復(fù)雜過程控制系統(tǒng)--串級(jí)控制

1、CompanyLOGO第四章第四章 復(fù)雜過程控制系統(tǒng)復(fù)雜過程控制系統(tǒng)v串級(jí)控制串級(jí)控制v前饋控制前饋控制v大滯后補(bǔ)償控制大滯后補(bǔ)償控制v比值控制比值控制v分程與選擇性控制分程與選擇性控制v多變量解耦控制多變量解耦控制v模糊控制模糊控制v預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制編輯編輯ppt2單回路系統(tǒng)的局限單回路系統(tǒng)的局限v僅適用于比較簡(jiǎn)單的單輸出生產(chǎn)過程的控制，不僅適用于比較簡(jiǎn)單的單輸出生產(chǎn)過程的控制，不能解決多輸出過程的控制問題。能解決多輸出過程的控制問題。v即使是簡(jiǎn)單的單輸出生產(chǎn)過程，也存在這樣的情即使是簡(jiǎn)單的單輸出生產(chǎn)過程，也存在這樣的情況，如其調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性決定了它很難控制況，如其調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性決定

2、了它很難控制(如過程的滯后常數(shù)很大或擾動(dòng)量很大如過程的滯后常數(shù)很大或擾動(dòng)量很大)；或調(diào)節(jié)；或調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性雖不復(fù)雜，但工藝對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性雖不復(fù)雜，但工藝對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求很高或很持殊。要求很高或很持殊。v現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對(duì)提高現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對(duì)提高生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護(hù)提出了更高的生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求，使工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格，要求，使工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格，對(duì)工藝參數(shù)要求更加苛刻，從而對(duì)控制系統(tǒng)的精對(duì)工藝參數(shù)要求更加苛刻，從而對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能要求更高。度和功能要求更高。編輯編

3、輯ppt3第一節(jié)第一節(jié) 串級(jí)串級(jí)(Cascade)控制控制一、串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作過程一、串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作過程編輯編輯ppt4v方案一：圖方案一：圖41a (單回路單回路)v 被控參數(shù)：爐的出口溫度被控參數(shù)：爐的出口溫度T1 (直接參數(shù)直接參數(shù))v 控制參數(shù)：燃料量控制參數(shù)：燃料量v 主要擾動(dòng)：被加熱物料的流量和初溫主要擾動(dòng)：被加熱物料的流量和初溫f1(t)，燃料熱值的變化、壓力的波動(dòng)、流量的變化燃料熱值的變化、壓力的波動(dòng)、流量的變化f2(t)，煙囪擋板位置的改變、抽力的變化煙囪擋板位置的改變、抽力的變化f3(t).v 系統(tǒng)特點(diǎn)：所有對(duì)被控參數(shù)的擾動(dòng)都包含在系統(tǒng)特點(diǎn)：所有對(duì)被控參數(shù)

4、的擾動(dòng)都包含在這個(gè)回路中，理論上都可由溫度調(diào)節(jié)器予以克服，這個(gè)回路中，理論上都可由溫度調(diào)節(jié)器予以克服，但是控制通道的時(shí)間常數(shù)和容量滯后較大，控制但是控制通道的時(shí)間常數(shù)和容量滯后較大，控制作用不及時(shí)，系統(tǒng)克服擾動(dòng)的能力較差，不能滿作用不及時(shí)，系統(tǒng)克服擾動(dòng)的能力較差，不能滿足生產(chǎn)工藝要求。足生產(chǎn)工藝要求。編輯編輯ppt5v方案二：圖方案二：圖41b(單回路單回路)v 被控參數(shù)：爐膛溫度被控參數(shù)：爐膛溫度T2(間接參數(shù)間接參數(shù))v 控制參數(shù)：燃料量控制參數(shù)：燃料量v 主要擾動(dòng)：被加熱物料的流量和初溫主要擾動(dòng)：被加熱物料的流量和初溫f1(t)，燃料熱值的變化、壓力的波動(dòng)、流量的變化燃料熱值的變化、壓力

