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1、第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 6.1 6.1 基本原理和结构基本原理和结构 6.2 6.2 串级控制系统分析串级控制系统分析 6.3 6.3 串级控制系统设计串级控制系统设计 6.4 6.4 串级系统投运及参数整定串级系统投运及参数整定 6.5 6.5 串级控制系统举例串级控制系统举例 本章的主要内容本章的主要内容:1第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 6.1.1 6.1.1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 P69P696.1.2 6.1.2 方框图及常用名词方框图及常用名词 P69P696.1.3 6.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 6.1 6.1
2、基本原理和结构基本原理和结构本节的主要内容本节的主要内容:2第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 实例实例1：连续搅拌反应釜温度控制连续搅拌反应釜温度控制 P69 图图6.1-1 原理原理：搅拌物料：搅拌物料 放热反应放热反应 产生热量产生热量 冷却剂移走热量冷却剂移走热量 控制目标控制目标：反应混合物温度：反应混合物温度 控制手段控制手段（操纵变量）：冷却剂流量（操纵变量）：冷却剂流量Qc6.1.1 6.1.1 串级控制系统的概念（实例串级控制系统的概念（实例1 1）3第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 6.1.1 6.1.1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 4第六章第六章 串级
3、控制系统串级控制系统 实例实例1：连续搅拌反应釜温度控制连续搅拌反应釜温度控制 6.1.1 6.1.1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 5第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 控制方案控制方案：方案方案1：由于来自物料温度：由于来自物料温度f和流量和流量Qf的变的变 化很快由化很快由反映出来，一般反映出来，一般单回路控制单回路控制足足 已克服该扰动。已克服该扰动。即：即：采用采用和和Qc单回路控制单回路控制方案即可。方案即可。原理图：原理图：P69 图图6.1-1（a）6.1.1 6.1.1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 6第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 Pfc和和fc
4、的变化的变化首先反映为夹套内冷首先反映为夹套内冷却剂温度却剂温度c的变化的变化，而后才反映，而后才反映为为的变的变化化，因而，因而由由和和Qc组成的单回路控制对克组成的单回路控制对克服来自冷却剂方面的扰动不是很及时。服来自冷却剂方面的扰动不是很及时。假若改用假若改用c和和Qc组成单回路，则能较组成单回路，则能较快克服这些扰动。快克服这些扰动。6.1.1 6.1.1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 7第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 方案方案2：采用：采用c和和Qc单回路控制单回路控制 优点优点：可以克服冷却剂方面的扰动：可以克服冷却剂方面的扰动 缺点缺点：不能克服进料方面扰动对不能
5、克服进料方面扰动对的的 影响影响方案方案3：综合方案：综合方案 T1C-T2C串级控制串级控制6.1.1 6.1.1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 8第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 方案方案3：T1C-T2C串级控制串级控制 原理图：原理图：P69 图图6.1-1（b）c-Qc回路回路(T2C)：主要用以快速克服冷主要用以快速克服冷 却剂方面的扰动；却剂方面的扰动；-Qc回路回路(T1C):用以克服其它扰动对温用以克服其它扰动对温 度的影响度的影响6.1.1 6.1.1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 9第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 实例实例2：硝酸生产中氧化炉
6、内温度控制：硝酸生产中氧化炉内温度控制 要求要求：T控制在控制在8405范围之内范围之内6.1.1 6.1.1 串级控制系统的概念（实例串级控制系统的概念（实例2 2）10第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 措施之一措施之一：简单温度控制简单温度控制系统系统 特点特点：对所有：对所有T的干扰都包含在控制回路中。的干扰都包含在控制回路中。结果结果：响应不灵敏，动作迟缓，：响应不灵敏，动作迟缓，最大偏差最大偏差10 原因原因：控制通道滞后大，对氨气总管压力波：控制通道滞后大，对氨气总管压力波 动引起氨气流量的频繁变化，不能及动引起氨气流量的频繁变化，不能及 时克服时克服。6.1.1 6.1.1
7、 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 11第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 措施之二措施之二：采用：采用氨气流量单回路控制氨气流量单回路控制系统。系统。原因原因：氨气流量的变化对反应温度的影响很大：氨气流量的变化对反应温度的影响很大 特点特点：能迅速克服氨气总管压力波动引起的氨：能迅速克服氨气总管压力波动引起的氨 气流量干扰气流量干扰 结果结果：最大偏差：最大偏差8，流量控制不能克服其，流量控制不能克服其 它干扰因素对温度的影响它干扰因素对温度的影响措施之三措施之三：用温度控制器来自动校正流量控制器：用温度控制器来自动校正流量控制器 设定值，属设定值，属串级控制串级控制。6.1.1 6
8、.1.1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 12第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 P69 一个控制器的一个控制器的输出输出用来改变另一个控制用来改变另一个控制器的器的设定设定值，这样连接起来的两个控制器称值，这样连接起来的两个控制器称作是作是“串级串级”控制；控制；两个控制器都有各自的两个控制器都有各自的测量输入测量输入；只有主控制器具有自己独立的只有主控制器具有自己独立的设定值设定值，副控制器的输出信号送给被控制过程的执行副控制器的输出信号送给被控制过程的执行器。这样组成的系统称为器。这样组成的系统称为串级控制系统串级控制系统。6.1.1 6.
