1、2021-12-12 趙小強趙小強蘭州理工大學電信學院蘭州理工大學電信學院5:45:382掌握串級控制系統結構掌握串級控制系統結構掌握串級控制系統的特點掌握串級控制系統的特點掌握串級控制系統設計方法掌握串級控制系統設計方法 了解串級控制系統參數整定方法了解串級控制系統參數整定方法第7章 串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:393蘭州理工大學電信學院過程控制與集散系統過程控制與集散系統串級控制系統結構串級控制系統結構7.1 第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統串級控制系統是提串級控制系統是提高過程控制品質非高過程控制品質非常有效的方案之一常有效的方案之一 串級控制的提出： 簡單控制系統

2、已不能滿足工藝要求的情況下產生的。 5:45:394將燒成帶的溫度作為被控變量，將燃料的流量作為操縱變量。 如果火焰直接在窯道燒成帶燃燒，燃燒氣體中的有害物質將會影響產品的光澤和顏色，就出現了隔焰式隧道窯。 火焰在燃燒室中燃燒，熱量經過隔焰板輻射加熱燒成帶。 簡單控制系統，影響燒成帶溫度T1的各種干擾因素都被包括在控制回路當中，只要干擾造成Tl偏離設定值，控制器就會根據偏差的情況，通過控制閥改變燃料的流量，從而把變化了的Tl重新調回到設定值。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:395原因就是從控制閥到窯道燒成帶滯后時間太大

3、，如果燃料的壓力發生波動，盡管控制閥門開度沒變，但燃料流量將發生變化，必將引起燃燒室溫度的波動，再經過隔焰板的傳熱、輻射，引起燒成帶溫度的變化。因為只有燒成帶溫度出現偏差時，才能發現干擾的存在，所以對于燃料壓力的干擾不能夠及時發現。 燒成帶溫度出現偏差后，控制器根據偏差的性質立即改變控制閥的開度，改變燃料流量，對燒成帶溫度加以調節。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:396可是這個調節作用同樣要經歷燃燒室的燃燒、隔焰板的傳熱以及燒成帶溫度的變化這個時間滯后很長的通道，當調節過程起作用時，燒成帶的溫度已偏離設定值很遠了。即使

4、發現了偏差，也得不到及時調節，造成超調量增大，穩定性下降。 如果燃料壓力干擾頻繁出現，對于單回路控制系統，不論控制器采用PID的什么控制作用，還是參數如何整定，都得不到滿意的控制效果。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:397假定燃料的壓力波動是主要干擾，發現它到燃燒室的滯后時間較小、通道較短，而且還有一些次要干擾，例如燃料熱值的變化、助燃風流量的改變以及排煙機抽力的波動等等(D2表示)，都是首先進入燃燒室。 能否通過控制燃燒室溫度T2的方法來達到穩定燒成帶的溫度呢? 于是就出現了圖示的以燃燒室溫度T2為被控變量的單回路控

5、制系統。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:408這種控制系統對于上述的干擾有很強的抑制作用，不等到它們影響燒成帶溫度，就被較早發現，及時進行控制，將它們對燒成帶溫度的影響降低到最小限度。 直接影響燒成帶溫度的干擾，例如窯道中裝載制品的窯車速度、制品的原料成分、窯車上裝載制品的數量以及春夏秋冬、刮風下雨帶來環境溫度的變化等等(D1表示)。 在這個控制系統中，燒成帶溫度不是被控變量，所以對于干擾造成燒成帶溫度的變化，控制系統無法進行調節。上述兩個控制系統，它們各有自己的長處。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章

6、章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:409第一種控制系統包括了所有干擾， 第二種控制系統能對主要的和一些次要干擾提前發現，及早控制。 如果能將兩個控制系統結合起來，發揮各自優勢，不是兩全其美嗎! 另外，控制燃燒室的溫度T2并不是目的，真正的目的是燒成帶的溫度穩定不變，所以燒成帶溫度控制器應該是定值控制，起主導作用。 而燃燒室溫度控制器則起輔助作用，它在克服干擾D1的同時，應該受燒成帶溫度控制器的操縱，操縱方法就是燒成帶溫度控制器的輸出作為燃燒室溫度控制器的設定值，從而就形成了串級控制系統。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工

7、大學電信學院5:45:4010就是采用兩個控制器串聯工作，主控制器的輸出作為副控制器的設定值，由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4011串級控制系統的組成 一、二次干擾一、二次干擾主、副回路主、副回路主、副檢測變送器主、副檢測變送器主、副對象主、副對象主、副控制器主、副控制器主、副被控變量主、副被控變量串級控制系串級控制系統的組成統的組成過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:40123 在