5、的波動(dòng)、流量的變化f2(t)，煙囪擋板位置的改變、抽力的變化煙囪擋板位置的改變、抽力的變化f3(t)。v 系統(tǒng)特點(diǎn)：能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)：能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)f2(t)、 f3(t)，但是擾動(dòng)，但是擾動(dòng)f1(t)未包括在系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)不未包括在系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)不能克服擾動(dòng)能克服擾動(dòng)f1(t)對(duì)爐出口溫度的影響，仍然不能對(duì)爐出口溫度的影響，仍然不能達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。編輯編輯ppt6v方案三：圖方案三：圖42 (串級(jí)串級(jí)) 主被控參數(shù)主被控參數(shù)(主參數(shù)主參數(shù))：爐出口溫度：爐出口溫度T1 副被控參數(shù)副被控參數(shù)(副參數(shù)副參數(shù))：爐膛溫度：爐膛溫度T2 特點(diǎn)：把爐出口溫特點(diǎn)：把爐出

6、口溫度調(diào)節(jié)器度調(diào)節(jié)器T1的輸出作為的輸出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器爐膛溫度調(diào)節(jié)器T2的給的給定值，擾動(dòng)定值，擾動(dòng)f2(t)、f3(t) 主主要由爐膛溫度調(diào)節(jié)器要由爐膛溫度調(diào)節(jié)器(副副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)構(gòu)成的控制回路構(gòu)成的控制回路(副回路副回路)來克服，擾動(dòng)來克服，擾動(dòng)f1(t)對(duì)爐出口溫度的影響對(duì)爐出口溫度的影響由爐出口溫度調(diào)節(jié)器由爐出口溫度調(diào)節(jié)器(主主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)構(gòu)成的控制回路構(gòu)成的控制回路(主回路主回路)來消除。來消除。編輯編輯ppt7名詞術(shù)語：名詞術(shù)語： 主回路、副回路主回路、副回路 主參數(shù)、副參數(shù)主參數(shù)、副參數(shù) 主過程、副過程主過程、副過程(對(duì)象對(duì)象) 主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器 一次

7、擾動(dòng)、二次擾動(dòng)一次擾動(dòng)、二次擾動(dòng)編輯編輯ppt8加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程 當(dāng)處在穩(wěn)定工況時(shí)，被加熱物料的流量和溫當(dāng)處在穩(wěn)定工況時(shí)，被加熱物料的流量和溫度不變，燃料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不度不變，燃料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口溫度和爐膛溫度均處于相對(duì)平衡狀態(tài)，變，爐出口溫度和爐膛溫度均處于相對(duì)平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開度，此時(shí)爐出口溫度穩(wěn)定在調(diào)節(jié)閥保持一定的開度，此時(shí)爐出口溫度穩(wěn)定在給定值上，當(dāng)擾動(dòng)破壞了平衡工況時(shí)，串級(jí)控制給定值上，當(dāng)擾動(dòng)破壞了平衡工況時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)便開始了其控制過程。根據(jù)不同的擾動(dòng)，分系統(tǒng)便開始了其控制過程。根據(jù)不同的擾

8、動(dòng)，分三種情況：三種情況：1.燃料壓力、熱值變化燃料壓力、熱值變化f2(t)和煙筒抽力變化和煙筒抽力變化f3(t) -二次擾動(dòng)或副回路擾動(dòng)二次擾動(dòng)或副回路擾動(dòng)2.被加熱物料的流量和初溫變化被加熱物料的流量和初溫變化f1(t)-一次擾動(dòng)一次擾動(dòng)或主回路擾動(dòng)或主回路擾動(dòng)編輯編輯ppt93.一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)同時(shí)存在一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)同時(shí)存在 假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣開式，主、副調(diào)節(jié)器均為反假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣開式，主、副調(diào)節(jié)器均為反作用。如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參作用。如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)同時(shí)增大或同時(shí)減少，主、副調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥數(shù)同時(shí)增大或同時(shí)減少，主、副調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致

