过程控制李国勇著第6章串级控制系统

D2
燃料
D3
33
• 一次扰动D3使TT1↑,同时二次扰动D2使TT2↓→TT1↓， 作用影响控制输出朝相反方向变化 • 二次扰动D2使TT2↓→TC2↑(反作用)→V↑ • 一次扰动D3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓ V↓ • 作用结果：一次扰动D3， 二次扰动D2→V↑↓ sp
TC2 TC1
第6章 串级控制系统
目 录
6.1 串级控制系统的基本概念 6.2 串级控制系统的分析 6.3 串级控制系统的设计 6.4 串级控制系统的整定 6.5 串级控制系统的投运 6.6 利用MATLAB对串级控制系统进行仿真 本章小结
1
• 最简单的控制系统——单回路控制系统
• 系统中只用了一个调节器，调节器的设定值 一般是内给定的。
压力给定
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温度-压力串级控制系统框图
13
系统结构特点：
• 被控对象分成两部分，对象1和对象2。 • 调节器1输出作为调节器2给定值。 • 1个执行器完成调节。
• 压力回路克服D1(t)保证流量稳定且快速跟随调节器1的给定值(随动控制)。 • 温度回路实现温度设定控制(定值控制)。
温度-压力串级控制系统
6
简单控制系统方框图：
影响烧成带温度l的各种干扰因素都被包括在控 制回路当中，只要干扰造成l偏离设定值，控制器就 会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从 而把变化了的l 重新调回到设定值。
7
sp
TC TT
• 影响控制质量因素：
• 1 被控对象特性； • 对象特性-多环节大惯性对象
V
Y2(S)
D1
-
GC1(S)
-
GC2(S)
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)
GO2(S)
GO1(S)
Y1(S)
R(S)
-
G ’C1(s)
Gv(S)
G’o2 (S) Gc2(s)Gv(s) Gm1(s)
Y2(S)
Y1(S)
Go2(s)
Gm2(s)
Go1(s)
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R(S)
-
G ’C1(s)
Gv(S)
2、提高系统的工作频率。
3、串级控制回路具有较强抑制二次扰动能力。
4、串级控制系统对负载变化具有一定的自适应 能力。
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(1)由于副回路的存在，减小副对象的时间常数，改善 了对象的特性。
D2
R(S)
Y2(S)
D1
-
GC1(S)
GV(S) Gm1(S)
GO2(S)
GO1(S)
Y1(S)
D2 R(S)
• 副回路:燃烧室温度控制
• 副控制器:TC2; • 副被控对象:燃烧室
• 副被控参数:燃烧室温度； • 副测量变送:TT2 • 2次扰动: D1(t), D2(t)
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温度-压力
sp
PC TC TT
温度-温度
sp
TC2 TC1 TT1
PT 燃料
TT2
燃料
副被控变量选择是串级控制系统设计的主要内容
TT1
一次、二次扰动作用相互抵消， V作较小的响应即可调节， 调节幅度为其抵消后的值
TT2
D2
燃料
D3
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小结： 串级控制系统的工作过程
• 二次扰动经过副环(粗调)，消除了大部分二次扰动对系统的 影响，余下的经过主环(细调)克服。 • 副环使得系统具有二次克服副环内扰动(二次扰动)的能力。
• 一次扰动由主环克服，副环实现跟随作用。
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出口温度和燃料压力串级控制系统结构图：
sp
TC TT
单回路调节器 控制执行器
出口物料管
PC
sp
TC TT
烧成带 燃烧室
燃 料
串级控制通 过副回路控 制执行器
PT
燃 料
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小 结
• 隧道窑工艺要求：燃料需要通过燃烧室燃 烧，对隧道窑加热。温度精度要求±5度
• 特点：被控对象由燃料管+燃烧室+格烟板 +烧成带多个串联环节组成，对象时间常数 很大，各个对象上存在干扰 • 单回路系统不能满足要求，可以选择串联 对象中的一个输出作为一个副参数，组成 副回路。构成两个回路的串级系统。
G’o2 (S)
Gc2(s)Gv(s) Gm1(s)
Y2(S)
Y1(S)
Go2(s)
Gm2(s)
Wo1(s)
副回路等效传递函数为：
Ko2 To 2 S 1 1
Go2(S) -> G’o2(S)
' Go 2 ( s )
Ko2 Go 2 ( S ) 1 To 2 S
• 副回路:压力控制
• 副调节器：PC; • 副被控对象:燃料管
• 副被控参数:燃料管路压力； • 副测量变送:PT； • 2次扰动: D2(t)
• 1次扰动：D1(t),D3(t)
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副被控参数：燃烧室温度
• 主回路:烧成带温度控制 • 主控制器TC1; • 主被控对象:隔烟板+烧成 带 • 主被控参数：输出温度； • 主测量变送：TT1 • 1次扰动：D3(t)