9、1.1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 13第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 串级系统和简单系统的串级系统和简单系统的显著区别显著区别：串级系统在结构上形成串级系统在结构上形成两个闭环两个闭环通用的串级控制方块图：通用的串级控制方块图：P70图图6.1-2副回路副回路（或副环）：包含在虚线框内的部分，（或副环）：包含在虚线框内的部分，在控制系统中起在控制系统中起“粗调粗调”作作用用主回路主回路（或主环）：在控制系统中起（或主环）：在控制系统中起“细调细调”作作用用6.1.2 6.1.2 方块图及常用名词方块图及常用名词14第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 6.1.2 6.1.
10、2 方块图及常用名词方块图及常用名词15第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 串级控制系统的串级控制系统的名词术语名词术语：P69 主变量（主变量（y1），保持其平稳是控制的保持其平稳是控制的 主要目标。主要目标。副变量（副变量（y2），它是被控过程中引出它是被控过程中引出 的中间变量。的中间变量。6.1.2 6.1.2 方块图及常用名词方块图及常用名词16第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 副对象副对象 在图中以在图中以 表示，它反映了副变量与操表示，它反映了副变量与操纵变量之间的通道特性。纵变量之间的通道特性。主对象主对象 在图中以在图中以 表示，它是主变量和副变量之表示，它是主变量
11、和副变量之间的通道特性。间的通道特性。主控制器主控制器 即图中即图中 ，它接受的是主变量的偏差，它接受的是主变量的偏差，其输出用来改变副控制器的设定值。其输出用来改变副控制器的设定值。6.1.2 6.1.2 方块图及常用名词方块图及常用名词17第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 副控制器副控制器 即图中即图中 ，它接受的是副变量的偏差，它接受的是副变量的偏差，其输出去操纵阀门。其输出去操纵阀门。副回路副回路 处于串级控制系统内部的，由副变量测量处于串级控制系统内部的，由副变量测量变送器、副控制器、控制阀、副对象组成变送器、副控制器、控制阀、副对象组成的回路。的回路。6.1.2 6.1.2
12、方块图及常用名词方块图及常用名词18第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 主回路主回路 若将若将副回路副回路看成一个以主控制器输出看成一个以主控制器输出r2为输为输入、以副变量入、以副变量y2为输出的为输出的等效环节等效环节（如图中（如图中虚线所示），则虚线所示），则串级串级系统系统转化转化为一个为一个单回路单回路，称这个单回路为主回路。称这个单回路为主回路。注意注意：主回路并：主回路并不是不是指将副变量测量变送环节指将副变量测量变送环节前（或后）前（或后）断开断开后而形成的单回路。后而形成的单回路。6.1.2 6.1.2 方块图及常用名词方块图及常用名词19第六章第六章 串级控制系统串级控
13、制系统 目的：目的：分析串级控制系统的工作过程，得出分析串级控制系统的工作过程，得出 串级控制系统克服干扰的一般过程。串级控制系统克服干扰的一般过程。步骤步骤：先分析稳态时工作状况，再分别加入：先分析稳态时工作状况，再分别加入 干扰进行分析。干扰进行分析。有关概念复习有关概念复习：a.控制阀的控制阀的气开气开/气关形式气关形式：6.1.3 6.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 20第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 b.对偏差定义的区别对偏差定义的区别：控制系统：控制系统：e=r-ym 仪表行业：仪表行业：e=ym-rc.控制器控制器的正的正/反作用方式反作用方式（前提
14、：设定值（前提：设定值不变）不变）正作用方式正作用方式：测量信号测量信号 输出输出 反作用方式：反作用方式：测量信号测量信号 输出输出 6.1.3 6.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 21第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 工作过程分析：工作过程分析：实例：氧化炉反应实例：氧化炉反应温度流量串级控制温度流量串级控制系统系统 已知条件：控制阀：气开式已知条件：控制阀：气开式 稳定状态：物料、能量达到平衡并维持不变；稳定状态：物料、能量达到平衡并维持不变；TC、FC输出相对稳定，控制阀处输出相对稳定，控制阀处 于某一开度位置不变于某一开度位置不变。6.1.3 6.1.3