9、的，即大幅度關(guān)小或開大閥門，的控制方向是一致的，即大幅度關(guān)小或開大閥門，加強(qiáng)控制作用，使?fàn)t出口溫度很快調(diào)回到給定值加強(qiáng)控制作用，使?fàn)t出口溫度很快調(diào)回到給定值上。上。 如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)一個(gè)增大一個(gè)增大(爐出口溫度升高爐出口溫度升高)，另一個(gè)減小，另一個(gè)減小(燃料量燃料量減少，即爐膛溫度降低減少，即爐膛溫度降低)，此時(shí)主、副調(diào)節(jié)器控制，此時(shí)主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開度只要作較調(diào)節(jié)閥的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開度只要作較小變動(dòng)即可滿足控制要求。小變動(dòng)即可滿足控制要求。編輯編輯ppt10二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與分析二、串級(jí)

10、控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與分析 在結(jié)構(gòu)上與電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的雙閉在結(jié)構(gòu)上與電力傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的雙閉環(huán)系統(tǒng)相同環(huán)系統(tǒng)相同(比單回路系統(tǒng)多了一個(gè)副回路比單回路系統(tǒng)多了一個(gè)副回路)，其，其系統(tǒng)特點(diǎn)與分析方法亦基本相同。系統(tǒng)特點(diǎn)與分析方法亦基本相同。 主回路主回路(外環(huán)外環(huán))：定值控制系統(tǒng)：定值控制系統(tǒng) 副回路副回路(內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán))：隨動(dòng)控制系統(tǒng)：隨動(dòng)控制系統(tǒng) 與單回路系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)多用了一與單回路系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)多用了一個(gè)測(cè)量變送器與一個(gè)控制器個(gè)測(cè)量變送器與一個(gè)控制器(調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)，增加的投，增加的投資并不多資并不多(對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個(gè)對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個(gè)測(cè)

11、量變送器測(cè)量變送器)，但控制效果卻有顯著的提高，其原，但控制效果卻有顯著的提高，其原因在于串級(jí)控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)因在于串級(jí)控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)包含二次擾動(dòng)的副回路。的副回路。編輯編輯ppt11 (一一)改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性改善了被控過程的動(dòng)態(tài)特性編輯編輯ppt12 副回路閉環(huán)傳遞函數(shù)副回路閉環(huán)傳遞函數(shù) 設(shè)設(shè)W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2，Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得，可得 式中式中 -等效被控過程的放大系數(shù)等效被控過程的放大系數(shù) -等效被控過程的時(shí)間常數(shù)等效被控過程的時(shí)間常數(shù)02C2V0222C2V02m2W (s)W (s)W

12、(s)Y (s)W (s)=X (s)1+W (s)W (s)W (s)W(s)020202KW (s)=T s+102K0 2TC2V0202C2V02m2KK KK=1+ KK K K0202C2V02m2TT=1+ KK K K編輯編輯ppt13 可見可見 T02僅為僅為T02的的1/(1+Kc2Kv2K02Km2)。而。而且隨著且隨著Kc2的增大這種效果更顯著。如果匹配得當(dāng)，的增大這種效果更顯著。如果匹配得當(dāng)，副回路可近似為副回路可近似為1：1的環(huán)節(jié)。這樣對(duì)主調(diào)節(jié)器來的環(huán)節(jié)。這樣對(duì)主調(diào)節(jié)器來說，其等效被控過程只剩下不包括在副回路之內(nèi)的說，其等效被控過程只剩下不包括在副回路之內(nèi)的一部分被

13、控過程，所以其容量滯后減小了，過程的一部分被控過程，所以其容量滯后減小了，過程的動(dòng)態(tài)特性得到顯著改善，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制動(dòng)態(tài)特性得到顯著改善，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制更為及時(shí)，從而提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。更為及時(shí)，從而提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了一個(gè)副回路，使等效串級(jí)控制系統(tǒng)由于增加了一個(gè)副回路，使等效被控過程的時(shí)間常數(shù)減小了，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特被控過程的時(shí)間常數(shù)減小了，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。（頻域分析略）性。（頻域分析略）02020202K K T KC， 所以所以QC2QD2。D2CV2Y(s)/X(s)Q(s)=W (s)W (s)Y(s)/F (s)C2C1C2D2C

