第四章 串级控制系统 PPT

4源自文库1.1 串级控制系统组成
一次扰动：
二次扰动：
作用在主被控过程下的、
作用在副被控过程上的、即
而不包括在副回路范围内
包括在副回路范围内的扰动
的扰动
串级系统和单回路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，以最终保证被控量满足工艺要求。
4.1.1 串级控制系统组成
控制方案二 被控参数： 炉膛温度
方案优点： 调节通道的时间常数缩短3min，对f2
和f3具有很强的抑制作用，当燃料量和热值 出现波动时，不等到出口温度发生变化就能 提早发现并及时地进行控制，将干扰对出口温度的影响降低。 缺陷：
由于方案中没有把炉出口温度作为被控变量，当被加热物料的流量或入口温度产生 波动使炉出口温度发生变化时，系统将无法使炉出口温度再调回到给定值上。
由于Km2>1，有:
K0' 2 K02
T0'2 T02
从以上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小，整个 系统中对象总的时间滞后近似地等于主对象的时间滞后，单回路控制系统对象总的时间 滞后要有所缩短，使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；
当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副控制器均采用比例作用时，串级 回路与单回路的工作频率之比为：
求副回路的等效传递函数:
W0'2(s)
Z2(s) X2(s)
Wc2(s)Wv(s)W02(s) 1Wc2(s)Wv(s)W02(s)Wm2(s)
KC2KV
K02 T02s 1
K0' 2
1KC2KV T0K2s02 1Km2 T0'2(s)s1
K0' 21K KCC22K KVVK K002K 2 m2 T0' 21KC2K T0V2K02Km2
副控制器：按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器，其输 出直接控制执行器的动作。如上例中的炉膛温度控制器T 2C。
主回路： 由主测量变送器、主控制器、副回路等效环节和主对象组成的闭合回路，又 称外环或主环。
副回路： 由副测量变送器、副控制器、执行器和副对象所组成的闭合回路，又称内环 或副环。
4.1.1 串级控制系统组成
控制方案三 串级控制 主变量：出口温度 副变量： 炉膛温度 优点：
扰动f2、f3对炉口温度的影响由T2C控制器构成的回路来克服，扰动f1、f4对炉出 口温度控制器T1C构成的控制回路来消除。
T1C和 T2C两个控制串联工作，炉出口温度由控制器T1C输出作为炉膛温度控制器 T2C的给定值，系统构成串级控制。
通过理论可以证明，干扰落于副环时的抗干扰能力大于干扰落于主环时的 抗干扰能力。由于副回路的时间常数大大减小，抗一次干扰的能力也高于同等 条件下的单回路控制系统。
4.1.3串级控制系统的特点
2. 改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率
等效：将副回路看成是主回路中的一个环节，或者把副回路理解为一部分等效对象。此 时，串级控制系统的方块图可简化成上图。
第四章 串级控制系统
4.1.1 串级控制系统组成
复杂控制系统：
控制系统中采用两个以上的检测元件和变送器，或控制器，或执行器， 完成一些复杂或特殊的控制任务。
4.1.1 串级控制系统的组成
例1： 炼油厂管式加热炉温度控制系统
要求： 被加热物料的出口温度为定值。 控制方案一 被控参数： 出口温度
控制参数：燃料油流量 影响因素： （1）被加热物料的流量和初温f1(t)； （2）燃料油压力的波动、流量的变化、燃料值的变化f2(t)； （3）烟囱抽力变化f3(t)； （4）配用、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t). 缺陷：由于对象内部燃料油要经管道传输、燃烧、传热等一系列环节，总滞后较大 （15min），导致控制作用不及时，另燃料油压力变化较大且频繁，致使偏差较大。
图 管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统方块图
主变量：在串级控制系统中起主导作用的那个被控变量，是生产过程中主要控制的 工艺指标。如上例中的炉出口温度。
副变量：串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅助变量，如上例的炉膛温度。 主对象：由主变量表征其主要特征的工艺生产设备或过程，其输入量为副变量，输
串 T01 T02 KC2KV K02Km2T01
单
T01 T02
[1 (1 KC2KV K02Km2)]T01/T02 1 T0 1 / T0 2
课堂作业：
画出加热炉温度与流量串级控制系统方框图。
QC QT
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。
4.1.3串级控制系统的特点
1. 对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力
以管式加热炉出口温度控制为例。 当燃烧条件发生改变使炉膛温度发生变化后，如果没有副回路的存在，则 一定要等到炉出口温度的测量值发生变化后，控制器才能产生新的动作。而在 串级控制系统中，由于副回路的存在，就可以提早发现炉膛温度的变化，并及 时地通过副控制器去改变燃料量，以便把炉膛温度调回来。这样，即便是干扰 对炉出口温度的影响不能完全被消除，也肯定比没有副回路时要小得多。因此， 主要干扰作用于副回路时，串级控制的质量要比单回路控制好得多。
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4.1.2 串级控制系统的工作过程
初始状态：两个控制器输出不变，控制阀稳定在某一开度。 第一种情况：燃料油流量变化（二次干扰f2）
4.1.2 串级控制系统的工作过程
第二种情况：被加热料流量和初温变化（一次干扰f1）
第三种情况：一次干扰f1和二次干扰f2同时出现
出量为主变量。如上例中从炉膛温度控制点到炉出口温度检测点之间的工 艺生产设备及管道。
4.1.1 串级控制系统组成
副对象： 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过程，其输入量为系统的操纵变 量，输出量为副变量。如上例中由执行器至炉膛温度检测点之间的生产过 程及工艺设备。
主控制器：按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制 器的给定值。如上例中的炉出口温度控制器T1C。