第七章 串級(jí)控制系統(tǒng)課件

過程控制系統(tǒng)2023/11/20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)設(shè)計(jì)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2023/11/202第七章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院過程控制與集散系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)7.1

第7章串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)是提高過程控制品質(zhì)非常有效的方案之一串級(jí)控制的提出：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求的情況下產(chǎn)生的。

2023/11/203第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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?；鹧嬖谌紵抑腥紵瑹崃拷?jīng)過隔焰板輻射加熱燒成帶。簡(jiǎn)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/204第七章串級(jí)控制系統(tǒng)原因就是從控制閥到窯道燒成帶滯后時(shí)間太大，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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/205第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(zhǎng)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/206第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(lái)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制系統(tǒng)。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/207第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(lái)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(wú)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(zhǎng)處。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/208第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(lái)，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/209第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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。

串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2010第七章串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)的組成

⑥一、二次干擾①主、副回路⑤主、副檢測(cè)變送器④主、副對(duì)象②主、副控制器③主、副被控變量串級(jí)控制系統(tǒng)的組成過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2011第七章串級(jí)控制系統(tǒng)3

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回路(副環(huán))。①主、副回路②主、副控制器處于主回路中的控制器稱為主控制器；于副回路中的控制器稱為副控制器。

③主、副被控變量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)；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)。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2012第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2013第七章串級(jí)控制系統(tǒng)3

檢測(cè)和變送主變量的稱為主檢測(cè)變送器；檢測(cè)和變送副變量的稱為副檢測(cè)變送器。⑤主、副檢測(cè)變送器3

進(jìn)入主回路的干擾稱為一次干擾；進(jìn)入副回路的干擾稱為二次干擾。

⑥一、二次干擾④主、副對(duì)象主回路所包括的對(duì)象稱為主對(duì)象；副回路所包括的對(duì)象稱為副對(duì)象。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2014第七章串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程串級(jí)控制系統(tǒng)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)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(lái)加以說(shuō)明。考慮到生產(chǎn)的安全，控制閥選擇“氣開”工作方式。兩個(gè)控制器都選擇“反”作用方式。7.2

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2015第七章串級(jí)控制系統(tǒng)(1)只存在二次干擾假定系統(tǒng)只受到來(lái)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D2。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)盡管控制閥門開度沒變，可燃料的流量增大了，首先將引起燃燒室溫度T2升高，經(jīng)副溫度檢測(cè)變送器后，副控制器接受的測(cè)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Tl的變化。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(燒成帶溫度T1)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。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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2017第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

經(jīng)主溫度檢測(cè)變送器后，主控制器接受到的測(cè)量信號(hào)增大。主控制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主控制器的輸出將減小。副控制器的設(shè)定值減小，也就是副控制器的輸出在原來(lái)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。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2018第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

(2)只存在一次干擾假定串級(jí)控制系統(tǒng)只受到來(lái)自窯車速度的干擾，比如窯車的速度加快，必然導(dǎo)致窯道中燒成帶溫度T1的降低。對(duì)于定值控制的主控制器來(lái)說(shuō)，其測(cè)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(shuō)副控制器的設(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(燃燒室的溫度T2)沒有影響，所以這時(shí)副控制器的測(cè)量值暫時(shí)還沒有改變。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2019第七章串級(jí)控制系統(tǒng)在整個(gè)控制過程中，燃燒室的溫度T2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。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，燃燒室溫度T2的改變是作為對(duì)燒成帶溫度T1的控制手段來(lái)利用的，而不是作為干擾加以克服的。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(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(lái)說(shuō)，設(shè)定值增大而測(cè)量值沒變，可以等效為其設(shè)定值不變而測(cè)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T2升高，進(jìn)而使窯道燒成帶溫度回升至設(shè)定值。2023/11/2020第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

(3)一次干擾和二次干擾同時(shí)存在兩種干擾同時(shí)存在又可分為兩種不同情況。①一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。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2021第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

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)T1升高；二次干擾為燃料壓力增大，導(dǎo)致副變量(燃燒室溫度)T2也升高。對(duì)于主控制器來(lái)講，由于它的測(cè)量值升高，根據(jù)它的“反”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。