8、外面的閉合回路稱為主回路在外面的閉合回路稱為主回路(主環主環)， 在里面的閉合回路稱為副回路在里面的閉合回路稱為副回路(副環副環)。主、副回路主、副回路主、副控制器主、副控制器處于主回路中的控制器稱為主處于主回路中的控制器稱為主控制器；控制器； 于副回路中的控制器稱為副控于副回路中的控制器稱為副控制器。制器。 主、副被控變量主、副被控變量主回路的被控變量稱為主被控主回路的被控變量稱為主被控變量，也稱為主變量或主參數；變量，也稱為主變量或主參數； 副回路的被控變量稱為副被控副回路的被控變量稱為副被控變量，也稱為副變量或副參數。變量，也稱為副變量或副參數。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7

9、 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4013過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:41143 檢測和變送主變量的稱為主檢檢測和變送主變量的稱為主檢測變送器；測變送器； 檢測和變送副變量的稱為副檢檢測和變送副變量的稱為副檢測變送器。測變送器。主、副檢測變送器主、副檢測變送器3 進入主回路的干擾稱為一次干進入主回路的干擾稱為一次干擾；擾； 進入副回路的干擾稱為二次干進入副回路的干擾稱為二次干擾。擾。 一、二次干擾一、二次干擾主、副對象主、副對象主回路所包括的對象稱為主對主回路所包括的對象稱為主對象；象；

10、 副回路所包括的對象稱為副對副回路所包括的對象稱為副對象。象。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4115串級控制系統的工作過程 是由兩個控制器串聯工作的，只有副控制器的輸出去是由兩個控制器串聯工作的，只有副控制器的輸出去操縱控制閥，兩個控制器能否協調一致地工作，會不會操縱控制閥，兩個控制器能否協調一致地工作，會不會發生矛盾，以隔焰式隧道窯溫度串級控制系統為例來加發生矛盾，以隔焰式隧道窯溫度串級控制系統為例來加以說明。以說明。 考慮到生產的安全，控制閥選擇考慮到生產的安全，控制閥選擇“氣開氣開”工作方式。工作方式。 兩個控制

11、器都選擇兩個控制器都選擇“反反”作用方式。作用方式。7.2 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:41(1)只存在二次干擾只存在二次干擾 假定系統只受到來自燃料壓力波動的干擾。由于它假定系統只受到來自燃料壓力波動的干擾。由于它進入副回路，所以屬于二次干擾進入副回路，所以屬于二次干擾D2D2。例如整個系統處于。例如整個系統處于穩定狀態下，突然燃料壓力升高，這時盡管控制閥門開穩定狀態下，突然燃料壓力升高，這時盡管控制閥門開度沒變，可燃料的流量增大了，首先將引起燃燒室溫度度沒變，可燃料的流量增大了，首先將引起燃燒室溫度T2T2升高，

12、經副溫度檢測變送器后，副控制器接受的測量升高，經副溫度檢測變送器后，副控制器接受的測量值增大。由于燃料流量的變化，并不能立即引起燒成帶值增大。由于燃料流量的變化，并不能立即引起燒成帶溫度溫度TlTl的變化。的變化。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4117 如果這個干擾幅度并不大，經副回路的調節，很快得到如果這個干擾幅度并不大，經副回路的調節，很快得到克服，不至于引起主變量克服，不至于引起主變量(燒成帶溫度燒成帶溫度T1)的改變。的改變。 如果這個干擾作用比較強，盡管副回路的控制作用已大如果這個干擾作用比較強，盡管副回路的

13、控制作用已大大削弱了它對主變量的影響，但隨著時間的推移，主變大削弱了它對主變量的影響，但隨著時間的推移，主變量仍然會受到它的影響偏離了穩態值而升高。量仍然會受到它的影響偏離了穩態值而升高。 此時主控制器的輸出暫時還沒有變化，因此副控制器處于定值控制狀態。根據副控制器的“反”作用，其輸出將減小，“氣開”式的控制閥門將被關小，燃料流量將被調節回穩定狀態時的大小。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4118 經主溫度檢測變送器后，主控制器接受到的測量信號經主溫度檢測變送器后，主控制器接受到的測量信號增大。增大。 主控制器是定值控制

14、，而且是主控制器是定值控制，而且是“反反”作用，所以主控作用，所以主控制器的輸出將減小。制器的輸出將減小。 副控制器的設定值減小，也就是副控制器的輸出在原副控制器的設定值減小，也就是副控制器的輸出在原來的基礎上變得更小，從而閥門開度也將再關小一點，以來的基礎上變得更小，從而閥門開度也將再關小一點，以克服干擾對主變量的影響。克服干擾對主變量的影響。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4119 (2)只存在一次干擾只存在一次干擾 假定串級控制系統只受到來自窯車速度的干擾，比如假定串級控制系統只受到來自窯車速度的干擾，比如窯車的速

