第11次 串级控制1

第4章串级控制系统

Cascadecontrolsystems

4.1发展概况与组成4.2工作过程与特点4.3设计4.4整定4.5应用 4.1发展概况与组成

一、发展

结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。 单回路控制系统：4.1发展概况与组成

一、发展 单回路控制系统：结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。复杂控制系统：具有两个以上的检测变送单元、或控制器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务

串级控制系统：对改善控制品质有独到之处，故而在过程控制系统中应用很广泛。4.1发展概况与组成

二、提出背景

以炼油厂管式加热炉的出口温度控制为例：管式加热炉出口温度直接控制方案问题：控制通道容量滞后很大，控制缓慢。燃料压力或燃料的热值变化影响炉膛温度热传导给原料影响出口温度3min15min原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉管式加热炉出口温度间接控制方案炉膛温度变化T2T、T2C回路先改变燃料量T1T、T1C回路再改变燃料量出料温度变化措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。燃料压力变化3min原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉T2CT2T4.1发展概况与组成

三、组成1、系统框图f1(t)-原料油流量、f2(t)-原料油入口温度、f3(t)-燃料压力、f4(t)-燃料热值出口温度设定炉膛温度设定炉膛实际温度出料实际温度4.1发展概况与组成

三、组成2、串级系统标准框图主对象副对象副控制器调节阀主控制器副变送器主变送器一次扰动二次扰动设定副变量主变量主、副变量，主、副控制器，主、副对象，主、副变送器，主、副回路，一、二次扰动等4.1发展概况与组成

三、组成3、结构特点系统有两个闭合回路，形成主、副(内、外)环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。主、副控制器是串联工作的，主控制器的输出作为副控制器的给定值。4.2工作过程与特点

一、工作过程仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析克服干扰的过程1．燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)发生扰动——干扰进入副回路进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。4.2工作过程与特点

一、工作过程2．原油流量f1(t)、原油入口温度f2(t)发生扰动——干扰进入主回路对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。4.2工作过程与特点

一、工作过程3．干扰同时作用于副回路和主回路（1）主副回路的干扰影响方向相同。如：燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑→副控制器调节燃料的流量，使之减小

原油流量f1(t)↓→出口温度↑→主控制器使副控制器的设定值减小，使得副控再次减小燃料量4.2工作过程与特点

一、工作过程（2）主副回路的干扰影响方向相反。如：燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑→副控制器的测量值↑原油流量f1(t)↑→出口温度↓→主控制器使副控制器的设定值↑以上使得副控的输入偏差基本不变，不作调节，也会使目标温度回到原来的工作点上4.2工作过程与特点

二、工作特点Gc1(s)Gc2(s)X1(s)Y1(s)-GV(s)F2(s)+G02(s)F1(s)+G01(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)-Z1(s)Z2(s)X2(s)E1(s)E2(s)将整个副回路看成一个副对象，简化图4.2工作过程与特点

二、工作特点等效单回路框图：G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－G*02(s)G’02(s)Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

F2(s)G01(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－单回路控制系统框图：X2(s)4.2工作过程与特点

二、工作特点串级系统等效副对象的传函：单回路系统4.2工作过程与特点

二、工作特点T02′K02′串级系统等效副对象的传函：<K02<T024.2工作过程与特点

二、工作特点G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－K02

′<K02T02′<T02X2(s)4.2工作过程与特点

二、工作特点

主控制器Gc1(s)的调整余量大1、放大系数K02′<K02Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－4.2工作过程与特点

二、工作特点

改善动态性能，提高控制质量2、时间常数T02′<T02Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－4.2工作过程与特点

二、工作特点3、工作频率系统的工作频率ωcyt振荡频率相同，衰减比↑，调节时间↓，过程快衰减比相同，振荡频率↑，振荡周期↓，调节时间↓，过程快衰减比相同频率越高↑过程越快↑4.2工作过程与特点

二、工作特点3、工作频率从系统特征方程：1+Gc1(s)G’02(s)G01(s)Gm1(s)=0求串级系统的工作频率ω串Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－X2(s)4.2工作过程与特点

二、工作特点3、工作频率串级系统特征方程：1+Gc1(s)G02′

(s)G01(s)Gm1(s)=0等效副对象的传函：单回路系统特征方程：1+Gc1*(s)G02(s)G01(s)Gm1(s)=04.2工作过程与特点

二、工作特点3、工作频率衰减比相同频率越高↑过程越快↑4.2工作过程与特点

二、工作特点4、抗干扰能力G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－考察进入副回路、主回路的干扰Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－X2(s)4.2工作过程与特点

二、工作特点4、抗干扰能力Gc1(s)Gc2(s)X1(s)Y1(s)-GV(s)+G02(s)F1(s)+G01(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)-Z1(s)Z2(s)X2(s)E1(s)E2(s)F2(s)副回路干扰通道传函：4.2工作过程与特点

二、工作特点4、抗干扰能力副回路干扰通道传函：式中：4.2工作过程与特点

二、工作特点4、抗干扰能力则：K02

*<<K02K02

*<<K02

说明副回路干扰的影响力降低4.2工作过程与特点

二、工作特点4、抗干扰能力G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－X2(s)考察进入主回路的干扰4.2工作过程与特点

二、工作特点4、抗干扰能力T02′<T02

T02

′<T02，说明主环通道时间常数被缩短，加快了系统的控制速度，克服干扰能力增强。4.2工作过程与特点

二、工作特点5、自适应能力

在不同的工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控制，控制器参数可能不再适用。G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－随动系统4.2工作过程与特点

二、工作特点5、自适应能力(1)串级控制将部分对象包含在副回路中，工艺负荷或操作条件变化时，主控制器随时调整副控制器的设定值，调节系统仍然具有较好的控制质量。Gc1(s)Gc2(s)X1(s)Y1(s)-GV(s)+G02(s)F1(s)+G01(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)-Z1(s)Z2(s)X2(s)E1(s)E2(s)F2(s)K02′≈1/Km24.2工作过程与特点

二、工作特点5、自适应能力(2)放大系数只与检测变送有关，G02(s)的非线性特性对等效K02′影响不大，适应能力强Gc1(s)Gc2(s)X1(s)Y1(s)-GV(s)+G02(s)