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1、第8章 复杂规律计算机控制系统的设计现在学习的是第1页，共20页8.1 串级控制串级控制 在串级控制中，有在串级控制中，有主、副回路主、副回路之分。主之分。主回路一般只有一个，而副回路可以是一个或回路一般只有一个，而副回路可以是一个或几个。几个。主回路的输出主回路的输出是修正是修正副回路给定值副回路给定值的依的依据，副回路的输出作为控制量作用于对象据，副回路的输出作为控制量作用于对象现在学习的是第2页，共20页以煤气为燃料的加热炉炉温控制系统。以煤气为燃料的加热炉炉温控制系统。控制的目的是保持炉温恒定控制的目的是保持炉温恒定。8.1.1 8.1.1 串级控制系统的组成和工作原理串级控制系统的组
2、成和工作原理如果采用单回路控制，如果采用单回路控制，煤气压力煤气压力的变化会引起其的变化会引起其流量流量的的变化，随之会引起变化，随之会引起炉温炉温的变化。的变化。现在学习的是第3页，共20页压力波动经过测量、调节、改变阀位，控制通道的纯滞后很小，惯性不压力波动经过测量、调节、改变阀位，控制通道的纯滞后很小，惯性不大，因此控制作用能够及时有效的控制压力大，因此控制作用能够及时有效的控制压力y y2 2(t)(t)的波动。的波动。但是压力控制不能保证出口原料气温恒定，燃料油热值的变化，原料气但是压力控制不能保证出口原料气温恒定，燃料油热值的变化，原料气入口流量、温度、成分都影响入口流量、温度、成
3、分都影响y y1 1（t t）现在学习的是第4页，共20页压力调节器压力调节器用来克服燃料油压力用来克服燃料油压力y y2 2(t)(t)对出口原料气温度的波动。对出口原料气温度的波动。温度调节器温度调节器用来克服燃料油热值的变化，原料气入口流量、温度、用来克服燃料油热值的变化，原料气入口流量、温度、成分对成分对y y1 1（t t）的）的影响影响采用采用主、副回路主、副回路相配合，将获得较好的控制品质。相配合，将获得较好的控制品质。现在学习的是第5页，共20页温度调节器的输出作为压力调节器的输入，压力温度调节器的输出作为压力调节器的输入，压力调节器的输出控制调节阀门的动作。调节器的输出控制调
4、节阀门的动作。现在学习的是第6页，共20页8.1.2 串级控制的特点串级控制的特点1.减小副控对象的等效时间常数减小副控对象的等效时间常数 串级控制系统中副控回路对象的等效时间常数串级控制系统中副控回路对象的等效时间常数T T2 2副控对象的时间常数副控对象的时间常数T T2 2，使得使得系统的系统的动作灵敏动作灵敏，反应速度加快反应速度加快，调节更及时调节更及时，有利于提高控制性能。，有利于提高控制性能。T T2 2 随着随着K Kp2p2的增大减小，所以的增大减小，所以K Kp2p2越大，副控对象特性的改善愈明显。越大，副控对象特性的改善愈明显。由于副控对象的等效放大倍数由于副控对象的等效
5、放大倍数K K2 2缩小了所以串级控制系统的主控调节器的放大缩小了所以串级控制系统的主控调节器的放大倍数倍数K Kp1 p1 比单回路调节比单回路调节更大更大，这样可，这样可有利于抑制一次扰动有利于抑制一次扰动。现在学习的是第7页，共20页2 2。提高系统的工作频率。提高系统的工作频率串级控制的工作频率串级控制的工作频率高于高于单回路控制的控制的工作频率，单回路控制的控制的工作频率，改善系统的动态特性改善系统的动态特性现在学习的是第8页，共20页3 3。提高了抑制二次扰动的能力。提高了抑制二次扰动的能力通常通常AsrAsg，串级控制系统较单回路控制系统有更强的抑制，串级控制系统较单回路控制系统
6、有更强的抑制扰动的能力，高出十倍甚至百倍扰动的能力，高出十倍甚至百倍 现在学习的是第9页，共20页4 对负荷变化的适应能力提高对负荷变化的适应能力提高 串级控制由于副控回路串级控制由于副控回路减小减小了等效副控对象的放大系数。从而了等效副控对象的放大系数。从而也也减小了负荷变化的影响减小了负荷变化的影响。主控回路时定值控制系统，副控回路是主控回路时定值控制系统，副控回路是随动系统随动系统，保证在负荷，保证在负荷和操作条件发生变化的情况下，调节系统仍然有好品质。和操作条件发生变化的情况下，调节系统仍然有好品质。现在学习的是第10页，共20页8.1.3 串级控制系统的应用范围串级控制系统的应用范围
