串级控制系统

个输入信号。 从系统方框图看，只有一个闭环。 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。
2
6. l 串级控制系统的概念
6.2.l 串级控制的提出
例6-1 隔焰式隧道 窑温度控制系统。 （见图6-1）。 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。
3
制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧 结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。所 以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标 之一，因此将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。
串级系统控制框图
14
ห้องสมุดไป่ตู้
例6-4 以炼油厂管式加热炉的出口温度控制
燃料压力或燃
管式加热炉
原料出口温度θ1(t)
θ1T θ1C
料的热值变化
3min 影响炉膛温度
燃料
原料
热传导给原料
问题： 控制通道容量滞后 很大，控制缓慢。
15min
影响出口温度
15
（1）扰动 • 燃料油方面---组分、油压； • 喷油用过热蒸汽压力； • 被加热油料—流量、温度； • 配风、炉膛漏风。
9
例6-2 以连续槽反应器 温度控制为例
下图是单回路控制系统
10
扰动
•冷却水温度、压 力 •物料流量、温度 、
组分等。
11
例6-3 精馏塔提馏段温度控制
扰动： 物料
蒸汽压力波 动
控制目标： 温度稳定
Q 蒸汽
V-1
θC
θ
再 沸 器
E-3
12
串级控制方案
θC
QC Q
V -1
θ
E -3 13
18
从图中可以看到，串级系统和简单系统有 一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭 环。
一个闭环在里面，被称为副环或者副回路， 在控制过程中起着“粗调”的作用；
一个环在外面，被称为主环或主回路，用 来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足 工艺要求。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。
也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量 增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控 制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定 ，都得不到满意的控制效果。
6
假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃 烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次 要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变 以及排烟机抽力的波动等等（如图6-2中用D2表示） ，都是首先进人燃烧室。人们会想，能否通过控制 燃烧室温度 2的方法来达到稳定烧成带的温度呢？ 于是就出现了图6-3所示的以燃烧室温度 2为被控变 量的单回路控制系统。
7
这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们 影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成 带温度的影响降低到最小限度。但是，我们也知道，还有直接影 响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的 原料成分、窑车上装载制品的数 量以及春夏秋冬、刮风下雨带来 环境温度的变化等等（如图6-2 中用D1表示）。由于在这个控制 系统中，烧成带温度不是被控变 量，所以对于干扰D1造成烧成带 温度的变化，控制系统无法进行 调节。
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 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，调节器也只有一
4
图6-l即为隔焰隧道窑烧成带温度简单控制系统工 艺流程图，原理方框图如图6-2所示。
按照我们前面学过的简单控制系统，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。
8
比较上述两个控制系统，它们各有自己的长处。第一种控制系统包 括了所有干扰，第二种控制系统能对主要的和一些次要干＿上扰提 前发现，及早控制。如果能将两个控制系统结合起来，发挥各自优
势，另外，控制燃烧室的温度2并不是目的，真正的目的是烧成带
的温度稳定不变，所以烧成 带温度控制器应该是定值控 制，起主导作用。而燃烧室 温度控制器则起辅助作用 它在克服干扰D2的同时，应 该受烧成带温度控制器的操 纵，操纵方法就是烧成带温 度控制器的输出作为燃烧室 温度控制器的设定值，从而 就形成了图6-4所示的串级 控制系统。
5
但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压 力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化， 必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起 烧成带温度的变化。
因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以 对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后， 控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量， 对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的 燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的 通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了 。
(2)、采用单回路控制方案：如上图所示。 •优点：所有对温度的干扰都包括在控
制回路之中。 •缺点：对燃油流量变化等干扰控制不
及时，总滞后较大。
16
燃料压力 变化
炉膛温度 变化
解决措施：在影响出口温度的通
道中，加测炉膛温度的变化，提前控
制。 θ2T、θ2C回路先改变燃料量 3min
出料温度 变化
原料出口温度θ1(t)
θ1T
θ1C
θ1T、 θ1C
回路再改
变燃料量
原料
管式加热炉
θ2T θ2C
燃料
17
所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主 控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去 操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。这样 的控制系统被称为串级控制系统。与图6-4串级控制系统的工 艺流程图对应的原理方框图如图 6-5所示。