第七章串级控制系统

1、2021-12-12 赵小强赵小强兰州理工大学电信学院兰州理工大学电信学院5:45:382掌握串级控制系统结构掌握串级控制系统结构掌握串级控制系统的特点掌握串级控制系统的特点掌握串级控制系统设计方法掌握串级控制系统设计方法 了解串级控制系统参数整定方法了解串级控制系统参数整定方法第7章 串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:393兰州理工大学电信学院过程控制与集散系统过程控制与集散系统串级控制系统结构串级控制系统结构7.1 第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统串级控制系统是提串级控制系统是提高过程控制品质非高过程控制品质非常有效的方案之一常有效的方案之一 串级控制的提出： 简单控制系统

2、已不能满足工艺要求的情况下产生的。 5:45:394将烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。 如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，就出现了隔焰式隧道窑。 火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。 简单控制系统，影响烧成带温度T1的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成Tl偏离设定值，控制器就会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的Tl重新调回到设定值。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:395原因就是从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大

3、，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。 烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:396可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。即使

4、发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。 如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:397假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等(D2表示)，都是首先进入燃烧室。 能否通过控制燃烧室温度T2的方法来达到稳定烧成带的温度呢? 于是就出现了图示的以燃烧室温度T2为被控变量的单回路控

5、制系统。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:408这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成带温度的影响降低到最小限度。 直接影响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的原料成分、窑车上装载制品的数量以及春夏秋冬、刮风下雨带来环境温度的变化等等(D1表示)。 在这个控制系统中，烧成带温度不是被控变量，所以对于干扰造成烧成带温度的变化，控制系统无法进行调节。上述两个控制系统，它们各有自己的长处。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章

6、章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:409第一种控制系统包括了所有干扰， 第二种控制系统能对主要的和一些次要干扰提前发现，及早控制。 如果能将两个控制系统结合起来，发挥各自优势，不是两全其美吗! 另外，控制燃烧室的温度T2并不是目的，真正的目的是烧成带的温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值控制，起主导作用。 而燃烧室温度控制器则起辅助作用，它在克服干扰D1的同时，应该受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值，从而就形成了串级控制系统。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工

7、大学电信学院5:45:4010就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4011串级控制系统的组成 一、二次干扰一、二次干扰主、副回路主、副回路主、副检测变送器主、副检测变送器主、副对象主、副对象主、副控制器主、副控制器主、副被控变量主、副被控变量串级控制系串级控制系统的组成统的组成过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:40123 在

8、外面的闭合回路称为主回路在外面的闭合回路称为主回路(主环主环)， 在里面的闭合回路称为副回路在里面的闭合回路称为副回路(副环副环)。主、副回路主、副回路主、副控制器主、副控制器处于主回路中的控制器称为主处于主回路中的控制器称为主控制器；控制器； 于副回路中的控制器称为副控于副回路中的控制器称为副控制器。制器。 主、副被控变量主、副被控变量主回路的被控变量称为主被控主回路的被控变量称为主被控变量，也称为主变量或主参数；变量，也称为主变量或主参数； 副回路的被控变量称为副被控副回路的被控变量称为副被控变量，也称为副变量或副参数。变量，也称为副变量或副参数。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7

9、 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4013过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:41143 检测和变送主变量的称为主检检测和变送主变量的称为主检测变送器；测变送器； 检测和变送副变量的称为副检检测和变送副变量的称为副检测变送器。测变送器。主、副检测变送器主、副检测变送器3 进入主回路的干扰称为一次干进入主回路的干扰称为一次干扰；扰； 进入副回路的干扰称为二次干进入副回路的干扰称为二次干扰。扰。 一、二次干扰一、二次干扰主、副对象主、副对象主回路所包括的对象称为主对主回路所包括的对象称为主对象；象；

