第五章串级控制系统

1、15.1 单回路控制系统单回路控制系统第五章第五章 串级控制系统串级控制系统2简单控制系统（单回路控制系统）简单控制系统（单回路控制系统） 一个被控对象，一个测量变送器，一个控一个被控对象，一个测量变送器，一个控制器和一个执行机构（控制阀）组成的闭环制器和一个执行机构（控制阀）组成的闭环控制系统。控制系统。3 被控变量的选择：被控变量的选择：1）选择能直接反映过程产品和质量又易于测）选择能直接反映过程产品和质量又易于测量的参数作为被控变量量的参数作为被控变量直接参数法直接参数法；2）选择那些间接反映产品产量和质量又与直）选择那些间接反映产品产量和质量又与直接参数有单值对应关系，易于测量的参数作

2、接参数有单值对应关系，易于测量的参数作为被控变量为被控变量间接参数法间接参数法。例如：化工生产中精馏塔把混合物分离为较纯组分的产品，系统的要求就是例如：化工生产中精馏塔把混合物分离为较纯组分的产品，系统的要求就是产品达到规定的纯度，塔顶出物的浓度最能直接反映过程的要求，产品达到规定的纯度，塔顶出物的浓度最能直接反映过程的要求，准确检测？准确检测？及时测量？及时测量？可用塔顶的温度间接作为被控变量。可用塔顶的温度间接作为被控变量。4操纵变量的选择：操纵变量的选择：从诸多影响被控变量的输入参数中，从诸多影响被控变量的输入参数中，选择一选择一个对被控变量影响显著而且可控性能良好的个对被控变量影响显著

3、而且可控性能良好的输入参数作为操纵变量输入参数作为操纵变量，而其它未被选中的，而其它未被选中的所有输入量看作系统的干扰，通过改变操纵所有输入量看作系统的干扰，通过改变操纵变量去克服干扰的影响。变量去克服干扰的影响。 根据过程干扰因素的来源和大小，以被控过根据过程干扰因素的来源和大小，以被控过程特性参数对控制质量的影响为依据，正确选程特性参数对控制质量的影响为依据，正确选择操纵变量。择操纵变量。5被控对象的特性可由两条通道来描述：被控对象的特性可由两条通道来描述：控制通道控制通道-操纵变量对被控变量影响的通道；操纵变量对被控变量影响的通道；干扰通道干扰通道-干扰变量对被控变量影响的通道。干扰变量

4、对被控变量影响的通道。在生产过程中可能有几个控制变量可选择，在生产过程中可能有几个控制变量可选择，通过通过分析不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质分析不同的控制通道和不同的扰动通道对控制质量的影响给出合理的选择。量的影响给出合理的选择。操纵变量的选择要考虑对象特性对控制系统的影操纵变量的选择要考虑对象特性对控制系统的影响。响。61.放大系数对控制质量的影响放大系数对控制质量的影响1)() 1)(1()()(21TsKsGsTsTKsGKsGooddcc)()()(1)()()()()(1)()()()(1)()()(limlimsDsGsGsGsssEesDsGsGsGsEsGsGsGsDs

5、YocdssssocdocdocdssKKKessD1,/1)(则71）扰动通道放大倍数越小越好扰动通道放大倍数越小越好，扰动对被控，扰动对被控变量的影响小，控制精度越高。变量的影响小，控制精度越高。2）操纵变量对被控变量的影响显著，控制作）操纵变量对被控变量的影响显著，控制作用强，要求控制通道的放大倍数要大些，但用强，要求控制通道的放大倍数要大些，但必须以满足工艺生产的合理性为前提条件；必须以满足工艺生产的合理性为前提条件；选择操纵变量时：82.对象动态特性的影响对象动态特性的影响1）扰动通道特性的影响）扰动通道特性的影响)()(1/11)()(1)()()(sGsGTsTKsGsGsGsD

6、sYocdddocd0)()(1)1(sGsGTsocd系统特征方程：系统特征方程发生变化，即在根平面上增加一个 的附加极点，随着时间常数Td的增大，其对应的过渡过程分量的衰减系数减小，过程变慢，过渡过程时间加长；但其分量的幅值减小到 使过程的超调量随Td的增大而减小，控制质量得到提高。dT1dT/19扰动通道的纯滞后不会影响控制质量。扰动通道的纯滞后不会影响控制质量。扰动通道的扰动通道的时间常数越大时间常数越大，干扰对被控变量，干扰对被控变量的影响越缓慢，即对控制质量的的影响越缓慢，即对控制质量的影响越小影响越小；扰动通道存在纯滞后时，系统的闭环传递函数为扰动通道存在纯滞后时，系统的闭环传递

7、函数为)()()()(1)()()(tytyesGsGsGsDsYsocd102）干扰作用位置对控制质量的影响）干扰作用位置对控制质量的影响干扰通道具有惯性环节阶数增加，对干扰信号的缓和作用越强，系统克服它的影响就越容易，控制质量也就越高。操纵变量选择时，应使干扰信号远离被控量点。应使干扰信号远离被控量点。11（2）控制通道的影响）控制通道的影响 控制通道中时间常数小，反应灵敏，控制通道中时间常数小，反应灵敏，控制及时，有利于克服干扰的影响，控制及时，有利于克服干扰的影响，但时间常数过小，容易引起过渡的振但时间常数过小，容易引起过渡的振荡；时间常数过大，控制作用迟缓，荡；时间常数过大，控制作用