而對(duì)于副控制器來(lái)講，由于它的測(cè)量值增大，其輸出的變化應(yīng)該根據(jù)它的“反”作用以及設(shè)定值和測(cè)量值的變化方向共同決定。

不妨將設(shè)定值的變化等效為設(shè)定值不變而測(cè)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(cè)量值大。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2022第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

根據(jù)副控制器的“反”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。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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2023第七章串級(jí)控制系統(tǒng)②一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。

假定一次干擾為窯車前進(jìn)速度增大，引起主變量(燒成帶溫度)T1下降；二次干擾為燃料壓力增大，導(dǎo)致副變量(燃燒室溫度)T2升高。對(duì)主控制器來(lái)說(shuō)，由于其測(cè)量值減小，根據(jù)其“反”作用關(guān)系，它的輸出將增大，也將使副控制器的設(shè)定值增大。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2024第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

對(duì)副控制器來(lái)說(shuō)，由于其測(cè)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)——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(wú)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(cè)量值的同向變化不相同，也就是說(shuō)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)定在設(shè)定值上。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2025第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

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，副控制器首先進(jìn)行“粗調(diào)”，主控制器再進(jìn)一步“細(xì)調(diào)”。因此控制質(zhì)量必然高于簡(jiǎn)單控制系統(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)。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2026第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(jiǎn)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)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量是簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)所無(wú)法比擬的。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院7.3

2023/11/2027第七章串級(jí)控制系統(tǒng)7.3.1.1減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(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)；Go1(s)、Go2(s)分別為主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)；Gm1(s)、Gm2(s)分別為主、副檢測(cè)變送器的傳遞函數(shù)；Cv(s)為控制閥的傳遞函數(shù)。2023/11/2028第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

把整個(gè)副回路看作是一個(gè)等效副對(duì)象并以G’o2(s)表示其傳遞函數(shù)，則圖示的簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)為: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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2029第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2030第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2031第七章串級(jí)控制系統(tǒng)無(wú)論在什么情況下，1+Kc2KvKo2Km2>1不等式總是成立的。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)T’o2減小到副對(duì)象本身時(shí)間常數(shù)To2的1／(1+Kc2KvKo2Km2)。并且隨著副控制器的放大系數(shù)Kc2的增大，時(shí)間常數(shù)減小得更加顯著。時(shí)間常數(shù)的減小，意味著控制通道的縮短，從而使控制作用更加及時(shí)，響應(yīng)速度更快，控制質(zhì)量必然得到提高。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2032第七章串級(jí)控制系統(tǒng)等效副對(duì)象的放大系數(shù)減小了，即K’o2<Ko2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)中更大一些，對(duì)提高系統(tǒng)抗干擾能力更加有利。7.3.1.2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(jiǎn)化圖可以寫出其特征方程為：

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2033第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2034第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2035第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2036第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2037第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2038第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。當(dāng)主、副對(duì)象的特性一定時(shí)，副控制器的放大系數(shù)Kc2整定得越大，這種效果越顯著。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2039第七章串級(jí)控制系統(tǒng)7.3.1.3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。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.過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2040第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2041第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2042第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(shuō)D2（s）/Y1（s）/越小越好，越接近于0，說(shuō)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(shuō)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(lái)評(píng)價(jià)，即過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2043第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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)第7章串級(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)抗干擾能力的表達(dá)式。干擾從相同位置進(jìn)入單回路控制系統(tǒng)。2023/11/2044第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2045第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2046第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2047第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2048第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2049第七章串級(jí)控制系統(tǒng)抗干擾能力為: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。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(lái)講，其控制通道縮短了，克服一次干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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2050第七章串級(jí)控制系統(tǒng)7.3.1.4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。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K0不是一個(gè)常數(shù)。在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中，控制器的參數(shù)是在一定負(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。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(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。2023/11/2051第七章串級(jí)控制系統(tǒng)7使得原來(lái)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)第7章串級(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。

2023/11/2052第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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)第7章串級(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)K’02只與負(fù)反饋回路中的檢測(cè)變送環(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(wú)關(guān)。只要對(duì)檢測(cè)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。

2023/11/2053第七章串級(jí)控制系統(tǒng)(1)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，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(3)對(duì)二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力，對(duì)克服一次干擾的能力也有一定的提高。(4)對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化具有一定的自適應(yīng)能力串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2054第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2055第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(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。