10、 副回路所包括的对象称为副对副回路所包括的对象称为副对象。象。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4115串级控制系统的工作过程 是由两个控制器串联工作的，只有副控制器的输出去是由两个控制器串联工作的，只有副控制器的输出去操纵控制阀，两个控制器能否协调一致地工作，会不会操纵控制阀，两个控制器能否协调一致地工作，会不会发生矛盾，以隔焰式隧道窑温度串级控制系统为例来加发生矛盾，以隔焰式隧道窑温度串级控制系统为例来加以说明。以说明。 考虑到生产的安全，控制阀选择考虑到生产的安全，控制阀选择“气开气开”工作方式。工作方式。 两个控制

11、器都选择两个控制器都选择“反反”作用方式。作用方式。7.2 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:41(1)只存在二次干扰只存在二次干扰 假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所以属于二次干扰进入副回路，所以属于二次干扰D2D2。例如整个系统处于。例如整个系统处于稳定状态下，突然燃料压力升高，这时尽管控制阀门开稳定状态下，突然燃料压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度T2T2升高，

12、经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度温度TlTl的变化。的变化。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4117 如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快得到如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快得到克服，不至于引起主变量克服，不至于引起主变量(烧成带温度烧成带温度T1)的改变。的改变。 如果这个干扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大如果这个干扰作用比较强，尽管副回路的

13、控制作用已大大削弱了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变大削弱了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量仍然会受到它的影响偏离了稳态值而升高。量仍然会受到它的影响偏离了稳态值而升高。 此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4118 经主温度检测变送器后，主控制器接受到的测量信号经主温度检测变送器后，主控制器接受到的测量信号增大。增大。 主控制器是定值控制

14、，而且是主控制器是定值控制，而且是“反反”作用，所以主控作用，所以主控制器的输出将减小。制器的输出将减小。 副控制器的设定值减小，也就是副控制器的输出在原副控制器的设定值减小，也就是副控制器的输出在原来的基础上变得更小，从而阀门开度也将再关小一点，以来的基础上变得更小，从而阀门开度也将再关小一点，以克服干扰对主变量的影响。克服干扰对主变量的影响。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4119 (2)只存在一次干扰只存在一次干扰 假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车的速

15、度加快，必然导致窑道中烧成带温度窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度T1的降低。的降低。 对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的主控制器的“反反”作用，它的输出必然增大，也就是说副作用，它的输出必然增大，也就是说副控制器的设定值增大了。控制器的设定值增大了。 因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量(燃烧室的燃烧室的温度温度T2)没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。改变。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统

16、串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4120在整个控制过程中，燃烧室的温度在整个控制过程中，燃烧室的温度T2也发生了变化，也发生了变化，然而副控制器并没有对它加以调节，原因就在于串级控制然而副控制器并没有对它加以调节，原因就在于串级控制系统中，主控制器起着主导作用，体现在它的输出作为副系统中，主控制器起着主导作用，体现在它的输出作为副控制器的设定值。控制器的设定值。 而副控制器则处于从属地位，它首先是接受主控制器而副控制器则处于从属地位，它首先是接受主控制器的命令，然后才进行控制操作。在这种情况下，燃烧室温的命令，然后才进行控制操作。在这种情况下，燃烧室温度度T2的改变是作为对烧成带温度

17、的改变是作为对烧成带温度T1的控制手段来利用的，的控制手段来利用的，而不是作为干扰加以克服的。而不是作为干扰加以克服的。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院对于副控制器来说，设定值增大而测量值没变，可对于副控制器来说，设定值增大而测量值没变，可以等效为其设定值不变而测量值减小。以等效为其设定值不变而测量值减小。 根据副控制器的根据副控制器的“反反”作用，其输出将增大，作用，其输出将增大，“气气开开”式的控制阀门开度增大，从而加大燃料的流量，使式的控制阀门开度增大，从而加大燃料的流量，使燃烧室温度燃烧室温度T2升高，进而使窑道烧成带温度