8、迟缓，被控变量的超调量加大，过渡过程时被控变量的超调量加大，过渡过程时间增长。间增长。12 纯滞后的存在操纵变量对被控变量纯滞后的存在操纵变量对被控变量的作用推迟，控制作用的推迟，不但的作用推迟，控制作用的推迟，不但使被控变量的超调量加大，还使过渡使被控变量的超调量加大，还使过渡过程震荡加剧，时间也增长，控制质过程震荡加剧，时间也增长，控制质量变坏。量变坏。13 操纵变量的选择原则：操纵变量的选择原则：（1）构成的控制系统，其控制通道特）构成的控制系统，其控制通道特性应具有足够大的放大倍数，比较小的性应具有足够大的放大倍数，比较小的时间常数及尽可能小的纯滞后时间；时间常数及尽可能小的纯滞后时间

9、；（2）系统主要扰动通道特性应该具有）系统主要扰动通道特性应该具有尽可能大的时间常数和尽可能小的放大尽可能大的时间常数和尽可能小的放大系数；系数；（3）应考虑工艺上的合理性、经济性。）应考虑工艺上的合理性、经济性。14喷雾式干燥塔喷雾式干燥塔15碳酸钙浆液干燥过程工艺流程：碳酸钙浆液干燥过程工艺流程：碳酸钙浆碳酸钙浆液与加压空气由底部进入塔内，经喷嘴喷液与加压空气由底部进入塔内，经喷嘴喷出呈雾状。另一路空气由鼓风机送至换热出呈雾状。另一路空气由鼓风机送至换热器加热后，与未加热的空气混合后进入干器加热后，与未加热的空气混合后进入干燥塔内，以蒸发浆液中的水分，成粉状，燥塔内，以蒸发浆液中的水分，成

10、粉状，并随空气一起送出。经旋风分离器分离，并随空气一起送出。经旋风分离器分离，得到粉状碳酸钙（产品）。得到粉状碳酸钙（产品）。16被控变量的选择：被控变量的选择：产品的湿度测量十产品的湿度测量十分困难，根据工艺分析，产品的湿度分困难，根据工艺分析，产品的湿度与塔出口温度密切相关，若保证温度与塔出口温度密切相关，若保证温度波动小于波动小于2-5度，则符合质量要求。度，则符合质量要求。选择干燥塔出口温度作为被控参数选择干燥塔出口温度作为被控参数（间接参数）。（间接参数）。17操纵变量的选择：操纵变量的选择：影响干燥塔出口温度的主要因素有：影响干燥塔出口温度的主要因素有：加压空气流量，浆液流量，旁路

11、空气加压空气流量，浆液流量，旁路空气流量，烟道流量。可有四种变量作为流量，烟道流量。可有四种变量作为操纵变量。操纵变量。根据工艺的具体情况分析，得出应该根据工艺的具体情况分析，得出应该的操纵变量。的操纵变量。18若采用加压空气流量作为操纵变量，空气直接若采用加压空气流量作为操纵变量，空气直接进入干燥塔，控制通道时滞最小，对干燥温度进入干燥塔，控制通道时滞最小，对干燥温度的控制作用最灵敏。其它变量构成的干扰通道的控制作用最灵敏。其它变量构成的干扰通道相对滞后较大，整个控制系统的品质比较好，相对滞后较大，整个控制系统的品质比较好，应该选择方案。但是从工艺看，加压空气的作应该选择方案。但是从工艺看，

12、加压空气的作用是将浆液喷成雾状，其流量的大小影响浆液用是将浆液喷成雾状，其流量的大小影响浆液的雾化程度，当浆液流量确定后，加压空气的的雾化程度，当浆液流量确定后，加压空气的流量应保持某一常数值。而这是一个不可控的流量应保持某一常数值。而这是一个不可控的因素，所以此方案不可采用。因素，所以此方案不可采用。19若采用浆液流量作为操纵变量，控制通道滞后若采用浆液流量作为操纵变量，控制通道滞后小，系统的控制作用及时，但是，浆液流量决小，系统的控制作用及时，但是，浆液流量决定着生产负荷，如果取它为操纵变量，将影响定着生产负荷，如果取它为操纵变量，将影响产量，这是工艺过程所不容许的，所以此方案产量，这是工

13、艺过程所不容许的，所以此方案也不可选取。也不可选取。20若选择旁路空气作为操纵变量，浆液流量作为若选择旁路空气作为操纵变量，浆液流量作为扰动信号，其构成的控制通道的滞后也较小，扰动信号，其构成的控制通道的滞后也较小，同时扰动通道的时滞较大，控制系统的效果最同时扰动通道的时滞较大，控制系统的效果最好。好。若选择烟道气流量作为操纵变量，浆液流量作若选择烟道气流量作为操纵变量，浆液流量作为扰动信号，其构成的控制通道的滞后也较小，为扰动信号，其构成的控制通道的滞后也较小，但比旁路空气作为操纵变量构成的系统的时滞但比旁路空气作为操纵变量构成的系统的时滞大一些。大一些。 21总体分析几种控制方案，并考虑生