15、串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 22第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 下面下面分析分析系统引入干扰后的工作过程：系统引入干扰后的工作过程：a.出现二次干扰出现二次干扰F2：导致氧气流量增加导致氧气流量增加Q。由框图可见由框图可见，F2至副变量至副变量Y2距离短，距离短，距主变量距主变量Y1距离长。流量距离长。流量Q的变化首先被的变化首先被 副变送器检测到，由副变送器检测到，由FC进行控制进行控制。初始阶段，初始阶段，Q的变化不会一下子影响的变化不会一下子影响 到炉温到炉温T，故，故TC的输出暂时不变，的输出暂时不变，即即FC的的 输入暂时不变。输入暂时不变。6.1.3 6.
16、1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 23第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 对于对于小干扰小干扰：由：由FC进行控制，不会引起炉温进行控制，不会引起炉温T的变化的变化对于对于大干扰大干扰：经：经FC控制后，大大控制后，大大消弱对消弱对T的影响的影响。随时。随时 间间t的的增加增加，Q的变化的变化对对T的影响会慢慢显的影响会慢慢显 示出来，炉温示出来，炉温T发生变化，发生变化，再由再由TC进行控进行控 制，直至制，直至T恢复稳定（回到原设定值），此恢复稳定（回到原设定值），此 时控制阀将处于一个新的开度上。时控制阀将处于一个新的开度上。6.1.3 6.1.3 串级控制系统的
17、工作过程串级控制系统的工作过程 24第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 b.出现出现一次干扰一次干扰F1：导致导致T升高升高（推理方法推理方法1）lF1 T ym1 uC1 l TC设定值设定值r1不变不变 l FC设定值设定值r2 l e2 =r2 ym2 (ym2 暂时不变暂时不变)l u2 （FC:反作用方式反作用方式 “+”极性）极性）6.1.3 6.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 25第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 b.出现出现一次干扰一次干扰F1：导致导致T升高升高（推理方法推理方法2）在此过程中，氨气流在此过程中，氨气流量量Q是不断变化的，是不断
18、变化的，但这是为适应温度控制的需要，并不是干扰但这是为适应温度控制的需要，并不是干扰直接作用的结果。直接作用的结果。6.1.3 6.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 26第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 c.F1和和 F2同同 时出现时出现：分两种情况：分两种情况 第一种情况：扰动使主、副变量同时变化。第一种情况：扰动使主、副变量同时变化。6.1.3 6.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 27第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 第二种情况：扰动使主、副变量反方向变化。第二种情况：扰动使主、副变量反方向变化。6.1.3 6.1.3 串级控制系统的
19、工作过程串级控制系统的工作过程 28第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 3 结论：结论：副控制器：起副控制器：起“粗调粗调”作用作用 主控制器：起主控制器：起“细调细调”作用作用 两者相互配合，两者相互配合，控制质量高控制质量高于单回路控制系统。于单回路控制系统。由分析可见串级控制的优点：由分析可见串级控制的优点：副回路具有快速调节作用副回路具有快速调节作用。6.1.3 6.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 29第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 串级控制的优点串级控制的优点：副回路具有快速调节作用副回路具有快速调节作用。对于发生于。对于发生于副回路的干扰，在影响主
20、变量之前即可由副副回路的干扰，在影响主变量之前即可由副控制器予以校正；控制器予以校正；串级串级系统设计系统设计时，可将时，可将主要的扰动主要的扰动包括包括在在副回路副回路中，发挥副回路中，发挥副回路快速调节快速调节的作用的作用6.1.3 6.1.3 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 30第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 串级控制串级控制系统从总体上看，仍然是一系统从总体上看，仍然是一个个定值控制定值控制系统。因此，主变量在扰动作用系统。因此，主变量在扰动作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是，串级控制过程具