14、Q (s)W (s)W (s)=Q(s)W (s)C2C1C2D2CQ (s)KK=Q(s)K編輯編輯ppt18(三三)對(duì)一次擾動(dòng)有較好的克服能力對(duì)一次擾動(dòng)有較好的克服能力v 對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)：對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)： 抗擾動(dòng)能力：抗擾動(dòng)能力：v 對(duì)單回路控制系統(tǒng)：對(duì)單回路控制系統(tǒng)： 抗擾動(dòng)能力：抗擾動(dòng)能力：0111C10201m1W (s)Y (s)=F (s)1+W (s)W (s)W (s)W(s)11C1C10211Y (s)/X (s)Q (s)=W (s)W (s)Y (s)/F (s)011CV0201mW (s)Y(s)=F (s)1+W (s)W (s)W (s)W (s)W (s)D

15、1VC021Y(s)/X(s)Q(s)=W (s)W (s)W (s)Y(s)/F (s)編輯編輯ppt19v兩者抗一次擾動(dòng)能力之比：兩者抗一次擾動(dòng)能力之比： 設(shè)設(shè)WC(s)=WC1(s)，一般情況下，一般情況下WC2(s)很很大，則有大，則有 一般情況下一般情況下WV(s)W02(s)Wm2(s)小于小于1，因此串級(jí)控制系統(tǒng)的抗一次擾動(dòng)的能力要比單回因此串級(jí)控制系統(tǒng)的抗一次擾動(dòng)的能力要比單回路控制系統(tǒng)略強(qiáng)一些。路控制系統(tǒng)略強(qiáng)一些。C1C102C1C2D1CV02CC2V02m2Q (s)W (s)W (s)W (s)W(s)=Q(s)W (s)W (s)W (s)W (s)1+W(s)W (

16、s)W (s)W(s)C1C2D1C2V02m2V02m2Q (s)W (s)1=Q (s)W (s)W (s)W (s)W(s)W (s)W (s)W(s)編輯編輯ppt20(四四)對(duì)副回路參數(shù)變化具有一定的對(duì)副回路參數(shù)變化具有一定的自適應(yīng)能力自適應(yīng)能力 在生產(chǎn)過程中，常含有非線性與未建模動(dòng)態(tài)，在生產(chǎn)過程中，常含有非線性與未建模動(dòng)態(tài)，工作點(diǎn)亦常隨負(fù)荷與操作條件發(fā)生變化，使過程工作點(diǎn)亦常隨負(fù)荷與操作條件發(fā)生變化，使過程特性發(fā)生變化。對(duì)于包含在副回路內(nèi)的非線性與特性發(fā)生變化。對(duì)于包含在副回路內(nèi)的非線性與參數(shù)、負(fù)荷變化，串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適參數(shù)、負(fù)荷變化，串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。應(yīng)

17、能力。 例：加熱爐中零件數(shù)量變化（溫度控制）。例：加熱爐中零件數(shù)量變化（溫度控制）。編輯編輯ppt21仿真研究仿真研究單回路系統(tǒng)：?jiǎn)位芈废到y(tǒng)：PID參數(shù)參數(shù)vKp=3.7vTI=38svTD=0s未加干擾未加干擾編輯編輯ppt22串級(jí)控制串級(jí)控制(未加擾動(dòng)未加擾動(dòng))主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器vKp=8.4vTI=12.8 svTD=0 s副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器vKp=10vTI=5000 svTD=0 s編輯編輯ppt23v串級(jí)控制：串級(jí)控制：(副回路加入副回路加入階躍擾動(dòng)階躍擾動(dòng))編輯編輯ppt24v串級(jí)控制：串級(jí)控制：(主回路加入階主回路加入階躍擾動(dòng)躍擾動(dòng))編輯編輯ppt25v串級(jí)控制：串級(jí)控制：(主、副

