过程控制 第4章串级控制系统-xu

sp
加热炉对象由于串联环节 多，时间延迟大; 把 “炉膛”作为副对象组 成串级控制系统，有利于 改善副对象特性，提高控 制质量。
单回路调节器直接 控制执行器
sp
串级控制通过副回 路控制执行器
PC TC TT
PT 燃料 原油
sp
PC TC TT
PT 燃料
原油
f2(t) 执行器 压力对象
f1(t)；f3(t) 温度对象
温度调节器
压力调节器
压力变送器 温度变送器
压力-温度串级控制系统方框图 压力 温度串级控制系统方框图
串级控制系统结构特点：
偏差
-
调节器 PC
执行器 阀 变送器 PT
管路压力 燃油管路
+
串级控制系统概述
执行器只有一个，如何听从两个调节器的调节？ 方案不可行。
串级控制系统概述
实际上：
1、压力控制回路目的是保证管路中压力稳定，即保证管路 中流量稳定。给定值实际是要求流量大小。 2、调节器1输出的是要求调节阀的开度，就是对应的燃料 流量的要求给定值。 3、因此,可以把调节器1的输出作为压力控制回路的给定值。 即调节器1输出作为调节器2的给定值(外给定)。 4、压力控制回路作用: 通过调节器2克服压力扰动f2(t), 实现管路实际流量跟踪调节器1的要求流量。
单回路控制系统的局限性
单回路系统是过程控制最基本,结构最简单,应用最 广泛的一种结构形式。 对于更复杂的对象或工艺要求更高的场合,单回路 不能满足要求： 1、对象时间常数或迟延时间很长。 例如:当T很大,且：τ/T>1.0 时 2、被控对象存在强烈的非线性或时变特性时。 3、受扰动影响很大，用单回路难以得到理想特性。 4、工艺有更高的控制要求时，比如精度，快速性等
3、一次，二次扰动同 时作用于主环和副环
是一次、二次扰动 影响的叠加，叠加的结 果有两种情况 a.一次、二次扰动作用 对系统影响变化方向相 同
sp
TC2 TC1 TT1
TT2
f2
燃料
f3
原油
假设：一次扰动f3使TT1↑,同时二次扰动f2使 TT2↑→TT1↑，作用影响控制输出朝相同方向变化 二次扰动f2使TT2↑→TC2↓(反作用)→V↓→F↓ 一次扰动f3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓ V↓→F↓ sp 作用结果：一次扰动f3，二次 扰动f2→V↓↓→F↓↓， 调节阀的调节响应大大增强， 是两个扰动影响的叠加
串级控制系统概述
当干扰很大时，将影响控制质量，单回路控制系统不能 满足要求。 需要在单回路系统基础上，设计克服扰动(燃料油压力扰 动f2(t) f (t)为例)措施。 )
设计单回路克服扰动f2(t):
被控参数：燃料管路压力 控制参数：燃料流量 测量变送器：压力传感器PT 执行器： 调节阀（气开式） 控制器： PC（正作用）
第四章~第六章 复杂控制系统
第四章 串级控制系统 第五章 前馈反馈控制系统 第六章 比值\均匀\分程控制系统
第四章 串级控制系统设计
4 课时 1、设计目的：用于改善被控对象特性或克服扰 动对系统影响 2、结构特点：双闭环；串级，即具有主控制回 路和副控制回路，对象和控制器是串级的关系 3、一种广泛应用的有效改善和提高控制品质的 复杂控制系统方案
' o2
Ko2 Go 2 ( S ) = 1 + To 2 S
Ko2 To 2 ' = ; To 2 = 1 + Kc2 Kv Ko2 K m2 1 + Kc2 Kv Ko2 K m2
由于：1+Kc2KvKo2Km2 >1, 有： K’o2 < Ko2 T’o2 < To2
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K
' o2
Ko2 = 1 + Kc2 Kv Ko2 K m2
燃料
出口物料管
出口
原油
串级控制系统概述
出口温度单回路控制系统：
sp
TC 炉管壁 炉膛 燃料 烟气出口 TT 出口物料管
原油
sp
出口物料管
TT
串级控制系统概述
系统方框图
TC
炉管壁 炉膛
燃料
烟气出口
原油
系统主要扰动：
f1(t): 原料油流量或温度波动 f2(t): 燃料油流量（压力）的波动 f3(t): 加热炉烟气排量波动
