过程控制及仪表(8)1_dlh

1、第八章第八章 串级控制系统串级控制系统过程控制及仪表过程控制及仪表（过程控制系统篇过程控制系统篇）本节重点：本节重点：串级控制系统的组成：串级控制系统的组成：基本术语基本术语串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程第一节第一节 概述概述但实践证明，此方案达不到要求。改变燃料油的流量，把变化了的温度重新调回到设定值。要干扰导致了炉出口温度变化，控制器就可改变阀的开度，来此方案把所有对温度的干扰因素都包括在控制回路中，只。统，见图出口温度单回路控制系方案1：其他干扰：燃油温度变化、炉通风量、环境温度变化。燃料油压力变化、流量变化、燃油热质变化。原料油压力变化、流量变化、温度变化；主要干扰：要求

2、：炉出口温度保持恒定。例：见图管式加热炉出口温度控制系统。一、串级控制系统的组成 1-4 主要干扰：压主要干扰：压力、流量、温力、流量、温度的变化度的变化主要干扰：压主要干扰：压力、流量、热力、流量、热质的变化质的变化其他干扰：燃其他干扰：燃油温度变化、油温度变化、通风量、室温通风量、室温变化变化。通过控制燃油流量来控通过控制燃油流量来控制出口温度，见图制出口温度，见图。出口温度间接控制方案出口温度间接控制方案方案方案只有当流量变化的影响只有当流量变化的影响使被控量使被控量炉出口温炉出口温度发生变化后，控制器才改变阀的开度，以度发生变化后，控制器才改变阀的开度，以改变燃料油的流量来克服干扰改变

3、燃料油的流量来克服干扰燃料油压力燃料油压力的变化，把被控量调回到被控值上。燃料油的变化，把被控量调回到被控值上。燃料油流量的变化要经过管道传输、燃烧、传热等流量的变化要经过管道传输、燃烧、传热等一系列环节，才能使炉出口温度变化。总滞一系列环节，才能使炉出口温度变化。总滞后较大，控制作用不及时，特别是燃油压力后较大，控制作用不及时，特别是燃油压力变化大且频繁时，偏差会很大，控制质量显变化大且频繁时，偏差会很大，控制质量显著降低。著降低。燃料油的压力变化将导致流量变化，燃料油的压力变化将导致流量变化，原因：原因：2-4 . 2 控制作用快控制作用快此方案能及时克服燃油此方案能及时克服燃油压力造成的

4、干扰，只要燃油压力波动压力造成的干扰，只要燃油压力波动导致流量波动，不等它影响到炉出口温度，流量控制器就能导致流量波动，不等它影响到炉出口温度，流量控制器就能及时调节，把燃油压力干扰引起的出口温度变化减弱到最低及时调节，把燃油压力干扰引起的出口温度变化减弱到最低程度。实践证明，此方案也有不足之处。程度。实践证明，此方案也有不足之处。原因：出口温度不是被控量，当燃油压力以外的干扰引起出原因：出口温度不是被控量，当燃油压力以外的干扰引起出口温度变化时，此流量系统就无能为力了。因为控制燃油流口温度变化时，此流量系统就无能为力了。因为控制燃油流量稳定并不是目的，它只是为控制炉出口温度服务的。量稳定并不

5、是目的，它只是为控制炉出口温度服务的。 。，炉出口温度与燃油流量的串级控制系统，见图炉出口温度与燃油流量的串级控制系统，见图方案方案 以上两方案各有优缺点以上两方案各有优缺点，若能将两者结合，就可形成控制效果，若能将两者结合，就可形成控制效果更好的系统更好的系统串级控制系统串级控制系统集中以上两方案的优点于一身。集中以上两方案的优点于一身。44343-.随动给定随动给定温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，而流量控制器的输出温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，而流量控制器的输出去控制阀。去控制阀。串级：两台控制器串联在一起，控制一个阀。有两个被控量。串级：两台控制器串联在一起，控制一个阀

6、。有两个被控量。 。操纵量，输出信号为副操纵量，输出信号为副变量。上例中流量过程。变量。上例中流量过程。副对象：副变量所处的副对象：副变量所处的那一部分工艺设备。它的输入信号为那一部分工艺设备。它的输入信号为副变量，输出信号为主副变量，输出信号为主变量。上例中温度过程。变量。上例中温度过程。主对象：主变量所处的主对象：主变量所处的那一部分工艺设备。它的输入信号为那一部分工艺设备。它的输入信号为进行工作的控制器。上进行工作的控制器。上例中流量控制器。例中流量控制器。副控制器：按副变量的副控制器：按副变量的测量值与主控制器来的设定值的偏差测量值与主控制器来的设定值的偏差常用术语：常用术语：上例中为

