第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

1、2021-12-12 趙小強(qiáng)趙小強(qiáng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:382掌握串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法掌握串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 了解串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法了解串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法第7章 串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:393蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.1 第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)是提串級(jí)控制系統(tǒng)是提高過程控制品質(zhì)非高過程控制品質(zhì)非常有效的方案之一常有效的方案之一 串級(jí)控制的提出： 簡單控制系統(tǒng)

2、已不能滿足工藝要求的情況下產(chǎn)生的。 5:45:394將燒成帶的溫度作為被控變量，將燃料的流量作為操縱變量。 如果火焰直接在窯道燒成帶燃燒，燃燒氣體中的有害物質(zhì)將會(huì)影響產(chǎn)品的光澤和顏色，就出現(xiàn)了隔焰式隧道窯。 火焰在燃燒室中燃燒，熱量經(jīng)過隔焰板輻射加熱燒成帶。 簡單控制系統(tǒng)，影響燒成帶溫度T1的各種干擾因素都被包括在控制回路當(dāng)中，只要干擾造成Tl偏離設(shè)定值，控制器就會(huì)根據(jù)偏差的情況，通過控制閥改變?nèi)剂系牧髁?，從而把變化了的Tl重新調(diào)回到設(shè)定值。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:395原因就是從控制閥到窯道燒成帶滯后時(shí)間太大

3、，如果燃料的壓力發(fā)生波動(dòng)，盡管控制閥門開度沒變，但燃料流量將發(fā)生變化，必將引起燃燒室溫度的波動(dòng)，再經(jīng)過隔焰板的傳熱、輻射，引起燒成帶溫度的變化。因?yàn)橹挥袩蓭囟瘸霈F(xiàn)偏差時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)干擾的存在，所以對(duì)于燃料壓力的干擾不能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)。 燒成帶溫度出現(xiàn)偏差后，控制器根據(jù)偏差的性質(zhì)立即改變控制閥的開度，改變?nèi)剂狭髁?，?duì)燒成帶溫度加以調(diào)節(jié)。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:396可是這個(gè)調(diào)節(jié)作用同樣要經(jīng)歷燃燒室的燃燒、隔焰板的傳熱以及燒成帶溫度的變化這個(gè)時(shí)間滯后很長的通道，當(dāng)調(diào)節(jié)過程起作用時(shí)，燒成帶的溫度已偏離設(shè)定值很遠(yuǎn)了。即使

4、發(fā)現(xiàn)了偏差，也得不到及時(shí)調(diào)節(jié)，造成超調(diào)量增大，穩(wěn)定性下降。 如果燃料壓力干擾頻繁出現(xiàn)，對(duì)于單回路控制系統(tǒng)，不論控制器采用PID的什么控制作用，還是參數(shù)如何整定，都得不到滿意的控制效果。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:397假定燃料的壓力波動(dòng)是主要干擾，發(fā)現(xiàn)它到燃燒室的滯后時(shí)間較小、通道較短，而且還有一些次要干擾，例如燃料熱值的變化、助燃風(fēng)流量的改變以及排煙機(jī)抽力的波動(dòng)等等(D2表示)，都是首先進(jìn)入燃燒室。 能否通過控制燃燒室溫度T2的方法來達(dá)到穩(wěn)定燒成帶的溫度呢? 于是就出現(xiàn)了圖示的以燃燒室溫度T2為被控變量的單回路控

5、制系統(tǒng)。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:408這種控制系統(tǒng)對(duì)于上述的干擾有很強(qiáng)的抑制作用，不等到它們影響燒成帶溫度，就被較早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)進(jìn)行控制，將它們對(duì)燒成帶溫度的影響降低到最小限度。 直接影響燒成帶溫度的干擾，例如窯道中裝載制品的窯車速度、制品的原料成分、窯車上裝載制品的數(shù)量以及春夏秋冬、刮風(fēng)下雨帶來環(huán)境溫度的變化等等(D1表示)。 在這個(gè)控制系統(tǒng)中，燒成帶溫度不是被控變量，所以對(duì)于干擾造成燒成帶溫度的變化，控制系統(tǒng)無法進(jìn)行調(diào)節(jié)。上述兩個(gè)控制系統(tǒng)，它們各有自己的長處。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章

6、章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:409第一種控制系統(tǒng)包括了所有干擾， 第二種控制系統(tǒng)能對(duì)主要的和一些次要干擾提前發(fā)現(xiàn)，及早控制。 如果能將兩個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，不是兩全其美嗎! 另外，控制燃燒室的溫度T2并不是目的，真正的目的是燒成帶的溫度穩(wěn)定不變，所以燒成帶溫度控制器應(yīng)該是定值控制，起主導(dǎo)作用。 而燃燒室溫度控制器則起輔助作用，它在克服干擾D1的同時(shí)，應(yīng)該受燒成帶溫度控制器的操縱，操縱方法就是燒成帶溫度控制器的輸出作為燃燒室溫度控制器的設(shè)定值，從而就形成了串級(jí)控制系統(tǒng)。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工

7、大學(xué)電信學(xué)院5:45:4010就是采用兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對(duì)主被控變量具有更好的控制效果。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4011串級(jí)控制系統(tǒng)的組成 一、二次干擾一、二次干擾主、副回路主、副回路主、副檢測變送器主、副檢測變送器主、副對(duì)象主、副對(duì)象主、副控制器主、副控制器主、副被控變量主、副被控變量串級(jí)控制系串級(jí)控制系統(tǒng)的組成統(tǒng)的組成過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:40123 在

