热工控制系统课堂ppt_第五章串级控制系统
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串级控制系统.ppt
图2.1-5 干扰进入主回路串级调节系统方框图
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
LOGO
2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
LOGO
2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。
串级控制系统课件
C2 V mT C1
Gmp ( + )
GPP ( + ) G PT ( + ) → P ↑ → T ↑
f2
f1
设：反向干扰， f1 → T↓; f2 → P↑ 反向干扰， 动作过程
GmP ( + ) GC 2 ( + ) GV ( − ) 副：P ↑ → e 2 ↑ u2 ↑ q ↓ → → → P →T GmT ( + ) GC ( − ) 主：T ↓ → e1 ↓ u1 ↑→ e 2 ↓→ q ↑ →
等效副对象传递函数： 等效副对象传递函数：
( s) P2 G ′ ( s) = P2 1 + G ( s )G ( s )G ( s )G P2 m2 c2 v( s) G
①提高系统的工作频率----时间常数 提高系统的工作频率 时间常数
令：GC2 = KC2, GV = KV, Gm2 = Km2， 代入前式： 代入前式： K P 2 (TP 2 s + 1)
a.串级控制系统工作频率 串级控制系统工作频率
串级控制等效方框图
由等效方框图， 由等效方框图，得串级控制系统传递函数为
′ GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s ) G( s) = ′ 1 + GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s )Gm 1
2.1.2 精馏塔塔釜温度串级控制动作分析
1）系统设定 方块图
(-) (+) (-) (+) (+)
(+)
(+)
设定元件作用方式： 设定元件作用方式： 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－）
Gmp ( + )
GPP ( + ) G PT ( + ) → P ↑ → T ↑
f2
f1
设：反向干扰， f1 → T↓; f2 → P↑ 反向干扰， 动作过程
GmP ( + ) GC 2 ( + ) GV ( − ) 副：P ↑ → e 2 ↑ u2 ↑ q ↓ → → → P →T GmT ( + ) GC ( − ) 主：T ↓ → e1 ↓ u1 ↑→ e 2 ↓→ q ↑ →
等效副对象传递函数： 等效副对象传递函数：
( s) P2 G ′ ( s) = P2 1 + G ( s )G ( s )G ( s )G P2 m2 c2 v( s) G
①提高系统的工作频率----时间常数 提高系统的工作频率 时间常数
令：GC2 = KC2, GV = KV, Gm2 = Km2， 代入前式： 代入前式： K P 2 (TP 2 s + 1)
a.串级控制系统工作频率 串级控制系统工作频率
串级控制等效方框图
由等效方框图， 由等效方框图，得串级控制系统传递函数为
′ GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s ) G( s) = ′ 1 + GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s )Gm 1
2.1.2 精馏塔塔釜温度串级控制动作分析
1）系统设定 方块图
(-) (+) (-) (+) (+)
(+)
(+)
设定元件作用方式： 设定元件作用方式： 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－）
《串级控制系统》课件
5 保证系统的可靠性
采取措施确保系统的可靠性，如备份控制器、 故障检测和自动切换等。