7、出口温度。上例中为出口温度。操作安全的那个被控量。其相应的变送器为主变送器。操作安全的那个被控量。其相应的变送器为主变送器。主变量：在串级系统中主变量：在串级系统中，起主导作用、关系到产品产量和质量或起主导作用、关系到产品产量和质量或制器。上例中温度控制制器。上例中温度控制器。器。主控制器：按主变量的主控制器：按主变量的测量值与设定值的偏差进行工作的控测量值与设定值的偏差进行工作的控的变送器为副变送器。的变送器为副变送器。上例中燃料油流量。上例中燃料油流量。副变量：为稳定主变量副变量：为稳定主变量或某种需要引入的辅助变量，其相应或某种需要引入的辅助变量，其相应。二次干扰：作用在副对二次干扰：作

8、用在副对象上的干扰。见图象上的干扰。见图一次干扰：作用在主对一次干扰：作用在主对象上的干扰；象上的干扰；一、二次干扰一、二次干扰在串级系统方框图中，在串级系统方框图中，处于内环（副环）的回路。包括：处于内环（副环）的回路。包括：副控制器、阀、副对象及副变送器等组成的闭合回路。又副控制器、阀、副对象及副变送器等组成的闭合回路。又称随动回路。称随动回路。副回路副回路包括主控制器、副控制包括主控制器、副控制器、阀、副对象、主对象及主变送器器、阀、副对象、主对象及主变送器等组成的闭合回路。等组成的闭合回路。在串级系统方框图中，在串级系统方框图中，处于外环（主环）的整个回路。处于外环（主环）的整个回路。

9、主回路主回路44 :- - D44 3-4 2工作过程：工作过程：方面，使炉出口温度升方面，使炉出口温度升高。即图中高。即图中的一次干扰的一次干扰D1。来自原料油来自原料油第二种情况：假定干扰第二种情况：假定干扰工作过程：工作过程：。中二次干扰中二次干扰流量变化，即图流量变化，即图来自燃料油来自燃料油第一种情况：假定干扰第一种情况：假定干扰流量控制器：反作用。流量控制器：反作用。温度控制器：反作用；温度控制器：反作用；控制阀：气开；控制阀：气开；为例，并假定：为例，并假定：以图以图二、串级控制系统的工作过程二、串级控制系统的工作过程- -反作用单回路。单回路。相配合，控制质量高于相配合，控制质

10、量高于”作用，两者互作用，两者互用，主控制器有用，主控制器有“细调细调“粗调粗调”作作由此可见，副控制器有由此可见，副控制器有主、副变量反向变化：主、副变量反向变化：主、副变量同向变化：主、副变量同向变化：时出现。时出现。一次干扰和二次干扰同一次干扰和二次干扰同、副对象上的、副对象上的第三种情况：作用在主第三种情况：作用在主 2. 1. 本节重点：本节重点： 串级控制系统的四大特点：串级控制系统的四大特点： 等效时间常数减小等效时间常数减小 工作频率提高工作频率提高 抗干扰能力增强抗干扰能力增强 有一定自适应能力有一定自适应能力为单回路控制系统。图简化成图表示，则图把副环用。见图一、时间常数7

11、47464)S(W 6-4 o2- - - - 3)-(4 KKKK1TTKKKK1KKKK 2-41STKK1STKKK11STKKK 1-4)S(H)S(W)S(W )S(W1)S(W)S(W )S(W)S(R)S(Y)S(W1TK)S(W K)S(H ,K)S(W ,K)S( W 2m2o2c2o2o2m2o2c2o2c2o2o2o2m2o2o2c2o2o2cm2o2c2o2c222o22o2oo22mm22cc2 + += =+ += =+ += =+ + + += =+ += = =+ += = = = =u uu uu uu uu uu uu uu uu u式中：）（）（则有：设：