15、度加快，必然導致窯道中燒成帶溫度窯車的速度加快，必然導致窯道中燒成帶溫度T1的降低。的降低。 對于定值控制的主控制器來說，其測量值減小，由于對于定值控制的主控制器來說，其測量值減小，由于主控制器的主控制器的“反反”作用，它的輸出必然增大，也就是說副作用，它的輸出必然增大，也就是說副控制器的設定值增大了。控制器的設定值增大了。 因為窯車的速度屬于一次干擾，它對副變量因為窯車的速度屬于一次干擾，它對副變量(燃燒室的燃燒室的溫度溫度T2)沒有影響，所以這時副控制器的測量值暫時還沒有沒有影響，所以這時副控制器的測量值暫時還沒有改變。改變。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統

16、串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4120在整個控制過程中，燃燒室的溫度在整個控制過程中，燃燒室的溫度T2也發生了變化，也發生了變化，然而副控制器并沒有對它加以調節，原因就在于串級控制然而副控制器并沒有對它加以調節，原因就在于串級控制系統中，主控制器起著主導作用，體現在它的輸出作為副系統中，主控制器起著主導作用，體現在它的輸出作為副控制器的設定值。控制器的設定值。 而副控制器則處于從屬地位，它首先是接受主控制器而副控制器則處于從屬地位，它首先是接受主控制器的命令，然后才進行控制操作。在這種情況下，燃燒室溫的命令，然后才進行控制操作。在這種情況下，燃燒室溫度度T2的改變是作為對燒成帶溫度

17、的改變是作為對燒成帶溫度T1的控制手段來利用的，的控制手段來利用的，而不是作為干擾加以克服的。而不是作為干擾加以克服的。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院對于副控制器來說，設定值增大而測量值沒變，可對于副控制器來說，設定值增大而測量值沒變，可以等效為其設定值不變而測量值減小。以等效為其設定值不變而測量值減小。 根據副控制器的根據副控制器的“反反”作用，其輸出將增大，作用，其輸出將增大，“氣氣開開”式的控制閥門開度增大，從而加大燃料的流量，使式的控制閥門開度增大，從而加大燃料的流量，使燃燒室溫度燃燒室溫度T2升高，進而使窯道燒成帶溫度

18、回升至設定升高，進而使窯道燒成帶溫度回升至設定值。值。5:45:4121 (3)一次干擾和二次一次干擾和二次 干擾同時存在干擾同時存在兩種干擾同時存在又可分為兩種不同情況。兩種干擾同時存在又可分為兩種不同情況。一次干擾和二次干擾引起主變量和副變量一次干擾和二次干擾引起主變量和副變量同方向變化，即同時增大或同時減小。同方向變化，即同時增大或同時減小。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4122 假定一次干擾為窯車的前進速度減小，將引起主變量假定一次干擾為窯車的前進速度減小，將引起主變量(燒成帶溫度燒成帶溫度)T1升高；二次干

19、擾為燃料壓力增大，導致副變升高；二次干擾為燃料壓力增大，導致副變量量(燃燒室溫度燃燒室溫度)T2也升高。對于主控制器來講，由于它的測也升高。對于主控制器來講，由于它的測量值升高，根據它的量值升高，根據它的“反反”作用關系，它的輸出將在穩態作用關系，它的輸出將在穩態時的基礎上減小，也就是副控制器的設定值將減小。時的基礎上減小，也就是副控制器的設定值將減小。 而對于副控制器來講，由于它的測量值增大，其輸出而對于副控制器來講，由于它的測量值增大，其輸出的變化應該根據它的的變化應該根據它的“反反”作用以及設定值和測量值的變作用以及設定值和測量值的變化方向共同決定。化方向共同決定。 不妨將設定值的變化等

20、效為設定值不變而測量值變化的不妨將設定值的變化等效為設定值不變而測量值變化的情況，設定值減小可以等效為設定值不變而測量值大。情況，設定值減小可以等效為設定值不變而測量值大。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4123 根據副控制器的根據副控制器的“反反”作用關系，上述兩種干擾都將作用關系，上述兩種干擾都將使副控制器的輸出減小，都要求閥門開度關小。使副控制器的輸出減小，都要求閥門開度關小。 控制閥的調節作用是主、副控制器控制作用的疊加。控制閥的調節作用是主、副控制器控制作用的疊加。 減小燃料的流量不僅是為了克服二次干擾把燃燒室

