过程控制第五章

s
2
Tp1 Tp 2 K c 2 K v K p 2 K m 2Tp1 Tp1Tp 2 Tp1Tp 2
s 0

1 K c 2 K v K p 2 K m 2 K c1 K c 2 K p1 K p 2 K m1 K v
串级控制系统的工作频率：
串 n 1
2
T p1 T p 2 K c 2 K v K p 2 K m 2T p1 1 2 T p1T p 2 2
在扰动作用下的传递函数为：
G0 (s)G p1 (s) Y1 (s) D2 (s) 1 Gc 2 (s)Gc1 (s)G0 (s)G p1 (s)Gm1 (s)
对于一个控制系统来说，在它的给定信号下，其输出量能 复现输入量的变化，即：Y1(s)/R1(s) 越接近1，则系统的控 制性能越好，当它在扰动作用下，其控制作用能迅速克服扰动 的影响，即：Y1(s)/D2(s)越接近零越好，其抗干扰的能力可 用（5－4）表示：
一、实际生产例子
例 1 连续槽反应器温度控制 （如图5－1）
反应器工作原理 控制任务 恒定反应釜内温度 系统主要干扰
进料流量、温度扰动
冷却液温度、压力扰动
简单控制系统设计 （图5－1）
（图5－2） 存在的问题——时间延迟引出的问题 当D2温度突然升高，需经夹套、槽壁、反应器三个环节 才能使 1 温度升高，此时调节器才开始改变参数，加大调节 阀开度，把冷却水加大。在延迟的时间内，D2的变化已经迅 速使 2 改变，也使 1 很会升高，这样产生了 1 的偏差。
1. 联系实际、实验，实际过程控制系统设计； 2.学后能干什么？多将找工作的话题，女生是否 适合学自动化（体力）？ 3.考研方面的信息，报考学校的选择，专业的排 名； 4.其他知识：嵌入式系统、单片机、C语言、组 态软件、其他学科知识； 5.自动化研究热点？（学科导论）
6.讲习题、讲重点、联系以前课程知识；
1 （ 1 K c 2 K v K p 2 K m 2） Tp1 Tp 2 ＝ G ( s ) m 1＋Tp1 Tp 2
2 T T 1 p2 D2p (1 s) 单 Tp1Tp 2 2
Y1 ( s)
工作频率的提高可以使振荡周期缩短、系统的快速性增 强，从而提高系统的控制品质。
例：串级系统的框图为：
D2 (s)
D1 (s)
R1 ( s)
Y1 ( s)
Gc1 (s)
Gc 2 (s)
G p 2 ( s)
Gp1 (s)
其中：
1 G p1 ( s) (30s 1)(3s 1) G p 2 ( s) 1 (10s 1)(s 1) 2
设各副回路中各环节的传递函数为：
y1
G p 2 (s)
K p2 Tp 2 s 1
Gc 2 ( s ) K c 2 Gm 2 ( s ) K m 2
Gv ( s ) K v
将上式代入副回路传递函数：
Gv ( s)G p 2 ( s)Gc 2 ( s) Y2 ( s) G ( s) R2 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s)
Y1 ( s) / R1 ( s) Gc1 ( s)Gc 2 ( s) Y1 ( s) / D2 ( s)
若串级控制系统中的主、副调节器均采用纯比例环节， 其比例系数分别为K1、K2，则上式可写成：
Y1 ( s ) / R1 ( s ) K1K 2 Y1 ( s ) / D2 ( s )
上式表明，串级控制系统中的主、副调节器的放大系数 越大，则串级控制系统抗干扰的能力就越强。因此，主参数 的控制质量就越高。 为了与单回路反馈控制系统进行比较，下面用同样的方 法分析相同条件下单回路反馈控制系统的抗干扰能力。见下 图:
p2 p2
上式说明等效对象的时间常数缩小了(
1 Kc 2 Kv K p 2 K m 2
)
倍，且随副调节器的比例增益的增大而缩小,从而加快了副
环的响应速度。
b）工作频率提高
串级控制系统的特征方程：
1 Gc 2 ( s )Gv ( s )G p 2 ( s )Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gc 2 ( s )Gv ( s )G p1 ( s )G p 2 ( s )Gm1 ( s ) 0