2023/11/2056第七章串級(jí)控制系統(tǒng)7.3.2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1/10～1/100。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1/3-1/5。7.3.2.1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、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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2057第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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，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；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實(shí)現(xiàn)的可能性。選擇原則是7.3.2.2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)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2058第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

(1)應(yīng)使主要的和更多的干擾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低程度，減小它們對(duì)主變量的影響，從而提高控制質(zhì)量。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。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。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2059第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2060第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2061第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2062第七章串級(jí)控制系統(tǒng)(2)應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配從回路的頻率特性來(lái)分析回路都分別看作是一個(gè)二階振蕩系統(tǒng)。二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2063第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2064第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2065第七章串級(jí)控制系統(tǒng)從圖中可以看出，除了當(dāng)ω＝ωr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區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)的幅值將明顯增大。可以稱這個(gè)區(qū)間為廣義共振區(qū)。共振區(qū)的頻率范圍為1/3<ω/ωr< 當(dāng)外界干擾頻率小于1/3ωr或大于ωr，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1/3ωr到ωr之間時(shí)，系統(tǒng)的幅值增大，振蕩加劇，甚至發(fā)生共振。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2066第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2067第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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ωd與系統(tǒng)的自然頻率ω。有如下關(guān)系：

ωd=ωo對(duì)于小的阻尼系數(shù)ζ，ωr和ωd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ζ=0．216時(shí)，它們的工作頻率ωd與其對(duì)應(yīng)的共振頻率ωr近似相等。即

ωdl＝ωrlωd2=ωr2

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2068第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(wú)時(shí)無(wú)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(lái)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ωdl，也是主回路的共振頻率ωr1而從主回路來(lái)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)干擾信號(hào)的頻率就是副回路的工作頻率ωd2，也是副回路的共振頻率ωr2。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2069第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(zhǎng)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2070第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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ωd2=(3～10)ωd1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=(3～10)TO2

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2071第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(lái)決定，即可把這個(gè)系統(tǒng)看作一個(gè)近似二階振蕩系統(tǒng)。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2072第七章串級(jí)控制系統(tǒng)(3)應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性①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(cè)。②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)工藝的具體情況改進(jìn)設(shè)計(jì)。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2073第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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(lái)提供。

把這一串級(jí)控制方案改為增壓風(fēng)流量簡(jiǎn)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(lái)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2074第七章串級(jí)控制系統(tǒng)③在副回路的設(shè)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(lái)。

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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2075第七章串級(jí)控制系統(tǒng)①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(lái)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)控制規(guī)律的選擇一般說(shuō)來(lái)有下列四種情況：

7.3.2.3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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2076第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2077第七章串級(jí)控制系統(tǒng)②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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2078第七章串級(jí)控制系統(tǒng)③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。④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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2079第七章串級(jí)控制系統(tǒng)如果輸入控制器的測(cè)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)控制器正、反作用方式的選擇過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2080第七章串級(jí)控制系統(tǒng)①

邏輯推理法過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2081第七章串級(jí)控制系統(tǒng)a)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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2082第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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。②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)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2083第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

控制器具有積分作用。當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)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)主、副控制器的防積分飽和措施控制規(guī)律的選擇過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2084第七章串級(jí)控制系統(tǒng)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)控制器輸出都達(dá)到極值點(diǎn)的可能，若如此，串級(jí)控制系統(tǒng)的失控范圍要比單回路控制系統(tǒng)積分飽和時(shí)失控范圍大得多。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2085第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2086第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

副控制器防止積分飽和的方法和單回路控制系統(tǒng)的方法相同，采用外部積分反饋法。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2087第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2088第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2089第七章串級(jí)控制系統(tǒng)外部積分反饋法，只是其反饋信號(hào)不是主控制器的輸出，而是用副變量的測(cè)量值y2作為主控制器的外部反饋信號(hào)。其防止主控制器積分飽和的原理如下:

在動(dòng)態(tài)過程中，主控制器的輸出為

R2(s)＝KclEl(s)十1/(Tns+1)Y2(s)