◆ 系统只有一个执行器。
二、串级控制系统各部分名称
主回路（主环）-主控制器T1(S)-主被控变量（主参数、 主变量）Y1(S) 副环外主环内扰动 F1：一次扰动 副回路（副环）-副控制器T2(S)-副被控变量（副参数、 副变量）Y2(S) 副环内扰动 F2：二次扰动
F2
R(S)
Wf2(S) WO2(S)
出口温度-炉膛温度 串级控制系统结构图
sp
TC2 TC1 TT1
TT2
燃料
原油
2 串级控制系统的工作过程
工作过程:是指在系统处于稳定工作情况下,克服一次,二 次扰动的系统过渡过程 例:出口温度-炉膛温度串级控制系统 设计：控制阀为气开，主，副控制器选为反作用。
1、二次扰动作用于副环 （副调节器“粗调”，主调节器 “细调”） 2、一次扰动作用于主环 （主调节器调节） 3、一次，二次扰动同时同时主环 和副环 a.作用方向相同 b.作用方向相反 sp
TC2 TC1 TT1
TT2
f2
燃料
f3
原油
b.一次、二次扰动作用对 系统影响变化方向相反
sp
TC2 TC1 TT1
TT2
假设：一次使得输出增加，二 次使得输出减小
f2
燃料
f3
原油
一次扰动f3使TT1↑,同时二次扰动f2使TT2↓→TT1↓， 作用影响控制输出朝相反方向变化 二次扰动f2使TT2↓→TC2↑(反作用)→V↑→F↑ 一次扰动f3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓ V↓→F↓ 作用结果：一次扰动f3， 二次扰动f2→V↑↓→F↑↓ 一次、二次扰动作用相互抵消， V作较小的响应即可调节， 调节幅度为其抵消后的值 sp
sp
PC
PT 燃料
原油
串级控制系统概述
管路压力控制方框图：
f2 设定压力 偏差
+
-
控制器 PC
执行器 阀 变送器 PT
被控对象 燃料管路
管路压力
系统目的:燃料管路压力克服f2，稳定在设定值
串级控制系统概述
如何实现能够克服燃料油压力扰动f2(t) 的加热炉 出口温度控制系统？
f2(t)
设定压力
+
◆ 被控对象被分成两个部分，分别是压力对象和温度对象。
两部分对象是串联的关系。（被控对象是串联可分的）
◆ 系统有两个闭环回路，分别是压力控制和温度控制回路， 为双回路控制系统，称为主回路和副回路。
◆ 有两个调节器，主调节器(主回路)和副调节器(副回路) ， 并且串联工作：主调节器的输出作为副调节器的给定值输入。
-
GC2(S)
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)
GO2(S)
GO1(S)
Y1(S)
R(S)
G’o2 (S) GC1(S) GC2(S) Gv(S)
Y2(S)
Y1(S)
Gc2(S)Gv(S) Gm1(S)
Go2(S)
Go1(S)
Gm2(S)
R(S)
G’o2 (S) GC1(S) GC2(S) Gv(S)
本章主要内容
1、串级控制系统 概述 2、串级控制系统工作过程 3、串级控制系统的特点 4、串级控制系统的设计 5、串级控制系统的参数整定与投运
1 串级控制系统概述
一、串级控制系统基本原理及结构
例：加热炉出口温度控制
被控参数：原油出口温度 控制参数：燃料流量 测量变送器：温度传感器TT 执行器： 调节阀（气开式） 控制器： TC（反作用） 烟气出口 炉管壁 炉膛
TC2 TC1 TT1
TT2
燃料
原油
1、二次干扰作用于副环
工作过程：
副环过程：二次扰动f2燃油压力波 动使得流量F↑→TT2↑→TC2↓(反 作用)→V↓(气开阀) →F↓ 副环具有克服环中扰动（二次扰动） 能力。对副环外扰动没有抑制作用。
TC2
sp
TC1 TT1
TT2
f2
燃料
原油
sp 主环过程：副环中扰动由副环 调节，副环调节过程中输出变 化TT2↑ →TT1↑ →TC1↓(反 作用)→TC2 ↓ → V↓(气开阀) → TT2 ↓ → TT1↓ 二次扰动克服是由副环和主环 共同完成的，副环为主，粗调。 主环为辅，细调。
2、一次干扰作用于主环
工作过程：
主环过程：一次干扰f3使得输 出温度TT1↑→TC1↓(反作 用)→TC2给定↓→TT2↓→TT1↓ 副环过程： TC2给定↓→V(气 开阀)↓→ F↓→ TT2↓
