串級控制系統(tǒng)

1、1目目 錄錄6.1 串級控制系統(tǒng)的基本概念6.2 串級控制系統(tǒng)的分析6.3 串級控制系統(tǒng)的設計6.4 串級控制系統(tǒng)的整定6.5 串級控制系統(tǒng)的投運6.6 利用MATLAB對串級控制系統(tǒng)進行仿真本章小結234 制品在窯道的燒成帶內按工藝規(guī)定的溫度進行燒結，燒結溫度一般為1300，偏差不得超過5C。所以燒成帶的燒結溫度是影響產(chǎn)品質量的重要控制指標之一，因此將窯道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將會影響產(chǎn)品的光澤和顏色，所以就出現(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。 5 圖6-l即為隔焰隧道窯燒成帶溫

2、度簡單控制系統(tǒng)工藝流程圖，原理方框圖如圖6-2所示。 按照我們前面學過的簡單控制系統(tǒng)，影響燒成帶溫度 l的各種干擾因素都被包括在控制回路當中，只要干擾造成 l偏離設定值，控制器就會根據(jù)偏差的情況，通過控制閥改變燃料的流量，從而把變化了的 l 重新調回到設定值。 6 但由于從控制閥到窯道燒成帶滯后時間太大，如果燃料的壓力發(fā)生波動，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，再經(jīng)過隔焰板的傳熱、輻射，引起燒成帶溫度的變化。 因為只有燒成帶溫度出現(xiàn)偏差時，才能發(fā)現(xiàn)干擾的存在，所以對于燃料壓力的干擾不能夠及時發(fā)現(xiàn)。燒成帶溫度出現(xiàn)偏差后，控制器根據(jù)偏差的性質立即改變控制閥的開度

3、，改變燃料流量，對燒成帶溫度加以調節(jié)。可是這個調節(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時間滯后很長的通道，當調節(jié)過程起作用時，燒成帶的溫度已偏離設定值很遠了。 也就是說，即使發(fā)現(xiàn)了偏差，也得不到及時調節(jié)，造成超調量增大，穩(wěn)定性下降。如果燃料壓力干擾頻繁出現(xiàn)，對于單回路控制系統(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。 7 假定燃料的壓力波動是主要干擾，發(fā)現(xiàn)它到燃燒室的滯后時間較小、通道較短，而且還有一些次要干擾，例如燃料熱值的變化、助燃風流量的改變以及排煙機抽力的波動等等（如圖6-2中用D2表示），都是首先進人燃燒室。人們會想，

4、能否通過控制燃燒室溫度 2的方法來達到穩(wěn)定燒成帶的溫度呢？于是就出現(xiàn)了圖6-3所示的以燃燒室溫度 2為被控變量的單回路控制系統(tǒng)。 8原料成分、窯車上裝載制品的數(shù)量以及春夏秋冬、刮風下雨帶來環(huán)境溫度的變化等等（如圖6-2中用D1表示）。由于在這個控制系統(tǒng)中，燒成帶溫度不是被控變量，所以對于干擾D1造成燒成帶溫度的變化，控制系統(tǒng)無法進行調節(jié)。 這種控制系統(tǒng)對于上述的干擾有很強的抑制作用，不等到它們影響燒成帶溫度，就被較早發(fā)現(xiàn)，及時進行控制，將它們對燒成帶溫度的影響降低到最小限度。但是，我們也知道，還有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9的溫度穩(wěn)定不變，所以燒成帶溫度控制

5、器應該是定值控制，起主導作用。而燃燒室溫度控制器則起輔助作用 它在克服干擾D2的同時，應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定值，從而就形成了圖6-4所示的串級控制系統(tǒng)。 比較上述兩個控制系統(tǒng)，它們各有自己的長處。第一種控制系統(tǒng)包括了所有干擾，第二種控制系統(tǒng)能對主要的和一些次要干上擾提前發(fā)現(xiàn)，及早控制。如果能將兩個控制系統(tǒng)結合起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，另外，控制燃燒室的溫度2并不是目的，真正的目的是燒成帶10例例6-26-2 下圖是單回路控制系統(tǒng)下圖是單回路控制系統(tǒng)111213E-3V-1CQCQ1415問題：問題：控制通道容量滯后控制通道容量滯后很

