热工控制系统课堂ppt_第五章串级控制系统讲解

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1、第五章 串级控制系统 单回路控制系统-各种复杂控制系统基础，并被广泛应用; 但随着工业技术的不断更新，生产不断强化，工业生产过程 对工业参数提出越来越严格要求； 而且生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯 性增大，使得单回路控制显得无能为力，因而产生许多新的、复 杂的控制系统： 串级控制、导前微分控制、复合控制、分段控制、多变量控制 第一节 串级控制系统的组成 第二节 串级控制系统的特点 第三节 串级控制系统主副回路和主副调节器选择 第四节 串级控制系统实例分析过热蒸汽温度串级控制 本章章节 第一节 串级控制系统的组成 下面举两例说明串级控制系统的组成： 例一 电厂汽包锅炉蒸汽压力和

2、燃料控制系统 控制过程为：燃料输送器 阀门开度变化将使风和煤粉按 一定的比例进入炉膛。如果 开大,则Qr、以及PM 都随之 ,因此把母管的压力作为一个 主信号反馈到调节器T1, 这时 T1 可直接去控制阀门使 , 与PM 也随之,最后可使PM 维持在一个希望值上。 为了提高控制质量,往往再取一个对燃烧率变化反映快的信号, 比如热量信号Qr 作为反馈信号,相应地再增加一个调节器T2 ,这样 就组成了一个新的控制系统。 图5-1 压力燃料控制系统原理框图 压力调节 器 燃料调 节器 执行机构阀门炉膛 汽压 对象 测量变送器 压力变送器 压力 定值 内扰 外扰 Qr - - PM 但由于燃烧率的变化

3、反映到PM 的变化过程速度很慢,迟延时间 大,因而这样组成的单回路控制系统必会使动态偏差很大,控制品 质下降。 这个控制系统由两个调节器串接在一起工作,因此称为串级控 制系统,其原理方框图如图5-1所示。 例二、汽包锅炉过热蒸汽的温度控制系统 汽包锅炉蒸汽温度控制系统结构如下图所示： 若采用单回路调节，只取1一个温度信号到调节器去控制减温 水阀门开度 ，由于汽温对象的大滞后和大惯性，无法得到令人满 意的控制品质。为此再取一个控制中间温度信号2，增加一个调节 器，组成串级控制系统如图5-2所示： 温度调 节器 温度调 节器 执行机构阀门 减温 器 过热 器 温度变送器 温度变送器 温度 定值 -

4、 - 2 内扰 图5-2 过热蒸汽温度控制原理方框图 主参数(主变量)：串级控制系统中起主导作用的那个被调节参 数称为主参数。例一中是母管蒸汽压力PM，例二中是过热蒸汽温度( 高温段)1。(返回例一,返回例二) 串级控制系统有两个调节器，它们的作用是完全不同的。为了 说明这个问题，下面介绍串级控制系统的有关概念： 副参数(副变量)：其给定值随主调节器的输出而变化，能提前 反映主信号数值变化的中间参数称为副参数。这是一个为了提高控 制质量而引进的辅助参数。例一中为锅炉热量Qr ，例二中为蒸汽温 度（低温段）2。 主调节器(主控制器)：根据主参数与给定值的偏差而动作,其 输出作为调节器的给定值的那

5、个调节器称为主调节器,如压力调节 器,温度调节器。 主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路后的整个外回路称 为主回路。 副调节器(副控制器)：其给定值由主调节器的输出决定,并根 据副参数对给定值(即主调节器输出)的偏差动作的那个调节器称为 副调节器,如燃料调节器,温度调节器。 副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为主调节器输出信号,其输出信号为副参数（副变量）。 主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为副变量,输出信号为主参数（主变量）。 副回路(内回路)：由副参数、副调节器及其所包括的一部分对 象等环节所组成的闭合回路称作副回路，副回路有时

6、还称随动回路 。 第二节 串级控制系统的特点 总体上看,串级控制系统仍然是一个定值控制系统,主参数在干 扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形 式,但与单回路控制系统比较,串级控制系统具有以下特点： 一、串级系统具有很强的克服内扰的能力 把串级控制系统用方框图表示成一般形式,如图5-3所示。 WT1(S)WT2(S)WZ(S ) Wf(S)WD2(S)WD1(S) Wm1(S ) Wm2(S ) - X1X2 Z2 Y2 Y1 图5-3 串级控制系统原理方框图 图中Z2是进入副环的扰动，从副回路看，传递函数为： 这里要注意的是扰动Z2 除了能直接影响副参数以外，又通过WD1

7、 影响主参数。 (5-1) WT1(S)WT2(S)WZ(S ) Wf(S)WD2(S)WD1(S) Wm1(S ) Wm2(S ) - X1X2 Z2 Y2 Y1 图5-3 串级控制系统原理方框图 输出对于扰动Z2的传递函数 ： 输出对输入x1的传递函数 ： (5-2) (5-3) WT1(S)WT2(S)WZ(S ) Wf(S)WD2(S)WD1(S) Wm1(S ) Wm2(S ) - X1X2 Z2 Y2 Y1 图5-3 串级控制系统原理方框图 对于一个定值系统，扰动造成的影响应该越小越好,而定值部分 应尽量保持恒定，因此，式5-2越接近于0，式5-3越接近于1（令Wm1 1），则控制