21、有相同的品质指标。但是，串级控制系统和单回路系统比较，在系统和单回路系统比较，在结构结构上，从对象上，从对象中引出中间变量（即中引出中间变量（即副变量副变量）构成一个回路，）构成一个回路，因此具有一系列特点。因此具有一系列特点。6.2 6.2 串级控制系统分析串级控制系统分析 31第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益 P70P706.2.2 6.2.2 系统的鲁棒性系统的鲁棒性 P72P726.2.3 6.2.3 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 P73 P73 6.2.4 6.2.4 串级控制系统的应用场合串级控制系统的应用
22、场合6.2 6.2 串级控制系统分析串级控制系统分析 本节的主要内容本节的主要内容:32第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 例：已知例：已知 P70P70 和和 都是都是纯比例纯比例的。的。串级控制系统串级控制系统方块图方块图：P70 图图6.2-1 比较比较：单回路和串级控制系统的：单回路和串级控制系统的临界频率临界频率 和临界增益和临界增益6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益33第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益34第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 解：解：1）求）求副回路副回路的的 、：P
23、70 副回路的副回路的开环传函开环传函：（6.2-1）临界频率临界频率 可由下式得到：可由下式得到：（6.2-2）求得：求得：1.16.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益35第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 求求 ：的模为：的模为：（6.2-3）令令 ，则所解得大，则所解得大 的值的值即为控制器增益的即为控制器增益的临界值临界值 。即：即：，可得：可得：参数整定值取临界值的参数整定值取临界值的0.5倍，倍，即即6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益36第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 2）求）求主回路主回路的的 、：P71 主环主环传递函
24、数传递函数：（6.2-4）采用同上方法分析可得：采用同上方法分析可得：所以所以：6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益37第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 3）求取）求取单回路单回路（纯比例）控制时的（纯比例）控制时的 ：传函：传函：计算得：计算得：6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益38第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 4）几点）几点分析分析：A副回路副回路 单回路单回路 B主回路主回路 单回路单回路 C主回路开环临界静态增益主回路开环临界静态增益 单回路开环临界静态增益单回路开环临界静态增益 Kmax1 Kmax6.2.1 6.2.
25、1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益39第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 结论结论：P71 1）串级控制系统串级控制系统副回路副回路与与单回路单回路比较比较 临界频率临界频率:副回路副回路 单回路单回路 动态滞后动态滞后:副对象副对象 单回路单回路 加快了对干扰加快了对干扰F1、F2的响应，的响应，提高了控制品质。提高了控制品质。6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益41第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 结论：结论：3）串级控制系统）串级控制系统主回路主回路与与单回路单回路比较比较 开环临界增益开环临界增益:主回路主回路 单回路单回路 在相同稳定性下，串级