18、回路主、副回路同時(shí)加入階同時(shí)加入階躍擾動(dòng)躍擾動(dòng))編輯編輯ppt26參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)v過程控制與過程控制與Simulink應(yīng)用，王正林應(yīng)用，王正林, 郭陽寬，郭陽寬，2006編輯編輯ppt27三、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)三、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (一一)主、副回路的設(shè)計(jì)主、副回路的設(shè)計(jì) 串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。主主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)可以按照單回路控制參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)以及主、副回路是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)以及

19、主、副回路關(guān)系的考慮。關(guān)系的考慮。1副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng)副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動(dòng) 副回路對(duì)于包含在其內(nèi)的二次擾動(dòng)以及非線副回路對(duì)于包含在其內(nèi)的二次擾動(dòng)以及非線性、參數(shù)變化有很強(qiáng)的抑制能力與一定的自適應(yīng)性、參數(shù)變化有很強(qiáng)的抑制能力與一定的自適應(yīng)能力，因此副回路應(yīng)包括生產(chǎn)過程中變化劇烈且能力，因此副回路應(yīng)包括生產(chǎn)過程中變化劇烈且幅度大的主要擾動(dòng)。幅度大的主要擾動(dòng)。編輯編輯ppt28 并不是說在副回路中包括的擾動(dòng)愈多愈好，并不是說在副回路中包括的擾動(dòng)愈多愈好，而應(yīng)該是合理。而應(yīng)該是合理。原因：副回路包括的擾動(dòng)愈多，原因：副回路包括的擾動(dòng)愈多，通道就愈長(zhǎng)，時(shí)間常數(shù)就愈大，無法快速克服擾通道就愈

20、長(zhǎng)，時(shí)間常數(shù)就愈大，無法快速克服擾動(dòng)。動(dòng)。2應(yīng)使主、副過程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配應(yīng)使主、副過程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配 原則上，主、副過程時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在原則上，主、副過程時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3到到10范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。 如果如果副過程的時(shí)間常數(shù)比主過程小得太多副過程的時(shí)間常數(shù)比主過程小得太多，這時(shí)雖然副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但此時(shí)這時(shí)雖然副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但此時(shí)一般情況下副回路包含的擾動(dòng)少，對(duì)于過程特性一般情況下副回路包含的擾動(dòng)少，對(duì)于過程特性的改善也就減少了。的改善也就減少了。編輯編輯ppt29 如果如果副回路的時(shí)間常數(shù)接近甚至大于主過程副回路的時(shí)間常數(shù)接近甚至大于主過程的時(shí)間常數(shù)的時(shí)間

21、常數(shù)，這時(shí)副回路雖對(duì)改善過程特性的效，這時(shí)副回路雖對(duì)改善過程特性的效果較顯著，但副回路反映較遲鈍，不能及時(shí)有效果較顯著，但副回路反映較遲鈍，不能及時(shí)有效克服擾動(dòng)?？朔_動(dòng)。 如果如果主、副過程的時(shí)間常數(shù)比較接近主、副過程的時(shí)間常數(shù)比較接近，這時(shí)，這時(shí)主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系十分密切，一個(gè)參數(shù)發(fā)生主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系十分密切，一個(gè)參數(shù)發(fā)生振蕩時(shí)，會(huì)使另一個(gè)參數(shù)也發(fā)生振蕩（振蕩時(shí)，會(huì)使另一個(gè)參數(shù)也發(fā)生振蕩（共振）共振），不利于生產(chǎn)的正常進(jìn)行。不利于生產(chǎn)的正常進(jìn)行。 串級(jí)控制系統(tǒng)主、副過程時(shí)間常數(shù)的匹配是串級(jí)控制系統(tǒng)主、副過程時(shí)間常數(shù)的匹配是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，工程上應(yīng)根據(jù)具體過程的一個(gè)比較復(fù)雜的問題，

