串级控制系统解析

1、串级控制系统解析串级控制系统特点 改善副对象特性进步系统的工作频率 具有较强的抗干扰才能 系统的鲁棒性2.1.2 串级控制系统分析2.1.2 串级控制系统分析1. 改善副对象特性进步系统的工作频率2具有较强的抗干扰才能 串级控制系统在副环进入的扰动作用下，控制系统的余差为单回路控制系统余差的 倍。 3. 系统的鲁棒性 由于实际过程往往具有非线性和时变性，工艺操作条件变化引起对象特性变化主要是放大系数变化，从而使系统稳定性变差。增强系统的鲁棒性是指当对象特性变化时，系统稳定性根本保持不变， 即系统的调节品质对对象特性变化不敏感。串级调节系统由于副回路的存在具有鲁棒性，是因为副对象及调节阀等的特性

2、变化对整个调节系统影响不大。例如以下图的系统： 2.1.2 串级控制系统分析 图2.1-8 串级调节系统方块图2.1.2 串级控制系统分析设 且那么2-18 2-17 2.1.2 串级控制系统分析串级时闭环传递函数相对变化量= 单回路时闭环传递函数相对变化量= 副回路放大系数K从5变化到4时KM2=1，串级与单回路鲁棒性分析如下：2.1.2 串级控制系统分析结论：对于同样的对象特性变化，串级受到的影响要远远小于单回路的影响。因此假设对象有非线性特性存在，那么可以把它设计处于副回路之中，当操作条件或负荷发生变化时，对主回路的稳定性影响很小。2.1.2 串级控制系统分析另外，当设2-18式中 时那

3、么 2.1.2 串级控制系统分析 串级控制系统反响回路的变送器线性、精度一定要好，尤其是副回路为流量回路并采用差压法测流量用孔板作为测量元件时，一定要加开方器，如不加开方器，系统由于测量环节的KM2非线性变化，会使整个控制系统的稳定性变差。2.1.2 串级控制系统分析下面再详细分析非线性变送时对系统的影响。 设测量流量采用孔板作为一次元件，差压变送后又没有作开方处理，这时差压变送信号正比于流量的平方，即式中为比例系数。2.1.2 串级控制系统分析流量测量变送环节的静态增益为 即与成正比，将式代入2-18式中，那么2.1.2 串级控制系统分析 由式可见，当负荷流量增加时，变送器增大即主回路增益减

4、小，而调节器的增益一般在运行中都是不改变的，使系统过于稳定，调节时间加长；当负荷流量减小时，那么相反系统稳定性降低。2.1.2 串级控制系统分析通过对以上分析，串级控制系统的特点为：迅速抑制进入副回路的干扰；由于副回路对象特性的改善，对进入主回路的干扰也有较强的抑制作用；串级控制系统的副回路对非线形环节的补偿，具有鲁棒性，能适应负荷和操作条件的变化，具有一定的自适应才能。2.1.2 串级控制系统分析2.1.3 串级控制系统设计 副变量的选择 主、副调节器的调节规律选择防积分饱和串级控制系统设计主副调节器正、反作用选择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。当对象能有多

5、个中间变量可引出时，这就有一个副变量如何选择的问题。副变量的选择原那么是要充分发挥串级系统的优点。2.1.3 串级控制系统设计 将主要干扰包括在副回路内。把更多干扰包括在副回路内。副对象的滞后不能太大，以保持副回路的快速响应性能。2.1.3 串级控制系统设计 将副对象中具有显著非线性或时变特性的一局部归于副对象中。需要流量实现准确的跟踪时，可选流量为副变量。6. 主对象和副对象时间常数相差3倍以上，以防主、副回路产生共振。2.1.3 串级控制系统设计 2. 主、副调节器的调节规律选择 但凡设计串级控制系统的场合，对象特性总有较大的滞后，主调节器采用三作用PID控制规律是必要的。而副回路是随动回

6、路，允许存在余差。从这个角度来讲，副调节器不需要积分作用，一般只采用P作用。如当温度作副变量时，副调节器不宜加积分。这样可以将副回路的开环静态增益调整的较大，以进步抑制干扰的才能；假设要参加微分作用一定要采用“微分2.1.3 串级控制系统设计 先行，因为副回路是个随动系统，设定值是经常变化的，调节器的微分作用，会引起调节阀的大幅跳动，并引起很大的超调。但是假设副回路是流量或液体压力系统时，它们的开环静态增益、时间常数都较小，并且系统存在高噪声。因此在实际消费上，流量或液体压力副调节器常采用PI作用，以减少系统的波动。 2.1.3 串级控制系统设计 3. 防积分饱和当主、副调节器具有积分作用时，

7、都可能产生积分饱和。副调节器的防积分饱和与单回路时一样。而主调节器的防积分饱和，可采用图形式。2.1.3 串级控制系统设计 图2.1-9 主控制器的防积分饱和2.1.3 串级控制系统设计 在一般情况下，主调节器的积分反响应采用该调节器的输出信号，即副调节器设定值r2。但在图中，却用副变量测量值ym2作为积分反响信号。假设副回路不存在偏向，主调节器实现的即是一般的比例积分控制。但假设副回路因某种约束如阀位已到极端位置、积分正反响回路就被开路。ym1成为一个不受控制的独立变量。主调节器因此失去积分作用，如同比例调节器那样动作。 2.1.3 串级控制系统设计 下面进一步用算式来说明。 在稳态时，上式

