四章串级控制系统培训课件

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1、第四章 串级控制系统,简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广的控制形式，约占全部控制系统的80。但是： 随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更加严格，变量之间的关系更加复杂。 有些生产工艺和控制要求比较特殊。 随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如产量、质量、节能、环保、效率等。 为此，设计出各种复杂控制系统。,当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。 4.1 串级控制系统基本结构及工作过程 串级控制是在简单控制系统基础上的改进。 例 管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原油加热到一

2、定温度，以保证下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后的出口温度。,问题： 控制通道容量滞后很大，控制缓慢。,燃料压力或燃料的热值变化,影响炉膛温度,热传导给原料,影响出口温度,15min,3min,若用简单温控系统：,炉膛温度 变化,T2T、T2C回路先改变燃料量,T1T、 T1C回路再改 变燃料量,出料温度变化,解决措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。,燃料压力 变化,3min,结构特点： 系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。 主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。,控

3、制过程分析： 1燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)发生扰动干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。,2原油流量 f1(t)、原油入口温度 f2(t)发生扰动 干扰进入主回路 对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。,3干扰同时作用于副回路和主回路 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： 燃料压力f3(t)炉膛温度 出口温度 副控制器开始调节 原油流量f1(t)出口温度主副控制

4、器共同调节,（2）主副回路的干扰影响方向相反。如： 燃料压力f3(t)炉膛温度 出口温度 副控制器开始调节 原油流量f1(t)出口温度主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。,4.2串级控制系统特点及其分析 将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。,将副环等效为：,4.2.1改善被控过程的动态特性 控制通道等效副对象的传函：,设：,则：,串级控制等效,真正的单回路控制,T02 T02 ，说明主环控制通道时间常数缩短，改善了系统的动态性能。,同理，通过对系统振荡频率的推导可知： 副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改善了系统的动态性能。,从系统特征方程：1+Gc1(s)Go2(s)Go1(s)

5、Gm1(s)=0 可求出系统的工作频率c,4.2.2 抗干扰能力增强 对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控制前向通道的区别：,真正的单回路控制,干扰通道的传函：,设：,则：,T02* T02,K02 * K02,K02 * K02 说明干扰通道的影响力降低； T02 * T02 说明干扰通道时间常数缩短，即副回路的控制速度快。,真正的单回路控制,真正的单回路控制,对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制闭环回路的区别：,T02 T02 ，说明主环通道时间常数被缩短，加快了系统的控制速度。,4.2.3对负荷和操作条件变化的适应能力增强 有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的工艺点，对象

6、的放大倍数往往不同。如果是单回路控制，这会导致控制质量下降。,真正的单回路控制,对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。,串级系统特点总结： 对进入副回路的干扰有很强的克服能力； 改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善； 对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。,4.3 串级控制系统的设计与参数整定 4.3.1串级控制系统的方案设计 1主回路设计 主回路设计与单回路控制系统一样。,2副回路的选择 副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参

7、数的选择一般应遵循下面几个原则： 主、副变量有对应关系 副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰 副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振” 的发生 应注意工艺上的合理性和经济性,3主、副调节器调节规律的选择 在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。 主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用PI调节，或PID调节。 控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选P调节就可以了。,4主、副调节器正、反作用方式的确定

8、对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。 选择时的顺序是： 1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用； 2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用； 3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。,以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调节器的正、反作用方式的确定方法。 1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。,2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证副回路为负反馈，副调节器应为反

9、作用方式。,3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，原料油出口温度也升高，说明主对象和主变送器也都是正作用。为保证主回路为负反馈，主调节器也应为反作用方式。,5串级系统的工业应用 当生产工艺要求高，采用简单控制系统满足不了工艺要求的情况下，可考虑采用串级控制系统。串级控制系统常用于下面一些生产过程。 1）容量滞后较大的过程 2）纯滞后较大的过程 3）干扰幅度大的过程 4）非线性严重的过程,4.3.2串级控制系统的参数整定 有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。 1逐步逼近法 依次整定副回路、主回路。并循环进行，逐步接近主、副回路最佳控制状态。 2两步整定法 系统处于串级工作状态，第一步按

10、单回路方法整定副调节器参数；第二步把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。,3一步整定法 所谓一步整定法，就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。,表7.1一步整定法副调节器参数选择范围 副参数类型 副调节器比例度2（%） 副调节器比例增益Kc2 温度 2060 5.01.7 压力 3070 3.01.4 流量 4080 2.51.25 液位 2080 5.01.25,第五章 前馈控制系统 前馈控制的原理是：当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对