14、总体分析几种控制方案，并考虑生产工艺的具体情况，得出选择旁路产工艺的具体情况，得出选择旁路空气作为系统的操纵变量。空气作为系统的操纵变量。22干燥塔总体控制方案：干燥塔总体控制方案：加压空气加压空气单独设计一流量控制系统，以排单独设计一流量控制系统，以排除其对干燥塔温度的影响；除其对干燥塔温度的影响；在温在温度控制系统中，取塔出口温度为度控制系统中，取塔出口温度为被控变量，旁路空气为操纵变量。被控变量，旁路空气为操纵变量。235.2 串级控制基本概念串级控制基本概念24255.1.1 串级控制串级控制隔焰式隧道窑温度控制系统隔焰式隧道窑温度控制系统261.工作原理：工作原理：1）陶瓷制品预热，

15、烧结温度）陶瓷制品预热，烧结温度1300，偏，偏差差5，影响产品质量；，影响产品质量；2）烧成带温度作为）烧成带温度作为被控量被控量，燃料的流量，燃料的流量作为作为操纵变量操纵变量；3）隔焰（火焰在燃烧室，防止有害物质）隔焰（火焰在燃烧室，防止有害物质影响产品光泽）影响产品光泽）27温温度度到到设设定定值值燃燃料料的的流流量量调调节节阀阀检检测测C11UCTTT简单控制简单控制：28ssesTKGesTKsG211) s (1)(202002010101和vvKsG)(5K) s (171) s (1501)(5021001vvssGesGessG，和假设系统燃烧室和烧成带的数学模型均为惯性加

16、纯滞后环节控制阀为比例环节控制器采用PID控制，在此假设控制器采用PID控制器，其中Kp=0.36，Ti=45，TD=0，单回路控制系统仿真框图和干扰D1、D2分别作用下系统输出仿真曲线如图所示。29（a）干扰D1作用下 （b）干扰D2作用下302.存在问题：存在问题：控制阀到窑道烧成带滞后时间长，燃料的控制阀到窑道烧成带滞后时间长，燃料的压力波动等，得不到及时调节，造成温度压力波动等，得不到及时调节，造成温度波动过大，严重影响产品的质量。波动过大，严重影响产品的质量。3.解决方法：解决方法：若单独考虑燃料压力的波动，它首先影响若单独考虑燃料压力的波动，它首先影响燃烧室的温度（滞后时间小），能

17、否控制燃烧室的温度（滞后时间小），能否控制燃烧时温度来达到稳定烧成带温度？燃烧时温度来达到稳定烧成带温度？31燃烧室温度控制系统燃烧室温度控制系统32直接影响烧成带温度的干扰（制品原料，直接影响烧成带温度的干扰（制品原料，窑车速度）无法调节。窑车速度）无法调节。燃烧室温度作为被控变量的单回路控制系统燃烧室温度作为被控变量的单回路控制系统33（a）干扰D1作用下 （b）干扰D2作用下 34 第一种控制包括系统所有干扰，第二种控制第一种控制包括系统所有干扰，第二种控制 只能对主要干扰提前发现，及时控制。只能对主要干扰提前发现，及时控制。烧成带温度控制烧成带温度控制-主导作用主导作用，为定值控制；，

18、为定值控制；燃烧室温度控制燃烧室温度控制-辅助作用辅助作用，它受烧成带温，它受烧成带温度控制器的操纵，即度控制器的操纵，即烧成带温度控制器的输出作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为燃烧室温度控制器的设定值。形成串级控形成串级控制系统。制系统。35温度温度温度串级控制系统温度串级控制系统36串级控制系统：串级控制系统：采用两个控制器采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副串联工作，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，从而对主被控变出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。量具有更好的控制效果。37隔焰隧道

19、窑串级控制系统方框图隔焰隧道窑串级控制系统方框图38串级控制系统原理方框图串级控制系统原理方框图5.1.2 串级控制系统的组成串级控制系统的组成39串级控制系统的名词术语串级控制系统的名词术语 n主被控参数主被控参数起主导作用起主导作用的被控参数。的被控参数。 n副被控参数副被控参数为为稳定主参数而引入的中间辅稳定主参数而引入的中间辅助参数。助参数。 n主被控过程主被控过程由主被控参数表征其特性的生由主被控参数表征其特性的生产过程。其输入量为副被控参数，输出量为主产过程。其输入量为副被控参数，输出量为主被控参数。被控参数。 n副被控过程副被控过程由副被控参数作为输出的生产由副被控参数作为输出的

20、生产过程，其输入量为控制参数。过程，其输入量为控制参数。 40串级控制系统的名词术语串级控制系统的名词术语n主调节器主调节器按主被控参数的测量值与给定值按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。器的给定值。n副调节器副调节器按副被控参数的测量值与主调节按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制调节阀动作。调节阀动作。 n副副 回回 路路由副调节器、副被控过程和副由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。测量变送器组成的闭合回路。 n一一 次次

21、 扰动扰动不包括在副回路内的扰动。不包括在副回路内的扰动。 n二二 次次 扰动扰动包括在副回路内的扰动。包括在副回路内的扰动。 41 5.1.3 工作过程工作过程 1）干扰作用于副回路（二次干扰）干扰作用于副回路（二次干扰） 干扰为燃料压力波动，干扰为燃料压力波动，首先引起燃烧室温度变首先引起燃烧室温度变化，副控制器作定值控制化，副控制器作定值控制（因滞后，并不立即引起（因滞后，并不立即引起烧成带温度变化）燃料流量将被调回到稳态值附近，烧成带温度变化）燃料流量将被调回到稳态值附近，如果干扰不大，如果干扰不大，副回路的调节，系统平稳副回路的调节，系统平稳，不会引，不会引起主变量变化。如果起主变量