系統(tǒng)處于正常工作時(shí)，Y2應(yīng)不斷跟蹤R2，即有Y2(s)＝R2(s)，此時(shí)主控制器的輸出可以寫成

R2(S)=Kcl(1十1/Tns)El(s)

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2090第七章串級(jí)控制系統(tǒng)此時(shí)主控制器具有PI控制作用。與通常采用主控制器輸出R2作為正反饋信號(hào)時(shí)一致。當(dāng)副回路由于某種原因而出現(xiàn)長(zhǎng)期偏差時(shí)，即R2(s)≠Y2(s)時(shí)，則主控制器的輸出R2與其輸入信號(hào)之間僅存比例關(guān)系。此時(shí)的Y2只是主控制器輸出的一個(gè)偏置值。在穩(wěn)態(tài)時(shí)有：r2＝Kc1el+y2這就是說(shuō)，r2不會(huì)因副回路偏差的長(zhǎng)期存在而發(fā)生積分飽和。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2091第七章串級(jí)控制系統(tǒng)兩個(gè)控制器的參數(shù)都需要進(jìn)行整定。其中任一個(gè)控制器任一參數(shù)值發(fā)生變化，對(duì)整個(gè)串級(jí)系統(tǒng)都有影響，因此，串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定要比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜一些。參數(shù)整定的實(shí)質(zhì)都是相同的，通過改變控制器的參數(shù)來(lái)改善控制系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性，從而獲得最佳的控制過程。

7.4串級(jí)控制系統(tǒng)整定方法過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2092第七章串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)從主回路看，它是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，因而其控制品質(zhì)指標(biāo)和單回路控制系統(tǒng)一樣。從副回路來(lái)著，它是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，一般來(lái)講對(duì)它的控制品質(zhì)要求并不高，只要能準(zhǔn)確、快速地跟隨主控制器的輸出而變化就行了。由于兩個(gè)控制器完成任務(wù)的側(cè)重點(diǎn)不同，對(duì)控制品質(zhì)的要求也就往往不同。必須根據(jù)各自完成的任務(wù)和控制品質(zhì)要求去確定主、副控制器的參數(shù)。整定參數(shù)的方法可分為以下三種。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2093第七章串級(jí)控制系統(tǒng)依次整定副回路、主回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副控制回路的最佳整定的一種方法。其步驟如下：(1)首先整定副回路。斷開主回路，將副回路按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法進(jìn)行整定，求取副控制器的整定參數(shù)，得到第一次整定值，記作[Gc2]1。

1.4.1逐步逼近法過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2094第七章串級(jí)控制系統(tǒng)(2)整定主回路。把剛整定好的副回路看作是主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)主回路仍按單回路控制系統(tǒng)的整定方法求取主控制器的整定參數(shù)，記作[Gc1]1。(3)再次整定副回路。此時(shí)主、副回路都已閉合。在主控制器參數(shù)為[Gc1]1的條件下，將副回路仍按單回路控制系統(tǒng)再次進(jìn)行整定，得到副控制器新的整定參數(shù)[Gc2]2。至此已完成一個(gè)循環(huán)的整定。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2095第七章串級(jí)控制系統(tǒng)(4)重新整定主回路。同樣是在兩個(gè)回路都閉合、副控制器的參數(shù)為[Gc2]2的條件下，按單回路重新整定主回路，得到主控制器的新參數(shù)[Gc1]2

。 比較已整定的參數(shù)和控制品質(zhì)，如果滿意了，整定工作就此結(jié)束。如果不滿意，再依次按上面的3、4步驟繼續(xù)進(jìn)行，直到滿意為止。此種方法比較繁瑣費(fèi)時(shí)，尤其是副控制器也采用PI控制作用時(shí)。逐步逼近法在一般情況下很少采用。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2096第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

這種整定方法的理論根據(jù)是由于主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相差很大，則主、副回路的工作頻率差別很大，當(dāng)副回路整定好以后，將副回路視作主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)整定主回路時(shí)，可認(rèn)為對(duì)副回路的影響很小，甚至可以忽略。

1.4.2兩步整定法

當(dāng)副控制器整定好以后，再去整定主控制器時(shí)，雖然多少會(huì)影響到副變量的控制品質(zhì)，但只要保證主變量的控制品質(zhì)，副變量的控制品質(zhì)差一點(diǎn)也是允許的。 兩步法的整定步驟如下：