21、的減小燃料的流量不僅是為了克服二次干擾把燃燒室的溫度調回到穩態值，而且使燃燒室的溫度比穩態值更低一溫度調回到穩態值，而且使燃燒室的溫度比穩態值更低一些用以克服一次干擾對主變量的影響。些用以克服一次干擾對主變量的影響。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4224一次干擾和二次干擾引起主、副變量反方一次干擾和二次干擾引起主、副變量反方向變化，即一個增大而另一個減小。向變化，即一個增大而另一個減小。 假定一次干擾為窯車前進速度增大，引起主變量假定一次干擾為窯車前進速度增大，引起主變量(燒燒成帶溫度成帶溫度)T1下降；二次干擾為燃料

22、壓力增大，導致副變下降；二次干擾為燃料壓力增大，導致副變量量(燃燒室溫度燃燒室溫度)T2升高。升高。 對主控制器來說，由于其測量值減小，根據其對主控制器來說，由于其測量值減小，根據其“反反”作用關系，它的輸出將增大，也將使副控制器的設定值作用關系，它的輸出將增大，也將使副控制器的設定值增大。增大。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4225 對副控制器來說，由于其測量值增大，設定值也增大，對副控制器來說，由于其測量值增大，設定值也增大，如果它們同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號如果它們同步增大，幅度相同，即副控制器的

23、輸入信號偏差沒有改變，控制器的輸出當然也就不變，控制閥開度不偏差沒有改變，控制器的輸出當然也就不變，控制閥開度不變。實際上就是用二次干擾補償了一次干擾，閥門無需調節。變。實際上就是用二次干擾補償了一次干擾，閥門無需調節。 如果兩個干擾引起副控制器的設定值和測量值的同向變如果兩個干擾引起副控制器的設定值和測量值的同向變化不相同，也就是說二次干擾還不足以補償一次干擾時，副化不相同，也就是說二次干擾還不足以補償一次干擾時，副控制器再根據偏差的性質作小范圍調節即可將主變量穩定在控制器再根據偏差的性質作小范圍調節即可將主變量穩定在設定值上。設定值上。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章

24、串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4226 從串級控制系統的工作過程可以看出，兩個控制從串級控制系統的工作過程可以看出，兩個控制器串聯工作，以主控制器為主導，保證主變量穩定為器串聯工作，以主控制器為主導，保證主變量穩定為目的，兩個控制器協調一致，互相配合，尤其是對于目的，兩個控制器協調一致，互相配合，尤其是對于二次干擾，二次干擾，副控制器首先進行副控制器首先進行“粗調粗調”，主控制器再，主控制器再進一步進一步“細調細調”。因此控制質量必然高于簡單控制系。因此控制質量必然高于簡單控制系統。統。 從結構上看，兩個控制器串聯工作，一個控制器從結構上看，兩個控制器串聯工作，一個控制

25、器的輸出作為另一個控制器的設定值，共同完成對主變的輸出作為另一個控制器的設定值，共同完成對主變量的定值控制任務。量的定值控制任務。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4227串級控制系統的分析與設計串級控制系統的分析與設計7.3.1串級控制系統的分析 串級控制系統在結構上僅僅比簡單控制系統多了一串級控制系統在結構上僅僅比簡單控制系統多了一個副回路，可是實踐證明，對于相同的干擾，串級控制個副回路，可是實踐證明，對于相同的干擾，串級控制系統的控制質量是簡單控制系統所無法比擬的。系統的控制質量是簡單控制系統所無法比擬的。過程控制與

26、集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院7.3 5:45:42287.3.1.1 減小了對象的時間常數 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院Gc1(s)、Gc2(s)分別為主、副控制器的傳遞函數；分別為主、副控制器的傳遞函數； Go1(s)、Go2(s)分別為主、副對象的傳遞函數；分別為主、副對象的傳遞函數； Gm1(s)、Gm2(s)分別分別為主、副檢測變送器的傳遞函數；為主、副檢測變送器的傳遞函數； Cv(s)為控制閥的傳遞函數。為控制閥的傳遞函數。5:45:4229 把整個副回路看作

27、是一個等效副對象并以把整個副回路看作是一個等效副對象并以Go2(s)表示表示其傳遞函數，則圖示的簡單控制系統為其傳遞函數，則圖示的簡單控制系統為:假定假定 Gc2(s)=Kc2(s), Gv(s)=Kv, Gm2(s)=Km2, Go2(s)=Ko2/To2(s)+1過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4230過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4231過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45

28、:4232無論在什么情況下，無論在什么情況下，1+Kc2KvKo2Km21不等式總是成不等式總是成立的。立的。 在串級控制系統中，由于副回路的存在，改善了原在串級控制系統中，由于副回路的存在，改善了原有一部分對象的特性，使等效副對象的時間常數有一部分對象的特性，使等效副對象的時間常數To2減小減小到副對象本身時間常數到副對象本身時間常數To2的的1(1+ Kc2KvKo2Km2)。并且隨。并且隨著副控制器的放大系數著副控制器的放大系數Kc2的增大，時間常數減小得更加顯的增大，時間常數減小得更加顯著。著。 時間常數的減小，意味著控制通道的縮短，從而使時間常數的減小，意味著控制通道的縮短，從而使控