串级控制系统的实现1Fra bibliotek软件实现
2
串级控制系统的软件实现包括控制算法
的设计、编程和调试。
3
硬件组成
串级控制系统的硬件组成包括传感器、 执行器、控制器和通信设备。
实现过程
串级控制系统的实现包括系统设计、参 数调整和系统测试等多个步骤。
串级控制系统的应用领域
化工工业
串级控制系统在化工 工业中有广泛的应用， 能够稳定控制各种化 学过程。
食品工业
食品工业中的串级控 制系统能够确保食品 生产过程的高效、稳 定和安全。
制造业
制造业中的串级控制 系统能够提高产品的 质量和生产效率，实 现精细化生产。
冶金工业
冶金工业中的串级控 制系统能够优化冶金 过程，提高冶金产品 的质量和产量。
1 改善系统稳定性
串级控制系统能够减小系统的波动幅度，提 高系统的稳定性。
2 提高系统精度和可靠性
通过串级控制系统，我们能够降低系统的误 差，提高系统的精度和可靠性。
3 减小控制器的负担
串级控制系统能够分担控制器的负荷，使其 更加高效且稳定。
4 减小设备的故障率
串级控制系统能够有效减小设备故障的概率， 提高设备的可靠性和使用寿命。
设计原则
1 正确选择控制器
根据系统需求和特点，选 择合适的控制器类型和参 数。
2 合理设置控制参数
3 统一参考信号
根据系统需求和运行状况， 合理设置控制参数，以达 到最佳控制效果。
将所有控制器的输入信号 统一为相同的参考信号， 以保证系统的稳定性和一 致性。
4 建立完善的监测系统
热工控制系统课堂ppt_第五章串级控制系统概要
WT1(S)
X2
WT2(S)
WZ(S)
Wm2(S) Wm1(S)
Wf(S)
WD2(S)
Y2
WD1(S)
Y1
-
-
图5-3
串级控制系统原理方框图
图中Z2是进入副环的扰动，从副回路看，传递函数为：
WD 2 W f S WD 2 S y2 S S z2 S 1 WT 2 S W f S WD 2 S Wm 2 S WZ S
象动态特性，提高系统的工作频率
设对象是惯性环节,其它均为比例环节, 即：
K2 WD 2 S T2 S 1 WT 1 S K T 1 Wz S Kz K1 WD1 S T1 S 1 W f S K f （5-4） K m2
主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为副变量,输出信号为主参数（主变量）。 副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为主调节器输出信号,其输出信号为副参数（副变量）。
第二节
串级控制系统的特点
总体上看,串级控制系统仍然是一个定值控制系统,主参数在干 扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形
(高温段)θ1。(返回例一,返回例二)
副参数(副变量)：其给定值随主调节器的输出而变化，能提前
反映主信号数值变化的中间参数称为副参数。这是一个为了提高控
制质量而引进的辅助参数。例一中为锅炉热量Qr ，例二中为蒸汽 温度（低温段）2。 主调节器(主控制器)：根据主参数与给定值的偏差而动作,其
输出作为调节器的给定值的那个调节器称为主调节器,如压力调节
(5-2)
(5-3)
串级控制系统的设计PPT课件
2、将副回路等效为一个正特性，按简单控制系统确 定主控制器的正、反作用。
副对象
输入：控制阀所控制的流量
输出： 副被控变量
主对象
输入： 副被控变量 输出：主被控变量
6
对原油波动较列方案效果好。
原油
此方案副回路包含的干扰多，副对
燃
象时间常数较大
料
油
T1C T1T
对于副控制器，它接受主调节器的输出作为外给 定起随动调节系统的作用，用副参数的快速变化 来保证主参数的不变，副控制器一般采用P作用而 不采用积分和微分，但付参数是流量对象时，副 控制器应选PI调节规律。
5
串级控制系统控制器正、反作用的选择
正、反作用的选择应先副后主的原则选择：
1、先把副回路看成简单控制系统，按简单控制系统 确定副控制器的正、反作用；
热物料
T2T
T2 C
7
若原油较平稳，燃料压力波动大，可建立温度—压力 （流量）调节系统。
原油
此方案副回路包含的干扰只有燃
气压力波动，副对象时间常数较 燃
小，快速性好