6、大，控制緩慢。很大，控制緩慢。燃料壓力或燃燃料壓力或燃料的熱值變化料的熱值變化 影響爐膛溫度影響爐膛溫度 熱傳導給原料熱傳導給原料 影響出口溫度影響出口溫度15min3min原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐1C例例6-46-4 1617爐膛溫度爐膛溫度變化變化2T、2C回路先改變燃料量回路先改變燃料量1T、 1C回路再改回路再改變燃料量變燃料量出料溫度出料溫度變化變化解決措施解決措施：在影響出口溫度的通：在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化，提前控道中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。制。燃料壓力燃料壓力變化變化3min原料出口溫度原料出口溫度1(t

7、)原料原料1C1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐2T2C18 所謂串級控制系統(tǒng)，就是采用兩個控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副控制器的設定值，由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果。這樣的控制系統(tǒng)被稱為串級控制系統(tǒng)。與圖6-4串級控制系統(tǒng)的工藝流程圖對應的原理方框圖如圖 6-5所示。 19206.1.2 串級控制系統(tǒng)的組成串級控制系統(tǒng)的組成1串級控制系統(tǒng)的方框圖串級控制系統(tǒng)的方框圖 根據(jù)隔焰式隧道窯串級控制系統(tǒng)的方框圖，可得串級控制系統(tǒng)標準方框圖如圖6-6所示。 21 2. 串級控制系統(tǒng)有關的術語 主、副回路 在外面的閉合回路稱為主回路（主環(huán)），在里面的閉合回路稱為副

8、回路（副環(huán)）。 主、副控制器 處于主回路中的控制器稱為主控制器；處于副回路中的控制器稱為副控制器。 主、副被控變量 主回路的被控交量稱為主被控變量，也稱為主變量或主參數(shù)；副回路的被控變量稱為副被控變量，也稱為副變量或副參數(shù)。22 主、副對象 主回路所包括的對象稱為主對象；副回路所包括的對象稱為副對象。 主、副檢測變送器 檢測和變送主變量的稱為主檢測變送器；檢測和變送副變量的稱為副檢測變送器。 一、二次干擾進入主回路的干擾稱為一次干擾；進人副回路的干擾稱為二次干擾。 2324251. 只存在二次干擾 假定系統(tǒng)只受到來自燃料壓力波動的干擾。由于它進入副回路，所以屬于二次干擾D2。例如整個系統(tǒng)處于穩(wěn)

9、定狀態(tài)下，突然燃料壓力升高，這時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2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溫度T1的變化。所以此時主控制器的輸出暫時還沒有變化，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小，燃料流量將被調節(jié)回穩(wěn)定狀態(tài)時的大小。262. 只存在一次干擾 假定串級控制系統(tǒng)只受到來自窯車速度的干擾，比如窯車的速度加快，必然導致窯道中燒成帶溫度1的降低。對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“反”作用，它的輸出必然增大，也就是說副控

10、制器的設定值增大了。因為窯車的速度屬于一次干擾，它對副變量（燃燒室的溫度2）沒有影響，所以這時副控制器的測量值暫時還沒有改變。對于副控制器來說，設定值增大而測量值沒變，可以等效為其設定值不變而測量值減小。根據(jù)副控制器的“反”作用，其輸出將增大，“氣開”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2升高，進而使窯道燒成帶溫度回升至設定值。273. 一次干擾和二次干擾同時存在 兩種干擾同時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同方向變化，即同時增大或同時減小。 假定一次干擾為窯車的前進速度減小，將引起主變量（燒成帶溫度） l升高；二次干擾為燃料壓力增大，導致副變

