串級(jí)控制原理與應(yīng)用

1、課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 學(xué) 院 電子信息學(xué)院 專 業(yè) 控制理論與控制工程 學(xué)生姓名 趙顯 班級(jí)學(xué)號(hào) 132030032 指導(dǎo)教師 杜昭平 二零一四年四月串級(jí)控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用一 串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念 1 串級(jí)控制系統(tǒng) 近二十年，控制技術(shù)獲得了驚人的成就，已在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。而且，控制系統(tǒng)已成為大量設(shè)備不可分割的重要組成部分?？刂谱詣?dòng)化的程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)志。 在眾多復(fù)雜的控制系統(tǒng)中，串級(jí)控制系統(tǒng)在電機(jī)控制中的應(yīng)用更為普遍，串級(jí)控制系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng)，一個(gè)控制器的輸出控制另一個(gè)控制器的設(shè)定值，這種結(jié)構(gòu)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)調(diào)節(jié)器串

2、接起來(lái)，通過(guò)它們的協(xié)調(diào)工作，使一個(gè)被調(diào)量準(zhǔn)確保持為設(shè)定值。通常，串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的對(duì)象慣性小，工作頻率高，而主環(huán)慣性大，工作頻率低。 2 串級(jí)控制系統(tǒng)的組成 串級(jí)控制系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過(guò)程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過(guò)程和主過(guò)程構(gòu)成。主要由以下元件構(gòu)成： u （1）主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器兩個(gè)調(diào)節(jié)器 u （2）兩個(gè)測(cè)量變送器 u （3）一個(gè)執(zhí)行器 u （4）一個(gè)調(diào)節(jié)閥們 u （5）被控對(duì)象組成 系統(tǒng)原理框圖如圖11所示。 圖11 串級(jí)控制系統(tǒng)原理方框圖 （1）系統(tǒng)中的兩個(gè)調(diào)節(jié)器相互串聯(lián)，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的

3、輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入。這兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別叫作主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器，即主調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)入副調(diào)節(jié)器，作為副調(diào)節(jié)器的給定值。 （2）串級(jí)控制系統(tǒng)中有兩個(gè)反饋回路，并且一個(gè)回路嵌套在另一個(gè)回路 之中，處于里面的回路稱為內(nèi)回路（副回路），處于外面的回路稱為外回路（主回路）。 （3）串級(jí)控制系統(tǒng)中有兩個(gè)測(cè)量反饋信號(hào)，稱為主參數(shù)和副參數(shù)，分別作為主、副調(diào)節(jié)器的反饋輸入信號(hào)。二 串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例火電廠主汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng) u 2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀 火電廠中，為更好的對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行控制，通常將過(guò)熱器分為兩段，即高 溫段和低溫段，在之間裝有一個(gè)噴水減溫器，噴水減溫器是一個(gè)三通容器，分別與低溫段過(guò)熱器、高溫段過(guò)熱器

4、以及冷水（減溫水）管道連通，蒸汽從低溫段流經(jīng)噴水減溫器，再進(jìn)入高溫段。減溫水通過(guò)減溫水調(diào)節(jié)閥進(jìn)入噴水減溫器，直接噴灑在蒸汽上，通過(guò)控制噴水減溫調(diào)節(jié)閥（即噴水減溫閥）的開度來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)入噴水減溫器的冷水流量，從而達(dá)到對(duì)過(guò)熱器出口的主蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。 2.2 串級(jí)主汽溫度系統(tǒng)的原理串級(jí)主汽溫度系統(tǒng)的原理方框圖如圖21所示。圖21 串級(jí)主汽溫控制系統(tǒng)原理方框圖 結(jié)合圖21，有幾個(gè)相關(guān)的專業(yè)術(shù)語(yǔ)介紹如下： 主參數(shù)（主變量）：串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控參數(shù)稱為主參數(shù)。上 例中的過(guò)熱蒸汽溫度就是主參數(shù)。 副參數(shù)（副變量）：串級(jí)系統(tǒng)中能提前反映主參數(shù)變化趨勢(shì)的中間參數(shù)，稱為副參數(shù)。上例中過(guò)熱器高溫段