22、变化。如果干扰较大干扰较大，副回路的作用已大副回路的作用已大大消弱了它对主变量的影响大消弱了它对主变量的影响，随时间的推移，主变，随时间的推移，主变量仍会受影响，量仍会受影响，主控制器作定值控制，克服干扰对主控制器作定值控制，克服干扰对主变量的影响主变量的影响。42（a）单回路控制系统 （b）串级控制系统单回路控制系统和串级控制系统二次干扰作用下系统的响应曲线 432）干扰作用于主回路（一次干扰）干扰作用于主回路（一次干扰） 干扰导致主变量变化，主控制器作用，干扰导致主变量变化，主控制器作用，副控制器的设定值变化（副变量的检测值不副控制器的设定值变化（副变量的检测值不变），等效为设定值不变，测

23、量值变化的副变），等效为设定值不变，测量值变化的副控制器的定值控制。控制器的定值控制。注意：注意：副回路没有抢先动作克服干扰，而副回路没有抢先动作克服干扰，而是接受主控制信号之后才工作。是接受主控制信号之后才工作。主控制器起主控制器起主导作用，副控制器处于从属地位。主导作用，副控制器处于从属地位。44（a）单回路控制系统 （b）串级控制系统单回路控制系统和串级控制系统一次干扰作用下系统的响应曲线453）干扰同时作用主，副回路（一，二次干扰）干扰同时作用主，副回路（一，二次干扰）（1）干扰引起主副回路同向变化）干扰引起主副回路同向变化 主控制器的作用和副控制器的作用也为同向，主控制器的作用和副控

24、制器的作用也为同向，副控制器获得的偏差大，控制作用也大，克服干副控制器获得的偏差大，控制作用也大，克服干扰的能力强。扰的能力强。（2）干扰引起主副回路反向变化）干扰引起主副回路反向变化 若变化大小相同，二次干扰可补偿一次干扰，若变化大小相同，二次干扰可补偿一次干扰，阀门无需调节；若不相同，主控制器调节，副控阀门无需调节；若不相同，主控制器调节，副控制器在作小范围调节，制器在作小范围调节，主控制器为主导，主副控主控制器为主导，主副控制器协调一致。制器协调一致。46（a）单回路控制系统 （b）串级控制系统单回路控制系统和串级控制系统一次、二次干扰同时作用下系统的响应曲线47另一实例另一实例 反应釜

25、温度与温度串级控制反应釜温度与温度串级控制485.2 串级控制系统的分析与设计串级控制系统的分析与设计5.2.1 系统分析系统分析 串级控制系统在结构上仅仅比简单串级控制系统在结构上仅仅比简单控制系统多了一个副控制回路，但对控制系统多了一个副控制回路，但对系统的影响特别大。系统的影响特别大。5.2.1.1 减小了对象的时间常数减小了对象的时间常数49串级控制系统传递函数方框图串级控制系统传递函数方框图50串级控制系统传递函数方框图串级控制系统传递函数方框图51串级控制系统传递函数简化方框图串级控制系统传递函数简化方框图52副副回回路路的的等等效效传传递递函函数数1KKKK1sTKKKK1KKK

26、KKKK1sTKKKK1sTKKK11sTKKK) s (G) s (G) s (s)G(s)GG1) s (s)G(s)GG) s (G) s (R) s (Ym202vc202m202vc202vc2m202vc20202vc2m20202vc20202vc202m202vc202vc202221sTK) s (G,K(s)G,K(s)G,K(s)G 020202m2m2vvc2c2假设假设531KKKK1m202vc2等效副对象的传递函数等效副对象的传递函数等效副对象的时间常数等效副对象的时间常数等效副对象的放大倍数等效副对象的放大倍数1sTK) s (GKKKK1TTKKKK1KKKK

27、020202m202vc20202m202vc202vc202无论在何种情况下，无论在何种情况下， 不等式总是成立的，由此得：不等式总是成立的，由此得：54 串级控制系统能使等效副对象的时间串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，意味着控制通道的缩短，使控常数变小，意味着控制通道的缩短，使控制作用更及时，响应速度更快，控制质量制作用更及时，响应速度更快，控制质量提高。提高。 等效副回路的放大系数减小，这可使等效副回路的放大系数减小，这可使主控制器的增益整定的比单回路控制大些，主控制器的增益整定的比单回路控制大些，对系统抗干扰能力更有利。对系统抗干扰能力更有利。55 串级控制系统使扰动的稳态余

28、差比单回串级控制系统使扰动的稳态余差比单回路系统余差大大减小。路系统余差大大减小。) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (D) s (Ym10102vc2c1m202vc2m202vc20111) s (G) s (G) s (G) s (G1) s (G) s (D) s (Ym202vc20222) s (G) s (D) s (Y0222单回路时副环扰单回路时副环扰动的传递函数动的传递函数串级时副环扰动串级时副环扰动的传递函数的传递函数56

29、02020sssm202vc202m202vc2020sssKs1) s (GeKKKK1Ks1) s (G) s (G) s (G) s (G1) s (Gelimslims单单串串串级控制后，副环的扰动的稳态余差降低了串级控制后，副环的扰动的稳态余差降低了m202vc2KKKK11575.2.1.2 提高了系统工作频率提高了系统工作频率0) s (G) s (G) s (s)G(s)G(s)GGs)(G) s (s)G(s)GG10) s (G) s (G) s (G) s (s)G(s)GG1) s (s)G(s)GG(s)G10) s (G) s (s)G(s)GG1m10102vc2

