 1、 由于副环的存在，对于进入副环的干扰由于副环的存在，对于进入副环的干扰 （二次扰动）具有较强的抑制能力；（二次扰动）具有较强的抑制能力； 设副对象的传递函数为设副对象的传递函数为 ，采用比例控制，采用比例控制， 放大倍数为放大倍数为 。一、串级控制系统的特点一、串级控制系统的特点K2T s +12Kc2例1串级控制系统从串级控制系统从总体上总体上看，仍然看，仍然是是一个一个定值系统定值系统。因此，主变量在扰动作用下的。因此，主变量
13、在扰动作用下的过渡过程过渡过程和单回路具有相同的品质指标和单回路具有相同的品质指标。但是，由于在结构上，从对象中引出了。但是，由于在结构上，从对象中引出了中间变量（即副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点中间变量（即副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。 传递函数为：传递函数为： Km2D2YKvK2T2s +1Kc22 22222222111cvmY sKT sD sK K K KT s222222222221111cvmcvmcvmKK K K KKTsK K K KTsK K K K 采用了串级控制以后，当二次干扰采用了串级控制以后，当二次干扰D2D2从控制（调节通道）的从
14、控制（调节通道）的 输入端进入副回路后，首先影响副参数，于是副回路立即动作输入端进入副回路后，首先影响副参数，于是副回路立即动作 与原来副对象的传递函数相比与原来副对象的传递函数相比 ，T T与与 K K 分别减小到原来的分别减小到原来的 倍。在受到同样干扰的条件下，倍。在受到同样干扰的条件下， Y Y 所受的影响要小得多，因而使所受的影响要小得多，因而使 Y Y 所受的影响也小得多所受的影响也小得多。 2. 2. 改善了整个对象的动态特性（使改善了整个对象的动态特性（使 T T与与 K K 都缩小）；都缩小）； 显而易见，串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部显而易见，串级系统用一个闭合的
15、副回路代替了原来一部 分对象（广义对象，包括阀门），与另一部分对象串联。所以，整个对象特分对象（广义对象，包括阀门），与另一部分对象串联。所以，整个对象特性性 T T 与与 K K 也分别减小。也分别减小。 211+K K K K vm22c21由于副环的存在，改善了对象特性，提高了工作频率。由于副环的存在，改善了对象特性，提高了工作频率。 22222222222222222222122222111 11111cvcvcvmcvmcvmcvmcvK K KK K KK K KK K K KY sTsKK K K KTC sTsK K K KT ssK K K KTs Km2KvKc2T 1s
16、+1Y2Y1K12KT s +12Kc1Km1C1对整个系统求传递函数，由已知串级特征公式：对整个系统求传递函数，由已知串级特征公式：1 + k = 0与标准二阶系统相比与标准二阶系统相比串级工作频率串级工作频率 1121211011cmKKKKTsT s111221110cmT sTsKKKK11212122110cmT TsTTsKKKK12122nTTT T2212121 12 nTTTT再看相应的单回路系统，由已知串级特征公式：再看相应的单回路系统，由已知串级特征公式：1 + k = 0所以，所以，单回路工作频率单回路工作频率1121211011cvmKKKKKT sT s111221
17、110cvmTsT sKKKKK1121 2122110cvmT T sTT sKK KK KKvT s +11YK12KT s +12Kc1Km1121 22nTTTT221212112nTTT T 要想得到相同的衰减比，则：要想得到相同的衰减比，则： = 所以，所以，因为：因为：所以所以 ，即，即 。同样的衰减比，而工作频率高，意味着调节周期短，对象特性同样的衰减比，而工作频率高，意味着调节周期短，对象特性被改善。被改善。21212122121 21212 1112TTTTT TTTTTT T2222221mcvTTTKKKK1122TTTT 3. 加快了副环的响应速度，提高了系统的工作频
18、率。加快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。 通常情况下，副对象是单容或双容对象。因此，副调节器的增益通常情况下，副对象是单容或双容对象。因此，副调节器的增益 可以取得很大，这样等效时间常数可以减小，从而加快了副环的响应可以取得很大，这样等效时间常数可以减小，从而加快了副环的响应 速度，提高系统的工作频率。速度，提高系统的工作频率。4. 副回路的随动特性使串级系统具有一定的自适应能力。副回路的随动特性使串级系统具有一定的自适应能力。 主回路主回路 定值系统定值系统 副回路副回路 随动系统随动系统 主调节器按负荷和操作条件的变化不断地纠正副调节器的给定值，使副调节主调节器按负荷和操作条件的变
