仪表串级控制课件

情况三：一次干扰和二次干扰同时存在
➢ 主、副变量同向变化 主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化，使得
炉出口温度很快恢复到设定值。 ➢ 主、副变量反向变化
两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。
通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制 器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回 路控制系统。
二、串级控制系统的工作过程（参见P198）
仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度-流量串级控 制系统克服干扰的过程。
调节阀：气开式 温度调节器、流量调节器：反作用
情况一：干扰来自燃料油流量的变化
• 初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控 制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制， 改变执行阀的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。
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§6.2 串级控制系统的特点
1、能迅速克服进入副回路的二次干扰 串级控制系统方框图如下：
X1(s) +
E1 (s)
Wc1 (s)
X 2 (s) +
-
E2 (s) Wc2 (s) + -
Z1(s)
Z2 (s)
F2 (s) +
WV (s)
W02 (s)
Y2 (s) +
F1 (s) +
W01 (s)
• 当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器 的设定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差 进行控制，直到炉出口温度重新恢复到设定值 。
先副回路， 后主回路
情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高
• 出口温度
温度控制器输出
流量控制器设定值 。
• 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。
E1 (s)
Wc1 (s)
X 2 (s) +
-
E2 (s) Wc2 (s) + -
Z1(s)
Z2 (s)
F2 (s) +
WV (s)
W02 (s)
Y2 (s) +
F1 (s) +
W01 (s)
Wm2 (s)
Y1 (s)
Wm1 (s)
输出对于二次扰动的传递函数：
FY（（12 SS）） 1
WV (s)W02 (s)W01(s) Wc1(s)Wc2 (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm1(s) Wc2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
若克服二次干扰的能力 用Y（1 S）/ X（1 S）来表示 Y（1 S）/ F（2 S）
则
Y（1 S）/ Y（1 S）/
XF（（21 SS））
Wc1
(S
)Wc
2
(
S
)
K c1 K c 2
假设主、副调节器均采 用比例调节器，即 Wc1(S) Kc1，Wc2 (S) Kc2
单回路控制系统方框图如下：
流量的扰动和热值扰动。
温度-流量串级控制系统的方框图如下：
R（1 S） E（1 S） 温 度 调 R（2 S） E（2 S） 流 量 调
节器
节器
执行阀
D（2 S） D（1 S）
流量
流量
温度
对象
对象
原料出口温度
流量检测变送器
温度检测变送器
串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个执 行阀，实现定值控制的控制系统。
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
方案一：管式加热炉出口温度的单回路控制
温度检测 变送器
期望 温度
存在的问题：
温度控 制器
由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时； 偏差大，控制质量差。
方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）
流量检测 变送器
期望 流量
存在的问题：
流量控百度文库制器
第六章 串级控制系统设计
§6.1 串级控制原理 §6.2 串级控制系统的特点 §6.3 串级控制系统的设计 §6.4 串级控制系统的参数整定 §6.5 串级控制系统的工业应用
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§6.1 串级控制原理
一、串级控制系统的组成
例 ：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），
其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。
X (S)
Kc
K2 1T02S
K1 1T01S
Y (S )
其特征方程式为：
T01T02S 2 (T01 T02 )S (1 Kc K1K2 ) 0
则:
2 1 01
T01 T02 T01T02
阻尼比
阻尼振荡频率为：
自然振 荡频率
在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入 口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间 接控制系统无法将变化了的温度调回来；
管式加热炉出口温度的间接控制（2）
期望炉膛 温度
方案三：加热炉出口温度与燃料流量的串级控制
用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量 控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料 油流量的扰动 同样：加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油
Wm2 (s)
Y1 (s)
Wm1 (s)
输出对于输入的传递函数：
XY（（11 SS）） 1
Wc1(s)Wc2 (s)WV (s)W02 (s)W01(s) Wc1(s)Wc2 (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm1(s) Wc2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
X1(s) +
X（S）
F（2 S） Wc (S)
WV (S)
F（1 S） W02(S)
Y（S） W01(S)
Wm (S )
Y(S)
Wc (s)WV (s)W02 (s)W01(s)
X (S ) 1 Wc (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm (s)
Y（S） F（2 S）
1
Wc
WV (s)W02 (s)W01(s) (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm
串级控制系统中常见的名词术语：
主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、 副检测变送器，主、副回路。
作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。
串级控制系统的通用方框图：
二次扰动 一次扰动
设定值
主调节器
副调节器
执行阀
副检测变送器
副 对象
主 对象
副参数
主参数
主检测变送器
内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。
(s)
则：YY（（SS））// XF（（2 SS）） Wc (S) Kc
假设：Wc (S) Kc
一般
K
c
取值较大，
2
K c1
Kc
Kc1 Kc2 Kc
即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统 （约10～100倍）。
串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。
2、提高了系统的工作频率 双容对象的单回路控制系统如下图所示：