18、回升至设定升高，进而使窑道烧成带温度回升至设定值。值。5:45:4121 (3)一次干扰和二次一次干扰和二次 干扰同时存在干扰同时存在两种干扰同时存在又可分为两种不同情况。两种干扰同时存在又可分为两种不同情况。一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化，即同时增大或同时减小。同方向变化，即同时增大或同时减小。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4122 假定一次干扰为窑车的前进速度减小，将引起主变量假定一次干扰为窑车的前进速度减小，将引起主变量(烧成带温度烧成带温度)T1升高；二次干

19、扰为燃料压力增大，导致副变升高；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量量(燃烧室温度燃烧室温度)T2也升高。对于主控制器来讲，由于它的测也升高。对于主控制器来讲，由于它的测量值升高，根据它的量值升高，根据它的“反反”作用关系，它的输出将在稳态作用关系，它的输出将在稳态时的基础上减小，也就是副控制器的设定值将减小。时的基础上减小，也就是副控制器的设定值将减小。 而对于副控制器来讲，由于它的测量值增大，其输出而对于副控制器来讲，由于它的测量值增大，其输出的变化应该根据它的的变化应该根据它的“反反”作用以及设定值和测量值的变作用以及设定值和测量值的变化方向共同决定。化方向共同决定。 不妨将设定值的变化等

20、效为设定值不变而测量值变化的不妨将设定值的变化等效为设定值不变而测量值变化的情况，设定值减小可以等效为设定值不变而测量值大。情况，设定值减小可以等效为设定值不变而测量值大。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4123 根据副控制器的根据副控制器的“反反”作用关系，上述两种干扰都将作用关系，上述两种干扰都将使副控制器的输出减小，都要求阀门开度关小。使副控制器的输出减小，都要求阀门开度关小。 控制阀的调节作用是主、副控制器控制作用的叠加。控制阀的调节作用是主、副控制器控制作用的叠加。 减小燃料的流量不仅是为了克服二次干扰把燃烧室

21、的减小燃料的流量不仅是为了克服二次干扰把燃烧室的温度调回到稳态值，而且使燃烧室的温度比稳态值更低一温度调回到稳态值，而且使燃烧室的温度比稳态值更低一些用以克服一次干扰对主变量的影响。些用以克服一次干扰对主变量的影响。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4224一次干扰和二次干扰引起主、副变量反方一次干扰和二次干扰引起主、副变量反方向变化，即一个增大而另一个减小。向变化，即一个增大而另一个减小。 假定一次干扰为窑车前进速度增大，引起主变量假定一次干扰为窑车前进速度增大，引起主变量(烧烧成带温度成带温度)T1下降；二次干扰为燃料

22、压力增大，导致副变下降；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量量(燃烧室温度燃烧室温度)T2升高。升高。 对主控制器来说，由于其测量值减小，根据其对主控制器来说，由于其测量值减小，根据其“反反”作用关系，它的输出将增大，也将使副控制器的设定值作用关系，它的输出将增大，也将使副控制器的设定值增大。增大。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4225 对副控制器来说，由于其测量值增大，设定值也增大，对副控制器来说，由于其测量值增大，设定值也增大，如果它们同步增大，幅度相同，即副控制器的输入信号如果它们同步增大，幅度相同，即副控制器的

23、输入信号偏差没有改变，控制器的输出当然也就不变，控制阀开度不偏差没有改变，控制器的输出当然也就不变，控制阀开度不变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节。变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节。 如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副化不相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在控制器再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上。设定值上。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章

24、串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4226 从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合，尤其是对于目的，两个控制器协调一致，互相配合，尤其是对于二次干扰，二次干扰，副控制器首先进行副控制器首先进行“粗调粗调”，主控制器再，主控制器再进一步进一步“细调细调”。因此控制质量必然高于简单控制系。因此控制质量必然高于简单控制系统。统。 从结构上看，两个控制器串联工作，一个控制器从结构上看，两个控制器串联工作，一个控制

