双回路PID教学讲解课件

序前面我们介绍了单回路控制系统，单回路控制系统基本上可满足大量（70%到80%）定值控制的要求。在对象：

1.纯滞后不大；

2.容积滞后不大（阶数不多）；

3.无严重的非线性因素；

4.干扰不是太多太复杂；的情况下，采用单回路控制系统一般可以达到很好的控制效果。但对某些比较复杂的被控对象，它们不完全具备以上四个条件，或者在调节质量要求较高的场合，单回路控制系统就无能为力了。这时，必须借助于较复杂的控制系统。我们将除单回路控制系统之外的常规控制系统，统称为复杂控制系统。

一般的复杂控制（多回路）系统包括：串级控制系统前馈控制系统比值控制系统均匀控制系统选择性控制系统分程控制系统

阀位控制系统先进控制系统具有大纯滞后过程的控制系统模型预测控制自适应、鲁棒与推断控制非线性过程控制智能控制（模糊控制、神经网络控制、专家系统）监督控制

复杂控制系统第六章串级控制系统6.1CascadeControlSystem本章的主要内容6.1.1基本原理和结构一、举例说明串级控制系统的概念二、方块图及常用名词6.1.2串级控制系统分析一、串级控制系统的特点二、串级控制系统的适用场合6.1.3串级控制系统设计

一、副变量的选择

二、主副控制器的选择

三、主副控制器正反作用的确定四、系统的投运和参数整定

例1、单容水箱液位高度的控制扰动来自两个方面：入水口流量和出水口负荷流量。当入水口流量为主要扰动时可采用串级控制系统。其中流量控制回路主要用于克服入口流量的扰动。液位控制回路主要用于克服所有扰动以达到控制液位的高度的目的例2加热炉出口

温度控制系统

扰动来自三方面：

原料油入口温度和流量d1、

管壁的结垢程度与导热状况d2、

炉膛压力，燃油热值变化d3等。

对象可控因素有两类：

燃料气压力和流量、

炉膛压力和温度。

可组成串级系统如图。例3一个用泵抽送的化学反应器的串级控制系统例4精馏塔蒸汽流量和提馏段温度控制系统

操作变量为蒸汽流量。主要扰动为：

蒸汽控制阀的阀前压力（蒸汽回路的主要扰动）、

进料量变化（温度回路的主要扰动）提馏段温度与蒸汽流量串级控制系统方块图下图所示的是串级控制系统的方块图，主调节器副调节器调节阀副对象主对象副测量变送器主测量变送器+++++--+Red1d2y二、方块图及常用名词

定义：两个调节器串联工作，主调节器的输出作为副调节器的给定值，副调节器操纵阀门动作的系统结构称为串级控制系统。两大特点：主调节器的输出作为副调节器的给定值；两个控制回路为嵌套关系。串级系统于是有：两个对象，两个测量变送，两个调节器，一个阀门。常用名词介绍主调节器：按主参数与给定值的偏差工作，其输出为副调节器的设定，在系统中起主导作用。副控制器：按副参数与主调节器的输出之偏差工作，其输出直接操纵阀门。

主参数：生产过程要求控制的工艺参数，如

y。

副参数：为了稳定主参数或因某种需要而引入的辅助参数。主回路：框图中的外环称为主环或主回路。副回路：框图中的内环称为副环或副回路。主对象：主回路所包含的对象称为主对象。副对象：副回路所包含的对象称为副对象。主变送器：测量和转换主参数的变送器称为主变送器。副变送器：测量和转换副参数的变送器称为副变送器。一次干扰：被主回路所包含的干扰称为一次干扰。二次干扰：被副回路所包含的干扰称为二次干扰。例1加热炉出口温度与燃料油（气）压力串级控制系统6.1.2串级控制系统分析例2一个加热原料油的加热炉，出口温度与燃料油（气）流量的串级控制系统

TTTCFCFT主变送器副变送器主控制器副控制器燃料工艺物料流

方案一：可构成如图所示的单回路控制系统对象的调节通道包括：炉膛，管壁和被加热物料。干扰因素包括：被加热介质流量，温度等；管壁的结垢程度与导热状况；炉膛压力，燃油压力与燃油热值。出口温度炉膛测量变送被加热物料f1y管壁f3f2壁温炉温燃料油量调节器调节阀f1f3f2矛盾（存在问题）：调节通道与T