12、超前作用超前作用倍，因此串级倍，因此串级的的是原来副对象放大系数是原来副对象放大系数大系数大系数，由于等效副对象的放，由于等效副对象的放制质量必然提高。另外制质量必然提高。另外应更快，控应更快，控使控制作用更及时，响使控制作用更及时，响控制通道的缩短，从而控制通道的缩短，从而的减小，就意味着的减小，就意味着著。著。的增大，这种情况愈显的增大，这种情况愈显随着随着不变的情况下，不变的情况下，、，在，在的的是副对象本身时间常数是副对象本身时间常数等效对象的时间常数等效对象的时间常数，使，使中，由于副回路的存在中，由于副回路的存在上式表明，在串级系统上式表明，在串级系统）（，故有，故有，相比较，在一

13、般情况下相比较，在一般情况下与与将将2222c2222222222222222o2o21 11 4-4 11(S)W(S)W mocoocmomocooooomocKKKKKKKTKKKKKKKKTTTKKKKKKuuuuu+1STK)S(W K)S(H K)S( W 6-4 0)S(H)S(W)S( W )S(W )S(W)S(W)S(H)S(W)S(W )S(W1 0)S(H)S(W)S(H)S(W)S(W )S(W1)S(W)S(W )S(W )S(W11-45)-(4 0)S(H)S(W)S( W)S(W1 7-4 K 1o1o1o1mm11cc1m11oo2c2c1m2o2c2m11

14、om2o2c2o2c2c1m11oo2c11c+ += = = = =+ + += =+ + += =+ +u uu uu uu u，为：假定主回路各环节传函）（整理后特征方程为：）代入上式：将式（有：由图二、工作频率抗干扰能力。大些，可以提高系统的更就可以整定的比单回路数系统主控制器的放大系）（令：令：）（将上式整理：将上式整理：），有），有，代入式（，代入式（副回路各环节传函同前副回路各环节传函同前8-4 TTKKKKKKKKKKTTTKKKKTT2 7-4 TTKKKKKKKKKKSTTTKKKKTTS STKSTKKKKKKSTKKK1 6-4 oooomccmocoooomocooo

15、oooomccmocooomocoooooomccmooc+=w+=xw=+=+uuuuuuuu21211212222211222212121121222211222212112212122221010111。频率频率单回路控制系统的工作单回路控制系统的工作为便于比较，同样求出为便于比较，同样求出）（此，此，制系统的工作频率，因制系统的工作频率，因此振荡频率即为串级控此振荡频率即为串级控时，系统出现振荡，而时，系统出现振荡，而当当串级系统自然频率。串级系统自然频率。串级系统衰减系数；串级系统衰减系数；式中：式中：特征方程的标准形式为特征方程的标准形式为单单串串21110124022112222

16、1222222, 12wxx-+=x-w=wx w w + + + + += =+ + + += =w ww wx x= =x xu uu uu u2o1o2o1o2m2o2cT/T1T/TKKKK11+ + + += =w ww wu u）（单串，控制系统的抗干控制质量高。综合考虑）式（）式（）（传函为：在设定值作用下的闭环）（闭环传函为：，在二次干扰作用下的对于图。虚线框中的传函为：图并等效成入系统，见图假定二次干扰从阀前进三、抗干扰能力119-4018-4 19-4 )S(H)S(W)S( W)S(W)S(W1)S(W)S(W)S(W)S(W)S(R)S(Y 18-4 )S(H)S(W)

17、S( W)S(W)S(W1)S(W)S(W)S(D)S(Y114)S(H)S(W)S(W )S(W1)S(W)S(W )S( W11410-4 m1o1o2c2c1o1o2c2c111m1o1o2c2c1o1o221m2o2c2o2o2+ += =+ += =- -+ += =- -u uu u）（）（。图能力，见回路控制系统的抗干扰下面分析同等条件下单，控制质量越好。越大，抗干扰能力越强、可见）（则有如）（：扰能力可用下式来评价23-4)S(H)S(W)S(W)S(W)S(W1)S(W)S(W)S(W)S(W)S(R)S(Y 22-4 )S(H)S(W)S(W)S(W)S(W1)S(W)S(

18、W)S(W)S(D)S(Y124 KK 21-4 KK)S(D/ )S(Y)S(R/ )S(Y ,K)S( W,K)S( W20-4 )S(W)S(W)S(D/ )S(Y)S(R/ )S(Y m1o1o2co12ocm1o1o2co12o22c1c2c1c21112cc21cc1c2c12111u uu uu uu u+ += =+ += =- -= = = = =）（统抗干扰能力的差别。统抗干扰能力的差别。回路控制系回路控制系制系统与同等条件下单制系统与同等条件下单下面进一步分析串级控下面进一步分析串级控扰能力强。扰能力强。即串级控制系统的抗干即串级控制系统的抗干一般，一般，）（则有则有如果

