东华大学 过程控制 ppt 5 串级控制

1、5 5 串级控制串级控制 信息科学与工程学院 信息科学与工程学院 电厂锅炉过热汽温控制系统电厂锅炉过热汽温控制系统 被被 控控 量：主汽温量：主汽温1 1 控制手段：喷水减温控制手段：喷水减温 对象特点对象特点：滞后和惯性较大：滞后和惯性较大 采用单回路控制品质不好。采用单回路控制品质不好。 增加导前信号增加导前信号2 构造串级构造串级 控制系统控制系统 信息科学与工程学院 示例示例2：如图加热炉温度控制系统：如图加热炉温度控制系统 控制目标：原料出口温度控制目标：原料出口温度 主要干扰：燃料压力的波动主要干扰：燃料压力的波动 控制方式：调整燃料流量控制方式：调整燃料流量 方案一：使用两个单独

2、的单回路系统。投方案一：使用两个单独的单回路系统。投 资较多，两个系统可能会产生相互矛盾的资较多，两个系统可能会产生相互矛盾的 控制操作。系统滞后较大，控制作用不及控制操作。系统滞后较大，控制作用不及 时。时。 方案二：将温度调节器的输出作为流量调节方案二：将温度调节器的输出作为流量调节 器的给定值，把两个调节系统组合成一个调器的给定值，把两个调节系统组合成一个调 节系统节系统-串级控制系统。组合方式：流量串级控制系统。组合方式：流量 控制系统采用随动控制方式，将温度调节器控制系统采用随动控制方式，将温度调节器 的输出作为流量调节器的外设定值。以流量的输出作为流量调节器的外设定值。以流量 调节

3、器的输出操作调节阀。调节器的输出操作调节阀。 信息科学与工程学院 串级系统相关术语介绍：串级系统相关术语介绍： 主被控参数主被控参数(主参数主参数)和副被控参数和副被控参数(副参数副参数) 主回路和副回路主回路和副回路 主调节器和副调节器主调节器和副调节器 副回路 主回路 串级系统工作工程分析：调节阀为气开阀，TC和FC选 择反作用方式 1. 副回路扰动：燃料压力P或流量F增加FT输出增加FC输出减小 调节阀开度减小燃料流量F减小。 2. 主回路扰动：原料出口温度T增加TT输出增加TC输出减小FC 输出减小调节阀开度减小燃料流量F减小 原料出口温度下降。 3. 主、副回路扰动同时存在：若原料温

4、度T和燃料流量F同时增加，由 前2项分析可见，主、副回路产生的调节要求一致。若原料温度T增 加而燃料流量F减小， FT输出减小且TC输出减小二者之差决定 调节阀开度只需要作较小变动即可满足要求 信息科学与工程学院 2 2 1 1 主调主调副调副调导前区导前区惰性区惰性区 信息科学与工程学院 5.2.15.2.1串级控制系统的特点串级控制系统的特点 （1 1）串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克）串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克 服能力。服能力。 GT1(s)GT2(s)GZ(s)G(s)G02(s) G0f(s) R1(s) Gm2(s) Gm1(s) Y2(s) R2(s) F(

5、s) Y1(s) G01(s) 图5.3 一般串级控制系统原理框图 信息科学与工程学院 由图由图5.35.3所示串级系统，可以写出干扰所示串级系统，可以写出干扰F F至主参至主参 数数Y Y1 1的传递函数：的传递函数： 0f01 T2z02m2 1 T2z02 T101m1 T2z02m2 ( )( ) 1( )( )( )( )( ) ( ) ( )( )( )( ) ( ) 1( )( )( ) 1( )( )( )( )( ) Gs Gs Gs Gs Gs Gs Gs Y s Gs Gs Gs Gs F s GsGs Gs Gs Gs Gs Gs Gs = 0f01 T2z02m2T1