25、器的输出作为另一个控制器的设定值，共同完成对主变的输出作为另一个控制器的设定值，共同完成对主变量的定值控制任务。量的定值控制任务。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4227串级控制系统的分析与设计串级控制系统的分析与设计7.3.1串级控制系统的分析 串级控制系统在结构上仅仅比简单控制系统多了一串级控制系统在结构上仅仅比简单控制系统多了一个副回路，可是实践证明，对于相同的干扰，串级控制个副回路，可是实践证明，对于相同的干扰，串级控制系统的控制质量是简单控制系统所无法比拟的。系统的控制质量是简单控制系统所无法比拟的。过程控制与

26、集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院7.3 5:45:42287.3.1.1 减小了对象的时间常数 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院Gc1(s)、Gc2(s)分别为主、副控制器的传递函数；分别为主、副控制器的传递函数； Go1(s)、Go2(s)分别为主、副对象的传递函数；分别为主、副对象的传递函数； Gm1(s)、Gm2(s)分别分别为主、副检测变送器的传递函数；为主、副检测变送器的传递函数； Cv(s)为控制阀的传递函数。为控制阀的传递函数。5:45:4229 把整个副回路看作

27、是一个等效副对象并以把整个副回路看作是一个等效副对象并以Go2(s)表示表示其传递函数，则图示的简单控制系统为其传递函数，则图示的简单控制系统为:假定假定 Gc2(s)=Kc2(s), Gv(s)=Kv, Gm2(s)=Km2, Go2(s)=Ko2/To2(s)+1过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4230过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4231过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45

28、:4232无论在什么情况下，无论在什么情况下，1+Kc2KvKo2Km21不等式总是成不等式总是成立的。立的。 在串级控制系统中，由于副回路的存在，改善了原在串级控制系统中，由于副回路的存在，改善了原有一部分对象的特性，使等效副对象的时间常数有一部分对象的特性，使等效副对象的时间常数To2减小减小到副对象本身时间常数到副对象本身时间常数To2的的1(1+ Kc2KvKo2Km2)。并且随。并且随着副控制器的放大系数着副控制器的放大系数Kc2的增大，时间常数减小得更加显的增大，时间常数减小得更加显著。著。 时间常数的减小，意味着控制通道的缩短，从而使时间常数的减小，意味着控制通道的缩短，从而使控

29、制作用更加及时，响应速度更快，控制质量必然得到提控制作用更加及时，响应速度更快，控制质量必然得到提高。高。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4233等效副对象的放大系数减小了，即等效副对象的放大系数减小了，即Ko2Ko2这种减这种减小不仅不会影响控制质量，反而此时串级控制系统中主小不仅不会影响控制质量，反而此时串级控制系统中主控制器的放大系数控制器的放大系数Kcl可以整定得比单回路控制系统中更可以整定得比单回路控制系统中更大一些，对提高系统抗干扰能力更加有利。大一些，对提高系统抗干扰能力更加有利。7.3.1.2 7.3.1

30、.2 提高了系统的工作频率提高了系统的工作频率系统的工作频率可以通过特征方程求得。 串级控制系统的简化图可以写出其特征方程为： 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4334过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4335过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4336过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4337过程控制与集散系

31、统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4338过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4339 串级控制系统由于副回路的存在，改善了对串级控制系统由于副回路的存在，改善了对象特征，使整个系统的工作频率提高了，过渡过象特征，使整个系统的工作频率提高了，过渡过程的振荡周期减小了，衰减系数相同的条件下，程的振荡周期减小了，衰减系数相同的条件下，调节时间缩短了，提高了系统的快速性，改善了调节时间缩短了，提高了系统的快速性，改善了系统的控制品质。系统的控制品质。 当主、副对象的特性一定时

32、，副控制器的放当主、副对象的特性一定时，副控制器的放大系数大系数Kc2整定得越大，这种效果越显著。整定得越大，这种效果越显著。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:43407.3.1.3 增强了系统的抗干扰能力增强了系统的抗干扰能力 由于副回路的存在，对二次干扰有很强的抑制作用。由于副回路的存在，对二次干扰有很强的抑制作用。 在串级控制系统中，假定二次干扰从控制阀前进入副在串级控制系统中，假定二次干扰从控制阀前进入副回路回路.过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:

