过程控制课件 - 第8节解读

T02s 1
02 T02Gs 011s K01 / T01s 1, Gc1 s Kc1, Gm1 s Km1,G0' 2(s)
Kc2Kv
KGm022'K(s0)2 s 1
1
KK0c22' KvK02 T02s 1 T0K2'sc2K1vKm2K02 T02s
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综上所述，串级控制系统的主要特点有： 1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力； 2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力； 3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。

1
K m2 02

Kc2
K1vKK02 c1TK10202'
KKc021KKvmK1 /m2TK020'2s
s 1
1T0KT2's0012s'
1
1
0
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1 Kc2KvKm2K02
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GG020'2' ss

YY22ss XX22ss
11GcG2Gc2scG2sGc2svGsvsGsGvG0G2sv02ssGsG0G2m202sssGmG2 c2s(s)GvG(sc)2G(0s2()GsG)02v((ss))GK020(2s)T02s
1 2 T01 T02 '
2
T01T02 '
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Beijing University of Posts and Telecommunications 单回路系统传递函数
XYXY1111ssss11GGGc GccscssGsGGvGvvsvssGsGG02G0022s02ssGsGG01G0011s01ssGsGm1m1ss
Y1 s Y1 s
X1 F2
s s

Kc Kv
串级控制系统
Y1 s Y1 s
X1 s F2 s

Kc1Kc 2 Kv
一般情况下有： KC1KC2 KC
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结论：提高了控制质量
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Beijing University of Posts and Telecommunications 2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率 （1）等效时间常数减小，响应速度加快；

s

Y1 F2
FYss12ss1
1Gc1
G sc1
G sc
2
G02*Gs02*G0s1Gs01 s Gsc2Gsv GsvG0s2* Gs02*G0s1

Gs 0G1 ms1

sGm1

s

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控制能力和抗干扰能力综合定义为：
Y1 s Y1 s
X 1 s F2 s

Gc1 sGc2 sGv
s
Gc1(s) Kc1 GC2 (s) KC2
GV (s) KV
Y1 s Y1 s
X1 s F2 s

Kc1Kc2 Kv
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Beijing University of Posts and Telecommunications 单回路系统传递函数
解决办法：串级控制
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串级控制
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结构特点： 系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副 变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。
02

T0KT2'0s0K22's'012'
1
Gc2(s) Kc2, Gv (s) Kv, Gm2(s) Km2
T02 ' T02
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Beijing University of Posts and Telecommunications (2)提高了系统的工作频率
串级系统的特征方程为： 1 Gc1 sG02' sG01 sGm1 s 0
1
G0G2 0s2s GcG2 c2ssGvGsv Gs02G0s2Gsm2Gms2

s

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XY11XYss11ss1
Gc1 Gsc1Gcs2Gsc2GvssGGv 02sGs02G01ssG 01 s G1c1 Gsc1Gsc2Gsc2GvssGGv 02sGs02G 01ssGG01m1ssG m1
1
,
G0G2'0(2s'()s)
1 1
KKcKcK22KcKc22vKvKKKvvmK0K22mK0220KT200T22s0T20sT21s021s 1
1

K
cK2 Kc12vK1KvK0K2cK022KTc120vKT2K10v2KmK2cKmK22Kc0K22vK0Ks2vmKs21mK210K2
主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。
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6.1.2 串级控制系统的控制效果
1.能迅速克服二次干扰
GG0022**ssYFYF22 22ssss1
控制能力和抗干扰能力综合为：
YYY1Y111ssssXFXF2121ssssGGc cssGGv vss
GC (s) KC
GV (s) KV
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Beijing University of Posts and Telecommunications 单回路系统
若两种方案的阻尼系数相同，则有：
结论：
G单串02'(s)TT00111TTK0K022'cc22KTTK00vv11KTKT00m02222'
K0T12102sTTT0002111s
T02 ' T012
G02'(s)
KcK2Kc2vKKv0K2 021 TK02cs2Kv1Km2K02 1 Kc2Kv KmT20K2 02 T02ss 11
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第六章 常用高性能过程控制系统
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Beijing University of Posts and Telecommunications 调节器正反作用的确定原则：保证系统构成负反馈 简单的判定方法：闭合回路中有奇数个反作用环节。
XY11sXYs11ss11G GGc GccscssGsGGvGvvsvsssGGG0G022002s2ssGsGG01G0011s0s1GsmsG1ms1s FY12FY12ssss11GGc csGsG0G2vGvss0s2GGGs0001G22s0ss1GsG01m1ssGm1s
用同样的分析方法，可得：
单 0' 1 '2
1 '2 2 '
T01 T02 T01T02
串级控制系统：
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串 0 1 2
1 2 T01 T02'
2
T01T02 '
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3. 适用于干扰变化剧烈、幅度大 的过程
工艺要求：汽包液位控制， 特点：快装锅炉容量小，蒸 汽流量与水压变化频繁、激 烈→三冲量液位串级控制。
4. 适用于非线性过程
特点：负荷或操作条件改变导致 过程特性改变。

K
' 02
T02's 1
Kc2K1vKK02 c2K1 v KKmc22KK0v2Km2K02 K02'
副回路的等效放大1 系K数c2为KT0：v2Km2K02 s 1
T02's 1
K02'

1
K c2 Kv K02 K c2 Kv K02 Km2
K c2 kvK02Km2 1 K0' 2几乎不变
y
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
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Beijing University of Posts and Telecommunications 6.1.3 串级控制系统的适用范围
1. 适用于容量滞后较大的过 程：选容量滞后较小的辅助变 量，减小时常，提高频率。
2. 适用于纯滞后较大的过程
工艺要求：过滤前的压力稳 定在250KPa;特点：距离长， 纯滞后时间长。仿丝胶液压 力与压力串级控制。
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Beijing University of Posts and Telecommunications 3 能适应负荷和操作条件的剧烈变化
G02'
(s)

1

Kc2Kv K02 T02s 1 Kc2Kv Km2K02 T02s

1
G02' (s) 1KcK2KKcc2v2KKv0vK2Km0T2210K20T2K02cs2TK02v1sKsm121K02
K02' T02's 1
Βιβλιοθήκη Baidu
T01
T02'
Kc2K1v K0K2 c T01 T02 1 Kc2
21Kv KKmc22KK02v Km2K02
T02 KvK
m2
K02串s
1单

K 02 ' T02's 1
副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率； 当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高； 同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。 其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。
s2
T01
T02'
s

1

Kc1Kc
' 2
K01Km1
0
T01T02'
T01T02'
s2 20s 02 0
20


T01 T02' T01T02'

02

1
K c1K 02 ' K 01K m1 T01T02'
串级控制系统的工作频率为：
串 0 1 2
给定值 偏差 －＋ 测 量 值
控制器 正作用
执行器 反作用
变送器 正作用
干扰
对象
被控参数
正作用
PID控制率及参数整定
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6.1 串级控制系统
6.1.1基本概念
一、什么是串级控制？
问题：过渡过程时间长， 调节不及时
串级控制系统
单回路系统
GG020' 2'ss XY2XY222ssss11GGcG2cG2c2sc2ssGsGvGvGsvsvsGsG0G20G202s02ssGsGm2m2ssGGc2c(2s()sG)Gv (vs()sG)G020(2s()s)