气
热物料
TT
FC
TC
FT
8
（要求：TO1 TO2为3~10倍，否则系统无法运行，系统将振 荡。 ⑶付回路设计，应考虑把调节通道中，非线性部分包括在付 回路中。 ⑷副回路的设计应符合工艺上的合理性（付参数的选择与简 单控制系统的操作变量的选择相同）。
4
串级控制系统主、副控制器控制规律选择
主参数如成份、温度等有更高的控制要求，主控 制器一般选用PID调节规律。
2
串级控制系统把非线性环节包含在副回路中
3
主、付参数的选择原则
主参数的选择原则：与单回路控制系统被控变量的选择 相同。可用于滞后大，或直接采用质量参数等为被控变 量。（比单回路控制系统被控变量的选择裕度大）
副对象
输入：控制阀所控制的流量
输出： 副被控变量
主对象
输入： 副被控变量 输出：主被控变量
6
对原油波动较列方案效果好。
原油
此方案副回路包含的干扰多，副对
燃
象时间常数较大
料
油
T1C T1T
对于副控制器，它接受主调节器的输出作为外给 定起随动调节系统的作用，用副参数的快速变化 来保证主参数的不变，副控制器一般采用P作用而 不采用积分和微分，但付参数是流量对象时，副 控制器应选PI调节规律。
5
串级控制系统控制器正、反作用的选择
正、反作用的选择应先副后主的原则选择：
1、先把副回路看成简单控制系统，按简单控制系统 确定副控制器的正、反作用；
热物料
T2T
T2 C
7
若原油较平稳，燃料压力波动大，可建立温度—压力 （流量）调节系统。
原油
此方案副回路包含的干扰只有燃
气压力波动，副对象时间常数较 燃
小，快速性好
气
热物料
TT
FC
TC
FT
8
（要求：TO1 TO2为3~10倍，否则系统无法运行，系统将振 荡。 ⑶付回路设计，应考虑把调节通道中，非线性部分包括在付 回路中。 ⑷副回路的设计应符合工艺上的合理性（付参数的选择与简 单控制系统的操作变量的选择相同）。
4
串级控制系统主、副控制器控制规律选择
主参数如成份、温度等有更高的控制要求，主控 制器一般选用PID调节规律。
2
串级控制系统把非线性环节包含在副回路中
3
主、付参数的选择原则
主参数的选择原则：与单回路控制系统被控变量的选择 相同。可用于滞后大，或直接采用质量参数等为被控变 量。（比单回路控制系统被控变量的选择裕度大）
串级控制系统资料课件
特点
串级控制系统具有较好的抗干扰能力和对负荷变化的适应性 ，能够提高系统的控制品质和降低对控制参数的敏感性。
串级控制系统基本组成
01
02
03
控制器
是系统的核心部分，负责 接收输入信号并输出控制 信号。
内回路
由控制器、测量变送器和 执行机构组成，负责将控 制器的输出信号转换为实 际的控制动作。
外回路
串级控制系统资料课件
目录
• 串级控制系统概述 • 串级控制系统的设计 • 串级控制系统的应用 • 串级控制系统的优化 • 串级控制系统的案例分析 • 串级控制系统的未来发展与挑战
01
串级控制系统概述
定义与特点
定义
串级控制系统是一种常用的工业控制系统，由两个或更多控 制器串联组成，每个控制器控制一个内回路，内回路的输出 作为下一级控制器的给定值，形成多级控制回路。
内回路的输出值作为 下一级控制器的给定 值，下一级控制器根 据给定值和实际测量 值的偏差计算出控制 信号，调整内回路的 执行机构；
通过多级控制回路的 协同作用，最终实现 系统输出值与目标值 的接近。
02
串级控制系统的设计
设计原则与步骤
01
确定系统结构
根据工艺要求和控制目标，确定 串级控制系统的主控制器和从控 制器。
算法优化
并行计算
利用多核处理器或分布式计算资源，加速控制算法的计算 过程，提高系统的实时性。
01
参数优化
通过智能优化算法，对控制算法的参数 进行优化，以获得更好的控制效果。
02
03
近似算法
在保证控制精度的前提下，采用近似 算法降低计算复杂度，提高系统的响 应速度。
系统结构优化
模块化设计
串级控制系统具有较好的抗干扰能力和对负荷变化的适应性 ，能够提高系统的控制品质和降低对控制参数的敏感性。
串级控制系统基本组成
01
02
03
控制器
是系统的核心部分，负责 接收输入信号并输出控制 信号。
内回路
由控制器、测量变送器和 执行机构组成，负责将控 制器的输出信号转换为实 际的控制动作。