烧成带 燃烧室
燃 料
烟气出口
• 2 对象的扰动。
D1(t): 燃料初始温度，热值，流量波动 D2(t): 助燃风流量（压力）的波动 D3(t): 加热炉烟气排量波动
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当对象时间常数大环节多，扰动又很大时，将影响控制 质量，单回路控制系统不能满足要求。
方案：是否在单回路系统基础上，设计专门克服扰动单回路 (燃料扰动D1(t)为例)??? 设计单回路克服燃料波动 D1(t):
• 从系统方框图看，只有一个闭环。
2
• 复杂控制系统—— 多回路控制系统。 • 由多个测量值、多个调节器；或者由多个 测量值、一个调节器、一个补偿器或一个 解耦器等等组成多个回路的控制系统。 • 从系统方框图看，有多个闭环。
3
6. l 串级控制系统的概念
• 6.1.l 串级控制的提出
• 例6-1 隔焰式隧道 • 窑温度控制系统。
设 计：调节阀为气开；主，副控制器选为反作用。
1、二次扰动 2、一次扰动 3、一次，二次扰动同时 a.作用方向相同 b.作用方向相反
TC2
sp
TC1 TT2 TT1
燃料
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e(t)=r(t)-y(t)
sp
TC1 TT1
1、二次扰动
工作过程：
副环过程：二次扰动D2燃油压力波动使得
TC2
TT2
流量V↑→TT2↑ →TC2↓(反作 用)→V↓(气开阀) →TT2 ↓
V
D2
燃料
副环具有克服副环中扰ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ（二次扰
动）能力。
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• 主环过程：副环调节过程中副 被控参数变化TT2↑ →TT1↑ →TC1↓(反作用)→TC2 ↓→ V↓(气开阀) → TT2 ↓ → TT1↓ • 结论：克服二次扰动由副环和 主环共同完成的，副环为主， 粗调。主环为辅，细调。
V
sp
TC2 TC1
TT1
TT2
D2
燃料
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• 二次扰动克服工作过程：
• 假如在副环中有2次扰动（如：燃油压力D2，原料油流量波动 D1）时，副调节器TC2立即进行调节，使得2次扰动被副环基 本克服。 • ——2次扰动粗调 • 副环2次扰动调节中引起的副环输出TT2变化，其输出波动再 由主调节器TC1的主环进行调节。 ——2次扰动细调 • 2次扰动经过副环作用，对主环的影响已经远小于其直接作用 于主环的影响。副环具有较强抑制2次扰动的作用。
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)
Y2(S)
Y1(S)
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6.1.2 串级控制系统组成
D2
R1(S) R2(S)
GD2(S) GO2(S)
D1,D3
GD1(S) GO1(S)
-
GC1(S)
-
GC2(S)
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)
副回路
Y2(S)
Y1(S)
主回路
• 主回路（主环）-主控制器GC1(S)-主被控变量（主参数、主 变量）Y1(S) • 副环外主环内扰动 D1：1次扰动 • 副回路（副环）-副控制器GC2(S)-副被控变量（副参数、副 变量）Y2(S) • 副环内扰动 D2：2次扰动
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sp
PC
TC TT
温度-压力串级控制 系统方框图
PT 燃料
D2(t) 给定 温度调节器 压力调节器 执行器 压力变送器 温度变送器
D2
R1(S) R2(S)
D1(t)；D3(t) 输出
燃烧室+烧成 带
燃料管
GD2(S) GO2(S)
D1,D3
GD1(S) GO1(S)
-
GC1(S)
-
GC2(S)
D2
R1(S) R2(S)
GD2(S) GO2(S)
D1,D3
GD1(S) GO1(S)
-
GC1(S)
-
GC2(S)
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)
副回路
Y2(S)
Y1(S)
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主回路
副被控参数：燃料管路压力
• • • • •
主回路:温度控制回路 主调节器：TC; 主被控对象:燃烧室，烧成带 主被控参数：输出温度； 主测量变送：TT；
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2、一次扰动
工作过程：
主环过程：一次扰动D3使得输出
sp
TC2 TC1
TT1
温度TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2 给定↓(副环跟随)TC2给定 ↓→V(气开阀)↓→ TT2↓→TT1↑
TT2
V
D3
燃料
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• 一次扰动克服工作过程：