6、T2z0201m 1 ( )( ) 1( ) ( ) ( )( )( )( )( ) ( ) ( )( )( )( ) G sG s G sG sG sG sG s G sG sG sG sG sG sG s = (5.1) 信息科学与工程学院 下面是单回路控制系统原理框图与传递函数下面是单回路控制系统原理框图与传递函数 : : GT(s)GZ(s)G(s)G02(s) G0f(s) R1(s) Gm1(s) R2(s) F(s) Y1(s) G01(s) 10f01 TZ0201m ( )( )( ) (5.2) ( )1( )( )( )( )( )( ) Y sGs Gs F sG s

7、G s G s Gs Gs Gs 图5.4 单回路控制系统原理框图 信息科学与工程学院 串级系统中串级系统中Y Y1 1(s)/(s)/F F(s)(s)的分母中多了一项，的分母中多了一项， 即即 。一般情况下，副控。一般情况下，副控 制器的比例增益是大于制器的比例增益是大于1 1的。的。 单回路控制系统相比，被调量受进入副单回路控制系统相比，被调量受进入副 回路的扰动回路的扰动F F的影响可以减小的影响可以减小1010100100倍倍 T2Z02 ( )( )( )( )Gs G s G s Gs 信息科学与工程学院 （2 2）由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，）由于副回路的存在，减小

8、了对象的时间常数， 提高系统响应速度。提高系统响应速度。 比较图比较图5.35.3和图和图5.45.4，可以将串级系统的整，可以将串级系统的整 个副回路看成是一个等效对象，记作个副回路看成是一个等效对象，记作 02( )Gs 2 02 2 ( ) ( ) ( ) Y s Gs R s (5.3) 信息科学与工程学院 假设副回路中各环节传递函数为： 02 02T2T2 02 ZZm2m2 ( );( ); 1 ( );( );( ) K G sG sK T S G sKG sKG sK 信息科学与工程学院 将上述各式代入式（5-3），可得 02 T2Z 2 02 02 02 2 T2Z2 02

9、T2Z02 T2Z02m2 02 T2Z02m2 ( ) 1 ( ) ( ) 1 1 1 1 1 m K K K K Y s T S Gs K R s K K KK T S K K K K K K K K K T S K K K K K (5.4) 信息科学与工程学院 比较比较 和和 ，由于，由于 这这 个不等式在任何条件下都是成立的，因此有个不等式在任何条件下都是成立的，因此有 02( )G s 02( )Gs T2z02m2 11K K K K K 0202TT (5.8) 这就表明：副控制器的比例增益这就表明：副控制器的比例增益 可以取得可以取得 很大。这样，等效时间常数很大。这样，等效

10、时间常数 减小得更加明显。减小得更加明显。 时间常数的减小，意味着控制通道的缩短，从而时间常数的减小，意味着控制通道的缩短，从而 使控制作用更加及时。使控制作用更加及时。 2T K * 02 T 信息科学与工程学院 （3 3）提高系统的工作频率，改善了系统控制）提高系统的工作频率，改善了系统控制 质量。质量。 02( )Gs 信息科学与工程学院 （4 4）串级系统有一定的自适应能力。）串级系统有一定的自适应能力。 信息科学与工程学院 5.3 5.3 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 5.3.1 5.3.1 主、副回路的设计原则主、副回路的设计原则 1.1.主回路的设计主回路的设计 主变量的

11、选择和主回路的设计，主变量的选择和主回路的设计，与单回路控制系统设与单回路控制系统设 计选择原则是一致计选择原则是一致的。的。 在条件许可的情况下，尽量选择直接反映控制目的的在条件许可的情况下，尽量选择直接反映控制目的的 参数为主变量，不行时可选择与控制目的有某种单值对应参数为主变量，不行时可选择与控制目的有某种单值对应 关系的间接参数作为主变量；所选的主变量必须有足够的关系的间接参数作为主变量；所选的主变量必须有足够的 变化灵敏度；还应考虑工艺上的合理性和实现的可能性。变化灵敏度；还应考虑工艺上的合理性和实现的可能性。 信息科学与工程学院 （1 1）参数的选择应使）参数的选择应使副回路的时间