外回路
串级控制系统资料课件
目录
• 串级控制系统概述 • 串级控制系统的设计 • 串级控制系统的应用 • 串级控制系统的优化 • 串级控制系统的案例分析 • 串级控制系统的未来发展与挑战
01
串级控制系统概述
定义与特点
定义
串级控制系统是一种常用的工业控制系统，由两个或更多控 制器串联组成，每个控制器控制一个内回路，内回路的输出 作为下一级控制器的给定值，形成多级控制回路。
内回路的输出值作为 下一级控制器的给定 值，下一级控制器根 据给定值和实际测量 值的偏差计算出控制 信号，调整内回路的 执行机构；
通过多级控制回路的 协同作用，最终实现 系统输出值与目标值 的接近。
02
串级控制系统的设计
设计原则与步骤
01
确定系统结构
根据工艺要求和控制目标，确定 串级控制系统的主控制器和从控 制器。
算法优化
并行计算
利用多核处理器或分布式计算资源，加速控制算法的计算 过程，提高系统的实时性。
01
参数优化
通过智能优化算法，对控制算法的参数 进行优化，以获得更好的控制效果。
02
03
近似算法
在保证控制精度的前提下，采用近似 算法降低计算复杂度，提高系统的响 应速度。
系统结构优化
模块化设计
串级控制系统ppt课件
最新课件
0.013 21
串级控制系统的特点及应用范围
特点
1、两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统，
其中主回路是定值控制，副回路是随动控制
2、副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影响
3、迅速克服进入副回路扰动的影响，提高系统的抗扰动能力
4、对负荷变化有一定的自适应能力（适应操作条件的变化）
最新课件
27
主被控变量的选择
③ 尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得 直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时， 可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为 被控变量。 ④ 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏 度。
⑤ 选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪 表产品现状。⑥ 被控变量应是独立可控的。源自什么样的影响？最新课件
2
课堂提问
采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，比
例度应该怎样变化？ 调大
工程整定方法有哪几种？主要步骤是什么？
× 系统的投运是使执行器从手动平稳过渡到自动 状态，该说法对不对？
最新课件
3
最新课件
4
最新课件
5
主要内容
了解串级控制系统的概念与特点； 掌握串级控制系统的方框图表示法； 结合控制原理，掌握串级系统的分析方法； 了解串级控制系统的设计原则； 掌握串级控制系统的参数整定方法；
副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细 调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响 能彻底加以克服。
最新课件
22
应用范围
1、纯滞后大 2、容量滞后大 3、扰动变化剧烈、幅值大 4、具有非线性特性的过程 容量滞后：物料或能量的传递需要通过一定阻力
串级控制系统ppt课件
副参数塔底流量波动使系统状况发生变化时,它会迅速反映出这种情况,副调节器便 立即进行调节.对于幅度小的干扰,经过副回路的及时调节,一般影响不到液面的变化. 当干扰很大时在副回路快速调节下干扰幅值大大减少,尽管还将影响到主参数----塔底 液面,当主调节器投入调节过程后,很快可以克服干扰. 2.干扰作用于副回路 假如塔底流量正常,进料流量发生变化,至使塔底液面偏离给定值,此时主调节器立即 工作,输出相应变化,通过改变副调节器的给定值与塔底流量的偏差发出相应的输出信 号,改变调节阀的开度从而使塔底液面尽快回到给定值上.