26、具有较强的控制作在相同稳定性下，串级具有较强的控制作用，从而改善了用，从而改善了控制品质控制品质。6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益42第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 串级串级主回路主回路与与单回路单回路开环开环Kmax差异差异的的原因原因：临界频率改善；临界频率改善；副变量闭合后广义对象特性改变。副变量闭合后广义对象特性改变。6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益临界频率和临界增益43第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 仿真仿真结果比较：结果比较：仿真对象仿真对象：P70 图图6.2-16.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益（仿真）临界频率和临界
27、增益（仿真）44第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 仿真仿真结果比较：结果比较：P72 表表6.2-1 扰动类型：扰动类型：单位阶跃扰动单位阶跃扰动 F1，F2 响应指标：响应指标：y1max（y1）最大偏差最大偏差 tp 过渡时间过渡时间6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益（仿真）临界频率和临界增益（仿真）一次扰动一次扰动F1二次扰动二次扰动F2 y1maxtpy1maxtp串串 级级0.08600.00830单回路单回路0.211300.1412045第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 仿真仿真结果比较：结果比较：主主控制器：控制器：PID 副副控制器：控制器：P 控制器控制
28、器参数整定参数整定方法：方法：临界比例度法临界比例度法 控制控制算式算式 单回路：单回路：串级：串级：6.2.1 6.2.1 临界频率和临界增益（仿真）临界频率和临界增益（仿真）46第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 1）鲁棒性鲁棒性：Robust,又程又程强壮强壮性性 P72 系统系统控制品质控制品质对对特性变化特性变化的的敏感程度敏感程度。越不敏感，鲁棒性越好。越不敏感，鲁棒性越好。串级系统串级系统：由于存在副回路，对副对象：由于存在副回路，对副对象 （包括控制阀）的特性变化不（包括控制阀）的特性变化不 敏感，具有一定的敏感，具有一定的鲁棒性鲁棒性。6.2.2 6.2.2 系统的鲁棒性
29、（概念）系统的鲁棒性（概念）47第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 1）鲁棒性鲁棒性：P72 分析分析对象对象：P72 图图6.2-2 输入：输入：x 输出：输出：y 等效传函：等效传函：6.2.2 6.2.2 系统的鲁棒系统的鲁棒性性 H(S)G(S)XY_48第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 1）鲁棒性鲁棒性：P72 分析分析对象对象：P72 图图6.2-2 设设G(S)=K,H(S)=,且且K 1，则则 可见，当负反馈控制系统的环路可见，当负反馈控制系统的环路增益增益足够足够大大时，其等效特性主要取决于时，其等效特性主要取决于反馈通道反馈通道的特的特性。而与前向通道特性无关。性
30、。而与前向通道特性无关。6.2.2 6.2.2 系统的鲁棒性系统的鲁棒性49第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 1）鲁棒性鲁棒性：P72 分析分析对象对象：P72 图图6.2-2 若将若将图图6.2-2的的等效环节等效环节，看成是串级，看成是串级副副 回路回路，则得出推断：只要副回路具有较高的，则得出推断：只要副回路具有较高的增益，其前向通道（主要指增益，其前向通道（主要指控制阀控制阀和和副对象副对象）特性特性的的变化变化对副回路等效特性的对副回路等效特性的影响影响不大。不大。串级系统对控制阀和副对象特性的变化串级系统对控制阀和副对象特性的变化 具有具有鲁棒性鲁棒性。6.2.2 6.2.2
31、 系统的鲁棒系统的鲁棒性性50第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 2）几个）几个结论结论 P72 a.当副回路具有较高增益时，当副回路具有较高增益时，副回路副回路的前向的前向通道（主要指控制阀和副对象）通道（主要指控制阀和副对象）特性特性的的变化变化对副回路对副回路等效环节等效环节特性影响不大；特性影响不大；b.主回路主回路对副对象及控制阀的特性变化对副对象及控制阀的特性变化具有具有鲁棒性鲁棒性，副回路副回路本身并本身并没有没有这种特性。副对这种特性。副对象或控制阀特性的变化依然会较敏感地影响象或控制阀特性的变化依然会较敏感地影响副回路的稳定性；副回路的稳定性；6.2.2 6.2.2 系统