TC2
sp
TC1 TT1
TT2
f3
燃料
原油
一次扰动克服工作过程：
一次扰动位于副环外-主环内，一次扰动用主环进行调节。 副环在主环一次扰动调节过程中其给定值根据主环要求变 化。对抑制一次扰动没有作用。 由于有主、副两个控制器相串联，系统总的放大倍数将增 大，系统克服一次干扰的能力增大。
To 2 T = 1 + Kc2 Kv Ko2 K m2
' o2
等效副对象时间常数缩小，意味着对象 的容量滞后减小，系统的反应速度加快，控制 更为及时，系统的控制质量提高。 等效副对象的放大倍数减小，导致控制 通道的放大倍数缩小，克服干扰能力下降，可 通过提高主控制器的放大倍数的办法来弥补。
思考：控制通道和扰动通道对其时间常数有什么要求？
TC2 TC1 TT1
TT2
f2
燃料
f3
原油
小结： 串级控制系统的工作过程
二次扰动经过副环(粗调)，消除了大部分二次扰动 对系统的影响，余下的经过主环(细调)克服。 副环使得系统具有两次克服二次扰动的过程。 一次扰动由主环克服，副环实现跟随作用。 一次、二次扰动同时作用时，相同时相互叠加， 调节作用增强；影响相反时相互抵消，调节作用 减弱
F1
Wf1(S) WO1(S)
-
T1(S)
-
T2(S)
V(S) B2(S) B1(S)
副回路 主回路
Y2(S)
Y1(S)
主回路:温度控制回路 主调节器：TC; 主被控对象:炉膛,炉管壁, 出口物料管 主被控变量：输出温度； 测量变送：TT； 一次扰动：f1(t),f3(t)
副回路:压力控制 副调节器：PC; 副被控对象:燃油管路 副被控变量:燃油管路压力； 测量变送:PT； 二次扰动: f2(t)
Y2(S)
Y1(S)
Gc2(S)Gv(S) Gm1(S)
Go2(S)
Go1(S)
Gm2(S)
副回路等效传递函数为：
Go2(S) -> G’o2(S)
Ko2 Ko2 ' ( S ) = K , G To 2 S + 1 , G ( S ) = 2 G , GK2o( S ) = K m 2 , m Goc22( s ) = c 2 v ( S ) = K v o 2 = 1 2 T 21 Ko2 To+S o+S + K o 2 K c 2 KV K m 2 K c 2 KV K m 2 1+ To 2 S + 1 Ko2 ' 1 + Kc2 Kv Ko2 Km2 Ko2 = = To 2 1 + To' 2 S 1+ S 1 + Kc2 Kv Ko2 K m2 K
3 串级控制系统的特点
1、由于副回路的存在，减小了副对象的时间常 数,改善了对象的特性。
2 2、提高系统的工作频率。
3、串级控制回路具有较强抑制二次扰动能力。
4、串级控制系统具有一定的自适应能力。
(1)由于副回路的存在，减小副对象的时间常数，改善 了对象的特性。
F2 R(S)
Y2(S)
F1
-
GC1(S)
出口温度-炉膛温度 串级控制系统
主回路:输出温度控制 主控制器TC1; 主被控对象:炉管壁,出口 物料管 主被控变量：输出温度； 测量变送：TT1 一次扰动：f3(t)
副回路:炉膛温度控制
副控制器:TC2; 副被控对象:燃油管路,炉膛 副被控变量:炉膛温度； 测量变送:TT2 二次扰动: f1(t), f2(t)
TC2 TC1 TT1
TT2
f2
燃料
原油
二次扰动克服工作过程：
假如在副环中有二次扰动（如：燃油压力f2，原料油流量 波动f1）时，副调节器TC2立即进行调节，使得二次扰动 被副环基本克服。——二次扰动粗调 副环二次扰动调节中引起的副环输出TT2变化，其输出波 动再由主调节器TC1的主环进行调节。 ——二次扰动细调 二次扰动经过副环作用，对主环的影响已经远小于其直 接作用于主环的影响。副环具有抑制二次扰动的作用。
串级控制系统概述
温度-压力串级控制系统框图
改进后的控制系统结构： 调节器1控制输出作为调节器2压力给定值。 一个执行器完成流量调节。 压力控制回路克服f2(t)保证流量稳定且快速跟随调节器1的给定 值(随动控制) 温度控制回路实现温度设定控制(定值控制)。
出口温度和燃料压力串级控制系统结构图：