• 一次扰动位于副环外-主环内，一次扰动用主环进行调节。 • 副环一次扰动调节过程中不起直接作用，输出根据主调节器 给定值要求变化。 • 但是由于副对象在副回路作用下时间常数减小，所以比单回 路系统调节时间更快。
• 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。
4
隧道窑温度控制：
5
工艺要求：烧成带内烧结温度一般为1300℃， 偏差不得超过5C。 变量选择：窑道烧成带的温度作为被控变量， 将燃料的流量作为操纵变量。 *** 如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气 体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色， 所以就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中 燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
被控参数： 燃料管路压力 控制参数： 燃料流量 测量变送器：压力传感器PT 执行器： 调节阀（气开式） 控制器： 压力调节器PC
sp1
PC
PT 燃料
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• 如何实现能够克服燃料油扰动D1(t)的温度控制系统？
D2(t) 管路压力
设定压力
+
调节器
执行器
变送器
燃料管路
烧成带+…
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执行器只有1个，如何听从两个调节器的调节？ 方案不可行。
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实际上：
1 压力控制回路目的是保证管路中压力稳定，即保证管路中流量稳定。 压力给定值实际就是要求燃料流量大小。
2 调节器1输出从燃油管路输出看，就是要求燃料调节阀的开度，就是 对应的燃料流量的给定值。
3 因此，可以把调节器1的输出作为压力控制回路的给定值。即调节 器1输出作为调节器2的给定值（外给定）。 4 压力控制回路作用：通过调节器2克服压力扰动D2(t),实现管路实际 流量跟踪调节器1的要求流量。
V↓
作用结果：一次扰动D3，二次
sp
TC2 TC1 TT1
扰动D2→V↓↓
TT2
一次、二次扰动作用对系统 影响变化方向相同时， 调节阀的调节响应大大增强， 是两个扰动影响的叠加
D2
燃料
D3
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sp
b.一次、二次扰动作用对 系统影响变化方向相反
TC2
TC1
TT1
TT2
假设：一次使得输出增加，二 次使得输出减小
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串级控制系统结构特点：
◆ 串级系统有两个闭环回路，分别是压力控制和温度控制回 路，为双回路控制系统，称为 主回路和副回路。
◆ 被控对象被分成两个部分，分别是压力对象和温度对象。 两部分对象是串联的关系，称为 主对象和副对象。（被控对 象是串联可分的） ◆ 两个调节器，主调节器(主回路)和副调节器(副回路) ，并 且串联工作：主调节器的输出作为副调节器的给定值入。 ◆ 系统只有一个执行器。 ◆ ◆ 副被控参数选择 决定了串级控制系统的基本结构
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3、一次，二次扰动同时作用
是一次、二次扰动影响的叠加，叠加的结果有两种情况 a.一次、二次扰动作用对系统影响变化方向相同
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假设：一次扰动D3使TT1↑,同时二次扰动D2使
TT2↑→TT1↑，作用影响控制输出朝相同方向变化
二次扰动D2使TT2↑→TC2↓(反作用)→V↓ 一次扰动D3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓
• 一次、二次扰动同时作用时，对输出影响方向相同时相互叠 加，调节作用增强；相反时相互抵消，调节作用减弱
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6.2 串级控制系统的分析
•
串级控制系统与简单控制系统相比，只是 在结构上增加了一个副回路，但是实践证 明，对于相同的干扰，串级控制系统的控 制质量是简单控制系统所无法比拟的。
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1、由于副回路的存在，减小了副对象的时间常 数，改善了对象的特性。
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• 功能：结构上形成了两个闭环。 • 一个闭环在里面，副环或副回路，对抑制干扰起 着“粗调”的作用； • 一个环在外面，主环或主回路，对抑制干扰完成 “细调”任务。 • 无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送 元件和调节器。
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6.1.3 串级控制系统的工作过程
工作过程：是指在系统处于稳定工作情况下，克服一次,二次扰动 的系统调节过程 例：温度-温度串级控制系统