8、外面的閉合回路稱為主回路在外面的閉合回路稱為主回路(主環(huán)主環(huán))， 在里面的閉合回路稱為副回路在里面的閉合回路稱為副回路(副環(huán)副環(huán))。主、副回路主、副回路主、副控制器主、副控制器處于主回路中的控制器稱為主處于主回路中的控制器稱為主控制器；控制器； 于副回路中的控制器稱為副控于副回路中的控制器稱為副控制器。制器。 主、副被控變量主、副被控變量主回路的被控變量稱為主被控主回路的被控變量稱為主被控變量，也稱為主變量或主參數(shù)；變量，也稱為主變量或主參數(shù)； 副回路的被控變量稱為副被控副回路的被控變量稱為副被控變量，也稱為副變量或副參數(shù)。變量，也稱為副變量或副參數(shù)。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7

9、 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4013過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:41143 檢測和變送主變量的稱為主檢檢測和變送主變量的稱為主檢測變送器；測變送器； 檢測和變送副變量的稱為副檢檢測和變送副變量的稱為副檢測變送器。測變送器。主、副檢測變送器主、副檢測變送器3 進(jìn)入主回路的干擾稱為一次干進(jìn)入主回路的干擾稱為一次干擾；擾； 進(jìn)入副回路的干擾稱為二次干進(jìn)入副回路的干擾稱為二次干擾。擾。 一、二次干擾一、二次干擾主、副對(duì)象主、副對(duì)象主回路所包括的對(duì)象稱為主對(duì)主回路所包括的對(duì)象稱為主對(duì)象；象；

10、 副回路所包括的對(duì)象稱為副對(duì)副回路所包括的對(duì)象稱為副對(duì)象。象。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4115串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程 是由兩個(gè)控制器串聯(lián)工作的，只有副控制器的輸出去是由兩個(gè)控制器串聯(lián)工作的，只有副控制器的輸出去操縱控制閥，兩個(gè)控制器能否協(xié)調(diào)一致地工作，會(huì)不會(huì)操縱控制閥，兩個(gè)控制器能否協(xié)調(diào)一致地工作，會(huì)不會(huì)發(fā)生矛盾，以隔焰式隧道窯溫度串級(jí)控制系統(tǒng)為例來加發(fā)生矛盾，以隔焰式隧道窯溫度串級(jí)控制系統(tǒng)為例來加以說明。以說明。 考慮到生產(chǎn)的安全，控制閥選擇考慮到生產(chǎn)的安全，控制閥選擇“氣開氣開”工作方式。工作方式。 兩個(gè)控制

11、器都選擇兩個(gè)控制器都選擇“反反”作用方式。作用方式。7.2 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:41(1)只存在二次干擾只存在二次干擾 假定系統(tǒng)只受到來自燃料壓力波動(dòng)的干擾。由于它假定系統(tǒng)只受到來自燃料壓力波動(dòng)的干擾。由于它進(jìn)入副回路，所以屬于二次干擾進(jìn)入副回路，所以屬于二次干擾D2D2。例如整個(gè)系統(tǒng)處于。例如整個(gè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下，突然燃料壓力升高，這時(shí)盡管控制閥門開穩(wěn)定狀態(tài)下，突然燃料壓力升高，這時(shí)盡管控制閥門開度沒變，可燃料的流量增大了，首先將引起燃燒室溫度度沒變，可燃料的流量增大了，首先將引起燃燒室溫度T2T2升高，

12、經(jīng)副溫度檢測變送器后，副控制器接受的測量升高，經(jīng)副溫度檢測變送器后，副控制器接受的測量值增大。由于燃料流量的變化，并不能立即引起燒成帶值增大。由于燃料流量的變化，并不能立即引起燒成帶溫度溫度TlTl的變化。的變化。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4117 如果這個(gè)干擾幅度并不大，經(jīng)副回路的調(diào)節(jié)，很快得到如果這個(gè)干擾幅度并不大，經(jīng)副回路的調(diào)節(jié)，很快得到克服，不至于引起主變量克服，不至于引起主變量(燒成帶溫度燒成帶溫度T1)的改變。的改變。 如果這個(gè)干擾作用比較強(qiáng)，盡管副回路的控制作用已大如果這個(gè)干擾作用比較強(qiáng)，盡管副回路的

13、控制作用已大大削弱了它對(duì)主變量的影響，但隨著時(shí)間的推移，主變大削弱了它對(duì)主變量的影響，但隨著時(shí)間的推移，主變量仍然會(huì)受到它的影響偏離了穩(wěn)態(tài)值而升高。量仍然會(huì)受到它的影響偏離了穩(wěn)態(tài)值而升高。 此時(shí)主控制器的輸出暫時(shí)還沒有變化，因此副控制器處于定值控制狀態(tài)。根據(jù)副控制器的“反”作用，其輸出將減小，“氣開”式的控制閥門將被關(guān)小，燃料流量將被調(diào)節(jié)回穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的大小。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4118 經(jīng)主溫度檢測變送器后，主控制器接受到的測量信號(hào)經(jīng)主溫度檢測變送器后，主控制器接受到的測量信號(hào)增大。增大。 主控制器是定值控制

14、，而且是主控制器是定值控制，而且是“反反”作用，所以主控作用，所以主控制器的輸出將減小。制器的輸出將減小。 副控制器的設(shè)定值減小，也就是副控制器的輸出在原副控制器的設(shè)定值減小，也就是副控制器的輸出在原來的基礎(chǔ)上變得更小，從而閥門開度也將再關(guān)小一點(diǎn)，以來的基礎(chǔ)上變得更小，從而閥門開度也將再關(guān)小一點(diǎn)，以克服干擾對(duì)主變量的影響?？朔蓴_對(duì)主變量的影響。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4119 (2)只存在一次干擾只存在一次干擾 假定串級(jí)控制系統(tǒng)只受到來自窯車速度的干擾，比如假定串級(jí)控制系統(tǒng)只受到來自窯車速度的干擾，比如窯車的速