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2097第七章串級(jí)控制系統(tǒng)(1)在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，主、副回路都處于閉合條件下，主、副控制器均采用純比例控制作用。 將主控制器的比例度δ1置于100％。按單回路系統(tǒng)的衰減曲線法整定副回路。例如按4:1的衰減曲線進(jìn)行整定。將副控制器的比例度δ2由大到小調(diào)整，直到副變量的過渡過程曲線呈4：1衰減振蕩為止。記下此時(shí)的比例度δ2s，從記錄紙上量得此時(shí)的衰減振蕩周期T2s。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2098第七章串級(jí)控制系統(tǒng)(2)在副控制器的比例度仍為δ2的情況下，將副回路看作是主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣的方法將主控制器的比例度δ1由大到小調(diào)節(jié)，直到主變量的過渡過程曲線呈4:1衰減振蕩為止。 記下此時(shí)主控制器的比例度δls，量出主變量振蕩周期T1s。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/2099第七章串級(jí)控制系統(tǒng)(3)由已求得的δ2s、T2s，和δ1s、T1s的值，結(jié)合主、副控制器的選型，按照單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，分別計(jì)算出主、副控制器的最佳參數(shù)值。(4)按照“先副后主”、“先P再I后D”的順序，將計(jì)算出的參數(shù)設(shè)置到控制器上，作一些擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察過渡過程曲線，作適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，直到控制質(zhì)量最佳。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20100第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

兩步整定法雖然比逐步逼近法簡(jiǎn)便得多，但仍然要分兩步進(jìn)行整定，要尋求兩個(gè)4:1的衰減振蕩過程。因而仍比較麻煩。1.4.3一步整定法一步整定法，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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)。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20101第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20102第七章串級(jí)控制系統(tǒng)可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，先將副控制器的比例度確定一個(gè)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(yàn)設(shè)置的比例度不一定很合適，但可以通過調(diào)整主控制器的比例度進(jìn)行補(bǔ)償，使主變量最終得到4：1的衰減振蕩過程。一步整定法的理論根據(jù)在串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖中，如果把副回路等效看成為一個(gè)完成“粗調(diào)”任務(wù)的控制器，整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)可以看作是兩個(gè)控制器串聯(lián)在一起的單回路控制系統(tǒng)。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20103第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20104第七章串級(jí)控制系統(tǒng)一步整定法的具體步驟：①選擇副控制器的比例度δ2，使副回路按純比例控制運(yùn)行。②將系統(tǒng)投入串級(jí)控制狀態(tài)運(yùn)行，按單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定的方法對(duì)主控制器進(jìn)行參數(shù)整定，使主變量的控制品質(zhì)最佳。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20105第七章串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)相比，所用的儀表較多，費(fèi)用較高；另一方面，它由兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，參數(shù)都需要整定，串級(jí)系統(tǒng)的參數(shù)整定比單回路要復(fù)雜、費(fèi)時(shí)。

7.5應(yīng)用舉例凡是用單回路控制系統(tǒng)能夠滿足過程控制要求時(shí)，就不必采用串級(jí)控制系統(tǒng)。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20106第七章串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的二次干擾有很強(qiáng)的克服能力。利用這一特點(diǎn)只要在設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈和幅度大的干擾包括在副回路中，并把副控制器的比例系數(shù)Ka整定得比較大，就會(huì)使干擾在影響到主變量之前經(jīng)副回路的超前、快速、有力地抑制，把這類干擾對(duì)主變量的影響降低到最小程度。