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s +1
讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限 时，自动切除积分作用。
串级回
路的等 R1
效系统
＋ －
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
＋
D2
D1
u
1
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
－
副回路对主对象开环特性 的影响举例
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s +1
讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限 时，自动切除积分作用。
串级回
路的等 R1
效系统
＋ －
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
＋
D2
D1
u
1
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
－
副回路对主对象开环特性 的影响举例
串级控制系统课件
值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带 温度T1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变 化，因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的 “反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将 被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。
精选ppt
18
如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快 得到克服，不至于引起主变量的改变。如果这个干 扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱 了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量 仍会受到它的影响偏离了稳态值而升高。经主温度 检测变送器后，主控制器接受到的测量信号增大。 主控制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主 控制器的输出会减小。这就意味着副控制器的设定 值减小，从而会使得副控制器在原来的基础上变的 更小，也即阀门开度也将再关小一点，以克服干扰 对主变量的影响。
如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不 相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器 再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上 。
精选ppt
23
从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器 串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目 的，两个控制器协调一致，互相配合。尤其是对于二 次干扰，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进 一步“细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统 。
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。
精选ppt
3
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。制品在窑
道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧
精选ppt
18
如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快 得到克服，不至于引起主变量的改变。如果这个干 扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱 了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量 仍会受到它的影响偏离了稳态值而升高。经主温度 检测变送器后，主控制器接受到的测量信号增大。 主控制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主 控制器的输出会减小。这就意味着副控制器的设定 值减小，从而会使得副控制器在原来的基础上变的 更小，也即阀门开度也将再关小一点，以克服干扰 对主变量的影响。
如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不 相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器 再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上 。
精选ppt
23
从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器 串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目 的，两个控制器协调一致，互相配合。尤其是对于二 次干扰，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进 一步“细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统 。
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。
精选ppt
3
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。制品在窑
道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧
5.1 串级控制系统
副回路的确定，就是根据生产工艺的具体要求，选择一 个合适的副变量，从而构成一个以副变量为被控变量的副 回路。副回路的确定原则：
主、副变量间应有一定的内在联系，选择与主变量有 一定关系的某一中间变量作为副变量；选择的副变量就是 操纵变量本身。
图10-4 精馏塔塔釜温度与加热蒸汽 流量串级控制系统 1-精馏塔；2-再沸器
5.1.3 控制器参数的工程整定
两步整定法：先整定副环，再稳定主环。 系统运行工况稳定后，主、副控制器运行在纯比例作
用条件下，将主控制器比例度1调到100%，逐渐减小副 控制器比例度2，按4:1（或其它比值）衰减曲线法整定 副环，获得副环相应的2s和T2s。
在副环2=2s条件下，逐渐减小主控制器比例度1， 按4:1衰减曲线法整定主环，获得主环相应的1s和T1s。
干扰F1作用于主对象 主回路控制，及时改变副变量的数值 ，稳定主变量。
干扰（ F2 、 F1 ）同时作用于副对象和主对象 作用方向相同，主、副回路共同控制，加强、加快；
作用方向相反，主、副控制能相互抵消一部分，控制平稳。
串级控制系统结构:
串级控制系统由主、副两个控制系统串级工作组成。
具有两个对象、两个被控变量、两个控制器、两个控制回
要使系统的主要干扰被包含在副回路内。
图10-5 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 尽可能使副回路包含更多的次要干扰。 考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发 生。
例如前面管式加热炉中，如果主要干扰来自燃料油的压 力波动时，应选择燃料油压力作为副变量，图10-6所示的加 热炉原料油出口温度与燃料油压力串级控制系统。
图5-1 管式加热炉出口温度控制系统
图10-2是管式加热炉出口温度串级控制系统，主对象为受 热管道，温度对象1，输出变量为原料出口温度1，主控制 器为T1C；副对象为炉膛及燃烧装置，温度对象2，输出变 量为炉膛温度2，副控制器为T2C；操纵变量为燃料流量.
主、副变量间应有一定的内在联系，选择与主变量有 一定关系的某一中间变量作为副变量；选择的副变量就是 操纵变量本身。
图10-4 精馏塔塔釜温度与加热蒸汽 流量串级控制系统 1-精馏塔；2-再沸器
5.1.3 控制器参数的工程整定
两步整定法：先整定副环，再稳定主环。 系统运行工况稳定后，主、副控制器运行在纯比例作
用条件下，将主控制器比例度1调到100%，逐渐减小副 控制器比例度2，按4:1（或其它比值）衰减曲线法整定 副环，获得副环相应的2s和T2s。
在副环2=2s条件下，逐渐减小主控制器比例度1， 按4:1衰减曲线法整定主环，获得主环相应的1s和T1s。
干扰F1作用于主对象 主回路控制，及时改变副变量的数值 ，稳定主变量。
干扰（ F2 、 F1 ）同时作用于副对象和主对象 作用方向相同，主、副回路共同控制，加强、加快；
作用方向相反，主、副控制能相互抵消一部分，控制平稳。
串级控制系统结构:
串级控制系统由主、副两个控制系统串级工作组成。
具有两个对象、两个被控变量、两个控制器、两个控制回
要使系统的主要干扰被包含在副回路内。
图10-5 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 尽可能使副回路包含更多的次要干扰。 考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发 生。
例如前面管式加热炉中，如果主要干扰来自燃料油的压 力波动时，应选择燃料油压力作为副变量，图10-6所示的加 热炉原料油出口温度与燃料油压力串级控制系统。
图5-1 管式加热炉出口温度控制系统
图10-2是管式加热炉出口温度串级控制系统，主对象为受 热管道，温度对象1，输出变量为原料出口温度1，主控制 器为T1C；副对象为炉膛及燃烧装置，温度对象2，输出变 量为炉膛温度2，副控制器为T2C；操纵变量为燃料流量.