11、被控参数的影响。 5.1前馈控制的工作原理及其特点,1、反馈控制的特点： 不论是什么干扰，只要引起被调参数的变化，调节器均可根据偏差进行调节。但必须被调参数变化后才进行调节，调节速度难以进一步提高。,例 换热器出口温度反馈控制系统,针对冷物料流量变化的最佳调节效果：,为了改变事后调节的状况，提出前馈控制的思路：根据冷物料流量Q的大小，调节阀门开度。,2、前馈控制的原理与特点,例 针对换热器入口流量干扰的前馈控制系统,用方框图表示：,补偿原理 如果补偿量和干扰量以同样的大小和速度作用于被控变量，且作用方向相反的话，被控变量不变。,Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)G

12、v(s)Go(s) = 0,得：,前馈补偿规律的推导：,Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0,前馈控制的特点： 前馈控制器是按是按照干扰的大小进行控制的， 称为“扰动补偿”。如果补偿精确，被调变量不会变化，能实现“不变性”控制。 前馈控制是开环控制，控制作用几乎与干扰同步产生，是事先调节，速度快。 前馈控制器的控制规律不是PID控制，是由对象特性决定的。 前馈控制只对特定的干扰有控制作用，对其它干扰无效。,3前馈控制的局限性 实际工业过程中的干扰很多，不可能对每个干扰设计一套控制系统，况且有的干扰的在线检测非常困难。 前馈控制器的补偿控制

13、规律很难精确计算，即使前馈控制器设计的非常精确， 实现时也会存在误差，而开环系统对误差无法自我纠正。 因此，一般将前馈控制与反馈控制结合使用。前馈控制针对主要干扰，反馈控制针对所有干扰。,5.2前馈控制系统的结构 前馈控制的结构有静态补偿和动态补偿。 1静态前馈控制系统 所谓静态前馈控制，是前馈控制器的补偿控制规律，只考虑静态增益补偿，不考虑速度补偿。,（S=0时）,静态前馈系统结构简单、易于实现，前馈控制器就是一个比例放大器。但控制过程中，动态偏差依然存在。 2动态前馈控制系统 完全按照补偿控制规律制作控制器。,理论上，动态前馈控制能在每个时刻都完全补偿扰动对被控参数的影响。但补偿控制规律比

14、较复杂，常常无法获得精确表达式，也难以精确实现。,3前馈反馈复合控制系统 为了克服前馈控制的局限性，将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈反馈复合控制系统。,如换热器出口温度前馈反馈复合控制系统。,在前馈反馈复合控制系统中，设定值X(s)、干扰F(s)对输出Y(s)的共同影响为：,1、传函分子即是前馈控制系统的补偿条件。表明复合控制系统与开环前馈控制系统的补偿条件完全相同，并不因为引进反馈控制而有所改变。 2、传函分母即是反馈控制系统的闭环传递函数。表明反馈控制系统的稳定性并不因为引进前馈控制而有所改变；且由于反馈控制回路的存在，使前馈控制的精度比开环前馈控制高。,干扰通道的传递函数为：,复合

15、控制系统具有以下优点： 在反馈控制的基础上，针对主要干扰进行前馈补偿。既提高了控制速度，又保证了控制精度。 反馈控制回路的存在，降低了对前馈控制器的精度要求，有利于简化前馈控制器的设计和实现。 在单纯的反馈控制系统中，提高控制精度与系统稳定性是一对矛盾。往往为保证系统的稳定性而无法实现高精度的控制。而前馈反馈控制系统既可实现高精度控制，又能保证系统稳定运行。,4前馈串级复合控制系统 对于慢过程的控制，如果生产过程中的主要干扰频繁而又剧烈，而工艺对被控参量的控制精度要求又很高，可以考虑采用前馈串级复合控制方案。,从前馈串级复合控制系统的传递函数（ P226式7-25作了简化）可知： 1、串级控制

16、回路的传函和单纯的串级控制系统一样 2、前馈控制器的传函主要由扰动通道和主对象特性决定,1/Gm2(S),5前馈控制器的通用模型 前面按照不变性条件，求得前馈控制器的传递函数表达式,实际上，要得到上式的精确数学模型比较困难，准确实现也比较困难，还不如用简约化模型。 将Go(S)、 Gf(S)用带滞后的一阶模型近似，将Gv(S)、 Gm(S)用比例模型近似，代入上式整理得：,因此，可以事先做好各系数可调的通用前馈控制器。使用时根据补偿要求，调整各个系数值，就可获得不同特性的前馈控制功能。,前馈控制器的通用模型：,各系数物理意义： Km 静态放大系数； T1 加速系数； T2 减速系数； 纯滞后时间。,前馈控制的应用场合 （1）某个干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，而对象的控制通道滞后大。 （2）采用单纯的反馈控制，控制速度慢、质量差。 （3）用串级控制，效果改善不明显。 目前，比较高档的控