7.5.1克服變化劇烈和幅度大的干擾

[例]精餾塔釜溫度與蒸汽流量串級(jí)控制系統(tǒng)。工藝上要求溫度偏差≤±1．5℃。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20107第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20108第七章串級(jí)控制系統(tǒng)將塔釜溫度作為被控參數(shù)，將為再沸器提供熱量的蒸汽流量作為操縱變量。組成單回路溫度控制系統(tǒng)，控制器的參數(shù)整定到最佳時(shí)，塔釜溫度仍有10℃的最大偏差，不能滿足工藝要求。由于蒸汽的壓力變化激烈，而且幅度很大，有時(shí)從500kPa突然下降到300kPa，幅度波動(dòng)達(dá)到40％。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20109第七章串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)，將蒸汽流量作為副變量，把蒸汽壓力的干擾包括在副回路中。副控制器選P作用，主控制器選擇PID控制。副控制器的比例度設(shè)置為20％，主控制器的參數(shù)經(jīng)過最佳整定后，對(duì)于同樣是40％的蒸汽壓力波動(dòng)，塔釜溫度的最大偏差沒有超過±1．5℃，滿足了工藝要求。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20110第七章串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)被控對(duì)象的純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，用單回路控制系統(tǒng)滿足不了控制質(zhì)量要求的時(shí)候，可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)，在一定程度上，可以改善由純滯后對(duì)控制品質(zhì)造成的影響。

可以在離控制閥較近、純滯后較小的地方選擇一個(gè)副參數(shù)，把干擾納入副回路之中。可以在這些干擾影響到主變量之前，及時(shí)地由副變量反映出來(lái)，由副控制器及時(shí)采取措施加以克服。由于副回路通道短、滯后小、控制及時(shí)，因而使主參數(shù)的超調(diào)量減小、過渡過程時(shí)間縮短，控制品質(zhì)得到了提高。7.5.2克服對(duì)象的純滯后

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20111第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院

[例]網(wǎng)前箱溫度—溫度串級(jí)控制系統(tǒng)。

2023/11/20112第七章串級(jí)控制系統(tǒng)將網(wǎng)前箱紙漿溫度作為被控變量，蒸汽的流量作為操縱變量。經(jīng)過對(duì)象的特性測(cè)試，從混合箱到網(wǎng)前箱的純滯后時(shí)間有90s。若采用單回路控制系統(tǒng)，如果紙漿流量波動(dòng)35kg／min，網(wǎng)前箱紙漿溫度的最大偏差將高達(dá)8．5℃，過渡過程時(shí)間長(zhǎng)達(dá)450s，根本無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝的要求。經(jīng)分析，混合箱到網(wǎng)前箱，盡管純滯后較大，但進(jìn)入回路的干擾因素較少。干擾因素大多集中在混合箱。因此，選擇混合箱紙漿出口溫度為副參數(shù)，組成串級(jí)控制系統(tǒng)，將大多干擾包括在副回路之中，而將90s的純滯后時(shí)間置于主對(duì)象。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20113第七章串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器都選擇PI控制，經(jīng)過最佳參數(shù)整定后，紙漿流量同樣波動(dòng)35kg／min，網(wǎng)前箱紙漿溫度最大偏差沒有超過1℃，過渡過程時(shí)間降為200s，完全滿足了工藝要求。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20114第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

有許多以溫度或質(zhì)量參數(shù)作為被控變量的控制對(duì)象，其容量滯后往往比較大。在工藝上對(duì)這些參數(shù)要求比較高的情況下，采用單回路控制系統(tǒng)方案則會(huì)因?yàn)槠淙萘繙蟠蟆⒖刂仆ǖ罆r(shí)間常數(shù)大而造成控制作用遲緩，從而引起超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時(shí)間過長(zhǎng)，不能滿足工藝要求。7.5.3克服對(duì)象的容量滯后

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)方案?？梢赃x擇一個(gè)容量滯后較小的輔助參數(shù)組成副回路，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作頻率，加快響應(yīng)速度，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，從而獲得較好的控制效果。

2023/11/20115第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

[例]管式加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)。煉油廠的管式加熱爐經(jīng)特性測(cè)試，當(dāng)燃料油熱值發(fā)生改變時(shí)，原料油出口溫度的響應(yīng)特性可以用一個(gè)帶有純滯后的一階非周期環(huán)節(jié)來(lái)近似，其純滯后時(shí)間為0.3min，時(shí)間常數(shù)為15min。對(duì)于這樣的對(duì)象，即使采用PID三作用的單回路控制系統(tǒng).