29、制作用更加及時，響應速度更快，控制質量必然得到提控制作用更加及時，響應速度更快，控制質量必然得到提高。高。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4233等效副對象的放大系數減小了，即等效副對象的放大系數減小了，即Ko2Ko2這種減這種減小不僅不會影響控制質量，反而此時串級控制系統中主小不僅不會影響控制質量，反而此時串級控制系統中主控制器的放大系數控制器的放大系數Kcl可以整定得比單回路控制系統中更可以整定得比單回路控制系統中更大一些，對提高系統抗干擾能力更加有利。大一些，對提高系統抗干擾能力更加有利。7.3.1.2 7.3.1

30、.2 提高了系統的工作頻率提高了系統的工作頻率系統的工作頻率可以通過特征方程求得。 串級控制系統的簡化圖可以寫出其特征方程為： 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4334過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4335過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4336過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4337過程控制與集散系

31、統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4338過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4339 串級控制系統由于副回路的存在，改善了對串級控制系統由于副回路的存在，改善了對象特征，使整個系統的工作頻率提高了，過渡過象特征，使整個系統的工作頻率提高了，過渡過程的振蕩周期減小了，衰減系數相同的條件下，程的振蕩周期減小了，衰減系數相同的條件下，調節時間縮短了，提高了系統的快速性，改善了調節時間縮短了，提高了系統的快速性，改善了系統的控制品質。系統的控制品質。 當主、副對象的特性一定時

32、，副控制器的放當主、副對象的特性一定時，副控制器的放大系數大系數Kc2整定得越大，這種效果越顯著。整定得越大，這種效果越顯著。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:43407.3.1.3 增強了系統的抗干擾能力增強了系統的抗干擾能力 由于副回路的存在，對二次干擾有很強的抑制作用。由于副回路的存在，對二次干擾有很強的抑制作用。 在串級控制系統中，假定二次干擾從控制閥前進入副在串級控制系統中，假定二次干擾從控制閥前進入副回路回路.過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:

33、45:4341過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4342過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4443一個控制系統對于干擾作用，要求系統能盡快克服它的影響，使被控變量穩定在設定值上。 也就是說D2（s）/ Y1（s）/越小越好，越接近于0，說明控制質量越高。 對于設定值，要求被控變量能盡快地跟隨設定值的變化而變化。也就是說R1（s）/ Y1（s）/越接近于l，控制質量越高。若從以上兩方面考慮，控制系統的抗干擾能力可以用它們的比值來評價，即過程控制與集散系統

34、過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4444如果主、副控制器都采用純比例控制，且比例系數分別為Kcl、Kc2則： Y1（s）/R1（s）/ Y1（s）/D2（s）=Kc1Kc2 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院對于串級控制系統，主、副控制器的比例系數乘積對于串級控制系統，主、副控制器的比例系數乘積越大，抗干擾的能力就越強。越大，抗干擾的能力就越強。 我們用同樣的方法寫出評價單回路控制系統抗干擾我們用同樣的方法寫出評價單回路控制系統抗干擾能力的表達式。能力的表達式。 干擾從相同位置

35、進入單回路控制系統干擾從相同位置進入單回路控制系統。5:45:4445被控變量分別對干擾、設定值的閉環傳遞函數為：被控變量分別對干擾、設定值的閉環傳遞函數為： 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4446要比較串級控制系統和單回路控制系統在相同條件下的抗干擾能力，我們只要在系統都整定到衰減系數相同的情況下，比較Kc1Kc2與Kc的大小即可作出判斷。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4447過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統

36、串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4448過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4449過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4450抗干擾能力抗干擾能力為為: : 對于進入主回路的一次干擾，抗干擾能力也有對于進入主回路的一次干擾，抗干擾能力也有一定提高。一定提高。 因為副回路的存在，減小了副對象的時間常數，因為副回路的存在，減小了副對象的時間常數，對于主回路來講，其控制通道縮短了，克服一次干對于主回路來講，其控制通道縮短了，克服一次干擾比同等條件下的

37、單回路控制系統更及時了。擾比同等條件下的單回路控制系統更及時了。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:44517.3.1.4 7.3.1.4 對負荷變化有一定的自適應能力對負荷變化有一定的自適應能力實際生產過程中的許多對象都具有不同程度的非線性。實際生產過程中的許多對象都具有不同程度的非線性。 隨著操作條件和負荷的變化，對象的靜態增益也將發生隨著操作條件和負荷的變化，對象的靜態增益也將發生變化，即變化，即K K0 0不是一個常數。不是一個常數。在簡單控制系統中，控制器的參數是在一定負荷，也就在簡單控制系統中，控制器的參數是在一