7、1。用来抑制控制系统的扰动用来抑制控制系统的扰动副控回路动作迅速，抑制扰动能力强副控回路动作迅速，抑制扰动能力强把主要的扰动包含在副控回路中把主要的扰动包含在副控回路中2。用来克服对象的纯滞后。用来克服对象的纯滞后副控回路减小了等效时间常数，提高了工作效率，所以控制系统的过渡过程比较短，副控回路减小了等效时间常数，提高了工作效率，所以控制系统的过渡过程比较短，超调量比较小超调量比较小3。用来减小对象的非线性影响。用来减小对象的非线性影响把非线性对象包含在副控回路中，由于副控回路是随动系统，能够适应操作条把非线性对象包含在副控回路中，由于副控回路是随动系统，能够适应操作条件和负荷条件的变化件和负
8、荷条件的变化现在学习的是第11页，共20页8.1.4 计算机串级控制系统计算机串级控制系统1。主控和副控回路采样周期相同（同步采样）。主控和副控回路采样周期相同（同步采样）(1)计算主控回路的偏差计算主控回路的偏差（2）计算主控调节器的增量输出）计算主控调节器的增量输出（3）计算主控调节器的位置输出）计算主控调节器的位置输出（4）计算副控回路的偏差）计算副控回路的偏差（5）计算副控调节器的增量输出）计算副控调节器的增量输出（6）计算副控调节器的位置输出）计算副控调节器的位置输出现在学习的是第12页，共20页现在学习的是第13页，共20页2。主控和副控回路采样周期不同（异步采样）。主控和副控回路
9、采样周期不同（异步采样）当主控对象和副控对象的特性相差悬殊，按快的流量对象选当主控对象和副控对象的特性相差悬殊，按快的流量对象选采样周期计算机采样频繁，工作量大，降低其使用效率采样周期计算机采样频繁，工作量大，降低其使用效率按慢的选，降低快速对象回路的控制性能，消弱抑制扰动的按慢的选，降低快速对象回路的控制性能，消弱抑制扰动的能力。所以能力。所以根据对象特性选择相应的采样周期根据对象特性选择相应的采样周期异步采样异步采样现在学习的是第14页，共20页8.1.5 串级控制系统的设计原则1。系统中主要的扰动应该包含在副控回路中。系统中主要的扰动应该包含在副控回路中2。副控回路应该尽量包含积分环节。
10、副控回路应该尽量包含积分环节3。必须用一个可以测量的中间变量作为副控被调参。必须用一个可以测量的中间变量作为副控被调参数，或者通过观测分析，由下游状态推断上游状态的数，或者通过观测分析，由下游状态推断上游状态的中间变量中间变量4。主控、副控回路的采样周期。主控、副控回路的采样周期T T。应选择应选择T 3T 或或3T T，即即T 与与T 之间相差之间相差3倍以上，倍以上，以避免主控回路和副控回路之间发生相互的干扰和共振。以避免主控回路和副控回路之间发生相互的干扰和共振。现在学习的是第15页，共20页8.1.6 串级主控和副控调节器的选择串级主控和副控调节器的选择主回路主回路PID，副回路，副回
11、路PI例例8.1 8.2当对象为一阶惯性时，系统达到稳态的时间可选为一个采样周期，当对当对象为一阶惯性时，系统达到稳态的时间可选为一个采样周期，当对象为二阶惯性使，选两个周期象为二阶惯性使，选两个周期现在学习的是第16页，共20页8.1.7 副控回路微分先行串级控制系统副控回路微分先行串级控制系统为了防止主控调节器输出变化过大引起副控回路的不稳定，为了防止主控调节器输出变化过大引起副控回路的不稳定，也为了克服副控对象惯性较大而引起的调节品质恶化，在副也为了克服副控对象惯性较大而引起的调节品质恶化，在副控反馈回路加入微分环节，控反馈回路加入微分环节，副控回路微分先行副控回路微分先行现在学习的是第
12、17页，共20页副控回路微分先行串级控制系统的算法步骤副控回路微分先行串级控制系统的算法步骤 (1)计算主控回路的偏差计算主控回路的偏差（2）计算主控调节器的增量输出）计算主控调节器的增量输出（3）计算主控调节器的位置输出）计算主控调节器的位置输出 微分先行调节器输出微分先行调节器输出（4）计算副控回路的偏差）计算副控回路的偏差（5）计算副控调节器的增量输出）计算副控调节器的增量输出（6）计算副控调节器的位置输出）计算副控调节器的位置输出现在学习的是第18页，共20页现在学习的是第19页，共20页8.1.8 多回路串级控制系统多回路串级控制系统从外向里，遇到分叉点，按权级先后从外向里，遇到分叉点，按权级先后现在学习的是第20页，共20页