11、量（燃燒室溫度） 2也升高。對于主控制器來講，由于它的測量值升高，根據(jù)它的“反作用關系，它的輸出將在穩(wěn)態(tài)時的基礎上減小，也就是副控制器的設定值將減小。而對于副控制器來講，由于它的測量值增大，其輸出的變化應該根據(jù)它的“反”作用以及設定值和測量值的變化方向共同決定。不妨將設定值的變化等效為設定值不變而測量值變化的情況，設定值減小可以等效為設定值不變而測量值增大。根據(jù)副控制器的“反”作用關系，上述兩種干擾都將使副控制器的輸出減小，都要求閥門開度關小。28一次干擾和二次干擾引起主、副變量反方向變化，即一個增大而另一個減小。 假定一次干擾為窯車前進速度增大，引起主變量（燒成帶溫度） l下降；二次干擾為燃

12、料壓力增大，導致副變量（燃燒室溫度）T2升高。對主控制器來說，由于其測量值減小，根據(jù)其“反”作用關系，它的輸出將增大，也將使副控制器的設定值增大。對副控制器來說，由于其測量值增大，設定值也增大，如果它們同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號偏差沒有改變，控制器的輸出當然也就不變，控制閥開度不變。實際上就是用二次干擾補償了一次干擾，閥門無需調節(jié)。 如果兩個干擾引起副控制器的設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償一次干擾時，副控制器再根據(jù)偏差的性質作小范圍調節(jié)可將主變量穩(wěn)定在設定值上。 29 從串級控制系統(tǒng)的工作過程可以看出:u兩個控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導，保證主變

13、量穩(wěn)定為目的，兩個控制器協(xié)調一致，互相配合。u尤其是對于二次干擾，副控制器首先進行“粗調”，主控制器再進一步“細調”。因此控制質量必然高于簡單控制系統(tǒng)。 30313233)()()()()()()()()()(1)()()()()()(1)()()()()()(1)()()()(1)()()()(2211122212222221112221221sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsDsYovcomcmovcodmovcovcomcmovcod串(6-1)34)()()()()(1)()()()(211221sGsGs

14、GsGsGsGsGsDsYmoovcod單(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 Gs36372221omvcKKKK38222222222222222221( )( )( )11111cvpcvpmppppcvpmcvpmKK KKK KKKYSGsTSRST

15、SKK KKKKK KKc2其中，可取較大值，因此2222222222( )( )( )( ),( )1pppccvvmmpY sGsR sKGsGsK ,G (s)=K ,G (s)=KT s副回路看成等效對象：假設：2pP2TT因此有：3940 眾所周知，生產(chǎn)過程往往包含一些非線性因素。隨著操作條件和負荷的變化，對象的靜態(tài)增益也將發(fā)生變化。因此，在一定負荷下，即在確定的工作點情況下，按一定控制質量指標整定的控制器參數(shù)只適應于工作點附近的一個小范圍。如果負荷變化過大，超出這個范圍，那么控制質量就會下降。在單回路控制中若不采取其它措施是難以解決的。但在串級系統(tǒng)中情況就不同了，負荷變化引起副回路

16、內個各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，可以較少影響或不影響系統(tǒng)的控制質量。 41 一方面可以用式（6-3）所表示的等效副對象的來表示，即等效對象的傳遞函數(shù)為一般情況下， ，因此 （6-13） )()()()(1)()()()()()(22222222sGsGsGsGsGsGsGsRsYsGmovcovco1)()()()(222sGsGsGsGomvc)(1)(22sGsGmo42由式（6-13）可知： 串級系統(tǒng)中的等效對象僅與測量變送裝置有關。如果副對象或調節(jié)閥的特性隨負荷變化時，對等效對象的影響不大。只要測量變送環(huán)節(jié)進行了線性化處理，副對象和調節(jié)閥的非線性特性對整個系統(tǒng)的控制品質影響是很小的。 因而在不改