15、度加快，必然導(dǎo)致窯道中燒成帶溫度窯車的速度加快，必然導(dǎo)致窯道中燒成帶溫度T1的降低。的降低。 對(duì)于定值控制的主控制器來說，其測量值減小，由于對(duì)于定值控制的主控制器來說，其測量值減小，由于主控制器的主控制器的“反反”作用，它的輸出必然增大，也就是說副作用，它的輸出必然增大，也就是說副控制器的設(shè)定值增大了?？刂破鞯脑O(shè)定值增大了。 因?yàn)楦G車的速度屬于一次干擾，它對(duì)副變量因?yàn)楦G車的速度屬于一次干擾，它對(duì)副變量(燃燒室的燃燒室的溫度溫度T2)沒有影響，所以這時(shí)副控制器的測量值暫時(shí)還沒有沒有影響，所以這時(shí)副控制器的測量值暫時(shí)還沒有改變。改變。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)

16、串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4120在整個(gè)控制過程中，燃燒室的溫度在整個(gè)控制過程中，燃燒室的溫度T2也發(fā)生了變化，也發(fā)生了變化，然而副控制器并沒有對(duì)它加以調(diào)節(jié)，原因就在于串級(jí)控制然而副控制器并沒有對(duì)它加以調(diào)節(jié)，原因就在于串級(jí)控制系統(tǒng)中，主控制器起著主導(dǎo)作用，體現(xiàn)在它的輸出作為副系統(tǒng)中，主控制器起著主導(dǎo)作用，體現(xiàn)在它的輸出作為副控制器的設(shè)定值?？刂破鞯脑O(shè)定值。 而副控制器則處于從屬地位，它首先是接受主控制器而副控制器則處于從屬地位，它首先是接受主控制器的命令，然后才進(jìn)行控制操作。在這種情況下，燃燒室溫的命令，然后才進(jìn)行控制操作。在這種情況下，燃燒室溫度度T2的改變是作為對(duì)燒成帶溫度

17、的改變是作為對(duì)燒成帶溫度T1的控制手段來利用的，的控制手段來利用的，而不是作為干擾加以克服的。而不是作為干擾加以克服的。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院對(duì)于副控制器來說，設(shè)定值增大而測量值沒變，可對(duì)于副控制器來說，設(shè)定值增大而測量值沒變，可以等效為其設(shè)定值不變而測量值減小。以等效為其設(shè)定值不變而測量值減小。 根據(jù)副控制器的根據(jù)副控制器的“反反”作用，其輸出將增大，作用，其輸出將增大，“氣氣開開”式的控制閥門開度增大，從而加大燃料的流量，使式的控制閥門開度增大，從而加大燃料的流量，使燃燒室溫度燃燒室溫度T2升高，進(jìn)而使窯道燒成帶溫度

18、回升至設(shè)定升高，進(jìn)而使窯道燒成帶溫度回升至設(shè)定值。值。5:45:4121 (3)一次干擾和二次一次干擾和二次 干擾同時(shí)存在干擾同時(shí)存在兩種干擾同時(shí)存在又可分為兩種不同情況。兩種干擾同時(shí)存在又可分為兩種不同情況。一次干擾和二次干擾引起主變量和副變量一次干擾和二次干擾引起主變量和副變量同方向變化，即同時(shí)增大或同時(shí)減小。同方向變化，即同時(shí)增大或同時(shí)減小。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4122 假定一次干擾為窯車的前進(jìn)速度減小，將引起主變量假定一次干擾為窯車的前進(jìn)速度減小，將引起主變量(燒成帶溫度燒成帶溫度)T1升高；二次干

19、擾為燃料壓力增大，導(dǎo)致副變升高；二次干擾為燃料壓力增大，導(dǎo)致副變量量(燃燒室溫度燃燒室溫度)T2也升高。對(duì)于主控制器來講，由于它的測也升高。對(duì)于主控制器來講，由于它的測量值升高，根據(jù)它的量值升高，根據(jù)它的“反反”作用關(guān)系，它的輸出將在穩(wěn)態(tài)作用關(guān)系，它的輸出將在穩(wěn)態(tài)時(shí)的基礎(chǔ)上減小，也就是副控制器的設(shè)定值將減小。時(shí)的基礎(chǔ)上減小，也就是副控制器的設(shè)定值將減小。 而對(duì)于副控制器來講，由于它的測量值增大，其輸出而對(duì)于副控制器來講，由于它的測量值增大，其輸出的變化應(yīng)該根據(jù)它的的變化應(yīng)該根據(jù)它的“反反”作用以及設(shè)定值和測量值的變作用以及設(shè)定值和測量值的變化方向共同決定?；较蚬餐瑳Q定。 不妨將設(shè)定值的變化等

20、效為設(shè)定值不變而測量值變化的不妨將設(shè)定值的變化等效為設(shè)定值不變而測量值變化的情況，設(shè)定值減小可以等效為設(shè)定值不變而測量值大。情況，設(shè)定值減小可以等效為設(shè)定值不變而測量值大。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4123 根據(jù)副控制器的根據(jù)副控制器的“反反”作用關(guān)系，上述兩種干擾都將作用關(guān)系，上述兩種干擾都將使副控制器的輸出減小，都要求閥門開度關(guān)小。使副控制器的輸出減小，都要求閥門開度關(guān)小。 控制閥的調(diào)節(jié)作用是主、副控制器控制作用的疊加。控制閥的調(diào)節(jié)作用是主、副控制器控制作用的疊加。 減小燃料的流量不僅是為了克服二次干擾把燃燒室