22、工程上應(yīng)根據(jù)具體過程的實(shí)際情況與控制要求來定。實(shí)際情況與控制要求來定。編輯編輯ppt30(二二)主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇 出發(fā)點(diǎn)：主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器出發(fā)點(diǎn)：主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用。起隨動(dòng)控制作用。 主調(diào)節(jié)器選主調(diào)節(jié)器選PI或或PID控制規(guī)律：控制規(guī)律：主參數(shù)是工主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍較小，一般要藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍較小，一般要求無余差。求無余差。 副調(diào)節(jié)器選副調(diào)節(jié)器選P控制規(guī)律：控制規(guī)律：副參數(shù)的設(shè)置是為了副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以在一定范圍內(nèi)變化，保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以在一

23、定范圍內(nèi)變化，允許有余差。一般不引入積分允許有余差。一般不引入積分(會(huì)延長(zhǎng)控制過程，會(huì)延長(zhǎng)控制過程，減弱副回路的快速作用減弱副回路的快速作用)。也不引入微分。也不引入微分(副回路本副回路本身起著快速作用，再引入微分規(guī)律會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作身起著快速作用，再引入微分規(guī)律會(huì)使調(diào)節(jié)閥動(dòng)作過大，對(duì)控制不利過大，對(duì)控制不利)。編輯編輯ppt31(三三)確定主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式v 主、副調(diào)節(jié)器正主、副調(diào)節(jié)器正/反作用反作用方式的方式的選擇原則選擇原則： 使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即主通道各負(fù)反饋系統(tǒng)，即主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為

24、正。須為正。 （各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性（各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的規(guī)定與單回路系統(tǒng)相同）的規(guī)定與單回路系統(tǒng)相同） 例：例：圖圖42所示爐所示爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。編輯編輯ppt32四、串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定四、串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定v串級(jí)控制系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來控制一個(gè)調(diào)節(jié)串級(jí)控制系統(tǒng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥，是相互關(guān)聯(lián)的，因此其參數(shù)整定也是相互關(guān)閥，是相互關(guān)聯(lián)的，因此其參數(shù)整定也是相互關(guān)聯(lián)的，需相互協(xié)調(diào)、反復(fù)核定才能取得最佳效果。聯(lián)的，需相互協(xié)調(diào)、反復(fù)核定才能取得最佳效果。v在整定主調(diào)節(jié)器時(shí)，必須知道副調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特在整定主調(diào)節(jié)器時(shí)，必

25、須知道副調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性；在整定副調(diào)節(jié)器時(shí)，又必須知道主調(diào)節(jié)器的性；在整定副調(diào)節(jié)器時(shí)，又必須知道主調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性。v原則：原則：主回路為定值控制主回路為定值控制，要求主參數(shù)有較高的，要求主參數(shù)有較高的控制精度，其品質(zhì)指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)一控制精度，其品質(zhì)指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)一樣。但樣。但副回路是隨動(dòng)控制副回路是隨動(dòng)控制，只要求副參數(shù)能快速，只要求副參數(shù)能快速準(zhǔn)確地跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化即可。準(zhǔn)確地跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化即可。編輯編輯ppt331兩步整定法兩步整定法 根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，主、副過程的時(shí)根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，主、副過程的時(shí)間常數(shù)之比間常數(shù)之比T01

26、/T02應(yīng)在應(yīng)在3到到10范圍內(nèi)。此時(shí)主、副范圍內(nèi)。此時(shí)主、副回路的工作頻率和周期相差很大，動(dòng)態(tài)聯(lián)系很小，可回路的工作頻率和周期相差很大，動(dòng)態(tài)聯(lián)系很小，可忽略不計(jì)。所以，忽略不計(jì)。所以，副調(diào)節(jié)器參數(shù)按單回路系統(tǒng)方法整副調(diào)節(jié)器參數(shù)按單回路系統(tǒng)方法整定定后，可以后，可以將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)路系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，而不再考慮，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)副回路的影響。主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對(duì)副回路的影響。 另外，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)于主參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)另外，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)于主參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)要求很高，而對(duì)副參數(shù)