38、定負荷，也就是在一定工作點下，按一定的控制質量指標要求整定的。是在一定工作點下，按一定的控制質量指標要求整定的。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院整定好的控制器參數，只能適應于工作點附近的一個小范圍。 如果負荷變化超過了一定范圍，工作點偏移較遠，對象的增益將發生明顯改變，引起系統的回路增益發生變化。 5:45:45527使得原來基于一定負荷或工作點條件下整定的那套控制器參數不再適用了，控制質量將隨之下降。可以通過控制閥的不同流量特性加以補償，但是常受到控制閥品種等各種條件的限制，這種補償作用也是很有限的。過程控制與集散系統過程控制與

39、集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院有效的辦法就是采用串級控制系統。將具有較大非線性的那部分對象包括在副回路當中，由于副回路是一個隨動控制系統，它的設定值隨主控制器的輸出而變化。 主控制器就可以按照操作條件和負荷的變化情況，相應地調整副控制器的設定值，保證在操作條件和負荷發生變化的情況下，控制系統仍然具有較好的控制質量。 5:45:4553從另一方面看，可知串級控制系統中等效副對象的放大倍數為 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院可以看出，串級控制系統中等效副對象的放大系數K02只與負反饋回路中的檢測變

40、送環節的放大倍數有關，而與控制閥的Kv和副對象的Ko2無關。 只要對檢測變送環節進行了線性化處理，副對象的非線性特性對整個系統的控制品質影響是很小的。 串級控制系統能自動地克服對象非線性特性的影響，從而顯示出它對負荷變化具有一定的自適應能力。 5:45:4554(1)由于副回路的存在，減小由于副回路的存在，減小 了對象的時間常數，縮短了控了對象的時間常數，縮短了控 制通道，使控制作用更加及時制通道，使控制作用更加及時 (2)提高了系統的工作頻率，提高了系統的工作頻率， 使振蕩周期減小，調節時間使振蕩周期減小，調節時間 縮短，系統的快速性增強了縮短，系統的快速性增強了(3)對二次干擾具有很強的克

41、對二次干擾具有很強的克 服能力，對克服一次干擾的服能力，對克服一次干擾的 能力也有一定的提高能力也有一定的提高。(4)對負荷或操作條件的變化對負荷或操作條件的變化 具有一定的自適應能力具有一定的自適應能力串級控制系統的特點：串級控制系統的特點：過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4555例2 設串級控制系統的方框圖 如圖主、副對象的傳遞函數分別為： 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4556過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統

42、串級控制系統蘭州理工大學電信學院由于采用了串級控制，系統工作頻率由單回路的0.087增加到0.23，加快了2.6倍。 二次干擾下的短期最大偏差由單回路的0.24減小到0.011，減小了22倍之多。一次干擾，短期最大偏差也由單回路系統時的0.3減小到0.11，減小了近3倍。 串級控制系統對控制品質的改善是十分明顯的。 5:45:45577.3.2串級控制系統的設計 一個設計合理的串級控制系統，當干擾從副回路一個設計合理的串級控制系統，當干擾從副回路進入時，其最大偏差將會減小到單回路控制系統時的進入時，其最大偏差將會減小到單回路控制系統時的1/101/101/1001/100。干擾從主回路進入，最

43、大偏差也會縮小。干擾從主回路進入，最大偏差也會縮小到單回路控制系統時的到單回路控制系統時的1/3-1/51/3-1/5。7.3.2.1 7.3.2.1 主變量的選擇主變量的選擇 選擇直接或間接地反映生產過程的產品產量、質量、選擇直接或間接地反映生產過程的產品產量、質量、節能、環保以及安全等控制目的的參數作主變量。節能、環保以及安全等控制目的的參數作主變量。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4558在條件許可的情況下，盡量選擇在條件許可的情況下，盡量選擇直接反映控制目的的參數為主變量，直接反映控制目的的參數為主變量，不行時可

44、選擇與控制目的有某種單不行時可選擇與控制目的有某種單值對應關系的間接參數作為主變量；值對應關系的間接參數作為主變量； 所選的主變量必須有足夠的變化靈所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度；還應考慮工藝上的合理性和敏度；還應考慮工藝上的合理性和實現的可能性。實現的可能性。選選 擇擇 原原 則則 是是7.3.2.2 7.3.2.2 副變量的選擇副變量的選擇 副回路的設計質量是保證發揮串級控制系統副回路的設計質量是保證發揮串級控制系統優點的關鍵。優點的關鍵。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4559 (1)應使主要的和更多的干擾應使