最新过程控制-4.1-串级控制系统分解幻灯片
❖现金结算：即用钞票结算（易 手）。
串级控制系统的设计
p 串级控制系统副参数的选择及副回路的设计
•主副变量间应有一定的内在联系 •系统的主要干扰应包围在副回路中 •在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 •副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生。 即主副时间常数不能太接近 •当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应 使副环 尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后
串级控制系统的工作过程
干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）
r1 +
Gc1(s) r2 +
Gc2 (s)
Gv (s)
F2
F1
Gp2 (s) y2 Gp1(s) y1
-
-
ym2
Gm2 (s)
ym1 Gm1(s)
图4-6 干扰进入副回路时串级调节系统方框 图
串级控制系统的工作过程
干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）
y2
Go1(s)
y1
上图中： Go2'(s)Go2(s)T2Kso21
串级控制系统分析
可得闭环特征方程：
1G c1 G o2'(s)G o1(s)0 其中：
s22'0's0'20
2'0'
T1 T2 T1T2
0'2
1Kc1Ko1Ko2 T1T2
求解可得单回路系统的过渡过程频率 z 2 为
z21'2
结论：当干扰进入副回路，由于主、副回路的共同作用 （作用方向相同，都是使氨气流量调节阀开度减小），使副 调节器的给定与测量两方面变化加在一起，加速了克服干扰 的能力。
串级控制系统的工作过程
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(5-1)
这里要注意的是扰动Z 除了能直接影响副参数以外, 这里要注意的是扰动Z2 除了能直接影响副参数以外,又通过 影响主参数. WD1影响主参数.
Z2 X1
WT1(S)
X2
WT2(S)
WZ(S) Wm2(S) Wm1(S)
Wf(S)
WD2(S)
Y2
WD1(S)
Y1
-
-
图5-3
串级控制系统原理方框图
本章章节
第一节 串级控制系统的组成
第二节 串级控制系统的特点 第三节 串级控制系统主副回路和主副调节器选择 串级控制系统实例分析-- --过热蒸汽温度串级控制 第四节 串级控制系统实例分析--过热蒸汽温度串级控制
第一节 串级控制系统的组成
下面举两例说明串级控制系统的组成: 下面举两例说明串级控制系统的组成: 例一 电厂汽包锅炉蒸汽压力和燃料控制系统
即为两个调节器的乘积. = WT1( S)WT2 ( S) 即为两个调节器的乘积.