32、的鲁棒性（结论）系统的鲁棒性（结论）51第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 2）几个结论）几个结论c.主回路对副回路主回路对副回路反馈通道特性反馈通道特性的变化没有鲁的变化没有鲁棒性。棒性。P72 例如：副回路为流量回路例如：副回路为流量回路 孔板作一次元件（没有用开方器）孔板作一次元件（没有用开方器）则：则：6.2.2 6.2.2 系统的鲁棒性（结论）系统的鲁棒性（结论）52第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 例例如：副回路为流量回路如：副回路为流量回路 孔板作一次元件（没有用开方器）孔板作一次元件（没有用开方器）则：则：F-流量流量 h-差压变送信号差压变送信号 比例系数比例系数
33、测量变送环节静态测量变送环节静态增益增益Km2为：为：6.2.2 6.2.2 系统的鲁棒性（实例）系统的鲁棒性（实例）53第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 例：流量测量（不带开方器）例：流量测量（不带开方器）将将 Km2代入代入式式 Gx,y表达式中的表达式中的 ：6.2.2 6.2.2 系统的鲁棒性（实例）系统的鲁棒性（实例）54第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 例：流量测量（不带开方器）例：流量测量（不带开方器）流量流量F 主回路环路增益主回路环路增益K 稳定性稳定性 流量流量F 主回路环路增益主回路环路增益K 稳定性稳定性 主回路主回路对副回路对副回路反馈通道特性反馈通道特性
34、的变化的变化 没有鲁棒性没有鲁棒性。6.2.2 6.2.2 系统的鲁棒性（实例）系统的鲁棒性（实例）55第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 1）对进入副回路的）对进入副回路的扰动扰动具有较快、较强的克服具有较快、较强的克服能力；能力；P73 2）改善了改善了对象对象的动态特性，提高了系统的工作的动态特性，提高了系统的工作频率；频率；3）对）对负荷负荷或操作条件的变化有一定的自适应能或操作条件的变化有一定的自适应能力；力；4）副回路副回路可以按照主回路的需要对可以按照主回路的需要对质量质量流和流和能能量流量流实施精确的实施精确的控制控制。6.2.3 6.2.3 串级控制系统的优点串级控制系统
35、的优点56第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 串级系统：控制系统质量优于简单控制系统串级系统：控制系统质量优于简单控制系统 相矛盾的一面：与简单系统相比，相矛盾的一面：与简单系统相比，所用仪表较多，费用高；所用仪表较多，费用高；有两个回路，控制器参数整定麻烦。有两个回路，控制器参数整定麻烦。1.选择控制方案的原则选择控制方案的原则 用简用简单回路单回路控制系统能满足控制要求控制系统能满足控制要求 的，就不要用复杂控制系统的，就不要用复杂控制系统6.2.4 6.2.4 串级控制系统的应用场合串级控制系统的应用场合57第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 2.串级控制的串级控制的应用场合应用
36、场合1）用于克服变化剧烈的和幅值大的）用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰干扰 串级系统对进入串级系统对进入副回路副回路的干扰具有较快、的干扰具有较快、较强的克服能力。较强的克服能力。利用此特点，设计时将变化剧烈和幅值利用此特点，设计时将变化剧烈和幅值大的干扰包含在副回路中，并把副控制器增大的干扰包含在副回路中，并把副控制器增益益Kc2设定得比较设定得比较大大，从而把干扰对被控量的，从而把干扰对被控量的影响减小到最低程度。影响减小到最低程度。6.2.4 6.2.4 串级控制系统的应用场合串级控制系统的应用场合58第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 2）用于）用于时滞较大的对象时滞较大的对象 在
37、在较大时，简单控制系统不能满足工较大时，简单控制系统不能满足工艺要求可采用串级控制。在艺要求可采用串级控制。在离控制阀较近离控制阀较近、时滞时滞较小的地方，选择一个辅助参数作为较小的地方，选择一个辅助参数作为副参数副参数，构成一个副回路。由副回路实现对，构成一个副回路。由副回路实现对主要扰动的控制，从而克服时滞的影响。副主要扰动的控制，从而克服时滞的影响。副回路时滞小、控制及时，可以大大减小扰动回路时滞小、控制及时，可以大大减小扰动对主参数的影响对主参数的影响。6.2.4 6.2.4 串级控制系统的应用场合串级控制系统的应用场合59第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 3）用于）用于容量滞后
38、较大的对象容量滞后较大的对象 工业生产中，有许多以工业生产中，有许多以温度温度或或质量质量参数参数作为被控变量的控制对象，其容量滞后往往作为被控变量的控制对象，其容量滞后往往比较大。当对象的容量滞后较大时，采用简比较大。当对象的容量滞后较大时，采用简单控制系统不能满足要求。单控制系统不能满足要求。原因：对控制作用反应迟钝使得超调量原因：对控制作用反应迟钝使得超调量大、稳定时间长。当大、稳定时间长。当对象容量滞后大、干扰对象容量滞后大、干扰复杂复杂的场合，普遍采用的场合，普遍采用串级控制串级控制系统。系统。6.2.4 6.2.4 串级控制系统的应用场合串级控制系统的应用场合60第六章第六章 串级