四、串级控制系统消除干扰的工作过程
1）干扰作用于副回路 2）干扰作用于主回路 3）干扰同时作用于主、副回路
五、串级控制系统特点
1）分级控制思想
将调节通道较长的对象分为两级，许多干扰在副环中消 除掉，剩余的影响及其他干扰由主环消除。
2）串级系统的结构组成
两个对象；两个调节器；两测量变送器；一个执行器
设单回路控制系统中的调节器均采用纯比例环节，比例 系数为K，则：
Y1 ( s) / R1 ( s) K Y1 ( s) / D2 ( s)
同理，单回路控制系统中的放大系数越大，则抗干扰的能 力就越强。与串级控制系统比较有：
K1*K2>K
上述分析可知，由于串级控制系统副回路的存在，能迅速 克服进入副回路的二次扰动，从而大大减小了二次扰动对主参 数的影响，提高了控制质量。另外由于控制作用的放大系数提 高了，抗扰动能力比单回路反馈控制系统强，克服扰动能更为 迅速。副环也起到了改善对象动态特性的作用。提高了系统的 工作频率。
3）系统工作方式
副环工作于随动控制方式；主环工作于定值控制方式
4）控制性能
系统对于干扰反应及时，克服干扰速度快，能克服系统 滞后，改善控制精度和提高控制质量。
第二节 串级控制系统的分析
常把副回路内的扰动称二次扰动，而把副环路之外的扰 动称一次扰动。
与简单控制系统比较，串级控制增加了副回路，它的作 用是有效地克服二次扰动的影响。
改进的控制系统方案图
（图5－3）
控制系统结构图
（图5－4）
例2：精溜塔提溜段的控制
工作原理 控制任务 恒定精溜塔内温度 系统主要干扰
进料流量、温度扰动
加热蒸汽温度、压力扰动 再沸器的传热条件
（图5－5）
简单控制系统设计
存在的问题
精溜塔提溜段的控制图
加热蒸汽的压力波动对温 度的影响很大
3、对负荷变化的适应性强
特定负荷、确定工作点下 控制系统整定
调节器参数只适用于工作点附近的一个小范围
生产过程的非线性
负荷的变动 串级控制系统对负荷变化的适应性体现在两方面： 1）等效对象增益的适应性 串级控制系统的副环等效增益： 生产过程控制质量将下降
K
' p2

Kc 2 Kv K p 2 1 Kc 2 Kv K p 2 K m2
进料流量、温度扰动
燃料油方面扰动 炉膛漏风和大气温度方面 喷油用过热蒸汽压力波动
控制系统设计
控制系统结构图
（ 图5－10）
二、串级控制系统术语
主对象、副对象；
主变量、副变量；
主调节器、副调节器；
主给定值、副给定值；
主环、副环； 一次扰动、二次扰动。
三、串级控制系统的组成原理
1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象； 2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控量， 构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环 3）以原对象的输出信号为主被控量，即分解后的第二个 被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调 节系统或主环。 4）主调节系统中调节器的输出作为副调节器的给定值， 副调节器的输出信号作为主被控对象的输入信号。
在扰动D2作用下，传递函数为：
Gv (s)G p 2 (s)G p1 (s) Y1 (s) D2 (s) 1 Gc (s)Gv (s)G p 2 (s)G p1 (s)Gm (s)
单回路反馈控制系统的抗干扰能力为：
Y1 ( s) / R1 ( s) Gc ( s) Y1 ( s) / D2 ( s)
同样求出单回路控制系统的工作频率：
s
2
Tp1 Tp 2 Tp1Tp 2
s
1 Kc Kv K p1K p 2 K m2 Tp1Tp 2
0
R1 ( s)
Gc (s) Tp1G sp)2 KG sK ) p 2 K mG (1s) T K v( 2 (v p1p 串 c 2p 2T 单 Tp1＋Tp 2
假定主回路各环节传递函数：
y2
Gc1 (s) Kc1 Gm1 (G s)(s Km1 Gp1 (s) )
v
K p1 y1 Tp1s 1
G p 2 (s)