如果 W 1( S) = KT1,W 2 ( S) = KT2 T T
y1(S) x1(S) 则: = KT1 KT 2 y1(S) z2 (S)
若采用单回路控制系统则其表征克服干扰能力的式子: 若采用单回路控制系统则其表征克服干扰能力的式子:
WT1(S)
X2
WT2(S)
WZ(S) Wm2(S) Wm1(S)
Wf(S)
WD2(S)
Y2
WD1(S)
Y1
-
-
图5-3
串级控制系统原理方框图
图中Z 是进入副环的扰动,从副回路看,传递函数为: 图中Z2是进入副环的扰动,从副回路看,传递函数为:
Wf (S)WD2 (S) y2 (S) = WD2 (S) = z2 (S) 1+W 2 (S)Wf (S)WD2 (S )Wm2 (S)WZ (S) T ′
输出对于扰动Z 的传递函数: 输出对于扰动Z2的传递函数:
′ WD1 ( S)WD2 ( S) WZ2 ( S) = = z2 ( S) 1 + W ( S)W ( S)W ( S)W ′ ( S)W ( S)W ( S) T1 T2 D1 D2 m1 Z y1 ( S)
输出对输入x 的传递函数: 输出对输入x1的传递函数:
副调节器(副控制器) 其给定值由主调节器的输出决定, 副调节器(副控制器):其给定值由主调节器的输出决定,并根 据副参数对给定值(即主调节器输出) 据副参数对给定值(即主调节器输出)的偏差动作的那个调节器称为 副调节器,如燃料调节器,温度调节器. 副调节器,如燃料调节器,温度调节器. 主回路(外回路) 主回路(外回路):断开副调节器的反馈回路后的整个外回路 称为主回路. 称为主回路. 副回路(内回路) 由副参数, 副回路(内回路):由副参数,副调节器及其所包括的一部分对 象等环节所组成的闭合回路称作副回路,副回路有时还称随动回路. 象等环节所组成的闭合回路称作副回路,副回路有时还称随动回路. 主对象(惰性区) 主参数所处的那一部分工艺设备, 主对象(惰性区):主参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为副变量,输出信号为主参数(主变量). 信号为副变量,输出信号为主参数(主变量). 副对象(导前区) 副参数所处的那一部分工艺设备, 副对象(导前区):副参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为主调节器输出信号,其输出信号为副参数(副变量). 信号为主调节器输出信号,其输出信号为副参数(副变量).
y1( S) x1( S) y1( S) z2 ( S)
= W 1 = KT1 T
一般有: 一般有:
KT1 KT 2 > KT1
所以可得出如下结论:系统的开环放大倍数越大, 所以可得出如下结论:系统的开环放大倍数越大,稳态误差越 小,克服干扰的能力也就越强,副调节器的放大倍数整定的越大, 克服干扰的能力也就越强,副调节器的放大倍数整定的越大, 这个优点越显著. 这个优点越显著.
串级控制系统可以减小副回路的时间常数, 二,串级控制系统可以减小副回路的时间常数,改善对 象动态特性, 象动态特性,提高系统的工作频率
设对象是惯性环节,其它均为比例环节, 设对象是惯性环节,其它均为比例环节, 即:
K2 WD2 ( S) = T2 S + 1 W ( S) = Kz z W 2 ( S) = KT2 Wf ( S) = Kf (5-4) T 5-4) W 1 = Km1 W 2 = Km2 m m K1 W 1 ( S) = D T S +1 1
第二节 串级控制系统的特点
总体上看,串级控制系统仍然是一个定值控制系统, 总体上看,串级控制系统仍然是一个定值控制系统,主参数在干 定值控制系统 扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形 式,但与单回路控制系统比较,串级控制系统具有以下特点: 但与单回路控制系统比较,串级控制系统具有以下特点:
W 1 ( S) = KT1 T
由图5 由图5-3得:
W 2 ( S) = b
x2 ( S)
y2 ( S)
=
1+W 2 ( S) Wf ( S) WD2 ( S)W 2 ( S) W ( S) T m z
W 2 ( S) Wf ( S) WD2 ( S) W ( S) T z
(5-5) )
则有: 则有:
由于系统的时间常数变小了,它的工作频率将有所提高,证明 由于系统的时间常数变小了,它的工作频率将有所提高, 如下: 如下:
Z2 X1
WT1(S)
WT2(S)
WZ(S)
Wf(S)
W'D2(S)
Y2
WD1(S)
Y2
Wm1(S) 图5-4 串级控制系统简化方框图
从图5-4简化的方框图可得系统特征方程式: 从图5 简化的方框图可得系统特征方程式:
内扰 压力 定值 压力调节 器 燃料调 节器 执行机构 阀门 炉膛 Qr 外扰 汽压 对象 PM
测量变送器 压力变送器
图5-1
压力- 压力-燃料控制系统原理框图
例二, 例二,汽统结构如下图所示: 汽包锅炉蒸汽温度控制系统结构如下图所示:
若采用单回路调节,只取θ 若采用单回路调节,只取θ1一个温度信号到调节器去控制减温 由于汽温对象的大滞后和大惯性, 水阀门开度 ,由于汽温对象的大滞后和大惯性,无法得到令人满 意的控制品质.为此再取一个控制中间温度信号θ 意的控制品质.为此再取一个控制中间温度信号θ2,增加一个调节 器,组成串级控制系统如图5-2所示: 组成串级控制系统如图5 所示:
由此看出, 由此看出,Tb2<T2,也即内回路闭环传递函数的时间常数小于 不加控制前的传递函数中的时间常数.从而改善了动态特性. 不加控制前的传递函数中的时间常数.从而改善了动态特性.原因 在于原来的被控对象是W 串联,加上副调节器后变成W 在于原来的被控对象是WD2与WD1串联,加上副调节器后变成Wb2与Wb1 串联,总的惯性时间减小了. 串联,总的惯性时间减小了.