17、變控制器整定參數(shù)的情況下，系統(tǒng)的副回路能自動地克服非線性因素的影響，保持或接近原有的控制質量。43另一方面，由于副回路通常是一個流量隨動系統(tǒng)，當系統(tǒng)操作條件或負荷改變時，主控制器將改變其輸出值，副回路能快速跟蹤及時而又精確地控制流量，從而保證系統(tǒng)的控制品質。 從上述兩個方面看，串級控制系統(tǒng)對負荷的變化有一定自適應能力。 綜上所述，可以將串級控制系統(tǒng)具有較好的控制性能的原因歸納為： 對二次干擾有很強的克服能力；對二次干擾有很強的克服能力；改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。對負荷或操作條件的變化有一定自適

18、應能力。 44 如果把串級控制系統(tǒng)中整個閉環(huán)副回路作為一個等效對象來考慮，可以看到主回路與一般單回路控制系統(tǒng)沒有什么區(qū)別，主變量的選擇原則與單回路控制系統(tǒng)的選擇原則是一致的，無須特殊討論。454647484950222( )2nnnG ss5122=1-;=1-2dnrn1 23r522312121rdrd或531122123dddd或2211123dddd或54 55565758 與簡單控制系統(tǒng)一樣，一個串級控制系統(tǒng)要實現(xiàn)正常運行，其主、副回路都必須構成負反饋，因而必須正確選擇主、副控制器的正、反作用方式。(1) 副控制器正、反作用的選擇 串級控制系統(tǒng)中，副控制器作用方式的選擇，是根據(jù)工藝安

19、全等要求，在選定調節(jié)閥的氣開、氣關形式后，按照使副回路構成副反饋系統(tǒng)的原則來確定的。因此，副控制器的作用方式與副對象特性及調節(jié)閥的氣開、氣關形式有關。59 在假定副測量變送裝置的增益為正的情況下，副控制器正反作用選擇的判別式為 （副控制器增益）（調節(jié)閥）（副對象增益） =（+）其中，調節(jié)閥的“”取決于它的“氣開”還是“氣關”作用方式，“氣開”為“+”，“氣關”為“-”；而副對象的“”取決于控制變量和副被控變量的關系，控制變量增大，副被控變量也增大時稱其為“+”，否則稱其為“-”。 60(2) 主控制器正、反作用的選擇 串級控制系統(tǒng)中，主控制器作用方式的選擇完全由工藝情況確定，而與調節(jié)閥的氣開、

20、氣關形式及副控制器的作用方式完全無關，即只需根據(jù)主對象的特性，選擇即只需根據(jù)主對象的特性，選擇與其作用方向相反的主控制器就行了。與其作用方向相反的主控制器就行了。 由于副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，在選擇主控制器的作用方式時，首先把整個副回路簡化為一個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的輸入信號與輸出信號之間總是正作用，即輸入增加，輸出亦增加。因此，整個副回路可看成為一個增益為整個副回路可看成為一個增益為正的環(huán)節(jié)。正的環(huán)節(jié)。61 這樣，在假定主測量變送裝置的增益為正的情況下，主控制器正、反作用的選擇實際上只取決于主對象的增益符號. 主控制器正反作用方式選擇的判別式為 （主控制器增益） (主對象增益）=（+） 由這個判別

21、式也可看出，主控制器的作用方向與主對象的特性相反。即當主對象為正作用時，主控制器選反作用；而當主對象為負作用時，主控制器選正作用。62 在此還應說明一點，有些生產(chǎn)過程要求控制系統(tǒng)既可以進行申級控制，又可以由主控制器單獨控制。兩種控制方式切換時，要注意主控制器的正、反作用方式是否需要改變。 如果副控制器是反作用，切換時主控制器的作用方式無需改變；如果副控制器是正作用，切換時主控制器的作用方式必須改變。這一點在實施中要特別注意（見下表）。 63主、副調節(jié)器正、反作用方式的確定及切換主、副調節(jié)器正、反作用方式的確定及切換 表表5-1 主副調節(jié)器作用方向主副調節(jié)器作用方向643. 防止控制器積分飽和的