33、45:4341过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4342过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4443一个控制系统对于干扰作用，要求系统能尽快克服它的影响，使被控变量稳定在设定值上。 也就是说D2（s）/ Y1（s）/越小越好，越接近于0，说明控制质量越高。 对于设定值，要求被控变量能尽快地跟随设定值的变化而变化。也就是说R1（s）/ Y1（s）/越接近于l，控制质量越高。若从以上两方面考虑，控制系统的抗干扰能力可以用它们的比值来评价，即过程控制与集散系统

34、过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4444如果主、副控制器都采用纯比例控制，且比例系数分别为Kcl、Kc2则： Y1（s）/R1（s）/ Y1（s）/D2（s）=Kc1Kc2 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院对于串级控制系统，主、副控制器的比例系数乘积对于串级控制系统，主、副控制器的比例系数乘积越大，抗干扰的能力就越强。越大，抗干扰的能力就越强。 我们用同样的方法写出评价单回路控制系统抗干扰我们用同样的方法写出评价单回路控制系统抗干扰能力的表达式。能力的表达式。 干扰从相同位置

35、进入单回路控制系统干扰从相同位置进入单回路控制系统。5:45:4445被控变量分别对干扰、设定值的闭环传递函数为：被控变量分别对干扰、设定值的闭环传递函数为： 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4446要比较串级控制系统和单回路控制系统在相同条件下的抗干扰能力，我们只要在系统都整定到衰减系数相同的情况下，比较Kc1Kc2与Kc的大小即可作出判断。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4447过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统

36、串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4448过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4449过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4450抗干扰能力抗干扰能力为为: : 对于进入主回路的一次干扰，抗干扰能力也有对于进入主回路的一次干扰，抗干扰能力也有一定提高。一定提高。 因为副回路的存在，减小了副对象的时间常数，因为副回路的存在，减小了副对象的时间常数，对于主回路来讲，其控制通道缩短了，克服一次干对于主回路来讲，其控制通道缩短了，克服一次干扰比同等条件下的

37、单回路控制系统更及时了。扰比同等条件下的单回路控制系统更及时了。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:44517.3.1.4 7.3.1.4 对负荷变化有一定的自适应能力对负荷变化有一定的自适应能力实际生产过程中的许多对象都具有不同程度的非线性。实际生产过程中的许多对象都具有不同程度的非线性。 随着操作条件和负荷的变化，对象的静态增益也将发生随着操作条件和负荷的变化，对象的静态增益也将发生变化，即变化，即K K0 0不是一个常数。不是一个常数。在简单控制系统中，控制器的参数是在一定负荷，也就在简单控制系统中，控制器的参数是在一

38、定负荷，也就是在一定工作点下，按一定的控制质量指标要求整定的。是在一定工作点下，按一定的控制质量指标要求整定的。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院整定好的控制器参数，只能适应于工作点附近的一个小范围。 如果负荷变化超过了一定范围，工作点偏移较远，对象的增益将发生明显改变，引起系统的回路增益发生变化。 5:45:45527使得原来基于一定负荷或工作点条件下整定的那套控制器参数不再适用了，控制质量将随之下降。可以通过控制阀的不同流量特性加以补偿，但是常受到控制阀品种等各种条件的限制，这种补偿作用也是很有限的。过程控制与集散系统过程控制与

39、集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院有效的办法就是采用串级控制系统。将具有较大非线性的那部分对象包括在副回路当中，由于副回路是一个随动控制系统，它的设定值随主控制器的输出而变化。 主控制器就可以按照操作条件和负荷的变化情况，相应地调整副控制器的设定值，保证在操作条件和负荷发生变化的情况下，控制系统仍然具有较好的控制质量。 5:45:4553从另一方面看，可知串级控制系统中等效副对象的放大倍数为 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院可以看出，串级控制系统中等效副对象的放大系数K02只与负反馈回路中的检测变