27、的質(zhì)量指標(biāo)沒有嚴(yán)格要求，設(shè)要求很高，而對(duì)副參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)沒有嚴(yán)格要求，設(shè)置副參數(shù)是為了進(jìn)一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在副置副參數(shù)是為了進(jìn)一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好后，再整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好后，再整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，只要主只要主參數(shù)的質(zhì)量通過主調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定得到保證，副參參數(shù)的質(zhì)量通過主調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定得到保證，副參數(shù)的控制質(zhì)量可以允許犧牲一些數(shù)的控制質(zhì)量可以允許犧牲一些。編輯編輯ppt34v整定步驟：整定步驟：第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。（先副后主）定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。（先副后主） 1)在工況穩(wěn)定、在工況穩(wěn)定、主回

28、路閉合主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于都在純比例作用下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法(如如4：1)整整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度2s和周期和周期T2s 。 2)將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值2s上，把副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣上，把副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比例度方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比例度1s和周和周期期T1s 。編輯編輯ppt35v 3)根據(jù)根據(jù)1s、T1s 、2s、T2s，按

29、單回路系統(tǒng)，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法的整定公式計(jì)算主調(diào)節(jié)器的比例度衰減曲線法的整定公式計(jì)算主調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間積分時(shí)間TI和微分時(shí)間和微分時(shí)間TD。v 4)按按先副后主、先比例后積分先副后主、先比例后積分的順序，設(shè)置的順序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳。要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳。編輯編輯ppt36 2逐步逼近法逐步逼近法 對(duì)于對(duì)于主、副過程的時(shí)間常數(shù)相差不大主、副過程的時(shí)間常數(shù)相差不大的串級(jí)的串級(jí)控制系統(tǒng)，由于主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系比較密切，控制系統(tǒng)，由于主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系比較密

30、切，所以系統(tǒng)整定必須反復(fù)進(jìn)行、逐步逼近。所以系統(tǒng)整定必須反復(fù)進(jìn)行、逐步逼近。 逐步逼近法：逐步逼近法：在在主回路斷開主回路斷開的情況下，求取的情況下，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求數(shù)值上，將主回路閉合以求取主調(diào)節(jié)器置在所求數(shù)值上，將主回路閉合以求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。而后，將主調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在的整定參數(shù)值。而后，將主調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求數(shù)值上再進(jìn)行整定，求出第二次副調(diào)節(jié)器的所求數(shù)值上再進(jìn)行整定，求出第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。比較上述兩次的整定參數(shù)值和控制整定參數(shù)值。比較上述兩次的整定參數(shù)值和控制質(zhì)量，如果達(dá)到了控制品質(zhì)指

31、標(biāo)，整定工作就此質(zhì)量，如果達(dá)到了控制品質(zhì)指標(biāo)，整定工作就此結(jié)束。否則再按此法求取第二次主調(diào)節(jié)器的整定結(jié)束。否則再按此法求取第二次主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，依次循環(huán)，直到求得合適的整定參數(shù)值。參數(shù)值，依次循環(huán)，直到求得合適的整定參數(shù)值。（整定步驟略）（整定步驟略）編輯編輯ppt37五、串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用五、串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用(一一)用于克服被控過程較大的容量滯后用于克服被控過程較大的容量滯后v 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，一些以溫度等作為被控參數(shù)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，一些以溫度等作為被控參數(shù)的過程，往往其容量滯后較大，控制要求又較高。的過程，往往其容量滯后較大，控制要求又較高。若采用單回路控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量不能滿