39、控制系统串级控制系统 3）用于）用于容量滞后较大容量滞后较大的对象的对象 在串级控制系统中，可选择一个滞后较在串级控制系统中，可选择一个滞后较小的辅助参数组成小的辅助参数组成副回路副回路，使等效副对象的，使等效副对象的时间常数减小，以提高系统的工作频率，时间常数减小，以提高系统的工作频率，加加快响应速度快响应速度。6.2.4 6.2.4 串级控制系统的应用场合串级控制系统的应用场合61第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 4）用于）用于克服对象的非线性克服对象的非线性 一般工业对象的静特性都有一定的非线一般工业对象的静特性都有一定的非线性。当负荷比较稳定时，可采用简单控制系性。当负荷比较稳定
40、时，可采用简单控制系统；当负荷变化较大且频繁时，要采用串级统；当负荷变化较大且频繁时，要采用串级控制，将具有较大控制，将具有较大非线性非线性的部分对象包括在的部分对象包括在副回路副回路中。中。6.2.4 6.2.4 串级控制系统的应用场合串级控制系统的应用场合62第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 6.3.1 6.3.1 副变量的选择副变量的选择 P73 P73 6.3.2 6.3.2 主、副控制器的选型主、副控制器的选型 P74 P74 6.3.3 6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择主、副控制器正反作用方式选择 P74P746.3.4 6.3.4 防积分饱和防积分饱和 P74P74
41、6.3 6.3 串级控制系统设计串级控制系统设计本节的主要内容本节的主要内容:63第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 原则原则：充分：充分发挥发挥串级系统的串级系统的优点优点，即：，即：P73 a）将将主要扰动主要扰动包括在副回路中；包括在副回路中；b）将将更多的扰动更多的扰动包括在副回路中；包括在副回路中；c）副对象的副对象的滞后滞后不能太大，以保持不能太大，以保持 副回路的副回路的快速快速响应性能。响应性能。6.3.1 6.3.1 副变量的选择副变量的选择64第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 原则：充分发挥串级系统的优点，即：原则：充分发挥串级系统的优点，即：d）将对象中具有将对
42、象中具有显著非线性显著非线性或或时变特性时变特性的的 一部分归于副对象中；一部分归于副对象中；e）需要流量实现精确跟踪时，选需要流量实现精确跟踪时，选流量流量为副为副 变量。变量。注意：以上几条是从局部角度考虑的，具体注意：以上几条是从局部角度考虑的，具体选择时需要选择时需要兼顾兼顾各种因素进行权衡各种因素进行权衡6.3.1 6.3.1 副变量的选择副变量的选择65第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 例例：精馏塔提馏段：精馏塔提馏段温度控制温度控制 P73图图6.3-1 主变量主变量：提馏段某块板的提馏段某块板的温度温度（TC）中间变量中间变量：加热蒸汽流量加热蒸汽流量（FC 1）加热蒸汽
43、压力（加热蒸汽压力（PC 2）工艺介质流量工艺介质流量（FC 3）6.3.1 6.3.1 副变量的选择（实例）副变量的选择（实例）66第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 6.3.1 6.3.1 副变量的选择（实例副变量的选择（实例）67第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 例例：精馏塔提馏段：精馏塔提馏段温度控制温度控制 P73图图6.3-1 方案方案1：选择加热蒸汽流量为副变量（：选择加热蒸汽流量为副变量（FC 1）优点优点：可以快速消除因蒸汽：可以快速消除因蒸汽气源压力气源压力或或冷冷 凝压力凝压力变化引起的扰动变化引起的扰动；缺点缺点：串级系统的频率提高不多，对克服：串级系统的频率
44、提高不多，对克服 其它扰动效果不佳，串级控制的优其它扰动效果不佳，串级控制的优 点不明显。点不明显。6.3.1 6.3.1 副变量的选择（实例）副变量的选择（实例）68第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 例例：精馏塔提馏段：精馏塔提馏段温度控制温度控制 P73图图6.3-1 方案方案2：选择加热蒸汽压力为副变量：选择加热蒸汽压力为副变量（PC 2）优点优点：可以明显：可以明显提高提高整个系统的整个系统的工作频率工作频率；缺点缺点：不能保证：不能保证工艺介质工艺介质气相气相流量流量的恒定的恒定 （更为重要）（更为重要）6.3.1 6.3.1 副变量的选择（实例副变量的选择（实例）69第六章第