21、的減小燃料的流量不僅是為了克服二次干擾把燃燒室的溫度調(diào)回到穩(wěn)態(tài)值，而且使燃燒室的溫度比穩(wěn)態(tài)值更低一溫度調(diào)回到穩(wěn)態(tài)值，而且使燃燒室的溫度比穩(wěn)態(tài)值更低一些用以克服一次干擾對(duì)主變量的影響。些用以克服一次干擾對(duì)主變量的影響。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4224一次干擾和二次干擾引起主、副變量反方一次干擾和二次干擾引起主、副變量反方向變化，即一個(gè)增大而另一個(gè)減小。向變化，即一個(gè)增大而另一個(gè)減小。 假定一次干擾為窯車前進(jìn)速度增大，引起主變量假定一次干擾為窯車前進(jìn)速度增大，引起主變量(燒燒成帶溫度成帶溫度)T1下降；二次干擾為燃料

22、壓力增大，導(dǎo)致副變下降；二次干擾為燃料壓力增大，導(dǎo)致副變量量(燃燒室溫度燃燒室溫度)T2升高。升高。 對(duì)主控制器來說，由于其測量值減小，根據(jù)其對(duì)主控制器來說，由于其測量值減小，根據(jù)其“反反”作用關(guān)系，它的輸出將增大，也將使副控制器的設(shè)定值作用關(guān)系，它的輸出將增大，也將使副控制器的設(shè)定值增大。增大。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4225 對(duì)副控制器來說，由于其測量值增大，設(shè)定值也增大，對(duì)副控制器來說，由于其測量值增大，設(shè)定值也增大，如果它們同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號(hào)如果它們同步增大，幅度相同，即副控制器的

23、輸入信號(hào)偏差沒有改變，控制器的輸出當(dāng)然也就不變，控制閥開度不偏差沒有改變，控制器的輸出當(dāng)然也就不變，控制閥開度不變。實(shí)際上就是用二次干擾補(bǔ)償了一次干擾，閥門無需調(diào)節(jié)。變。實(shí)際上就是用二次干擾補(bǔ)償了一次干擾，閥門無需調(diào)節(jié)。 如果兩個(gè)干擾引起副控制器的設(shè)定值和測量值的同向變?nèi)绻麅蓚€(gè)干擾引起副控制器的設(shè)定值和測量值的同向變化不相同，也就是說二次干擾還不足以補(bǔ)償一次干擾時(shí)，副化不相同，也就是說二次干擾還不足以補(bǔ)償一次干擾時(shí)，副控制器再根據(jù)偏差的性質(zhì)作小范圍調(diào)節(jié)即可將主變量穩(wěn)定在控制器再根據(jù)偏差的性質(zhì)作小范圍調(diào)節(jié)即可將主變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。設(shè)定值上。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章

24、串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4226 從串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程可以看出，兩個(gè)控制從串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程可以看出，兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為器串聯(lián)工作，以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為目的，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合，尤其是對(duì)于目的，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合，尤其是對(duì)于二次干擾，二次干擾，副控制器首先進(jìn)行副控制器首先進(jìn)行“粗調(diào)粗調(diào)”，主控制器再，主控制器再進(jìn)一步進(jìn)一步“細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)”。因此控制質(zhì)量必然高于簡單控制系。因此控制質(zhì)量必然高于簡單控制系統(tǒng)。統(tǒng)。 從結(jié)構(gòu)上看，兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，一個(gè)控制器從結(jié)構(gòu)上看，兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，一個(gè)控制

25、器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，共同完成對(duì)主變的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，共同完成對(duì)主變量的定值控制任務(wù)。量的定值控制任務(wù)。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4227串級(jí)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)7.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)的分析 串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上僅僅比簡單控制系統(tǒng)多了一串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上僅僅比簡單控制系統(tǒng)多了一個(gè)副回路，可是實(shí)踐證明，對(duì)于相同的干擾，串級(jí)控制個(gè)副回路，可是實(shí)踐證明，對(duì)于相同的干擾，串級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量是簡單控制系統(tǒng)所無法比擬的。系統(tǒng)的控制質(zhì)量是簡單控制系統(tǒng)所無法比擬的。過程控制與

26、集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院7.3 5:45:42287.3.1.1 減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù) 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院Gc1(s)、Gc2(s)分別為主、副控制器的傳遞函數(shù)；分別為主、副控制器的傳遞函數(shù)； Go1(s)、Go2(s)分別為主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)；分別為主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)； Gm1(s)、Gm2(s)分別分別為主、副檢測變送器的傳遞函數(shù)；為主、副檢測變送器的傳遞函數(shù)； Cv(s)為控制閥的傳遞函數(shù)。為控制閥的傳遞函數(shù)。5:45:4229 把整個(gè)副回路看作

27、是一個(gè)等效副對(duì)象并以把整個(gè)副回路看作是一個(gè)等效副對(duì)象并以Go2(s)表示表示其傳遞函數(shù)，則圖示的簡單控制系統(tǒng)為其傳遞函數(shù)，則圖示的簡單控制系統(tǒng)為:假定假定 Gc2(s)=Kc2(s), Gv(s)=Kv, Gm2(s)=Km2, Go2(s)=Ko2/To2(s)+1過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4230過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4231過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45

28、:4232無論在什么情況下，無論在什么情況下，1+Kc2KvKo2Km21不等式總是成不等式總是成立的。立的。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于副回路的存在，改善了原在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于副回路的存在，改善了原有一部分對(duì)象的特性，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)有一部分對(duì)象的特性，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)To2減小減小到副對(duì)象本身時(shí)間常數(shù)到副對(duì)象本身時(shí)間常數(shù)To2的的1(1+ Kc2KvKo2Km2)。并且隨。并且隨著副控制器的放大系數(shù)著副控制器的放大系數(shù)Kc2的增大，時(shí)間常數(shù)減小得更加顯的增大，時(shí)間常數(shù)減小得更加顯著。著。 時(shí)間常數(shù)的減小，意味著控制通道的縮短，從而使時(shí)間常數(shù)的減小，意味著控制通道的縮短，從而使控