30、c1m202vc2m101m202vc202vc2c1m10102c1串级控制系统的特征方程串级控制系统的特征方程58设主副回路各环节的传递函数设主副回路各环节的传递函数1sTK) s (G1sTK) s (GK(s)GK(s)GK(s)GK(s)G020202010101m2m2m1m1c2c2c1c1代入，整理得串级系统的特征方程，串级控代入，整理得串级系统的特征方程，串级控制系统的工作频率制系统的工作频率5921TTTKKKKTT1j1jsTTKKKKKKKKKKK1TTTKKKKTT20s2s0TTKKKKKKKKKKK1sTTTKKKKTTs2020101m202vc20201200

31、2002 , 10201m20201vm1c2c1m202vc220020101m202vc20201020020201m20201vm1c2c1m202vc2020101m202vc202012串串串串60单回路控制系统的特征方程及频率单回路控制系统的特征方程及频率,202010201,0,2,00,2, 10201m20201vc1,2002010201,0,0201m20201vc1020102012m10102vc121TTTTj1jsTTKKKKK1TTTT20TTKKKKK1sTTTTs0(s)(s)G(s)GG) s (G) s (G1单单61假设串级控制和单回路控制系统的衰减系

32、数假设串级控制和单回路控制系统的衰减系数相同，则相同，则单串单串）（02010201m202vc2020101m202vc20201TT1TTKKKK11TTTKKKKTT 串级控制系统的工作频率提高，使振荡周期缩串级控制系统的工作频率提高，使振荡周期缩短，系统的快速性提高，改善了系统的动态品质。短，系统的快速性提高，改善了系统的动态品质。625.2.1.3 增强了系统的抗干扰能力增强了系统的抗干扰能力串级控制中，假定二次干扰从控制阀前进入串级控制中，假定二次干扰从控制阀前进入副回路副回路干扰从阀前进入串级系统干扰从阀前进入串级系统63扰动信号作用下产生的输出，可用如下等效变扰动信号作用下产生

33、的输出，可用如下等效变换图换图) s (G) s (s)G(s)GG1) s (s)GG(s)G1) s (D) s (Ym10102c10102c22164) s (G) s (s)G(s)GG1) s (s)G(s)GG) s (R) s (Ym10102c10102c111设定值作用下的闭环传递函数设定值作用下的闭环传递函数干扰作用下的输出为误差，其越块衰减越好；干扰作用下的输出为误差，其越块衰减越好；设定值作用下的输出越快趋于设定值越好。设定值作用下的输出越快趋于设定值越好。) s (s)GG) s (D/ ) s (Y) s (R/ ) s (Yc2c11111评价值评价值65C2C

34、1c2c11111C2c2C1c1KK) s (s)GG) s (D/ ) s (Y) s (R/ ) s (YK) s (G,K(s)G 主副控制器的增益之积越大，系统主副控制器的增益之积越大，系统抗干扰能力越强，控制品质越好。抗干扰能力越强，控制品质越好。66单回路控制系统单回路控制系统cC2m10102vC0102vCm10102vc10102v2K(s)G) s (D/ ) s (Y) s (R/ ) s (Y) s (G) s (s)G(s)G(s)GG1) s (s)G(s)G(s)GG) s (R) s (Y) s (G) s (s)G(s)G(s)GG1) s (s)G(s)G

35、G) s (D) s (Y评价值评价值67 副回路的存在，能迅速克服二次干扰对主副回路的存在，能迅速克服二次干扰对主变量的影响，大大提高了控制质量。变量的影响，大大提高了控制质量。另外，对于一次干扰，因时间常数的减小，另外，对于一次干扰，因时间常数的减小，其抗干扰能力也有一定提高。其抗干扰能力也有一定提高。5.2.1.4 对负荷变化的适应性增强对负荷变化的适应性增强1）主回路主回路是一个是一个定值控制定值控制系统，系统，副回路副回路却却是一个是一个随动控制随动控制系统，其系统，其设定值随主控制器设定值随主控制器的输出而变化，的输出而变化，68当负荷变化时，对象特性也变化，但串级控制中当负荷变化

36、时，对象特性也变化，但串级控制中副对副对象的等效放大倍数只与检测变送环节的增益有关，与象的等效放大倍数只与检测变送环节的增益有关，与控制阀和副对象的增益无关。控制阀和副对象的增益无关。也就是串级控制系统能也就是串级控制系统能自动的克服对象特性的影响，从而显示它对负荷变化自动的克服对象特性的影响，从而显示它对负荷变化具有一定的自适应能力。具有一定的自适应能力。m202m202vc2m202vc202vc202K1K1KKKKKKKK1KKKK，则则一一般般条条件件下下，2）串级控制系统中等效副对象的放大倍数为）串级控制系统中等效副对象的放大倍数为695.2.1.5. 串级控制可实现更为灵活的控制