12、常数小副回路的时间常数小， 控制通道短，控制通道短， 反应灵敏。反应灵敏。 （2 2）副参数）副参数可测且可控可测且可控 （3 3）副回路应）副回路应包含包含被控对象所受到的被控对象所受到的主要干扰主要干扰 一般应使副回路的频率比主回路的频率高得多，当一般应使副回路的频率比主回路的频率高得多，当 副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串 级控制就没有什么效果。级控制就没有什么效果。 （4 4）主、副回路）主、副回路工作频率应适当匹配工作频率应适当匹配 为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取 21)10

13、3(ddTT 2.2.副回路的设计副回路的设计 信息科学与工程学院 5.3.2 5.3.2 主、副控制器的选型主、副控制器的选型 1主控制器的选型主控制器的选型 主调节器一般都采用主调节器一般都采用PI控制器，如果控制对控制器，如果控制对 象惰性区的容积数目较多，同时有主要扰动落在象惰性区的容积数目较多，同时有主要扰动落在 副回路以外，也可考虑采用副回路以外，也可考虑采用PID调节器。调节器。 2副控制器的选型副控制器的选型 一般都选一般都选P控制器，只有当副对象容量滞后控制器，只有当副对象容量滞后 较大时（温度、较大时（温度、PH值控制），才可适当加一点值控制），才可适当加一点微微 分分作用

14、作用 。 信息科学与工程学院 5.3.3 5.3.3 主、副控制器正反作用的选择主、副控制器正反作用的选择 主控制器：正、反作用选择顺序为主控制器：正、反作用选择顺序为先副后主先副后主。 副控制器：正、反作用根据副回路的具体情况而定，副控制器：正、反作用根据副回路的具体情况而定， 副回路内各前向通道环节放大倍数符号的乘积应副回路内各前向通道环节放大倍数符号的乘积应 为为“正正” 。 主控制器的正、反作用选择要保证各前向通道环节放大倍主控制器的正、反作用选择要保证各前向通道环节放大倍 数符号的乘积应为数符号的乘积应为“正正” 。 信息科学与工程学院 示例1 :加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统

15、 主参数：原料出口温度T1 副参数：炉膛温度T2 控制阀：从安全角度考虑选择气开，Kv为“+” 副对象：控制阀开，炉膛温度升高。Ko2为“+” 副调节器：Kc2选择“+”，即反作用,使副回路前向通道增 益乘积为“+”。 主对象：炉膛温度升高，出口温度升高。Ko1为“+” 主调节器：Kc1选择“+”，即反作用,使主回路前向通道增 益乘积为“+”。 信息科学与工程学院 主参数：锅炉液位L 副参数：给水流量F 控制阀：从安全角度考虑选择气关，Kv为“-” 副对象：控制阀开，流量增大。Ko2为“+” 副调节器：Kc2选择“-”，即正作用,使副回路前向通道增 益乘积为“+”。 主对象：给水量增加，液位升

16、高。Ko1为“+” 主调节器：Kc1选择“+”，即反作用,使主回路前向通道增 益乘积为“+”。 示例2 :锅炉液位和给水量串级控制系统（双冲量控制） 信息科学与工程学院 5.3.4 5.3.4 串级控制系统的整定串级控制系统的整定 GT1(s)GT2(s)G02(s) R1(s) Gm2(s) Gm1(s) Y2(s)R2(s) Y1(s) G01(s) 图5.7 串级控制系统方框图 信息科学与工程学院 （1） 一一. . 逐次逼近法逐次逼近法 T2( ) Gs T2( ) Gs T21 ( )Gs T1( ) Gs T11 ( )Gs T21 ( )Gs T22 ( )Gs T2( ) Gs

17、 T21 ( )Gs T11 ( )Gs T22 ( )Gs 信息科学与工程学院 二二. . 两步整定法两步整定法 1先整定副控制器先整定副控制器 当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回 路控制过程就告结束；在此期间，主回路基本上不路控制过程就告结束；在此期间，主回路基本上不 参加动作。可断开主回路参加动作。可断开主回路, ,按单回路系统的整定方法按单回路系统的整定方法 整定副控制器整定副控制器 的参数。的参数。 2 2再整定主控制器再整定主控制器 可将经适当整定的副回路看作理想随动系统，可将经适当整定的副回路看作理想随动系统， 按单回路系统整定方法整