40、送环节的放大倍数有关，而与控制阀的Kv和副对象的Ko2无关。 只要对检测变送环节进行了线性化处理，副对象的非线性特性对整个系统的控制品质影响是很小的。 串级控制系统能自动地克服对象非线性特性的影响，从而显示出它对负荷变化具有一定的自适应能力。 5:45:4554(1)由于副回路的存在，减小由于副回路的存在，减小 了对象的时间常数，缩短了控了对象的时间常数，缩短了控 制通道，使控制作用更加及时制通道，使控制作用更加及时 (2)提高了系统的工作频率，提高了系统的工作频率， 使振荡周期减小，调节时间使振荡周期减小，调节时间 缩短，系统的快速性增强了缩短，系统的快速性增强了(3)对二次干扰具有很强的克

41、对二次干扰具有很强的克 服能力，对克服一次干扰的服能力，对克服一次干扰的 能力也有一定的提高能力也有一定的提高。(4)对负荷或操作条件的变化对负荷或操作条件的变化 具有一定的自适应能力具有一定的自适应能力串级控制系统的特点：串级控制系统的特点：过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4555例2 设串级控制系统的方框图 如图主、副对象的传递函数分别为： 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4556过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统

42、串级控制系统兰州理工大学电信学院由于采用了串级控制，系统工作频率由单回路的0.087增加到0.23，加快了2.6倍。 二次干扰下的短期最大偏差由单回路的0.24减小到0.011，减小了22倍之多。一次干扰，短期最大偏差也由单回路系统时的0.3减小到0.11，减小了近3倍。 串级控制系统对控制品质的改善是十分明显的。 5:45:45577.3.2串级控制系统的设计 一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会减小到单回路控制系统时的进入时，其最大偏差将会减小到单回路控制系统时的1/101/101/1001/100。干扰从主回路进入，最

43、大偏差也会缩小。干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统时的到单回路控制系统时的1/3-1/51/3-1/5。7.3.2.1 7.3.2.1 主变量的选择主变量的选择 选择直接或间接地反映生产过程的产品产量、质量、选择直接或间接地反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制目的的参数作主变量。节能、环保以及安全等控制目的的参数作主变量。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4558在条件许可的情况下，尽量选择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，直接反映控制目的的参数为主变量，不行时可

44、选择与控制目的有某种单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；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变化灵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敏度；还应考虑工艺上的合理性和实现的可能性。实现的可能性。选选 择择 原原 则则 是是7.3.2.2 7.3.2.2 副变量的选择副变量的选择 副回路的设计质量是保证发挥串级控制系统副回路的设计质量是保证发挥串级控制系统优点的关键。优点的关键。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4559 (1)应使主要的和更多的干扰应使

45、主要的和更多的干扰落入副回路落入副回路尽可能地把更多的干扰纳入副回路，特别是那些尽可能地把更多的干扰纳入副回路，特别是那些变化剧烈、幅度最大、频繁出现的主要干扰包括在变化剧烈、幅度最大、频繁出现的主要干扰包括在副回路中，一旦出现，副回路首先把它们克服到最副回路中，一旦出现，副回路首先把它们克服到最低程度，减小它们对主变量的影响，从而提高控制低程度，减小它们对主变量的影响，从而提高控制质量。质量。 原料油的出口温度应作为主变量，燃料油的原料油的出口温度应作为主变量，燃料油的流量作为操纵变量，控制阀安装在燃料油的管线上。流量作为操纵变量，控制阀安装在燃料油的管线上。 可供选为副变量的有燃料油的阀前

46、压力、燃料油的可供选为副变量的有燃料油的阀前压力、燃料油的流量及炉膛温度。流量及炉膛温度。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4560过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4561 如果燃料油的压力波动是生产过程中的主要干扰，选择燃料油阀前压力作为副变量构成出口温度与阀前压力串级控制系统，如图中虚线1。 选择燃料流量为副变量构成温度流量串级控制系统，如图中虚线2。 假若燃料的压力和流量都比较稳定，而生产过程中原料油的流量却频繁波动，或原料油的入口温度受外界影

