串级控制系统与比值控制系统

Kp' 2
Kc2KvKp2 1+Kc2KvKp2Km2
当 Kc2KvKp2Km2 1
Kp' 2
1 Km2
结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上 和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。
串级控制特点总结：
1) 在系统结构上, 它是由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．
反应器的温度串级控制方框图
D2
D1
θ1r
主调节器 副调节器 调节阀
夹套 θ2 槽壁
反应槽 θ1
温度测量 温度测量
例3-2 精馏塔提馏段的温度控制
1、 简单控制系统方案
被调量：提馏段温度θ 扰动D2：加热蒸汽压力 扰动D1：加料方面的扰动， 如温度、流量、组分等
缺点：从调节阀动作到温度 变化，需通过很多热容积。 调节滞后。
Gc2GvG p2 1 + Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
Gp2’(s)
串级控制系统的特点
（1）副回路（内环）具有快速调节作用， 它能有效地克服二次扰动的影响；
由于
D2' (s)
1
D2(s) 1+Gc2GvGp2Gm2
而对于动态滞后较小的副回路，有
Gc2GvGp2Gm2 1
夹套
图3.1反应器温度控制系统
θ1r －
调节器 调节阀
D2 夹套 θ2 槽壁
D1 反应槽 θ1
温度测量
图3.2 反应器单回路控制系统
2）采用串级控制
特点：两个调节器串在一 起工作，调节器θC2通过 调节冷却剂量以克服冷却 水方面的扰动；调节器 θC1 通过调节夹套内水温的设定 值以保证反应温度 维持在工 艺所希望的某一给定值。
D2(蒸汽压力)
D1
θr
调节器 调节阀
蒸汽管路 Q 再沸器
塔底 θ
温度测量
2、两种改进方案： (1) 附加蒸汽压力控制方案
把蒸汽压力的干扰 克服在入塔前，提 高了温度调节品质， 但需增加一个调节 阀，且增加了蒸汽 管路的压力损失， 经济上不合理。
图3.6 附加蒸汽压力控制方案
(2) 串级控制方案（好）
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) 副回路的引入, 提高了整个系统的响应速度,使其快速性得 到了提高．
4) 串级控制系统对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能 力．
串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干 扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。
在多回路控制系统中,有两个被控过程,两套 测量变送装置, 两台控制器和一个调节阀构成 的系统．
例3-1 连续槽反应器温度控制
1) 采用单回路控制
槽壁
对象有三个热容积：夹套、槽 壁、槽中的物料。
物料方面扰动D1: 流量,入口温度,化学成分
冷却水扰动D2: 入口温度, 阀前压力
分析：当冷却水方面发生扰动，需 相继通过3个容积后，θ1才升高， 调节器才动作。
D2' D2
（2）由于内环起了改善对象动态特性的作用，因此可以 加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。
设副回路中各环节传递函数为
GP2
源自文库(S)
KP2 TP2S +1
;
GC
2
(S)
KC2;
GV (S) KV ;Gm2(S) Km2
则G’P（2 S）＝RY（ （22 SS） ）＝1＋GC（G2 CS（2）SG）（ VGS（ V）SG）P（G2 PS（2）SG）m2(S)
✓主回路的被控变量称为主被控变量，也称为主变量或 主参数；
✓副回路的被控变量称为副被控变量，也称为副变量或 副参数
串级控制系统中的名词：
④主、副对象 ✓主回路所包括的对象称为主对象； ✓副回路所包括的对象称为副对象。 ⑤主、副变送器 ✓检测和变送主变量的称为主检测变送器； ✓检测和变送副变量的称为副检测变送器。 ⑥一、二次干扰 ✓进入主回路的干扰称为一次干扰； ✓进入副回路的干扰称为二次干扰。
－
副调 节器
调节 阀
二次扰动
副对象
一次扰动
主参数
主对象
副变送器
副参数
定值控 制系统
主变送器
主回路
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路 起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。
2) 每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器
3) 调节阀由副调节器直接控制
串级控制系统中的名词：
①主、副回路 ✓在外面的闭合回路称为主回路(主环)， ✓在里面的闭合回路称为副回路(副环)。 ②主、副控制器 ✓处于主回路中的控制器称为主控制器； ✓处于副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副变量
串级控制系统设计和实施中的几个问题
考虑的问题: 副回路的设计, 副参数的选择. 主副回路之间的 关系, 两个调节器可能产生的问题. 一 副回路的设计
副回路的设计主要是如何选择副参数．其设计原则为：
副参数的选择应使副对象的时间常数比主对 象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏； 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；
串级控制系统方块图
y1,sp
＋ －
Gp2’(s)
y2,sp
Gc1
＋
Gc2
Gv
－ ym2
Gm2
ym1 Gm1
D2
＋ ＋
Gp2
副回路
D1
y2
＋
Gp1 ＋
y1
主回路
串级系统副环的等效性
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ D2
＋
Gp2
y2
D2(s)
1 1 + Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
第三章 串级控制系统与比值控制系统
R(s)
—
Gc(s)
Gv(s)
Y(s) G(s)
Gm(s)
单回路控制系统方框图
组成： 一个调节器，一个控制阀，一个被控制对象，一个 测量变送器
3-1 串级控制系统的概念
定义: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。
θC2控制流量稳定， θC1控制温度稳定。
优点：有效地克服蒸汽 压力波动对温度θ的影 响。
QC1
QC2
D2
θr 主调 Qr 副调 调节
蒸汽管 Q 再沸
节器
节器 阀
－
－
路系统
器
流量测量
D1 塔底 θ
温度测量 图3.8 提馏段温度串级控制系统
通用的串级控制系统
副回路
随动控 制系统
主参数设定
－
主调 节器
KC2KVKP2 1+ KC2KVKP2KM2 KP2 '
1＋（1＋KC2TKPV2SKm2KP2) 1+TP2 ' S
1＋KC2KVKP2Km2>1
TP2’<TP2
等效对象的时间常数缩小了，加快了副环的响应速度， 提高了系统的工作频率。
（3）对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力 对于内环等效对象的增益