控制过程为: 控制过程为:燃料输送器 阀门开度变化将使风和煤粉按 一定的比例进入炉膛.如果 一定的比例进入炉膛.如果 开大, Qr,D以及P 开大,则Qr,D以及PM 都随之 ,D以及 ↑,因此把母管的压力作为一个 主信号反馈到调节器T 主信号反馈到调节器T1, 这时 T1 可直接去控制阀门使 ↓, 可直接去控制阀门使 也随之↓ 最后可使P D与PM 也随之↓,最后可使PM 维持在一个希望值上. 维持在一个希望值上.
Wm1 =1),则控制系统性能越好. ),则控制系统性能越好 则控制系统性能越好.
也即用以表征克服干扰能力的式子: 也即用以表征克服干扰能力的式子: 大越好. 大越好.
WX1( S) W 2 ( S) Z = y1( S) x1( S) y1( S) z2 ( S)
的值越
现有
WX1( S) WZ2 ( S)
第五章 串级控制系统
单回路控制系统---各种复杂控制系统基础,并被广泛应用; 单回路控制系统---各种复杂控制系统基础,并被广泛应用; ---各种复杂控制系统基础 但随着工业技术的不断更新,生产不断强化, 但随着工业技术的不断更新,生产不断强化,工业生产过程 对工业参数提出越来越严格要求; 对工业参数提出越来越严格要求; 而且生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯 性增大,使得单回路控制显得无能为力,因而产生许多新的, 性增大,使得单回路控制显得无能为力,因而产生许多新的,复 杂的控制系统: 杂的控制系统: 串级控制,导前微分控制,复合控制,分段控制, 串级控制,导前微分控制,复合控制,分段控制,多变量控制
内扰
温度 定值
-
温度调 节器
-
温度调 节器
执行机构 温度变送器 温度变送器
阀门
减 温 器
θ2 过热 器
θ
图5-2
过热蒸汽温度控制原理方框图
串级控制系统有两个调节器,它们的作用是完全不同的. 串级控制系统有两个调节器,它们的作用是完全不同的.为了 说明这个问题,下面介绍串级控制系统的有关概念: 有关概念 说明这个问题,下面介绍串级控制系统的有关概念: 主参数(主变量) 主参数(主变量):串级控制系统中起主导作用的那个被调节参 数称为主参数.例一中是母管蒸汽压力P 数称为主参数.例一中是母管蒸汽压力PM,例二中是过热蒸汽温度 返回例一,返回例二) (高温段)θ1.(返回例一,返回例二) 高温段)θ 副参数(副变量) 其给定值随主调节器的输出而变化, 副参数(副变量):其给定值随主调节器的输出而变化,能提前 反映主信号数值变化的中间参数称为副参数. 反映主信号数值变化的中间参数称为副参数.这是一个为了提高控 制质量而引进的辅助参数. 制质量而引进的辅助参数.例一中为锅炉热量Qr ,例二中为蒸汽 温度(低温段) 温度(低温段)θ2. 主调节器(主控制器) 根据主参数与给定值的偏差而动作, 主调节器(主控制器):根据主参数与给定值的偏差而动作,其 输出作为调节器的给定值的那个调节器称为主调节器, 输出作为调节器的给定值的那个调节器称为主调节器,如压力调节 器,温度调节器. 温度调节器.