37、串级控制可实现更为灵活的控制操作方式操作方式 串级控制系统可实现串级控制，主控制，串级控制系统可实现串级控制，主控制，副控制多种控制方式。主控是切除副回路，副控制多种控制方式。主控是切除副回路，以主被控变量作为被控变量的单回路控制；以主被控变量作为被控变量的单回路控制；副控是切除主回路。若系统某些部件发生故副控是切除主回路。若系统某些部件发生故障，系统可零活切换，减小对生产过程的影障，系统可零活切换，减小对生产过程的影响。响。70例：设串级控制系统的主，副对象的传递函数分例：设串级控制系统的主，副对象的传递函数分别为别为20201) 1s)(110s(1) s (G) 13s)(130s(1)

38、 s (G主，副控制器的传递函数分别为主，副控制器的传递函数分别为C2c2IC1c1K) s (G)sT11 (K) s (G简单控制系统和串级控制系统控制效果如下表简单控制系统和串级控制系统控制效果如下表71二次干扰作用二次干扰作用72一次干扰作用一次干扰作用73一，二次干扰同时作用一，二次干扰同时作用74控制品质指标控制品质指标Kc=3.7 TI=38Kc1=8.4Kc2=10 TI=12.8衰减率衰减率0.750.75余差余差00系统工作频率系统工作频率0.0870.23二次干扰作用下二次干扰作用下的最大偏差的最大偏差0.280.013一次干扰作用下一次干扰作用下的最大偏差的最大偏差0.

39、350.13简单控制系统简单控制系统串级控制系统串级控制系统755.2.2 串级控制系统的设计串级控制系统的设计76 主变量主变量( (操纵量操纵量) )的选择原则主要有：的选择原则主要有： (1)(1)、条件允许时选择反应控制目、条件允许时选择反应控制目的的参数作为主变量。的的参数作为主变量。 77( (二二) )、副回路决定整个串级系统的、副回路决定整个串级系统的性能关键是副变量的选择性能关键是副变量的选择1）应使主要的和更多的干扰落入副回路）应使主要的和更多的干扰落入副回路 应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在副回路中。动包括在副回路中。 研究

40、系统的干扰来源是十分重要的。以管研究系统的干扰来源是十分重要的。以管式加热炉为例，主扰动为燃油压力还是燃油式加热炉为例，主扰动为燃油压力还是燃油热值，则副回路的选择大不相同。热值，则副回路的选择大不相同。78管式加热炉串级控制方案管式加热炉串级控制方案79 系统主控变量系统主控变量-出口温度，燃料油的流量出口温度，燃料油的流量作为操纵变量，作为操纵变量，1）单回路控制）单回路控制-T1T测温测温T1C控制阀；控制阀；控制通道时间常数达控制通道时间常数达15min,控制不及时，另控制不及时，另外，燃料油压力波动较大且频繁，外，燃料油压力波动较大且频繁，可选如下可选如下2）出口温度与阀前压力的串级

41、控制；）出口温度与阀前压力的串级控制；3）出口温度与燃料流量的串级控制；）出口温度与燃料流量的串级控制；80 若原料油的流量波动频繁（原料油的若原料油的流量波动频繁（原料油的入口温度波动较大）入口温度波动较大）4）出口温度与炉膛温度的串级控制。）出口温度与炉膛温度的串级控制。812 2）主、副对象的时间常数要匹配）主、副对象的时间常数要匹配 串级控制系统中，主，副控制回路是两个相互串级控制系统中，主，副控制回路是两个相互独立又密切相关的回路，在一定条件下，如果受独立又密切相关的回路，在一定条件下，如果受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副回路时，到某种干扰的作用，主参数的变化进入副回路时，会引

42、起副参数的波动，振幅的增加，而副参数的会引起副参数的波动，振幅的增加，而副参数的变化传送到主环后，又使主参数的变化幅值增加，变化传送到主环后，又使主参数的变化幅值增加，如此循环，就会使主，副参数长时间大幅度地波如此循环，就会使主，副参数长时间大幅度地波动，形成串级控制系统的共振。导致控制品质恶动，形成串级控制系统的共振。导致控制品质恶化，为此，化，为此，主、副对象的时间常数的选择要匹配。主、副对象的时间常数的选择要匹配。82串级与单回路频率的比值与主副时间常数串级与单回路频率的比值与主副时间常数的比值的关系的比值的关系为了避免共振效应，在设计时，务必将主，为了避免共振效应，在设计时，务必将主，

43、副回路的工作频率错开。副回路的工作频率错开。83 定性分析关系曲线：定性分析关系曲线：1）串级控制系统频率增长的速度在）串级控制系统频率增长的速度在 T01/T02较小时最为显著；较小时最为显著；2）T02小一点，副回路灵敏，控制作用快一小一点，副回路灵敏，控制作用快一点，但点，但T01/T02比值加大，提高系统的工作比值加大，提高系统的工作频率不利；频率不利；3）T02过小，导致副回路过于灵敏而不稳定。过小，导致副回路过于灵敏而不稳定。8485863 3）选副回路应考虑工艺上的合理性）选副回路应考虑工艺上的合理性 只有满足工艺要求，才具有实用性。只有满足工艺要求，才具有实用性。 先考虑工艺要

44、求，再考虑其他要求。先考虑工艺要求，再考虑其他要求。 875.2.2.3 主、副控制器的选择主、副控制器的选择 1 1、对、对主变量控制质量要求高主变量控制质量要求高 主变量宜采用主变量宜采用PIPI规律；欲克服容量滞后，规律；欲克服容量滞后，应引进微分作用，采用应引进微分作用，采用PIDPID规律。规律。 副变量一般采用副变量一般采用P P规律就可以了。规律就可以了。 2 2、对副变量控制要求也较高、对副变量控制要求也较高 主、副变量均采用主、副变量均采用PIPI控制规律。控制规律。 88 3 3、对主变量控制要求不高，甚至允、对主变量控制要求不高，甚至允许小波动许小波动 主变量采用主变量采