5、入口處的蒸汽溫度就是副參數(shù)。副參數(shù)的引入是為了提高控制質(zhì)量，克服對(duì)象的大慣性和大遲延。 主調(diào)節(jié)器（主控制器）：輸入為主參數(shù)的測(cè)量反饋信號(hào)與主參數(shù)的給定值信號(hào)的偏差，其輸出 作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器給定值的那個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器。 副調(diào)節(jié)器（副控制器）：其給定值由主調(diào)節(jié)器的輸出決定，輸入為主調(diào)節(jié)器的輸出與副參數(shù)的 測(cè)量變送信號(hào)的偏差信號(hào)，輸出調(diào)節(jié)信號(hào)給執(zhí)行器的那個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。 主回路（外回路）：串級(jí)系統(tǒng)中，斷開副調(diào)節(jié)器的測(cè)量反饋通道后的閉合回路稱為主回路或外 回路。上例中，系統(tǒng)的外回路是由主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、噴水調(diào)節(jié)閥門、噴水減溫器、過(guò)熱器的高溫段以及對(duì)主參數(shù)進(jìn)行測(cè)量變送的溫度測(cè)量變送器

6、組成。如圖22所示。圖22 串級(jí)主汽溫控制系統(tǒng)外回路 副回路（內(nèi)回路）：串級(jí)控制系統(tǒng)中，由副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥們、被控對(duì)象1和副參數(shù) 的測(cè)量變送器組成的回路稱為副回路。在上例中，系統(tǒng)的內(nèi)回路由副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、噴水調(diào)節(jié)閥門、噴水減溫器以及對(duì)副參數(shù)進(jìn)行測(cè)量變送的溫度測(cè)量變送器組成。如圖23所示。圖23 串級(jí)主汽溫控制系統(tǒng)內(nèi)回路 2.3 系統(tǒng)分析 由于過(guò)熱器存在很大的惰性，也就是說(shuō)，當(dāng)通過(guò)調(diào)節(jié)噴水減溫閥門改變進(jìn)入噴水減溫器的噴水流量時(shí)，要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間，高溫段過(guò)熱器出口的蒸汽溫度才發(fā)生變化，這給控制帶來(lái)很大的困難。若用傳統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)對(duì)高溫段過(guò)熱器出口的蒸汽溫度進(jìn)行控制（如圖24），由于過(guò)

7、熱器惰性的存在，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的快速性能變差，控制質(zhì)量不理想。為提高控制質(zhì)量，可以在原單回路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)調(diào)節(jié)器（即副調(diào)節(jié)器）將過(guò)熱器高溫段入口處的蒸汽溫度也作為一個(gè)測(cè)量信號(hào)（副參數(shù)），送入副調(diào)節(jié)器的輸入端，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)。因?yàn)楫?dāng)有擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)發(fā)生作用時(shí)，過(guò)熱器高溫段入口處的蒸汽溫度響應(yīng)較（主參數(shù)）快，并且與的變化方向相同，因而可以提前反映 的變化趨勢(shì)，使得系統(tǒng)快速性能提高（如圖25）。圖24 主汽溫度單回路控制系統(tǒng)示意圖圖25 主汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)示意圖結(jié)合串級(jí)主汽溫度控制系統(tǒng)詳細(xì)分析串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。三 仿真結(jié)果 3.1 仿真曲線 如圖3-1、3-2所示。圖31 給定值階躍擾動(dòng)(

8、r=1)時(shí)響應(yīng)曲線圖32 內(nèi)擾發(fā)生(內(nèi)擾值=1)時(shí)響應(yīng)曲線 3.2現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及控制效果 經(jīng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，該系統(tǒng)性能先進(jìn)可靠，控制品質(zhì)明顯好于常規(guī)PID控制。四 總結(jié)針對(duì)發(fā)電廠過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)中被控對(duì)象的大慣性和純滯后性以及存在隨機(jī)干擾因素多的特點(diǎn)，將PID控制器和Smith預(yù)估控制器組成串級(jí)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的在線整定，克服了被控對(duì)象純滯后的不穩(wěn)定性，能夠?qū)^(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制，使得過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，提高了控制系統(tǒng)的運(yùn)行效率，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1 肖雋. 鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng). 機(jī)電工程, 2003,20(4):33-352 涂植英,朱麟章. 過(guò)程控制系統(tǒng)M. 機(jī)械工業(yè)出版社,1988.3 王積偉,陳一心,吳振順等. 現(xiàn)代控制理論與工程.(第一版) M:高等教育 出版社,2003.4 侯國(guó)蓮,和秋旺等.風(fēng)扇磨直吹式鍋爐主汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究. 山西電力技術(shù), 1996,(6).5 張廣溢,惠毅. 可控硅串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì). 電氣傳動(dòng),1985 (1):3036.6 張玉鐸. 熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)M. 北京:水利電力出版社, 1988.7 韋慶志,李正明,孫俊. 基于模糊自適應(yīng)PID控制器的鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控 制系統(tǒng).機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010(7):173-175.8 單春賢,陳萬(wàn)家,彭杰. 模糊PID在換熱站溫度控制系統(tǒng)中