29、制作用更加及時(shí)，響應(yīng)速度更快，控制質(zhì)量必然得到提控制作用更加及時(shí)，響應(yīng)速度更快，控制質(zhì)量必然得到提高。高。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4233等效副對(duì)象的放大系數(shù)減小了，即等效副對(duì)象的放大系數(shù)減小了，即Ko2Ko2這種減這種減小不僅不會(huì)影響控制質(zhì)量，反而此時(shí)串級(jí)控制系統(tǒng)中主小不僅不會(huì)影響控制質(zhì)量，反而此時(shí)串級(jí)控制系統(tǒng)中主控制器的放大系數(shù)控制器的放大系數(shù)Kcl可以整定得比單回路控制系統(tǒng)中更可以整定得比單回路控制系統(tǒng)中更大一些，對(duì)提高系統(tǒng)抗干擾能力更加有利。大一些，對(duì)提高系統(tǒng)抗干擾能力更加有利。7.3.1.2 7.3.1

30、.2 提高了系統(tǒng)的工作頻率提高了系統(tǒng)的工作頻率系統(tǒng)的工作頻率可以通過特征方程求得。 串級(jí)控制系統(tǒng)的簡化圖可以寫出其特征方程為： 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4334過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4335過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4336過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4337過程控制與集散系

31、統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4338過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4339 串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對(duì)象特征，使整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率提高了，過渡過象特征，使整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率提高了，過渡過程的振蕩周期減小了，衰減系數(shù)相同的條件下，程的振蕩周期減小了，衰減系數(shù)相同的條件下，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了，提高了系統(tǒng)的快速性，改善了調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了，提高了系統(tǒng)的快速性，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 當(dāng)主、副對(duì)象的特性一定時(shí)

32、，副控制器的放當(dāng)主、副對(duì)象的特性一定時(shí)，副控制器的放大系數(shù)大系數(shù)Kc2整定得越大，這種效果越顯著。整定得越大，這種效果越顯著。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:43407.3.1.3 增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力 由于副回路的存在，對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的抑制作用。由于副回路的存在，對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的抑制作用。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，假定二次干擾從控制閥前進(jìn)入副在串級(jí)控制系統(tǒng)中，假定二次干擾從控制閥前進(jìn)入副回路回路.過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:

33、45:4341過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4342過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4443一個(gè)控制系統(tǒng)對(duì)于干擾作用，要求系統(tǒng)能盡快克服它的影響，使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。 也就是說D2（s）/ Y1（s）/越小越好，越接近于0，說明控制質(zhì)量越高。 對(duì)于設(shè)定值，要求被控變量能盡快地跟隨設(shè)定值的變化而變化。也就是說R1（s）/ Y1（s）/越接近于l，控制質(zhì)量越高。若從以上兩方面考慮，控制系統(tǒng)的抗干擾能力可以用它們的比值來評(píng)價(jià)，即過程控制與集散系統(tǒng)

34、過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4444如果主、副控制器都采用純比例控制，且比例系數(shù)分別為Kcl、Kc2則： Y1（s）/R1（s）/ Y1（s）/D2（s）=Kc1Kc2 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，主、副控制器的比例系數(shù)乘積對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，主、副控制器的比例系數(shù)乘積越大，抗干擾的能力就越強(qiáng)。越大，抗干擾的能力就越強(qiáng)。 我們用同樣的方法寫出評(píng)價(jià)單回路控制系統(tǒng)抗干擾我們用同樣的方法寫出評(píng)價(jià)單回路控制系統(tǒng)抗干擾能力的表達(dá)式。能力的表達(dá)式。 干擾從相同位置

35、進(jìn)入單回路控制系統(tǒng)干擾從相同位置進(jìn)入單回路控制系統(tǒng)。5:45:4445被控變量分別對(duì)干擾、設(shè)定值的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：被控變量分別對(duì)干擾、設(shè)定值的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4446要比較串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)在相同條件下的抗干擾能力，我們只要在系統(tǒng)都整定到衰減系數(shù)相同的情況下，比較Kc1Kc2與Kc的大小即可作出判斷。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4447過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)

36、串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4448過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4449過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4450抗干擾能力抗干擾能力為為: : 對(duì)于進(jìn)入主回路的一次干擾，抗干擾能力也有對(duì)于進(jìn)入主回路的一次干擾，抗干擾能力也有一定提高。一定提高。 因?yàn)楦被芈返拇嬖?，減小了副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，因?yàn)楦被芈返拇嬖?，減小了副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，對(duì)于主回路來講，其控制通道縮短了，克服一次干對(duì)于主回路來講，其控制通道縮短了，克服一次干擾比同等條件下的

37、單回路控制系統(tǒng)更及時(shí)了。擾比同等條件下的單回路控制系統(tǒng)更及時(shí)了。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:44517.3.1.4 7.3.1.4 對(duì)負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力對(duì)負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力實(shí)際生產(chǎn)過程中的許多對(duì)象都具有不同程度的非線性。實(shí)際生產(chǎn)過程中的許多對(duì)象都具有不同程度的非線性。 隨著操作條件和負(fù)荷的變化，對(duì)象的靜態(tài)增益也將發(fā)生隨著操作條件和負(fù)荷的變化，對(duì)象的靜態(tài)增益也將發(fā)生變化，即變化，即K K0 0不是一個(gè)常數(shù)。不是一個(gè)常數(shù)。在簡單控制系統(tǒng)中，控制器的參數(shù)是在一定負(fù)荷，也就在簡單控制系統(tǒng)中，控制器的參數(shù)是在一

