串级控制cascade

1、+-ryuym)(sGc)(sGp)(sGv)(sGm图5.1反应器的温度控制D2D1图5.2反应器简单温度控制系统q1r调节器夹套调节阀槽壁反应槽温度测量q2q1图5.3反应器的温度串级控制方案图5.4反应器温度控制系统D2D1q1q2q1r主调节器副调节器调节阀夹套反应槽温度测量温度测量q2r槽壁F主参数主参数( (主变量主变量) ): :串级控制系统中起主导作串级控制系统中起主导作用的被调参数。用的被调参数。F副参数副参数( (副变量副变量) ): :其给定值随主调节器的输其给定值随主调节器的输出而变化，能提前反映主信号数值变化的出而变化，能提前反映主信号数值变化的中间参数（辅助参数）中

2、间参数（辅助参数） 。 F主调节器主调节器( (主控制器主控制器) ): :据主参数与给定值的据主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为副调节器的给定偏差而动作，其输出作为副调节器的给定值的调节器；值的调节器；F副调节器副调节器( (副控制器副控制器) ): :其给定值由主调节器其给定值由主调节器的输出决定，并根据副参数与给定值的输出决定，并根据副参数与给定值( (即主即主调节器输出调节器输出) )的偏差动作。的偏差动作。F主回路主回路( (外回路外回路) )： 断开副调节器的反馈断开副调节器的反馈回路后的整个外回路。回路后的整个外回路。F副回路副回路( (内回路内回路) )： 由副参数、副调节

3、器由副参数、副调节器及所包括的一部分对象所组成的闭合回路及所包括的一部分对象所组成的闭合回路（随动回路（随动回路) )F主对象主对象( (惰性区惰性区) )： 主参数所处的那部分主参数所处的那部分工艺设备，其输入信号为副变量，输出信工艺设备，其输入信号为副变量，输出信号为主参数号为主参数F副对象副对象( (导前区导前区) )： 副参数所处的那部分副参数所处的那部分工艺设备，其输入信号为调节器输出信号工艺设备，其输入信号为调节器输出信号，其输出信号为副参数，其输出信号为副参数( (副变量副变量) )。F形成两个环: 副环或副回路“粗调”作用 主环或主回路“细调”作用F副环中有副调节器、副变送器、

4、副对象 以及调节阀。 主环中有主调节器、主变送器、主对象, 无调节阀FF副环调节副参数，如夹套内温度。 主环调节主参数，如反应器温度最终目标。FF副回路是一个随动系统，其设定值是主调节器之输出，不代表副参数要达到的设定值。串级控制系统方框图串级控制系统方框图)(2sWpY2(s)R2(s)R1(s)WT1(s)WT2(s)Wv(s)Wp2(s)Wp1(s)Wd2(s)Wm2(s)Wm1(s)Y1(s)D2(s)R1(s)WT(s)Wv(s)Wp2(s)Wp1(s)Wd2(s)Wm(s)Y2(s)R2(s)Y1(s)D2(s)单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图1.1.串级系统的内环具有快速

5、作用，能有效串级系统的内环具有快速作用，能有效地克服二次扰动的影响地克服二次扰动的影响)()()()(1)()()()()()(1)()()()(1)()()()(222221112221221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsDsYmpvTpvTpmTmpvTpd)()()()()(1)()()()(211221sWsWsWsWsWsWsWsDsYmppvTpd单(6-2)(6-1)()()()()()()()()()(1)()()()(221112221221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsDsYpvTpmTmpvTpd与单回路比较与单回路

6、比较 在二次干扰下，被控量受二次干扰的在二次干扰下，被控量受二次干扰的影响影响, , 串级系统比单回路系统要减小串级系统比单回路系统要减小10-10010-100倍。倍。结论结论化简化简2. 2. 内环起了改善对象动态特性的用，提高内环起了改善对象动态特性的用，提高系统工作频率，提高控制品质系统工作频率，提高控制品质整个副回路可看成一个等效对象整个副回路可看成一个等效对象)(2sWp其中:2222221KKKKKKKKmvpvp11222KKKKmvp222221KKKKTTmvp22TT 设1)(222sTKsWp22)(pTKsWvvKsW)(22)(mmKsW1)(222sTKsWp3.

7、 3. 内环的存在，使系统有一定的自适应内环的存在，使系统有一定的自适应能力能力222222222221, 11mmvpmvpvpKKKKKKKKKKKKKK所以因为F副回路增益不受主回路系统负荷影响副回路增益不受主回路系统负荷影响F副回路是个随动系统，快速跟踪的能副回路是个随动系统，快速跟踪的能力力一一. .副回路的设计原则副回路的设计原则副回路的设计原则：副回路的设计原则：等干扰包括在副回等干扰包括在副回路内，充分发挥副路内，充分发挥副回路改善系统动态回路改善系统动态特性的作用，保证特性的作用，保证主参数的稳定主参数的稳定; ;（1） 副回路应把副回路应把 变化幅度最大变化幅度最大 最剧烈

8、最剧烈 最频繁最频繁 （2）选择副回路时，应力求把尽量多的干扰选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力。提高系统抗干扰能力。（3）主、副对象的时间常数应适当匹配，主、副对象的时间常数应适当匹配， 原则是：两者相差大一些。原则是：两者相差大一些。二二. . 副回路工作频率的选择副回路工作频率的选择当当 时，主副对象之间的动态时，主副对象之间的动态联系十分紧密，则在干扰作用下，主、副参数联系十分紧密，则在干扰作用下，主、副参数 任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样