45、主要的和更多的干擾落入副回路落入副回路盡可能地把更多的干擾納入副回路，特別是那些盡可能地把更多的干擾納入副回路，特別是那些變化劇烈、幅度最大、頻繁出現的主要干擾包括在變化劇烈、幅度最大、頻繁出現的主要干擾包括在副回路中，一旦出現，副回路首先把它們克服到最副回路中，一旦出現，副回路首先把它們克服到最低程度，減小它們對主變量的影響，從而提高控制低程度，減小它們對主變量的影響，從而提高控制質量。質量。 原料油的出口溫度應作為主變量，燃料油的原料油的出口溫度應作為主變量，燃料油的流量作為操縱變量，控制閥安裝在燃料油的管線上。流量作為操縱變量，控制閥安裝在燃料油的管線上。 可供選為副變量的有燃料油的閥前

46、壓力、燃料油的可供選為副變量的有燃料油的閥前壓力、燃料油的流量及爐膛溫度。流量及爐膛溫度。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4560過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4561 如果燃料油的壓力波動是生產過程中的主要干擾，選擇燃料油閥前壓力作為副變量構成出口溫度與閥前壓力串級控制系統，如圖中虛線1。 選擇燃料流量為副變量構成溫度流量串級控制系統，如圖中虛線2。 假若燃料的壓力和流量都比較穩定，而生產過程中原料油的流量卻頻繁波動，或原料油的入口溫度受外界影

47、響波動較大，上述兩個方案都是不可行的，因為它們沒有把主要干擾納入副回路之中。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4562 這時應將爐膛溫度選作副變量構成圖中虛線3的溫度溫度串級控制系統就顯得更為合理了。它不僅將主要干擾納入副回路，而且將更多的次要干擾也包括在副回路中了，例如燃料油熱值的變化、原料油組分的變化、助燃風的流量波動、煙囪抽力的變化等等。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4663(2)應使主、副對象的時間常數應使主、副對象的時間常數匹配匹配從

48、回路的頻率特性來分析回路都分別看作是從回路的頻率特性來分析回路都分別看作是一個二階振蕩系統。一個二階振蕩系統。 二階系統的閉環傳遞函數為二階系統的閉環傳遞函數為過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4664過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4665過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4666 從圖中可以看出，除了當r時，M有一個峰值外，二階振蕩系統還有一個增幅區域，即在共振頻率附近的一定

49、區間內，系統的幅值將明顯增大。可以稱這個區間為廣義共振區。 共振區的頻率范圍為 1/3 /r 當外界干擾頻率小于1/3r或大于 r ，系統的增幅是很小的，甚至沒有增幅。 如果外界干擾頻率進入1/3r到 r之間時，系統的幅值增大，振蕩加劇，甚至發生共振。 222過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4667過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4668 另外根據二階系統閉環傳遞函數的特征方程可知系統的工作頻率d與系統的自然頻率。 有如下關系： d=o 對于小的阻

50、尼系數，r和d的值幾乎相等。 如果分別將主、副回路都整定到4；1的衰減振蕩，即=0216時，它們的工作頻率d與其對應的共振頻率r近似相等。即 dlrl d2=r2 21過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4669 串級控制系統的主、副回路，是兩個相互獨立又密切相關的回路。 從副回路看，主控制圖二階振蕩系統的幅頻特性器無時無刻不向副回路輸送信號，相當于副回路一直受到從主回路來的一個連續性干擾，這個干擾信號的頻率就是主回路的工作頻率dl，也是主回路的共振頻率r1而從主回路來看，副回路的輸出對主回路也相當于一個連續作用的干擾，這個

51、干擾信號的頻率就是副回路的工作頻率d2，也是副回路的共振頻率r2。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4670 如果主、副回路的工作頻率很接近，彼此都落入了對方的廣義共振區，那么在受到某種干擾作用的時候，主參數的變化進入副回路時，會引起副參數振幅的增加，而副參數的變化送到主回路時，又會迫使主參數變化幅值的增加，如此循環往復，使主、副參數長時間地大幅度波動，造成系統容易劇烈振蕩，穩定性變差。這也就是所謂的“共振效應”。 為了避免這種現象發生，在設計時務必將主、副回路的工作頻率錯開。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7

52、 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4671 避免“共振效應”的條件是：為確保串級控制系統不受到“共振效應”的威脅，一般取 d2=(310)d1 根據系統的工作頻率與對象的時間常數近似成反比關系，在選擇副變量時，應考慮主、副對象時間常數的匹配關系，通常取 T01=(310)TO2 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4672 上述結論雖然是假定主、副回路均為二階系統的前提下得出的，但也不失一般性。原因是系統經過整定后，總有一對起主導作用的極點，整個回路的工作頻率由它們來決定，即可把這個系統看作一個