38、定負(fù)荷，也就是在一定工作點(diǎn)下，按一定的控制質(zhì)量指標(biāo)要求整定的。是在一定工作點(diǎn)下，按一定的控制質(zhì)量指標(biāo)要求整定的。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院整定好的控制器參數(shù)，只能適應(yīng)于工作點(diǎn)附近的一個(gè)小范圍。 如果負(fù)荷變化超過了一定范圍，工作點(diǎn)偏移較遠(yuǎn)，對(duì)象的增益將發(fā)生明顯改變，引起系統(tǒng)的回路增益發(fā)生變化。 5:45:45527使得原來基于一定負(fù)荷或工作點(diǎn)條件下整定的那套控制器參數(shù)不再適用了，控制質(zhì)量將隨之下降?？梢酝ㄟ^控制閥的不同流量特性加以補(bǔ)償，但是常受到控制閥品種等各種條件的限制，這種補(bǔ)償作用也是很有限的。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與

39、集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院有效的辦法就是采用串級(jí)控制系統(tǒng)。將具有較大非線性的那部分對(duì)象包括在副回路當(dāng)中，由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，它的設(shè)定值隨主控制器的輸出而變化。 主控制器就可以按照操作條件和負(fù)荷的變化情況，相應(yīng)地調(diào)整副控制器的設(shè)定值，保證在操作條件和負(fù)荷發(fā)生變化的情況下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。 5:45:4553從另一方面看，可知串級(jí)控制系統(tǒng)中等效副對(duì)象的放大倍數(shù)為 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)中等效副對(duì)象的放大系數(shù)K02只與負(fù)反饋回路中的檢測變

40、送環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)有關(guān)，而與控制閥的Kv和副對(duì)象的Ko2無關(guān)。 只要對(duì)檢測變送環(huán)節(jié)進(jìn)行了線性化處理，副對(duì)象的非線性特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)影響是很小的。 串級(jí)控制系統(tǒng)能自動(dòng)地克服對(duì)象非線性特性的影響，從而顯示出它對(duì)負(fù)荷變化具有一定的自適應(yīng)能力。 5:45:4554(1)由于副回路的存在，減小由于副回路的存在，減小 了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，縮短了控了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，縮短了控 制通道，使控制作用更加及時(shí)制通道，使控制作用更加及時(shí) (2)提高了系統(tǒng)的工作頻率，提高了系統(tǒng)的工作頻率， 使振蕩周期減小，調(diào)節(jié)時(shí)間使振蕩周期減小，調(diào)節(jié)時(shí)間 縮短，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)了縮短，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)了(3)對(duì)二次干擾具有很強(qiáng)的克

41、對(duì)二次干擾具有很強(qiáng)的克 服能力，對(duì)克服一次干擾的服能力，對(duì)克服一次干擾的 能力也有一定的提高能力也有一定的提高。(4)對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化 具有一定的自適應(yīng)能力具有一定的自適應(yīng)能力串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4555例2 設(shè)串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖 如圖主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)分別為： 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4556過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)

42、串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院由于采用了串級(jí)控制，系統(tǒng)工作頻率由單回路的0.087增加到0.23，加快了2.6倍。 二次干擾下的短期最大偏差由單回路的0.24減小到0.011，減小了22倍之多。一次干擾，短期最大偏差也由單回路系統(tǒng)時(shí)的0.3減小到0.11，減小了近3倍。 串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)控制品質(zhì)的改善是十分明顯的。 5:45:45577.3.2串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一個(gè)設(shè)計(jì)合理的串級(jí)控制系統(tǒng)，當(dāng)干擾從副回路一個(gè)設(shè)計(jì)合理的串級(jí)控制系統(tǒng)，當(dāng)干擾從副回路進(jìn)入時(shí)，其最大偏差將會(huì)減小到單回路控制系統(tǒng)時(shí)的進(jìn)入時(shí)，其最大偏差將會(huì)減小到單回路控制系統(tǒng)時(shí)的1/101/101/1001/100。干擾從主回路進(jìn)入，最

43、大偏差也會(huì)縮小。干擾從主回路進(jìn)入，最大偏差也會(huì)縮小到單回路控制系統(tǒng)時(shí)的到單回路控制系統(tǒng)時(shí)的1/3-1/51/3-1/5。7.3.2.1 7.3.2.1 主變量的選擇主變量的選擇 選擇直接或間接地反映生產(chǎn)過程的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、選擇直接或間接地反映生產(chǎn)過程的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保以及安全等控制目的的參數(shù)作主變量。節(jié)能、環(huán)保以及安全等控制目的的參數(shù)作主變量。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4558在條件許可的情況下，盡量選擇在條件許可的情況下，盡量選擇直接反映控制目的的參數(shù)為主變量，直接反映控制目的的參數(shù)為主變量，不行時(shí)可

44、選擇與控制目的有某種單不行時(shí)可選擇與控制目的有某種單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)作為主變量；值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)作為主變量； 所選的主變量必須有足夠的變化靈所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度；還應(yīng)考慮工藝上的合理性和敏度；還應(yīng)考慮工藝上的合理性和實(shí)現(xiàn)的可能性。實(shí)現(xiàn)的可能性。選選 擇擇 原原 則則 是是7.3.2.2 7.3.2.2 副變量的選擇副變量的選擇 副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4559 (1)應(yīng)使主要的和更多的干擾應(yīng)使