9、，两个参数互相促进，振荡更加剧烈，这就是，两个参数互相促进，振荡更加剧烈，这就是 显然应力求避免。显然应力求避免。2. T1 (35) T2或或 T1 = (310) T2FF当当时，表示时，表示很小，副回路很小，副回路包括的干扰因素越少，副回路克服干扰包括的干扰因素越少，副回路克服干扰 能力能力强的优点未能充分利用。强的优点未能充分利用。FF当当时，表明时，表明过大，副回路过大，副回路包括的干扰多，包括的干扰多， 控制作用不及时。控制作用不及时。 21212111221122( ),( )11( ),( ),( )( ),( )ppTTTTvvmmmmKKWsWsT sT sWsKWsKWs

10、KWsKWsK=+=设对象是惯性设对象是惯性环节环节，其它均为比例环节，即，其它均为比例环节，即代入（代入（6-16-1）式分母化成二阶系统标准形式）式分母化成二阶系统标准形式 ()()21 212222 12221211210TvmTvmTTvmT T sTTKK KK TsKK KKKKK KK K+=220020ssxww+=21222101 212TvmTTKK KK TT Twx+=g串串阻尼系数阻尼系数自然频率自然频率x0w12222 12201 21112TvmTTKK KK TT Twx wxx+=-=-gg串串串串串同理，单回路控制系统的工作频率同理，单回路控制系统的工作频率

11、 串级控制系统的工作频率串级控制系统的工作频率 12212112TTT Twxx+=-gg单单单假定串级控制和单回路控制以同样的衰减率工作，即令：假定串级控制和单回路控制以同样的衰减率工作，即令： xx=串单()11122 21222222 12121122 1112KK KTKK KKTv mTTKK KK TTTv mTK TTv mTTTTTww+=+=+串单FF由上式由上式2221122111TvmKK KKTfTTT串单 的曲线图如图的曲线图如图6-126-12所示。所示。 可作出函数可作出函数2221TvmKK KK确定，确定，若若F从上图，串级控制系统频率增长的速度，在主、副从上

12、图，串级控制系统频率增长的速度，在主、副对象时间常数的比值对象时间常数的比值时最为显著。时最为显著。Kv=KzKfT T2 2很小，副回路包括的干扰因素越来越少，很小，副回路包括的干扰因素越来越少，副副回路回路克服干扰能力强的优点未能充分利用。克服干扰能力强的优点未能充分利用。 T2T2过大，副回路包括的干扰过多，控制作用不过大，副回路包括的干扰过多，控制作用不及时。及时。 在选副回路时，主、副对象的时间常数比在选副回路时，主、副对象的时间常数比值应值应 之间之间希望希望小些，使副回路灵敏，控制作用快。小些，使副回路灵敏，控制作用快。但但 过小，必然使比值过小，必然使比值加大，则提加大，则提高

13、统的工作频率意义不大。同时，高统的工作频率意义不大。同时， 过小，过小，将导致副环过于敏感而不稳定。将导致副环过于敏感而不稳定。 三三. . 性能比较（课本性能比较（课本P111P111例例5-55-5）相同的整定条件下相同的整定条件下（ 0.75衰减率，0残偏差） 单回路系统 串级系统 工作频率 0.087 0.23二次扰动短期最大偏差 0.24 0.011一次扰动短期最大偏差 0.3 0.11 四四. .串级控制系统中的量纲串级控制系统中的量纲副回路副回路)()()()(1)()()()(222222sWsWsWsWsWsWsWsWmpvTpvTp1),111 ()(222pipTKsTK

14、sW)(1)(22sWsWmpmAcKWmp221)0(rWT1WT2WvWp2d2Wp1d1Wm2Wm1q2q1Wm1(s)WT1(s)Wp1(s) rq1(C)(mA)(mA)(mA)-(mA)(C)(C)(C)(2sWpWm1(s)特殊问题特殊问题: 有时会将串级系统改为单回路系统，有时会将串级系统改为单回路系统， 此时应考虑正反作用。此时应考虑正反作用。副回路的正反作用同单回路系统，且作为等效副回路的正反作用同单回路系统，且作为等效 副对象副对象 ，永远是，永远是“”的的)(2sWp主回路只需考虑等效副对象，按单回路选择正反作用。主回路只需考虑等效副对象，按单回路选择正反作用。一一.

15、. 选型选型 (2)副参数要求：允许误差副参数要求：允许误差 FF WT2 选选P调节器调节器原则：原则：(1)主参数要求高主参数要求高 FF WT1 选选PID调节器调节器二二. . 整定整定F尽量加大副调的增益以提高副环频率。尽量加大副调的增益以提高副环频率。F运行中，有时会把主环从自动切到手动，副调应能独运行中，有时会把主环从自动切到手动，副调应能独立工作。立工作。F一般主副调频率相差很大，互相影响不大，先在主环一般主副调频率相差很大，互相影响不大，先在主环开路时整定副调，然后在投入副调后整定主调。开路时整定副调，然后在投入副调后整定主调。 要求无差要求无差 FF WT2 选选PI调节器

16、调节器三三. . 整定方法整定方法1.1.逐步逼近法：逐步逼近法：1）副环。断开主环，求）副环。断开主环，求Wc212) 主环。副环（主环。副环（ Wc21），），求求Wc113) 副环。主环（副环。主环（ Wc11 ）、副环闭合，求）、副环闭合，求Wc224) 主环。主环、副环（主环。主环、副环（ Wc22 ）闭合，求）闭合，求Wc125) 若达不到要求，若达不到要求，3）4）2.2.两步整定法：两步整定法：1 1）副环。主环、副环都闭合，主副调都为）副环。主环、副环都闭合，主副调都为P P调节器，调节器，主调主调 1 1=100%=100%，整定，整定副调得到副调得到 2 2s s和和T Ts2 s2 ( ( =0.75)=0.75