53、近似二階振蕩系統。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4673(3)應考慮工藝上的合理性、可應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟性能性和經濟性副變量的選擇，應考慮工藝上主、副變量有對應關系，副變量的選擇，應考慮工藝上主、副變量有對應關系，即調整副變量能有效地影響主變量，而且可以在線檢測。即調整副變量能有效地影響主變量，而且可以在線檢測。 串級控制系統的設計，有時從控制角度看是合理的、可串級控制系統的設計，有時從控制角度看是合理的、可行的，但從工藝角度看，卻是不合理的。這時就應該根據行的，但從工藝角度看，卻是不合理的。這時就應

54、該根據工藝的具體情況改進設計。工藝的具體情況改進設計。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4774 反應器中的溫度是反映工藝情況的指標，被選為主被控變量。 反應器中的催化裂化過程是一個吸熱反應，其熱量靠載熱體與催化劑在反應器與再生器之間的循環來提供。 把這一串級控制方案改為增壓風流量簡單控制系統，以穩定催化劑循環量，而反應器溫度可通過反應器進料預熱來控制，則效果更好。 實踐證明，這樣的方案是可行的。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4775在副回路的設

55、計中，若出現幾個可供選擇的方案時，應把經濟原則和控制品質要求有機地結合起來。 在保證生產工藝要求的前提下，盡量選擇投資少、見效快，成本低、效益高的方案。 這個思想應作為工程設計人員的指導原則。 過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4776主變量是生產工藝的重要指標。控制品質要求較 高，超出規定范圍就要出次品或發生事故。副變量 的引入主要是通過閉合的副回路來保證和提高主變 量的控制精度。 這是串級控制系統的基本類型。 (1)(1)控制規律的選擇控制規律的選擇一般說來有下列四種情況： 7.3.2.37.3.2.3主、副控制器的選

56、擇主、副控制器的選擇 包括主、副控制器控制規律的選擇，控制器正、反包括主、副控制器控制規律的選擇，控制器正、反作用的選擇以及控制器積分飽和的預防。作用的選擇以及控制器積分飽和的預防。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4777 生產工藝對主變量的控制品質要求高，因而主控制器宜選擇PI控制作用。為了克服對象的容量滯后，進一步提高主變量的控制質量，可再加入微分作用，即選擇PID控制。 對于副控制器，因對副變量的控制品質要求不高，一般選P作用就行了。此時引入積分作用反而減弱了副回路的快速性。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第

57、7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4778對主變量的控制要求較高，對副變量的控制要求也不低。為了使主變量在外界干擾作用下不至于產生余差，主控制器選擇PI作用； 為了克服進入副環干擾的影響，保證副變量也達到一定的控制品質要求，副控制器也選擇PI作用。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4779對主變量的控制要求不高，允許在一定范圍內波動。 要求副變量能夠快速、準確地跟隨主控制器的輸出而變化。此時主控制器可選擇P作用，而副控制器應選擇PI作用。 對主變量的控制要求不十分嚴格，對副變量的控制品質要求

58、也不高。主、副控制器均可選擇P作用。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4780 如果輸入控制器的測量信號增大，控制器是比例作用時的輸出也增大，則稱其作用方式為正作用，否則為反作用。 選擇的方法有邏輯推理法和判別式法。 (2)(2)控制器正、反作用方式的選擇控制器正、反作用方式的選擇過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4781 邏輯推理法邏輯推理法過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:47

59、82a)副回路 確定副控制器正反作用時，將副回路看作是一個設定值不變的單回路。 b)主回路 確定主控制器的正反作用時，要利用副控制器的選擇結果。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4783正反作用方式確定的基本原則是保證系統成為負反饋。 判別式法判別式法 有些生產過程要求控制系統既可以進行串級控制，又可以由主控制器單獨控制。 兩種控制方式切換時，要注意主控制器的正、反作用方式是否需要改變。過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4884 控制器具有積分作用。當

60、系統長時間存在偏差而不能消除時，控制器將出現積分飽和現象。這一現象將造成系統控制品質下降甚至失控。在串級控制系統中，如果副控制器只是P作用，而主控制器是PI或PID控制時，出現積分飽和的條件與單回路控制系統相同，利用外部積分反饋法，只要在主控制器的反饋回路中加一個間歇單元就可以有效地防止積分飽和。 (3)(3)主、副控制器的防積分飽和主、副控制器的防積分飽和措施控制規律的選擇措施控制規律的選擇過程控制與集散系統過程控制與集散系統第第7 7章章 串級控制系統串級控制系統蘭州理工大學電信學院5:45:4885 如果主、副控制器都具有積分作用，積分飽和的情況比單回路控制系統要嚴重得多，存在著兩個控制