8、系统性能越好。 现有 即为两个调节器的乘积。 也即用以表征克服干扰能力的式子： 的值越 大越好。 则： 如果 一般有： 所以可得出如下结论：系统的开环放大倍数越大，稳态误差越 小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越大， 这个优点越显著。 若采用单回路控制系统则其表征克服干扰能力的式子： 二、串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对 象动态特性，提高系统的工作频率 设对象是惯性环节,其它均为比例环节, 即 ： （5-4 ） 由图5-3得 ： （5-5 ） 则有 ： 令 ： 则： 由此看出，Tb2T2，也即内回路闭环传递函数的时间常数小于 不加控制前的传递函数中的时间常数。从而

9、改善了动态特性。原因 在于原来的被控对象是WD2与WD1串联，加上副调节器后变成Wb2与Wb1 串联，总的惯性时间减小了。 由于系统的时间常数变小了，它的工作频率将有所提高，证明 如下： WT1(S)WT2(S)WZ(S ) Wf(S)WD2(S ) WD1(S) Wm1(S ) - X1 Z2 Y2Y2 图5-4 串级控制系统简化方框图 从图5-4简化的方框图可得系统特征方程式： (5-6) 将式5-1(WD2(S)代入式5-6并化简得： 将式5-4代入上式并化简得： (5-7) 化成二阶系统的标准形： 由式5-7可得： 则： 同法求得单回路控制系统的工作频率 ： 假定串级、单回路控制以同样

10、衰减率工作，即令： 显然： 由此可见，串级控制系统由于改善了对象的特征，从而使整个 系统的工作频率比单回路系统的工作频率有所提高，且副控制器的 放大倍数KT2越大，工作频率越高。 （5-8） 这一特点还说明即使在外扰作用下,由于副回路减小了对象的 时间常数,使整个系统的工作频率得以提高，因此仍能改善整个系 统过度过程的品质。 三、串级控制系统具有一定的自适应能力 串级控制系统主回路是一个定值系统，其副回路是一个随动系 统，它的定值是主调节器的输出，是一个变化量，主调节器按照被 控对象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节器的给定值 ，副调节器使系统时间常数缩短，能很快克服扰动，改善动态特性

11、 ，这就是一种自适应能力。 而采用单回路控制系统就没有这种随动控制系统的作用。这 种自适应能力可以从系统的稳态偏差上看出来。 图5-5为一个串级控制系统，主、副调节器若都用P 调节，由 控制理论，系统输出量的稳态偏差计算如下： KT2WD2(S)WD1(S)KT1 Y2Y1 Z2 X1 - 图5-5 串级控制的特殊形式 把副回路看成是一个动态环节，这个环节的输出为： 令 : 则有： 假定Z2 是一个单位阶跃扰动，系统输出量的稳态值大小就能 体现出稳差偏差的大小。为便于计算，设 均是比例增 益为1的惯性环节，有： 代入各环节的值，最后结果为 ： 若采用单回路控制，在同样条件下采用同样的方法，可以

12、得到 它的稳态输出为： 因此，y1() y1()，也就是说，串级系统的稳态偏差比 单回路系统的稳态偏差要小得多，其原因在于前者具有一定的自适 应能力。 第三节 串级控制系统主副回路和 主副调节器选择 一、主副回路的选择原则 、副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变 化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥 副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定； 、主副对象的时间常数应适当匹配。串级系统与单回路系统 相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关 的，原则是两者相差大一些，效果好一些。 、选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量 减少

13、他们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力； 由式5-8可知，在一定的系统中，若 确 定，可作出函数： 由上式关系可作出函数曲线图如图5-6所示 ： T1/T2 0 6 10 2 2610 图5-6 串/单与T1/T2 的关系曲线 同时，T2过小，将导致副环过于敏感而不稳定。在选择副回路 时，一般取T1/T226（或310）较合适。 T1/T2 0 6 10 2 2610 图5-6 串/单与T1/T2 的关系曲线 从图5-6可见，串级控制系统频率增长的速度，在主、副对象 时间常数的比值T1/T2较小时最为显著； 一方面我们希望T2小一点可以使副回路灵敏些； 另一方面，T2过小，必然使比值T1/T2

14、加大，此时对提高系统的 工作频率意义不大； 1、当T1/T210时，表明T2很小，副回路包括的干扰因素越来 越少，副回路克服干扰能力强的优点未能充分利用。 2、当T1/T23时，表明T2过大，副回路包括的干扰多，控制作 用不及时。 3、当T1/T2 1时，主副对象之间的动态联系十分紧密，如果 在干扰作用下 主、副参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡 ，这样，两个参数互相促进，振荡更加剧烈，这就是所谓的“共 振效应”，显然应力求避免。 二、主、副回路调节器调节规律的选择原则 、主参数控制质量要求不十分严格，同时对副参数的要求也 不高时，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均 可采用比

15、例控制。 、主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主、副调节器 采用比例积分形式。 、要求主参数波动范围很小，且不允许有余差（稳态误差） ，此时副调节器可采用比例形式，主调节器采用比例积分形式。 第四节 串级控制系统实例分析 过热蒸汽温度串级控制 一、过热蒸汽温度控制的任务 过热蒸汽温度控制的任务:维持过热器出口蒸汽温度在允 许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工 作温度。 过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，一般规 定过热蒸汽的温度上限不能高于其额定值+5。 如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，据 估计，汽温每降低5，热经济性将下降约1%； 且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度升高，甚至使之带水，严 重影响汽轮机的安全运行。 一般规定过热汽温下限不低于其额定值10。通常，高参数 电厂都要求保持过热汽温在530545 的范围内。 二、过热蒸汽温度控制对象的动态特征性 影响汽温变化的扰动因素很多，例如蒸汽负荷，烟气温度和流 速，给水温度，炉膛热负荷，送风量，给水母管压力和减温水量。 蒸汽从汽包出来以后通过过热器的低温段，至减温器，然后 再