8、可写成 由图可见：2.1.3 串级控制系统设计 由上式可见，副回路偏向将正比于主回路偏向。当副回路偏向回到零时，主回路偏向也会回到零。2.1.3 串级控制系统设计 4. 主副调节器正、反作用选择调节器的正、反作用选择原那么是要使系统成为一个负反响系统。一般有两种选择方法：逻辑推理方法和方块图法。2.1.3 串级控制系统设计 因为仪表制造行业与控制理论对偏向的定义正好相反，为了防止混淆，这里不用偏向而用测量值与调节器输出关系来定义调节器的正反作用。详细定义为：假设测量信号增加隐含的假定是：设定值不变调节器的比例作用的输出也增加的称正作用，否那么为反作用。2.1.3 串级控制系统设计 1) 逻辑推

9、理方法首先根据消费平安要求，确定调节阀气开、气关形式；再确定当被调参数变化时，调节器输出实现负反响的作用方向；最后确定调节器的正、反作用当被测参数变化与调节器输出变化同向为正作用，否那么为反作用。单回路要确定调节器的正反作用步骤2.1.3 串级控制系统设计 首先根据消费平安要求，确定调节阀气开、气关形式；串级控制系统确定调节器的正反作用步骤再确定副调节器的正、反作用；最后确定主调节器的正、反作用。2.1.3 串级控制系统设计 以图氧化炉反响温度串级控制系统为例 图2.1-2 串级调节系统原理图 2.1.3 串级控制系统设计 (1) 副回路调节器的选择 为保证调节阀出故障时，消费处于平安状态，调

10、节阀选择气开阀。 设干扰使氨气流量增加，即调节器测量值大于给定值，为保证系统的副反响作用，调节器输出必须减小，才能使调节阀开度减小。最终使流经调节阀的氨气流量减小，恢复到给定值。2.1.3 串级控制系统设计 (1) 副回路调节器的选择 根据以上分析可知为满足调节系统的负反响作用，调节器的测量值增大，而输出值减小与测量值成反比，因此调节器定为反作用。2.1.3 串级控制系统设计 调节阀的开关形式仍然保持副回路选择形式，即选为气开阀。(1) 主回路调节器的选择副调节器的正反作用保持不变。2.1.3 串级控制系统设计 设主回路测量值氧化炉温度增加，即主调节器测量值大于给定值，先假设主调节器为正作用，

11、调节器输出必然增大，也就是副调节器的给定值也增大。由于副调节器已选定为反作用，因此副调节器的输出增大，使调节阀开度增大。最终使流经调节阀的氨气流量增大，从而使氧化炉的温度更高，整个系统成为正反响，主参数不恢复到给定值。这说明主调节器作用选错了，应采用反方向作用：反作用。 2.1.3 串级控制系统设计 2) 方框图法这是利用控制系统方框图中各环节的符号来确定控制器正、反作用的方法。因此首先须定义环节的“+、“-符号。环节正、负符号的定义是：但凡输入增大导致输出也增大为“+，反之为“-。如调节阀环节，对气开阀，因为输入信号增大输出流量也增大，所以定义为“+；气关阀定义为“-。2.1.3 串级控制系

12、统设计 这里讲的输入、输出关系是指环节的静态关系。假假设将调节器看成仅以测量为输入的环节，这个定义与调节器的正反作用是一致的。即输入指测量信号增大输出也增大为“+为正作用。但考虑到在方框图中控制器算式与比较环节是分开表达的。比较环节的测量通道占了一个“-号，所以算式方框中的符号也要变号正作用取“-号，反作用取“+ 号，如以下图。 2.1.3 串级控制系统设计 图2.1-10 串级调节系统调节器作用形式确定方块图2.1.3 串级控制系统设计 仍以图系统为例，按照被控对象、调节阀、和测量变送元件性能，可得图有关方块的符号。先讨论副回路。为使副回路成为负反响，显然GC2方块应取“+ 号，这表示副调节

13、器取反作用。讨论主回路时，假定副回路整个等效为一个具有“+ 号的环节。显然为保证主回路的负反响性能，GC1方块也应取“+ 号，这表示主调节器取反作用。2.1.3 串级控制系统设计 图2.1-10 串级调节系统调节器作用形式确定方块图2.1.3 串级控制系统设计 2.1.4 串级系统投运及参数整定12串级系统投运及参数整定系统投运 参数整定 1. 系统投运和简单控制系统的投运要求一样，串级控制系统的投运的过程也必须保证无扰动切换。这里以电动单元组合仪表组成的系统为例，并采用先副回路后主回路的投运方式。详细步骤为：1将主、副调节器切换开关都置于手动位置，副调节器处于外给定主调节器始终为内给定。2用副调节器的手动拨盘操纵调节阀，使2.1.4 串级系统投运及参数整定消费处于要求的工况即主变量接近设定值，且工况较平稳。这时可调整主调节器的手动拨盘，使副调节器的偏向表头指“零，接着可将副调节器切换到自动位置。由于在手动状况，电动调节器的自动输出电流可以自动跟踪手动电流，所以这个切换过程会是无扰动的。3假定在主调节器切换到“自动之前，主变量偏向已接近“零，那么可稍稍修正主调节器设定值，使偏向为“零，并将主调节器切换2.1.4 串级系统投运及参数整定到“自动，然后逐渐改变设