19、如果）（抗干扰能力为：抗干扰能力为：26-4 0 H WWW1 , 25-4 W24-4 Wm1o1c2c1212cc2=+=)S()S()S()S(KKKK)S(D/ )S(Y)S(R/ )S(Y,K)S()S()S(D/ )S(Y)S(R/ )S(Yccccc Wo2S( )）（）（）（则有则有，设设27-4 ST1K SKKKKTKKKKKK STKKKKKKSHSWS WSWSWSWKH,KH, STKW ,STK WKWKWK Wo2 o2mocomocoomocom2o2c2o2mm2mm1ooo2ooo1cc2cc1+=+=+=+=+=+=uuuuuuuuu22222222222

20、22212211211/11/1)()()()(1)()(11 Wo2S( ) ,j S 29-4 STSTKKKKK 0TKSTKKKK28-4 KKKKTTKKKKKKK o2o o2omcco2 o2oomccmocoomocoo有有令令）（或或），有），有）代入（）代入（将式（将式（）（式中：式中：w=-=+=+-+=+=uuu:1)1)(1(111264274111112111121222222222 2 32-4 KKKTTKK 31-4 31-4 TT 30-4 TTKKKKK T TjTTKKKKKm o2ok1o2k1occk1k1o2oo2om o2occo2oo2om o

21、2occ）（界放大系数：界放大系数：），可求得控制器的临），可求得控制器的临代入式（代入式（将将临界振荡频率临界振荡频率）可得串级控制系统的）可得串级控制系统的由式（由式（）（）（即即112212111122111211112211121 1)(1)(304,180)(tan)(tan1 1)(1)(1)(tan)(tanexp 1)(1)(+w+w=-ww=w+w=+w+w-=w+w-+w+w-的抗干扰能力。的抗干扰能力。上式表示串级控制系统上式表示串级控制系统）（数：数：衰减过程时的控制器参衰减过程时的控制器参：在在系统系统），便可得到串级控制），便可得到串级控制）代入式（）代入式（将式（

22、将式（。）（的关系为：的关系为：与临界振荡频率与临界振荡频率控制系统的工作频率控制系统的工作频率）（数为：数为：，这时控制器参，这时控制器参度为度为衰减过程，幅值稳定裕衰减过程，幅值稳定裕：对于对于串串串串串串串串35-4 KKKTTKK1433-434-4 1.431.1 34-4 33-4 KKKTTKK 0.514 m o2oo2occk1k1m o2ok1o2k1occ11221211122121 1)(1)(5 . 0 1)(1)(5 . 0+aw+aw=aaw=www+w+w=即：即：有有令：令：）（入上式，有入上式，有将上述各环节的传函代将上述各环节的传函代）（特征方程为：特征方

23、程为：，闭环，闭环路控制系统，由图路控制系统，由图对于同等条件下的单回对于同等条件下的单回1)T(tan )T(tanjexp1)T(1)T(KKKKK,jS37-4 0)1ST)(1ST(KKKKK1 36-4 0 )S(H)S( W)S(W)S(W)S(W1 12-4 o211o12o221o1m2o1oco21o1m2o1ocm1o1o2c- -= =w w+ + +w w- -+ +w w+ +w ww w= = =+ + + += =+ +- - -u uu uu u回路控制器参数为：回路控制器参数为：，就可得到单，就可得到单度为度为衰减过程的幅值稳定裕衰减过程的幅值稳定裕：，荡频率

24、荡频率代替上式中的临界振代替上式中的临界振作频率作频率按上面同样方法，用工按上面同样方法，用工）（界放大系数：界放大系数：可得单回路控制器的临可得单回路控制器的临）代入式（代入式（将将）可求出）可求出同上，由式（同上，由式（）（）（单单0.514 40-4 KKKK1)T(1)T(K ,384,39-4 39-4 180)T(tan)T(tan 38-4 11)T(1)T(KKKKK k1mo21o2ko22k1ockko211o12o221o1m2o1ocw ww w+ +w w+ +w w= =- -w ww w= =w w+ +w w= =+ +w w+ +w wu u- - -u u）（28-4 KKKKTTKKKKKKK mocoomocoo+=+=uuu222222222 211）（串串串串35-4 KKKTTKKm o2oo2occ1122121 1)(1