都大，显然，系统调节通道长，时间常数大，调节作用不及时，抗干扰能力差，影响到控制精度。而出口温度又要求较高，难以满足要求。方案二：将较长的对象分为主副两段对象，采用分段控制构成串级系统。主调节器副测量变送器主测量变送器+-副调节器调节阀+-副对象炉温壁温炉膛3f出口温度被加热物料y1f主对象2f管壁燃料油量

1、由于副环的存在，对于进入副环的干扰（二次扰动）具有较强的抑制能力；设副对象的传递函数为，采用比例控制，放大倍数为。一、串级控制系统的特点K2T

s+12Kc2例1串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值系统。因此，主变量在扰动作用下的过渡过程和单回路具有相同的品质指标。但是，由于在结构上，从对象中引出了中间变量（即副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。

传递函数为：Km2D2YKvK2T2s+1Kc22

采用了串级控制以后，当二次干扰D2从控制（调节通道）的输入端进入副回路后，首先影响副参数，于是副回路立即动作与原来副对象的传递函数相比，T与K分别减小到原来的

倍。在受到同样干扰的条件下，

Y所受的影响要小得多，因而使

Y所受的影响也小得多。

2.改善了整个对象的动态特性（使T与

K

都缩小）；

显而易见，串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部分对象（广义对象，包括阀门），与另一部分对象串联。所以，整个对象特性T与K也分别减小。

211+KKKKvm22c21由于副环的存在，改善了对象特性，提高了工作频率。

Km2KvKc2T

1s+1Y2Y1K12KT

s+12Kc1Km1C1对整个系统求传递函数，由已知串级特征公式：1+

k=0与标准二阶系统相比串级工作频率

再看相应的单回路系统，由已知串级特征公式：1+

k=0所以，单回路工作频率KvT

s+11YK12KT

s+12Kc1Km1

要想得到相同的衰减比，则：

=所以，因为：所以，即。同样的衰减比，而工作频率高，意味着调节周期短，对象特性被改善。´3.加快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。

通常情况下，副对象是单容或双容对象。因此，副调节器的增益可以取得很大，这样等效时间常数可以减小，从而加快了副环的响应速度，提高系统的工作频率。4.副回路的随动特性使串级系统具有一定的自适应能力。

主回路定值系统副回路随动系统

主调节器按负荷和操作条件的变化不断地纠正副调节器的给定值，使副调节器的给定值适应负荷的变化。如果对象有较大的非线性存在，把这部分包含到副回路中去，则当负荷或操作条件变化时，必然使副回路的工作点移动而影响副回路的稳定裕度，即影响副回路的衰减率。但在串级系统中，副回路衰减率的变化对整个系统的稳定性影响很小，所以从这个意义上说，串级系统能适应不同负荷变化和操作条件的改变。

克服进入内环的扰动D2串级和单回路比较克服进入外环的扰动D1的情况二、串级控制系统的适用场合1、过程纯滞后比较大，单回路不能满足调节质量。2、过程容积滞后较大，用单回路时过渡过程时间太长，调节质量差。3、系统中进入激烈且幅值较大的干扰，单回路抗干扰能力不足。4、对象具有较大的非线性特性，且负荷变化较大。5、操作变量或调节阀具有较大的非线性特性。6.1.3串级控制系统设计一、主、副变量的选择

1、副变量的选择从对象中能引出中间变量是设计串级系统的前提条件。当可有多个中间变量时，一般选择：（1）、将主要扰动或更多的扰动包括在副回路中。（2）、副对象的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应性能。（3）、将对象中具有显著非线性或时变特性的一部分归于副对象中。（4）、需要流量实现精确的跟踪时，可选流量为副变量。

2、主副对象时间常数要错开

避免由于主、副回路工作频率相近而产生共振。一般应使T主>35T副。二、主、副调节器控制规律的选择：主调节器的控制规律与单回路时选择相同，P、I、D。

副调节器的控制规律一般选用纯比例控制。且K大（小）以加强对干扰的抑制。三、主、副调节器正、反作选择

－－－－－－保证闭环负反馈四、

系统投运和参数整定

1、两步法：先副环、后主环。（用衰减曲线法求

1s、

2s）

a.将主调节器100%，Ti=，Td=0

；用衰减曲线法整定副回路，求出副回路的