K p2 Tp 2 s 1
Gc 2 ( s ) K c 2 Gm 2 ( s ) K m 2
Gv ( s ) K v
D2 (s)
R1 ( s)
Y1 ( s)
Gc (s)
Gv (s) Gm (s)
G p 2 ( s)
Gp1 (s)
在给定信号R1(s)条件下，传递函数为：
Gc (s)Gv (s)G p 2 (s)Gp1 (s) Y1 (s) R1 (s) 1 Gc (s)Gv (s)Gp 2 (s)Gp1 (s)Gm (s)
改进方案一
（图5－6）
缺点：该方法增加了蒸汽管路的压力损失。造成经济的不 划算。
改进方案二
（图5－7）
根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，根据精溜塔温度 得到期望的加热蒸汽。
控制系统结构图
（图5－8）
例3 炼油厂管式加热炉温控制系统
工作原理 控制任务 恒定出口原油温度 系统主要干扰
' p2
T
' p2

Tp 2 1 Kc 2 Kv K p 2 K m 2
' Kp 2
将上述两式代入得：
Y2 (s) G ( s) ' R2 (s) Tp 2 s 1
' p2
' K 式中可看出， p2
' Gp 2 ( s)
Tp' 2 分别为等效对象的增益和时间常数比较
和 Gp 2 (s) 由于： 1 Kc 2 Kv K p 2 Km2 1 永远成立 因此有： T ' ( s) T
7.课程理论性强？公式很难（别讲）？结论？
就读大学时，你应当掌握七项学 习，包括:
• • • • • • •
自修之道、 基础知识、 实践贯通、 培养兴趣、 积极主动、 掌控时间、 为人处世。
PID调节器 参数整定 第二、三章内容
控制电机 或调节阀 第四章内容
过控第一章 自控第二章 内容
给定值
比较 器
偏差
系统输出
调节器
执行器
被控对象
测量值
测量单元
检测技术 课程内容
简单控制系统 简单控制系统的组成 简单控制系统的特点 现代生产过程的特点和要求
串级控制系统的概念举例
串级控制系统的分析
串级系统设计和实施中的几个问题
调节器的选型和整定方法
比值控制系统
第一节
串级控制系统的举例与基本概念
一般情况下，
Kc 2 Kv K p 2 Km2 1
' 上式为：K p 2
1 K m2
因此，如果副对象增益或调节阀的特性随负荷变化时，对 等效增益影响不大，因而在不改变调节器整定参数的情况下， 系统的副环能自动克服非线性因素的影响，保持或接近原来的 控制质量。
2）随动系统的适应性
串级控制系统主回路是一个定值控制系统，副回路是一 个随动控制系统，当负荷改变时，主调节器将改变输出值， 副回路能快速及时跟踪，从而保证了控制品质。
D2 (s)
R1 ( s)
Gc1 (s)
R2 (s)
Y2 ( s )
Y1 ( s)
Gc 2 (s) Gm1 (s)
G0 (s)
Gp1 (s)
对于上图所示的串级系统，在给定信号R1(S)来自百度文库用下的传 递函数为：
Gc1 (s)Gc 2 (s)G0 (s)Gp1 (s) Y1 (s) R1 (s) 1 Gc 2 (s)Gc1 (s)G0 (s)G p1 (s)Gm1 (s)
串级控制的功能分析：
1、增强了系统的抗干扰能力
y2
Gv (s)
y1
在扰动D2(s)作用下，副回路的传递函数为：
Gv (s)G p 2 ( s) Y2 ( s) G0 ( s) D2 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv (s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s)
为了便于分析，等效图为：
2、改善了过程的动态特性，提高了控制作用的 快速性
a）时间常数减小
分析串级系统中的副环，可把它看成一个等效对象，即：
y2 G ( s ) G ( s ) G ( s ) Y ( s ) v p2 c2 ' 2 Gp ( s ) 2 R2 ( s) 1 Gc 2 ( s )G ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s) G s) v (v