19、化不断地纠正副调节器的给定值，使副调节器的给定值适应负荷的变化。如果对象有较大的非线性存在，把这部分包含器的给定值适应负荷的变化。如果对象有较大的非线性存在，把这部分包含到副回路中去，则当负荷或操作条件变化时，必然使副回路的工作点移动而到副回路中去，则当负荷或操作条件变化时，必然使副回路的工作点移动而影响副回路的稳定裕度，即影响副回路的衰减率。但在串级系统中，副回路影响副回路的稳定裕度，即影响副回路的衰减率。但在串级系统中，副回路衰减率的变化对整个系统的稳定性影响很小，所以从这个意义上说，串级系衰减率的变化对整个系统的稳定性影响很小，所以从这个意义上说，串级系统能适应不同负荷变化和操作条件的改
20、变。统能适应不同负荷变化和操作条件的改变。 克服进入内环的扰动克服进入内环的扰动D2串级和单回路比较串级和单回路比较克服进入外环的扰动克服进入外环的扰动D1D1的情况的情况二、二、 串级控制系统的适用场合串级控制系统的适用场合1 1、过程纯滞后比较大，单回路不能满足调节质量。、过程纯滞后比较大，单回路不能满足调节质量。2 2、过程容积滞后较大，用单回路时过渡过程时间太长，调、过程容积滞后较大，用单回路时过渡过程时间太长，调节质量差。节质量差。3 3、系统中进入激烈且幅值较大的干扰，单回路抗干扰能力、系统中进入激烈且幅值较大的干扰，单回路抗干扰能力不足。不足。4 4、对象具有较大的非线性特性，且
21、负荷变化较大。、对象具有较大的非线性特性，且负荷变化较大。5 5、操作变量或调节阀具有较大的非线性特性。、操作变量或调节阀具有较大的非线性特性。6.1.3 6.1.3 串级控制系统设计串级控制系统设计一、主、副变量的选择一、主、副变量的选择 1 1、副变量的选择、副变量的选择 从对象中能引出中间变量是设计串级系统的前提条件。从对象中能引出中间变量是设计串级系统的前提条件。 当可有多个中间变量时，一般选择：当可有多个中间变量时，一般选择： （1 1）、将主要扰动或更多的扰动包括在副回路中。）、将主要扰动或更多的扰动包括在副回路中。 （2 2）、副对象的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应性能。）
22、、副对象的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应性能。 （3 3）、将对象中具有显著非线性或时变特性的一部分归于副对象中。）、将对象中具有显著非线性或时变特性的一部分归于副对象中。 （4 4）、需要流量实现精确的跟踪时，可选流量为副变量）、需要流量实现精确的跟踪时，可选流量为副变量。 2 2、主副对象时间常数要错开主副对象时间常数要错开 避免由于主、副回路工作频率相近而产生共振。避免由于主、副回路工作频率相近而产生共振。 一般应使一般应使 T T主主 3 3 5 T 5 T副。副。二、二、 主、副调节器控制规律主、副调节器控制规律的选择：的选择： 主调节器的控制规律与单回路时选择相同，主调节器的
23、控制规律与单回路时选择相同，P、I、D。 副调节器的控制规律一般选用纯比例副调节器的控制规律一般选用纯比例 控制。控制。 且且K大大（ 小小）以加强对干扰的抑制。）以加强对干扰的抑制。三、三、 主、副调节器正、反作选择主、副调节器正、反作选择 保证闭环负反馈保证闭环负反馈四、四、 系统系统投运和参数整定投运和参数整定 1 1、 两步法：先副环、后主环。两步法：先副环、后主环。 （用衰减曲线法求（用衰减曲线法求 1s 1s、 2s 2s） a. a. 将主调节器将主调节器 100%100%，Ti = Ti = ，Td = 0Td = 0 ； 用衰减曲线法整定副回路，求出副回路的用衰减曲线法整定副
24、回路，求出副回路的 比例度比例度 2s 2s 和工作周期和工作周期T2s T2s 。 b. b. 把副回路看成是主回路的一个环节，用衰减曲线法整定主环把副回路看成是主回路的一个环节，用衰减曲线法整定主环 求出主回路的比例度求出主回路的比例度 1s 1s 和工作周期和工作周期T1s T1s 。 c. c. 根据根据 1s 1s、 2s 2s 和和T1sT1s、 T2s T2s的数据按书中的数据按书中110110页页 表表5 53 3、表、表5 54 4分别求出调节器的整定参数。分别求出调节器的整定参数。 先投运主环，再投运副环。先投运主环，再投运副环。 2 2、一步法、一步法 将串级系统看成是两
25、个控制器串联的单回路系统。总的将串级系统看成是两个控制器串联的单回路系统。总的K K为为 K = Kc1 K = Kc1 Kc2 Kc2 ，按表按表6 61 1（书第（书第131131页）先选定页）先选定Kc2Kc2，然后与整定，然后与整定 单回路一样整定主调节参数，单回路一样整定主调节参数，3 3、逐步逼近法、逐步逼近法 先副环，后主环，逐步逼近所需数值。先副环，后主环，逐步逼近所需数值。 第一步：断开主环，按单回路方法整定副控制器参数；第一步：断开主环，按单回路方法整定副控制器参数； 第二步：闭合主环，把副环看成是主环等效对象的一部分第二步：闭合主环，把副环看成是主环等效对象的一部分 按单回路整定主控制器参数；按单回路整定主控制器参数； 第三步：再副第三步：再副 主主 副副 主，主， 如此往复，直到满意为止如此往复，直到满意为止。精品课件精品课件！精品课件精品课件！习题习题 试设计反应釜温度和夹套水温的串级控制系统试设计反应釜温度和夹套水温的串级控制系统