47、响波动较大，上述两个方案都是不可行的，因为它们没有把主要干扰纳入副回路之中。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4562 这时应将炉膛温度选作副变量构成图中虚线3的温度温度串级控制系统就显得更为合理了。它不仅将主要干扰纳入副回路，而且将更多的次要干扰也包括在副回路中了，例如燃料油热值的变化、原料油组分的变化、助燃风的流量波动、烟囱抽力的变化等等。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4663(2)应使主、副对象的时间常数应使主、副对象的时间常数匹配匹配从

48、回路的频率特性来分析回路都分别看作是从回路的频率特性来分析回路都分别看作是一个二阶振荡系统。一个二阶振荡系统。 二阶系统的闭环传递函数为二阶系统的闭环传递函数为过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4664过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4665过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4666 从图中可以看出，除了当r时，M有一个峰值外，二阶振荡系统还有一个增幅区域，即在共振频率附近的一定

49、区间内，系统的幅值将明显增大。可以称这个区间为广义共振区。 共振区的频率范围为 1/3 /r 当外界干扰频率小于1/3r或大于 r ，系统的增幅是很小的，甚至没有增幅。 如果外界干扰频率进入1/3r到 r之间时，系统的幅值增大，振荡加剧，甚至发生共振。 222过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4667过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4668 另外根据二阶系统闭环传递函数的特征方程可知系统的工作频率d与系统的自然频率。 有如下关系： d=o 对于小的阻

50、尼系数，r和d的值几乎相等。 如果分别将主、副回路都整定到4；1的衰减振荡，即=0216时，它们的工作频率d与其对应的共振频率r近似相等。即 dlrl d2=r2 21过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4669 串级控制系统的主、副回路，是两个相互独立又密切相关的回路。 从副回路看，主控制图二阶振荡系统的幅频特性器无时无刻不向副回路输送信号，相当于副回路一直受到从主回路来的一个连续性干扰，这个干扰信号的频率就是主回路的工作频率dl，也是主回路的共振频率r1而从主回路来看，副回路的输出对主回路也相当于一个连续作用的干扰，这个

51、干扰信号的频率就是副回路的工作频率d2，也是副回路的共振频率r2。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4670 如果主、副回路的工作频率很接近，彼此都落入了对方的广义共振区，那么在受到某种干扰作用的时候，主参数的变化进入副回路时，会引起副参数振幅的增加，而副参数的变化送到主回路时，又会迫使主参数变化幅值的增加，如此循环往复，使主、副参数长时间地大幅度波动，造成系统容易剧烈振荡，稳定性变差。这也就是所谓的“共振效应”。 为了避免这种现象发生，在设计时务必将主、副回路的工作频率错开。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7

52、 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4671 避免“共振效应”的条件是：为确保串级控制系统不受到“共振效应”的威胁，一般取 d2=(310)d1 根据系统的工作频率与对象的时间常数近似成反比关系，在选择副变量时，应考虑主、副对象时间常数的匹配关系，通常取 T01=(310)TO2 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4672 上述结论虽然是假定主、副回路均为二阶系统的前提下得出的，但也不失一般性。原因是系统经过整定后，总有一对起主导作用的极点，整个回路的工作频率由它们来决定，即可把这个系统看作一个

53、近似二阶振荡系统。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4673(3)应考虑工艺上的合理性、可应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性能性和经济性副变量的选择，应考虑工艺上主、副变量有对应关系，副变量的选择，应考虑工艺上主、副变量有对应关系，即调整副变量能有效地影响主变量，而且可以在线检测。即调整副变量能有效地影响主变量，而且可以在线检测。 串级控制系统的设计，有时从控制角度看是合理的、可串级控制系统的设计，有时从控制角度看是合理的、可行的，但从工艺角度看，却是不合理的。这时就应该根据行的，但从工艺角度看，却是不合理的。这时就应