22、措施防止控制器積分飽和的措施 對于具有積分作用的控制器，當系統(tǒng)長時間存在偏差而不能消除時，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)控制品質下降甚至失控。在串級控制系統(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，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間歇單元就可以有效地防止積分飽和。65666768 在一般情況下，既然主、副環(huán)的頻率相差很多，互相之間的影響不大，這時就可以首先在主環(huán)開路的情況下，接通常整定簡單控制系統(tǒng)的方法整定副調節(jié)器。然后，在投入副調節(jié)器的情況下，再按通常方法把主調節(jié)器整定好。 由于受到副參數(shù)選擇的限制，

23、主、副環(huán)的頻率比較接近時，它們之間的影響就比較大了。在這種情況下，就需要在主、副環(huán)之間反復進行試湊，才能達到最佳的整定。這樣的反復試湊是很麻煩的。 下面介紹兩種串級系統(tǒng)整定的方法。697071727374 兩步整定法雖然比逐步逼近法簡便得多，但仍然要分兩步進行整定，要尋求兩個4：1的衰減振蕩過程。因而仍比較麻煩。 人們在采用兩步法整定參數(shù)的實踐中，對兩步法反復進行總結、簡化，從而得到了一步整定法。 所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副控制器的比例度，然后按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定主控制器的參數(shù)。一步法的整定準確性雖然比兩步法低一些，但由于方法更簡便，易于操作和掌握，因而在工程上得到了廣泛

24、的應用。 75 一步整定法是在工程實踐中被發(fā)現(xiàn)的。對于一個串級控制系統(tǒng)，在純比例控制的情況下，要得到主變量的4：1衰減振蕩過程，主、副控制器的放大系數(shù)Kc1、Kc2可以有好幾組搭配，它們的相互關系近似滿足Kc1Kc2=Ks（常數(shù)），如表6-2所示的實驗數(shù)據(jù)可以說明這一點。7677 當采用1至3組整定參數(shù)時，主變量均可得到4：1衰減振蕩過程，且過渡過程時間均在9min左右，而Ks一般為3.3。這說明主、副控制器的放大系數(shù)可以在一定范圍內任意匹配，而控制效果基本相同。這樣就可以依據(jù)經(jīng)驗，先將副控制器的比例度確定一個數(shù)值，然后按一般單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法整定主控制器的參數(shù)。雖然副控制器按經(jīng)驗設置

25、的比例度不一定很合適，但可以通過調整主控制器的比例度進行補償，使主變量最終得到4：1的衰減振蕩過程。78 一步整定法的具體步驟： 由以上方法選擇副控制器的比例度久，使副回路按純比例控制運行。 將系統(tǒng)投人申級控制狀態(tài)運行，按單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定的方法對主控制器進行參數(shù)整定，使主變量的控制品質最佳。 796.5 串級控制系統(tǒng)的投運 選用不同類型的儀表組成的串級控制系統(tǒng)，投運方法也有所不同，但是所遵循的原則基本上都是相同的。 其一是投運順序，串級控制系統(tǒng)有兩種投運方式：一種是先投副回路后投主回路；另一種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”的投運順序； 其二是和簡單控制系統(tǒng)的投運要求一樣，在投運過程中必須保證無擾動切換。80 這里以DDZ-III型儀表組成的串級控制系統(tǒng)的投運方法為例，介紹其投運順序。具體投運步驟如下所述。(1) 將主、副控制器的切換開關部置于手動位置，主控制器設置為“內給（定）”，并設置好主設定值，副控