32、足生產(chǎn)若采用單回路控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量不能滿足生產(chǎn)要求。此時(shí)可選用串級(jí)控制系統(tǒng)，充分利用其改要求。此時(shí)可選用串級(jí)控制系統(tǒng)，充分利用其改善過程的動(dòng)態(tài)特性、提高工作頻率的特點(diǎn)。為此，善過程的動(dòng)態(tài)特性、提高工作頻率的特點(diǎn)。為此，選擇一個(gè)滯后較小的副參數(shù)，組成一個(gè)快速動(dòng)作選擇一個(gè)滯后較小的副參數(shù)，組成一個(gè)快速動(dòng)作的副回路，以減小等效過程的時(shí)間常數(shù)，加快響的副回路，以減小等效過程的時(shí)間常數(shù)，加快響應(yīng)速度，從而取得較好的控制質(zhì)量。應(yīng)速度，從而取得較好的控制質(zhì)量。v 例：例：圖圖42加熱爐。加熱爐。編輯編輯ppt38 (二二)用于克服被控過程的純滯后用于克服被控過程的純滯后v 當(dāng)工業(yè)過程純滯后時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，可用

33、串級(jí)控制當(dāng)工業(yè)過程純滯后時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，可用串級(jí)控制來改善控制質(zhì)量，即來改善控制質(zhì)量，即在離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小在離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的地方選擇一個(gè)副參數(shù)的地方選擇一個(gè)副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)純滯后較小的副，構(gòu)成一個(gè)純滯后較小的副回路，把主要擾動(dòng)包括在副回路中，在其影響主參回路，把主要擾動(dòng)包括在副回路中，在其影響主參數(shù)前，由副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主要擾動(dòng)的及時(shí)控制，從而數(shù)前，由副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主要擾動(dòng)的及時(shí)控制，從而提高控制質(zhì)量。提高控制質(zhì)量。v例例41 造紙廠網(wǎng)前箱溫度串級(jí)控制造紙廠網(wǎng)前箱溫度串級(jí)控制(圖圖4-7)。 紙漿用泵從儲(chǔ)槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸紙漿用泵從儲(chǔ)槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至汽加熱

34、至72左右，經(jīng)過立篩、圓篩除去雜質(zhì)后左右，經(jīng)過立篩、圓篩除去雜質(zhì)后送到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。為保證紙張質(zhì)量，工送到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。為保證紙張質(zhì)量，工藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在61左右，允許偏差不左右，允許偏差不得超過得超過1。編輯編輯ppt39v 若用單回路系統(tǒng)，從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達(dá)若用單回路系統(tǒng)，從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達(dá)90s，當(dāng)紙漿流量波動(dòng)當(dāng)紙漿流量波動(dòng)35kg/min時(shí)，溫度最大偏差時(shí)，溫度最大偏差8.5，過渡過程時(shí)間過渡過程時(shí)間450s，控制質(zhì)量差，不能滿足工藝要求。，控制質(zhì)量差，不能滿足工藝要求。v 在離調(diào)節(jié)閥較近處選擇在離調(diào)節(jié)閥較近處選擇混合器出口溫度混合器出口溫度為為副參數(shù)副參數(shù)，網(wǎng)，網(wǎng)前箱溫度為主參數(shù)構(gòu)成串級(jí)控制，把前箱溫度為主參數(shù)構(gòu)成串級(jí)控制，把主要擾動(dòng)主要擾動(dòng)(紙漿流量紙漿流量波動(dòng)波動(dòng)) 包括在副回路中。實(shí)踐表明，網(wǎng)前箱溫度最大偏差包括在副回路中。實(shí)踐表明，網(wǎng)前箱溫度最大偏差未超過未超過1，過渡過程時(shí)間過渡過程時(shí)間200s，完全滿足工藝要求。，完全滿足工藝要求。72611編輯編輯ppt40 (三三)用于抑制變化劇烈且幅度大的擾動(dòng)用于抑制變化劇烈且幅度大的擾動(dòng) 將將變化劇烈且幅度大的擾動(dòng)變化劇烈且幅度大的擾動(dòng)包括在串級(jí)系統(tǒng)副回包括在串級(jí)