18、定主控制器按单回路系统整定方法整定主控制器 的参数。的参数。 T2( ) Gs T1( ) Gs 信息科学与工程学院 三三. . 一步整定法一步整定法 所谓一步整定法就是根据经验先将副控制器所谓一步整定法就是根据经验先将副控制器 参数一次设置好，不再变动，然后按单回路系统参数一次设置好，不再变动，然后按单回路系统 的整定方法直接整定主控制器参数。的整定方法直接整定主控制器参数。 经验证明：这种整定方法对于主变量精度要经验证明：这种整定方法对于主变量精度要 求较高。而对副变量没什么要求或要求不严，允求较高。而对副变量没什么要求或要求不严，允 许它在一定范围内变化的串级控制系统来说，是许它在一定范

19、围内变化的串级控制系统来说，是 很有效的。很有效的。 信息科学与工程学院 5.4 5.4 串级控制系统应用举例串级控制系统应用举例 1 1、串级控制在某精馏塔底温度控制的应用、串级控制在某精馏塔底温度控制的应用 图5.9 精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统 信息科学与工程学院 对比较大的干扰，单回路控制系统控制品质较对比较大的干扰，单回路控制系统控制品质较 差。当控制器的放大倍数差。当控制器的放大倍数K=1.3K=1.3时，最大偏差为时，最大偏差为 1010，无法满足工艺最大偏差，无法满足工艺最大偏差 1.5 1.5的要求。的要求。 采用塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制后，采用塔釜温度

20、与加热蒸汽流量的串级控制后， 副控制器的副控制器的 =5=5，由于副回路的存在，对扰动有，由于副回路的存在，对扰动有 较强的克服能力。当有较大的干扰出现时，主变量较强的克服能力。当有较大的干扰出现时，主变量 塔釜温度只是稍微波动一下就平稳下来，满足工艺塔釜温度只是稍微波动一下就平稳下来，满足工艺 要求。要求。 T2 K 信息科学与工程学院 2 2、某化纤厂纺丝胶液压力串级控制方案、某化纤厂纺丝胶液压力串级控制方案 图5.10 某化纤厂纺丝胶液压力串级控制系统 信息科学与工程学院 为了提高控制质量，可为了提高控制质量，可在执行器与冷却器之在执行器与冷却器之 间，靠近执行器的某个适当位置选择一压力

21、测量间，靠近执行器的某个适当位置选择一压力测量 点，点，并以它为副变量组成一串级控制系统，如图并以它为副变量组成一串级控制系统，如图 5.105.10所示。当纺丝胶液粘度发生变化或因执行器所示。当纺丝胶液粘度发生变化或因执行器 前的混合器有污染而引起压力变化时，副变量可前的混合器有污染而引起压力变化时，副变量可 及时得到反映，并通过副回路进行克服，从而稳及时得到反映，并通过副回路进行克服，从而稳 定过滤前的胶液压力。定过滤前的胶液压力。 信息科学与工程学院 3 3、电厂串级三冲量给水控制系统、电厂串级三冲量给水控制系统 图5.11 串级三冲量给水控制系统 信息科学与工程学院 图图5.115.1

22、1是在大型汽包锅炉上采用的串级三冲量是在大型汽包锅炉上采用的串级三冲量 给水控制系统。此方案的控制任务由两个控制器来给水控制系统。此方案的控制任务由两个控制器来 完成，完成，主控制器主控制器PI1PI1采用比例积分控制规律，以保证采用比例积分控制规律，以保证 水位无静差水位无静差。主控制器的输出信号和给水流量、蒸。主控制器的输出信号和给水流量、蒸 汽流量信号都作用到副控制器汽流量信号都作用到副控制器PI2PI2。一般串级控制系。一般串级控制系 统的统的副控制器可采用比例控制器，以保证副回路的副控制器可采用比例控制器，以保证副回路的 快速性。快速性。 信息科学与工程学院 串级系统的主、副控制器的任务不同。串级系统的主、副控制器的任务不同。 副控制器的任务副控制器的任务：消除给水压力波动等因素引起的：消除给水压力波