45、用P P规律，副回路对主回规律，副回路对主回路的跟随要求快而准时采用路的跟随要求快而准时采用PIPI控制规律。控制规律。 89从串级控制系统的余差来看主副控制器的选择从串级控制系统的余差来看主副控制器的选择假设主，副广义对象均为一阶惯性假设主，副广义对象均为一阶惯性1sTK) s (G1sTK) s (G020202010101（1）扰动进入副环，且）扰动进入副环，且D2(s)=1/s，系统的余，系统的余差为差为0201m1vc2c101m2vc2020102010s2m10102vc2c1m202vc202010s10sssKKKK) s (G) s (G1)s(TKK) s (G1)s1)

46、(Ts(TKKlim) s (D) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G1) s (G) s (Gslim) s (sYlime90当主，副控制器均为当主，副控制器均为P控制器时：控制器时：0KKKKKKKKK1KKe0201m1vc2c1m2vc20201ss当主，副控制器中有一个具有积分作用时：当主，副控制器中有一个具有积分作用时：0KKKK) s (G) s (G1)s(TKK) s (G1)s1)(Ts(TKKlime0201m1vc2c101m2vc2020102010sss（2）扰动进入主环，且）扰动进

47、入主环，且D1(s)=1/s，系统的余，系统的余差为差为91) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (D) s (Ym10102vc2c1m202vc2m202vc20111m10102vc2c1m202v01c20201m20201vc202010s1m10102vc2c1m202vc2m202vc2010sssKKKK) s (G) s (GKKK) 1sT)(s (G) 1sT)(1sT(KKKK) s (G) 1sT(Klim) s (D)

48、 s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (G) s (G) s (G1)s (Gslime当主控制器为当主控制器为PI时，副控制器为时，副控制器为P或或PI时：时：0KKKK) s (G) s (GKKK) 1sT)(s (G) 1sT)(1sT(KKKK) s (G) 1sT(Klimem10102vc2c1m202v01c20201m20201vc202010sss92而当主控制器为而当主控制器为P，副控制器为，副控制器为P或或PI时：时：0KKKK) s (G) s (GKKK) 1sT)(

49、s (G) 1sT)(1sT(KKKK) s (G) 1sT(Klimem10102vc2c1m202v01c20201m20201vc202010sss所以，要消除余差，串级控制系统的主控制器所以，要消除余差，串级控制系统的主控制器采用采用PI，副控制器为，副控制器为P或或PI。93( (二二) )、控制器正、反作用方式的选择、控制器正、反作用方式的选择定义：如果输入控制器的测量信号定义：如果输入控制器的测量信号增大，控制器的输出也增大，则称增大，控制器的输出也增大，则称其作用方式为正作用，否则为反作其作用方式为正作用，否则为反作用。用。正反作用方式选择方式有正反作用方式选择方式有逻辑推理逻

50、辑推理法法和和判别式法判别式法94（1）逻辑推理法）逻辑推理法控制器正反作用选择的推理过程控制器正反作用选择的推理过程95隔焰式隧道窑温度控制系统为例隔焰式隧道窑温度控制系统为例a)副回路副回路 燃烧室温度燃烧室温度T2升高升高 要求燃料的流要求燃料的流量减小量减小 要求阀上的控制信号减小要求阀上的控制信号减小 要求要求T2C的比例作用的输出减小。的比例作用的输出减小。T2C选反作用方式选反作用方式96b)主回路主回路 确定主控制器的正反作用，要利用副确定主控制器的正反作用，要利用副控制器的选择结果。控制器的选择结果。烧成带温度烧成带温度T1升高升高 要求燃料流量减小要求燃料流量减小 要要求阀

51、上控制信号减小求阀上控制信号减小 由于副控制器是由于副控制器是“反反”作用，要求副控制器的设定值减小作用，要求副控制器的设定值减小 要求主要求主控制器比例作用的输出减小。控制器比例作用的输出减小。T1C选择选择“反反”作用作用97(2)判别式法判别式法 控制阀的控制阀的+/-取决于它得作用方式，取决于它得作用方式，“气开气开”为为“+”，“气关气关”为为“-”。（。（从安全角度选择控制阀的类型从安全角度选择控制阀的类型） 副对象的副对象的+/-取决于操纵变量和副控制变量的关系，操取决于操纵变量和副控制变量的关系，操纵变量增大，副控制变量也增大时称其纵变量增大，副控制变量也增大时称其“+”，操纵

52、变量增，操纵变量增大，副控制变量减小时称其大，副控制变量减小时称其“-”。9899说明：说明： 若生产过程要求系统既可进行串级控制若生产过程要求系统既可进行串级控制又可由主控制器单独控制。两种控制方式又可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切换时，要注意主控制器的正反作用方式是否要改变。是否要改变。若副控制器是反作用，切换时主控制器的若副控制器是反作用，切换时主控制器的作用方式不变；作用方式不变；若副控制器是正作用，切换时主控制器的若副控制器是正作用，切换时主控制器的作用方式要改变。作用方式要改变。100主，副控制器的防积分饱和措施主，副控制器的防积分饱和措施积