45、六章 串级控制系统串级控制系统 例例：精馏塔提馏段：精馏塔提馏段温度控制温度控制 P73图图6.3-1 方案方案3：选择：选择工艺介质流量工艺介质流量为副变量（为副变量（FC 3）优点优点：扩大了副对象，对多种扰动都能得：扩大了副对象，对多种扰动都能得 到较快的校正；到较快的校正；缺点缺点：不能快速消除加热蒸汽：不能快速消除加热蒸汽气源压力气源压力变化变化 引起的扰动引起的扰动。从从控制质量控制质量角度考虑的选择方案角度考虑的选择方案：方案：方案36.3.1 6.3.1 副变量的选择（实例）副变量的选择（实例）70第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 以上讨论副变量的选择是从控制质量角以上讨
46、论副变量的选择是从控制质量角度考虑的，在实际应用时，还要考虑度考虑的，在实际应用时，还要考虑工艺工艺上上的的合理性合理性和和经济性经济性。例例：冷却器出口温度串级控制冷却器出口温度串级控制系统系统 P74图图6.3-2 从从经济角度经济角度考虑，采用（考虑，采用（a）方案。方案。6.3.1 6.3.1 副变量的选择副变量的选择71第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 6.3.1 6.3.1 副变量的选择副变量的选择72第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 例例：冷却器出口温度串级控制冷却器出口温度串级控制系统系统 P74 图图6.3-2 方案方案（a）：出口温度与液位串级控制出口温度与液位
47、串级控制 成本低，副回路反应较迟钝成本低，副回路反应较迟钝 方案（方案（b）：出口温度与蒸发压力串级控制出口温度与蒸发压力串级控制 成本高，多一套液位控制系统成本高，多一套液位控制系统 6.3.1 6.3.1 副变量的选择副变量的选择73第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 例例：冷却器出口温度串级控制冷却器出口温度串级控制系统系统 控制效果控制效果：方案（：方案（b）优于方案（优于方案（a）经济性经济性：方案（方案（a）优于方案（优于方案（b）在对于温度控制质量在对于温度控制质量要求不高要求不高的场合，的场合，采用方案（采用方案（a）6.3.1 6.3.1 副变量的选择副变量的选择74第六
48、章第六章 串级控制系统串级控制系统 主控制器主控制器：一般采用：一般采用PID三作用控制器。三作用控制器。串级控制系统的对象特性一般有较大串级控制系统的对象特性一般有较大 滞后，有必要采用滞后，有必要采用PID控制。控制。副控制器副控制器：P74 副回路系副回路系随动随动系统，允许有余差，系统，允许有余差，而不用积分作用。而不用积分作用。6.3.2 6.3.2 主、副控制器的选型主、副控制器的选型75第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 温度作副变量温度作副变量的系统：的系统：比例微分比例微分（PD）控制控制 流量流量（或（或液体压力液体压力）作副变量：）作副变量：比例积分比例积分（PI）控
49、制控制6.3.2 6.3.2 主、副控制器的选型主、副控制器的选型76第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 正反作用定义正反作用定义：正作用方式：测量值正作用方式：测量值 输出输出值值 反作用方式：测量值反作用方式：测量值 输出输出值值 （前提：设定值不变前提：设定值不变）1）选择）选择原则原则：使系统成为一个：使系统成为一个负反馈负反馈系统系统2)选择选择方法方法：逻辑：逻辑推理推理方法和方法和方块图方块图法法6.3.3 6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择主、副控制器正反作用方式选择77第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 3）方块图法方块图法：利用控制系统中方块图各环节的符号来确
50、定利用控制系统中方块图各环节的符号来确定控制器的正反作用方式。控制器的正反作用方式。a.环节正负符号的定义：环节正负符号的定义：注意：此处输入、输出关系指环节的静态注意：此处输入、输出关系指环节的静态关系关系。6.3.3 6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择主、副控制器正反作用方式选择78第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 3）方块图法方块图法：a.环节正负符号的定义：环节正负符号的定义：6.3.3 6.3.3 主、副控制器正反作用方式选择主、副控制器正反作用方式选择79第六章第六章 串级控制系统串级控制系统 3）方块图法方块图法：例：某锅炉液位单回路例：某锅炉液位单回路控制系统中，给