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20116第七章串級(jí)控制系統(tǒng)原料油出口溫度的波動(dòng)仍然比較大，從而影響到后面分餾塔的分離效果。而燃料熱值變化對(duì)爐膛溫度的滯后時(shí)間較小，時(shí)間常數(shù)約為3min，反應(yīng)較靈敏。如果取爐膛溫度為副變量構(gòu)成如圖的原料油出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)，情況就大為好轉(zhuǎn)。因?yàn)楫?dāng)干擾作用后，由于副回路的超前控制作用，它不需要經(jīng)過時(shí)間常數(shù)為15min的主對(duì)象，而只要通過時(shí)間常數(shù)為3min的副對(duì)象就立刻被副回路的測(cè)溫元件所感受，副控制器馬上采取控制措施，使這一干擾被大大削弱或者完全克服，因而對(duì)出口溫度的影響大大減小。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20117第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20118第七章串級(jí)控制系統(tǒng)另一方面，從控制閥到爐膛組成的副對(duì)象，在整個(gè)對(duì)象中也占有一定分量，串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路將減小副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，相當(dāng)于減小了整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率，即使是對(duì)于一次干擾，系統(tǒng)的超調(diào)量和過渡過程時(shí)間都大為減小。實(shí)踐證明，采用串級(jí)控制系統(tǒng)以后，滿足了生產(chǎn)工藝要求。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20119第七章串級(jí)控制系統(tǒng)一般工業(yè)對(duì)象的靜態(tài)特性都具有一定非線性，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起工作點(diǎn)的移動(dòng)，使被控對(duì)象的特性發(fā)生改變。對(duì)于單回路控制系統(tǒng)，運(yùn)行過程中如果因負(fù)荷變化引起被控對(duì)象特性發(fā)生改變，已整定好的控制器參數(shù)將不再是“最佳”，系統(tǒng)的控制品質(zhì)必然下降。盡管可以用控制閥的流量特性加以補(bǔ)償，但這種補(bǔ)償是很有限的。

7.5.4克服對(duì)象的非線性利用串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)操作條件和負(fù)荷變化有一定自適應(yīng)能力的特點(diǎn)，將具有較大非線性的部分對(duì)象包括在副回路當(dāng)中，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，一旦因?yàn)樨?fù)荷的變化引起副對(duì)象的特性發(fā)生改變，只要主對(duì)象是線性的，整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)基本上保持不變。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20120第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

[例]合成反應(yīng)爐中部溫度與進(jìn)氣口溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)。乙炔合成反應(yīng)爐。要確保合成氣體的質(zhì)量，反應(yīng)爐中部的溫度是主要的控制指標(biāo)，因而作為被控變量。醋酸和乙炔混合氣體要經(jīng)過兩個(gè)換熱器后進(jìn)入反應(yīng)爐，因此控制通道中包括了兩個(gè)熱交換器和一個(gè)合成反應(yīng)爐。過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20121第七章串級(jí)控制系統(tǒng)過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20122第七章串級(jí)控制系統(tǒng)熱交換器是典型的非線性設(shè)備，當(dāng)醋酸和乙炔混合氣流量發(fā)生變化時(shí)，進(jìn)氣口溫度將隨負(fù)荷的減小而顯著升高。如果將進(jìn)氣口溫度作為副變量組成圖所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，把兩個(gè)換熱器包括在副回路中，當(dāng)負(fù)荷變化引起工作點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，由主控制器的輸出自動(dòng)地重新設(shè)置副控制器的設(shè)定值，由副控制器進(jìn)一步調(diào)整控制閥的開度。雖然這樣會(huì)影響副回路的控制質(zhì)量，但對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較小。

過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20123第七章串級(jí)控制系統(tǒng)

串級(jí)控制系統(tǒng)中，副控制器的設(shè)定值是由主控制器的輸出來(lái)提供的，而主控制器的輸出又是隨著主變量的變化而變化的。因此，凡是被控量的設(shè)定值需要隨另一被控量的變動(dòng)而變動(dòng)時(shí)，都可用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，工藝操作條件作為主變量，要跟蹤校正的那個(gè)變量作為副變量。

7.5.5自校正設(shè)定值過程控制與集散系統(tǒng)第7章串級(jí)控制系統(tǒng)蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院2023/11/20124第七章串級(jí)控制系統(tǒng)[例]進(jìn)加料器的一次風(fēng)壓力與一次風(fēng)流量串級(jí)控制系統(tǒng)。

如圖所示，煉油廠催化裂化裝置中，反應(yīng)后結(jié)焦的催化劑通過加料器