45、主要的和更多的干擾落入副回路落入副回路盡可能地把更多的干擾納入副回路，特別是那些盡可能地把更多的干擾納入副回路，特別是那些變化劇烈、幅度最大、頻繁出現(xiàn)的主要干擾包括在變化劇烈、幅度最大、頻繁出現(xiàn)的主要干擾包括在副回路中，一旦出現(xiàn)，副回路首先把它們克服到最副回路中，一旦出現(xiàn)，副回路首先把它們克服到最低程度，減小它們對(duì)主變量的影響，從而提高控制低程度，減小它們對(duì)主變量的影響，從而提高控制質(zhì)量。質(zhì)量。 原料油的出口溫度應(yīng)作為主變量，燃料油的原料油的出口溫度應(yīng)作為主變量，燃料油的流量作為操縱變量，控制閥安裝在燃料油的管線上。流量作為操縱變量，控制閥安裝在燃料油的管線上。 可供選為副變量的有燃料油的閥前

46、壓力、燃料油的可供選為副變量的有燃料油的閥前壓力、燃料油的流量及爐膛溫度。流量及爐膛溫度。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4560過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4561 如果燃料油的壓力波動(dòng)是生產(chǎn)過程中的主要干擾，選擇燃料油閥前壓力作為副變量構(gòu)成出口溫度與閥前壓力串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖中虛線1。 選擇燃料流量為副變量構(gòu)成溫度流量串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖中虛線2。 假若燃料的壓力和流量都比較穩(wěn)定，而生產(chǎn)過程中原料油的流量卻頻繁波動(dòng)，或原料油的入口溫度受外界影

47、響波動(dòng)較大，上述兩個(gè)方案都是不可行的，因?yàn)樗鼈儧]有把主要干擾納入副回路之中。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4562 這時(shí)應(yīng)將爐膛溫度選作副變量構(gòu)成圖中虛線3的溫度溫度串級(jí)控制系統(tǒng)就顯得更為合理了。它不僅將主要干擾納入副回路，而且將更多的次要干擾也包括在副回路中了，例如燃料油熱值的變化、原料油組分的變化、助燃風(fēng)的流量波動(dòng)、煙囪抽力的變化等等。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4663(2)應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配匹配從

48、回路的頻率特性來分析回路都分別看作是從回路的頻率特性來分析回路都分別看作是一個(gè)二階振蕩系統(tǒng)。一個(gè)二階振蕩系統(tǒng)。 二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4664過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4665過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4666 從圖中可以看出，除了當(dāng)r時(shí)，M有一個(gè)峰值外，二階振蕩系統(tǒng)還有一個(gè)增幅區(qū)域，即在共振頻率附近的一定

49、區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)的幅值將明顯增大?？梢苑Q這個(gè)區(qū)間為廣義共振區(qū)。 共振區(qū)的頻率范圍為 1/3 /r 當(dāng)外界干擾頻率小于1/3r或大于 r ，系統(tǒng)的增幅是很小的，甚至沒有增幅。 如果外界干擾頻率進(jìn)入1/3r到 r之間時(shí)，系統(tǒng)的幅值增大，振蕩加劇，甚至發(fā)生共振。 222過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4667過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4668 另外根據(jù)二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程可知系統(tǒng)的工作頻率d與系統(tǒng)的自然頻率。 有如下關(guān)系： d=o 對(duì)于小的阻

50、尼系數(shù)，r和d的值幾乎相等。 如果分別將主、副回路都整定到4；1的衰減振蕩，即=0216時(shí)，它們的工作頻率d與其對(duì)應(yīng)的共振頻率r近似相等。即 dlrl d2=r2 21過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4669 串級(jí)控制系統(tǒng)的主、副回路，是兩個(gè)相互獨(dú)立又密切相關(guān)的回路。 從副回路看，主控制圖二階振蕩系統(tǒng)的幅頻特性器無時(shí)無刻不向副回路輸送信號(hào)，相當(dāng)于副回路一直受到從主回路來的一個(gè)連續(xù)性干擾，這個(gè)干擾信號(hào)的頻率就是主回路的工作頻率dl，也是主回路的共振頻率r1而從主回路來看，副回路的輸出對(duì)主回路也相當(dāng)于一個(gè)連續(xù)作用的干擾，這個(gè)

51、干擾信號(hào)的頻率就是副回路的工作頻率d2，也是副回路的共振頻率r2。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4670 如果主、副回路的工作頻率很接近，彼此都落入了對(duì)方的廣義共振區(qū)，那么在受到某種干擾作用的時(shí)候，主參數(shù)的變化進(jìn)入副回路時(shí)，會(huì)引起副參數(shù)振幅的增加，而副參數(shù)的變化送到主回路時(shí)，又會(huì)迫使主參數(shù)變化幅值的增加，如此循環(huán)往復(fù)，使主、副參數(shù)長時(shí)間地大幅度波動(dòng)，造成系統(tǒng)容易劇烈振蕩，穩(wěn)定性變差。這也就是所謂的“共振效應(yīng)”。 為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，在設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必將主、副回路的工作頻率錯(cuò)開。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7

52、 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4671 避免“共振效應(yīng)”的條件是：為確保串級(jí)控制系統(tǒng)不受到“共振效應(yīng)”的威脅，一般取 d2=(310)d1 根據(jù)系統(tǒng)的工作頻率與對(duì)象的時(shí)間常數(shù)近似成反比關(guān)系，在選擇副變量時(shí)，應(yīng)考慮主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的匹配關(guān)系，通常取 T01=(310)TO2 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4672 上述結(jié)論雖然是假定主、副回路均為二階系統(tǒng)的前提下得出的，但也不失一般性。原因是系統(tǒng)經(jīng)過整定后，總有一對(duì)起主導(dǎo)作用的極點(diǎn)，整個(gè)回路的工作頻率由它們來決定，即可把這個(gè)系統(tǒng)看作一個(gè)