53、分饱和现象：造成积分饱和现象：造成系统控制品质下降系统控制品质下降甚至失控。甚至失控。串级控制系统，主，副控制器中，副控串级控制系统，主，副控制器中，副控制器采用制器采用P，主控制器采用，主控制器采用PI，PID，积，积分饱和的条件与单回路控制系统相同，分饱和的条件与单回路控制系统相同，可可采用外部积分反馈法。采用外部积分反馈法。101 主，副控制器均有积分作用：存主，副控制器均有积分作用：存在两个控制器输出都达到极值点的在两个控制器输出都达到极值点的可能，可能，串级控制系统的失控范围要比单回串级控制系统的失控范围要比单回路控制系统积分饱和失控大得多。路控制系统积分饱和失控大得多。102管式加

54、热炉串级控制方案管式加热炉串级控制方案燃料油燃料油设定值设定值热原料油热原料油冷原料油冷原料油103主控制主控制副控制副控制阀门开度阀门开度出口温度出口温度104 副控制器防止积分饱和的方法和单副控制器防止积分饱和的方法和单回路控制系统的方法相同，采用外部回路控制系统的方法相同，采用外部积分反馈法。积分反馈法。主控制器防止积分饱和的主控制器防止积分饱和的方法仍然是方法仍然是外部积分反馈法外部积分反馈法，只是其反馈信号不只是其反馈信号不是主控制器的输出，而是副变量的测是主控制器的输出，而是副变量的测量值作为主控制器的外部反馈信号。量值作为主控制器的外部反馈信号。105)(sR1)(sY1)(sE

55、1)(sR2)(sE2)(sY2)(sGc2)(sG)(sGo2c1K1ST1I1)(sY2间歇间歇单元单元)()()()()()()()(sEsTKssYYsTsEKsIcIc111222222111211RRsRYs11R，应应不不断断跟跟踪踪系系统统正正常常时时，106当副回路出现长期偏差时，当副回路出现长期偏差时，)()(sY22Rs 主控制器的输出主控制器的输出R2仅于其输入信号仅于其输入信号E1之间仅仅存在比例关系。而此时之间仅仅存在比例关系。而此时的的Y2只是主控制器输出的一个偏置只是主控制器输出的一个偏置值。值。1075.3 串级控制系统控制器参数的整定串级控制系统控制器参数的

56、整定n串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。回路定值控制系统一样。n副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准确地跟随主调节器的输出变化即可。而准确地跟随主调节器的输出变化即可。 108n在工程实践中，串级控制系统常用的在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有：逐步逼近法、两步整定整定方法有：逐步逼近法、两步整定法、法、一步整定法等。一步整定法等。5.3.1 5.3.1 逐步逼近法逐步逼近法 逐步逼近法是先副

57、后主，逐步逼近。逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。该方该方法较繁琐。法较繁琐。 具体步骤为：具体步骤为： (1) 先断开主回路，整定副控制器。先断开主回路，整定副控制器。109n主回路断开，把副回路按单回路控制系统主回路断开，把副回路按单回路控制系统的参数整定，求取副调节器的整定参数值的参数整定，求取副调节器的整定参数值GGC2C2(s)(s)1 1。(2)(2)闭合主回路，整定主控制器闭合主回路，整定主控制器n副调节器参数置于副调节器参数置于GGC2C2(s)(s)1 1上，闭合主回路，上，闭合主回路，副回路作为一个等效环节。按单回路整定副回路作为一个等效环节。按单回路整定方法，求取主调节器的

58、整定参数值方法，求取主调节器的整定参数值GGC1C1(s)(s)1 1 。 110(3)(3)重新整定副控制器参数重新整定副控制器参数n主调节器参数置于主调节器参数置于GGC1C1(s)(s)1 1上，闭合主回路，上，闭合主回路，再按上述方法求取副调节器的整定参数值再按上述方法求取副调节器的整定参数值GGC2C2(s)(s)2 2 。（4 4）重新整定主控制器参数重新整定主控制器参数n副调节器参数置于副调节器参数置于GGC2C2(s)(s)2 2 上，闭合主回上，闭合主回路，再按上述方法求取主调节器的整定参路，再按上述方法求取主调节器的整定参数值数值GGC1C1(s)(s)2 2 。111n完

59、成一次逼近循环后，可循环下去，逐步逼完成一次逼近循环后，可循环下去，逐步逼近，直到达到满意的质量指标要求为止。近，直到达到满意的质量指标要求为止。 对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。往往费时较多。 1125.3.2 5.3.2 两步整定法两步整定法 (应用最广泛) 对于主副对象的时间常数相差很大，则对于主副对象的时间常数相差很大，则主副回路的工作频率差别很大，主副回路的工作频率差别很大，当副回路当副回路整定好后，可看作主回路的一个环节来整整定好后，可看作主回路

60、的一个环节来整定主回路参数定主回路参数，此时副回路的影响很小，此时副回路的影响很小，甚至可忽略不计，甚至可忽略不计，先整定副变量，再整定先整定副变量，再整定主变量主变量-两步整定法两步整定法113 第一步，整定副控制器；第二步，整定主第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。控制器。n工况稳定时，闭合主回路，主、副调节器工况稳定时，闭合主回路，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于例度置于100%，用单回路控制系统的衰，用单回路控制系统的衰减曲线法整定，求取副调节器的比例度减曲线法整定，求取副调节器的比例度2s和操作周期和操作周期T2s。