54、该根据工艺的具体情况改进设计。工艺的具体情况改进设计。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4774 反应器中的温度是反映工艺情况的指标，被选为主被控变量。 反应器中的催化裂化过程是一个吸热反应，其热量靠载热体与催化剂在反应器与再生器之间的循环来提供。 把这一串级控制方案改为增压风流量简单控制系统，以稳定催化剂循环量，而反应器温度可通过反应器进料预热来控制，则效果更好。 实践证明，这样的方案是可行的。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4775在副回路的设

55、计中，若出现几个可供选择的方案时，应把经济原则和控制品质要求有机地结合起来。 在保证生产工艺要求的前提下，尽量选择投资少、见效快，成本低、效益高的方案。 这个思想应作为工程设计人员的指导原则。 过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4776主变量是生产工艺的重要指标。控制品质要求较 高，超出规定范围就要出次品或发生事故。副变量 的引入主要是通过闭合的副回路来保证和提高主变 量的控制精度。 这是串级控制系统的基本类型。 (1)(1)控制规律的选择控制规律的选择一般说来有下列四种情况： 7.3.2.37.3.2.3主、副控制器的选

56、择主、副控制器的选择 包括主、副控制器控制规律的选择，控制器正、反包括主、副控制器控制规律的选择，控制器正、反作用的选择以及控制器积分饱和的预防。作用的选择以及控制器积分饱和的预防。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4777 生产工艺对主变量的控制品质要求高，因而主控制器宜选择PI控制作用。为了克服对象的容量滞后，进一步提高主变量的控制质量，可再加入微分作用，即选择PID控制。 对于副控制器，因对副变量的控制品质要求不高，一般选P作用就行了。此时引入积分作用反而减弱了副回路的快速性。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第

57、7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4778对主变量的控制要求较高，对副变量的控制要求也不低。为了使主变量在外界干扰作用下不至于产生余差，主控制器选择PI作用； 为了克服进入副环干扰的影响，保证副变量也达到一定的控制品质要求，副控制器也选择PI作用。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4779对主变量的控制要求不高，允许在一定范围内波动。 要求副变量能够快速、准确地跟随主控制器的输出而变化。此时主控制器可选择P作用，而副控制器应选择PI作用。 对主变量的控制要求不十分严格，对副变量的控制品质要求

58、也不高。主、副控制器均可选择P作用。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4780 如果输入控制器的测量信号增大，控制器是比例作用时的输出也增大，则称其作用方式为正作用，否则为反作用。 选择的方法有逻辑推理法和判别式法。 (2)(2)控制器正、反作用方式的选择控制器正、反作用方式的选择过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4781 逻辑推理法逻辑推理法过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:47

59、82a)副回路 确定副控制器正反作用时，将副回路看作是一个设定值不变的单回路。 b)主回路 确定主控制器的正反作用时，要利用副控制器的选择结果。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4783正反作用方式确定的基本原则是保证系统成为负反馈。 判别式法判别式法 有些生产过程要求控制系统既可以进行串级控制，又可以由主控制器单独控制。 两种控制方式切换时，要注意主控制器的正、反作用方式是否需要改变。过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4884 控制器具有积分作用。当

60、系统长时间存在偏差而不能消除时，控制器将出现积分饱和现象。这一现象将造成系统控制品质下降甚至失控。在串级控制系统中，如果副控制器只是P作用，而主控制器是PI或PID控制时，出现积分饱和的条件与单回路控制系统相同，利用外部积分反馈法，只要在主控制器的反馈回路中加一个间歇单元就可以有效地防止积分饱和。 (3)(3)主、副控制器的防积分饱和主、副控制器的防积分饱和措施控制规律的选择措施控制规律的选择过程控制与集散系统过程控制与集散系统第第7 7章章 串级控制系统串级控制系统兰州理工大学电信学院5:45:4885 如果主、副控制器都具有积分作用，积分饱和的情况比单回路控制系统要严重得多，存在着两个控制