53、近似二階振蕩系統(tǒng)。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4673(3)應(yīng)考慮工藝上的合理性、可應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性能性和經(jīng)濟(jì)性副變量的選擇，應(yīng)考慮工藝上主、副變量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，副變量的選擇，應(yīng)考慮工藝上主、副變量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，即調(diào)整副變量能有效地影響主變量，而且可以在線檢測。即調(diào)整副變量能有效地影響主變量，而且可以在線檢測。 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有時(shí)從控制角度看是合理的、可串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有時(shí)從控制角度看是合理的、可行的，但從工藝角度看，卻是不合理的。這時(shí)就應(yīng)該根據(jù)行的，但從工藝角度看，卻是不合理的。這時(shí)就應(yīng)

54、該根據(jù)工藝的具體情況改進(jìn)設(shè)計(jì)。工藝的具體情況改進(jìn)設(shè)計(jì)。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4774 反應(yīng)器中的溫度是反映工藝情況的指標(biāo)，被選為主被控變量。 反應(yīng)器中的催化裂化過程是一個(gè)吸熱反應(yīng)，其熱量靠載熱體與催化劑在反應(yīng)器與再生器之間的循環(huán)來提供。 把這一串級(jí)控制方案改為增壓風(fēng)流量簡單控制系統(tǒng)，以穩(wěn)定催化劑循環(huán)量，而反應(yīng)器溫度可通過反應(yīng)器進(jìn)料預(yù)熱來控制，則效果更好。 實(shí)踐證明，這樣的方案是可行的。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4775在副回路的設(shè)

55、計(jì)中，若出現(xiàn)幾個(gè)可供選擇的方案時(shí)，應(yīng)把經(jīng)濟(jì)原則和控制品質(zhì)要求有機(jī)地結(jié)合起來。 在保證生產(chǎn)工藝要求的前提下，盡量選擇投資少、見效快，成本低、效益高的方案。 這個(gè)思想應(yīng)作為工程設(shè)計(jì)人員的指導(dǎo)原則。 過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4776主變量是生產(chǎn)工藝的重要指標(biāo)?？刂破焚|(zhì)要求較 高，超出規(guī)定范圍就要出次品或發(fā)生事故。副變量 的引入主要是通過閉合的副回路來保證和提高主變 量的控制精度。 這是串級(jí)控制系統(tǒng)的基本類型。 (1)(1)控制規(guī)律的選擇控制規(guī)律的選擇一般說來有下列四種情況： 7.3.2.37.3.2.3主、副控制器的選

56、擇主、副控制器的選擇 包括主、副控制器控制規(guī)律的選擇，控制器正、反包括主、副控制器控制規(guī)律的選擇，控制器正、反作用的選擇以及控制器積分飽和的預(yù)防。作用的選擇以及控制器積分飽和的預(yù)防。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4777 生產(chǎn)工藝對(duì)主變量的控制品質(zhì)要求高，因而主控制器宜選擇PI控制作用。為了克服對(duì)象的容量滯后，進(jìn)一步提高主變量的控制質(zhì)量，可再加入微分作用，即選擇PID控制。 對(duì)于副控制器，因?qū)Ω弊兞康目刂破焚|(zhì)要求不高，一般選P作用就行了。此時(shí)引入積分作用反而減弱了副回路的快速性。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第

57、7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4778對(duì)主變量的控制要求較高，對(duì)副變量的控制要求也不低。為了使主變量在外界干擾作用下不至于產(chǎn)生余差，主控制器選擇PI作用； 為了克服進(jìn)入副環(huán)干擾的影響，保證副變量也達(dá)到一定的控制品質(zhì)要求，副控制器也選擇PI作用。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4779對(duì)主變量的控制要求不高，允許在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。 要求副變量能夠快速、準(zhǔn)確地跟隨主控制器的輸出而變化。此時(shí)主控制器可選擇P作用，而副控制器應(yīng)選擇PI作用。 對(duì)主變量的控制要求不十分嚴(yán)格，對(duì)副變量的控制品質(zhì)要求

58、也不高。主、副控制器均可選擇P作用。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4780 如果輸入控制器的測量信號(hào)增大，控制器是比例作用時(shí)的輸出也增大，則稱其作用方式為正作用，否則為反作用。 選擇的方法有邏輯推理法和判別式法。 (2)(2)控制器正、反作用方式的選擇控制器正、反作用方式的選擇過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4781 邏輯推理法邏輯推理法過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:47

59、82a)副回路 確定副控制器正反作用時(shí)，將副回路看作是一個(gè)設(shè)定值不變的單回路。 b)主回路 確定主控制器的正反作用時(shí)，要利用副控制器的選擇結(jié)果。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4783正反作用方式確定的基本原則是保證系統(tǒng)成為負(fù)反饋。 判別式法判別式法 有些生產(chǎn)過程要求控制系統(tǒng)既可以進(jìn)行串級(jí)控制，又可以由主控制器單獨(dú)控制。 兩種控制方式切換時(shí)，要注意主控制器的正、反作用方式是否需要改變。過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4884 控制器具有積分作用。當(dāng)

60、系統(tǒng)長時(shí)間存在偏差而不能消除時(shí)，控制器將出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象。這一現(xiàn)象將造成系統(tǒng)控制品質(zhì)下降甚至失控。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，如果副控制器只是P作用，而主控制器是PI或PID控制時(shí)，出現(xiàn)積分飽和的條件與單回路控制系統(tǒng)相同，利用外部積分反饋法，只要在主控制器的反饋回路中加一個(gè)間歇單元就可以有效地防止積分飽和。 (3)(3)主、副控制器的防積分飽和主、副控制器的防積分飽和措施控制規(guī)律的選擇措施控制規(guī)律的選擇過程控制與集散系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第第7 7章章 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院5:45:4885 如果主、副控制器都具有積分作用，積分飽和的情況比單回路控制系統(tǒng)要嚴(yán)重得多，存在著兩個(gè)控制