4串级控制系统(1)实用教案

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1、东北大学秦皇岛分校(fnxio)单回路单回路(hul)控制系统：结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业控制系统：结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。生产。复杂控制系统：具有两个以上的检测变送单元、或控制器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务。复杂控制系统：具有两个以上的检测变送单元、或控制器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务。串级控制系统：对改善控制品质有独到之处，故而在过程控制系统中应用很广泛。串级控制系统：对改善控制品质有独到之处，故而在过程控制系统中应用很广泛。第1页/共92页第一页，共93页。东北大学秦皇岛分

2、校(fnxio) 以炼油厂管式加热炉控制为例。以炼油厂管式加热炉控制为例。(1)采用直接控制方案：选取出口温度采用直接控制方案：选取出口温度(wnd)为被控为被控参数，燃料量为控制参数，如图所示。参数，燃料量为控制参数，如图所示。 4.1串级控制系统串级控制系统(knzhxtn)4.1.1串级控制系统的组成串级控制系统的组成第2页/共92页第二页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)干扰：被加热油料流量干扰：被加热油料流量(liling)和初温和初温f1(t); 燃料油扰动（组分，油压）燃料油扰动（组分，油压）f2(t)； 配风，炉膛漏风和大气温度扰动配风，炉膛漏风和大气温度扰动f3(t

3、)第3页/共92页第三页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)优点：所有对温度的干扰都包括在控制回路之中。缺点：对燃油流量变化等干扰控制不及时(jsh)，总滞后较大。干扰：被加热油料流量干扰：被加热油料流量(liling)和初温和初温f1(t); 燃料油扰动（组分，油压）燃料油扰动（组分，油压）f2(t)； 配风，炉膛漏风和大气温度扰动配风，炉膛漏风和大气温度扰动f3(t)第4页/共92页第四页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(2)采用采用(ciyng)间接控制方案，以炉膛温度为被控参数：如图所示。间接控制方案，以炉膛温度为被控参数：如图所示。 干扰：被加热油料流量和初温干扰

4、：被加热油料流量和初温f1(t); 燃料油扰动（组分燃料油扰动（组分(zfn)，油压），油压）f2(t)； 配风，炉膛漏风和大气温度扰动配风，炉膛漏风和大气温度扰动f3(t)第5页/共92页第五页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio) 优点：能及时而有效地克服来自燃料油压力方面的干扰。优点：能及时而有效地克服来自燃料油压力方面的干扰。 缺点：燃料油控制只起辅助作用；放弃炉出口温度控制将无法克服来自原缺点：燃料油控制只起辅助作用；放弃炉出口温度控制将无法克服来自原料流量料流量(liling)(liling)和温度等方面的干扰。和温度等方面的干扰。干扰：被加热油料流量干扰：被加热油料流量(l

5、iling)和初温和初温f1(t); 燃料油扰动（组分，油压）燃料油扰动（组分，油压）f2(t)； 配风，炉膛漏风和大气温度扰动配风，炉膛漏风和大气温度扰动f3(t)第6页/共92页第六页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)温度温度(wnd)温度温度(wnd)串级串级将前述方案将前述方案(fngn)综合起来，即得串级控制系统如图所示。综合起来，即得串级控制系统如图所示。第7页/共92页第七页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)方框图方框图特征：两台控制特征：两台控制特征：两台控制特征：两台控制(kngzh)(kngzh)器串联在一起，控制器串联在一起，控制器串联在一起，控制器串

6、联在一起，控制(kngzh)(kngzh)一个调节阀。一个调节阀。一个调节阀。一个调节阀。第8页/共92页第八页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)例：图4-1玻璃(b l)熔窑温度控制系统温度温度(wnd)流量串级流量串级第9页/共92页第九页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)为了实现(shxin)温度控制，可采用如下几种方案：1温度定值控制第10页/共92页第十页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)2燃油流量(liling)定值控制（如图4-2所示）图4-2玻璃(b l)熔窑的燃油流量定值控制第11页/共92页第十一页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)图

7、4-3玻璃(b l)熔窑温度串级控制系统3串级温度控制（如图4-3所示）第12页/共92页第十二页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)第13页/共92页第十三页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)图4-4串级控制系统(kn zh x tn)框图第14页/共92页第十四页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)第15页/共92页第十五页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)4.1.2 串级控制系统串级控制系统(kn zh x tn)的特性分析的特性分析1. 能迅速克服进入副回路扰动的影响能迅速克服进入副回路扰动的影响图图4-5串级控制系统串级控制系统(kn zh x t

8、n)方框图方框图第16页/共92页第十六页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)二次干扰(gnro)对主参数的传递函数：第17页/共92页第十七页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio) 图4-6单回路(hul)系统方框图第18页/共92页第十八页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)先假定Gc(s)=Gc1(s)，且注意到单回路系统中的Gm(s)就是串联系统中的Gml(s)，可以看到，在s上式中，分母比分子(fnz)中多了一项，即Gc2(s)Gv(s)Go2(s)Gm2(s)。这项乘积的数值一般是比较大的，因此，上式的值是远小于的。第19页/共92页第十九页，共93页。东北大

9、学秦皇岛分校(fnxio)2. 提高(t go)了系统的工作频率串级系统的工作频率高于单回路系统的工作频率 第20页/共92页第二十页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)第21页/共92页第二十一页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)假设副回路(hul)中各环节传递函数为第22页/共92页第二十二页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)令时间常数(sh jin chn sh)缩小了 第23页/共92页第二十三页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)工作频率第24页/共92页第二十四页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)第25页/共92页第二十五页，共93页。

10、东北大学秦皇岛分校(fnxio)第26页/共92页第二十六页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)由于(yuy)To2单第27页/共92页第二十七页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)3.对负荷变化具有(jyu)一定的自适应能力第28页/共92页第二十八页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)从另一方面看，由于副回路通常是一个流量随动系统，当系统操作条件或负荷改变时，主调节器将改变其输出值，副回路能快速跟踪及时而又精确地控制(kngzh)流量，从而保证系统的控制(kngzh)品质。从上述两个方面看，串级控制(kngzh)系统对负荷的变化有一定自适应能力。第29页/共92页第

11、二十九页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(1)由于副回路的存在由于副回路的存在(cnzi)，减小，减小了对象的时间常数，缩短了控了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及时制通道，使控制作用更加及时(2)提高了系统的工作频率，提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节使振荡周期减小，调节(tioji)时间时间缩短，系统的快速性增强了缩短，系统的快速性增强了(3)对二次干扰具有很强的克对二次干扰具有很强的克服能力，对克服一次干扰的服能力，对克服一次干扰的能力也有一定的提高能力也有一定的提高。(4)对负荷或操作条件的变化对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力具有一定的自适应

12、能力串级控制系统的特点：串级控制系统的特点：第30页/共92页第三十页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)例：第31页/共92页第三十一页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)控制品质指标简单控制系统串级控制系统Kc1=3.7TI=38Kc2=10Kc1=8.4TI=13.8衰减率0.750.75残偏差00系统工作频率0.0870.23二次扰动下的短期最大偏差0.240.011一次扰动下的短期最大偏差0.30.11第32页/共92页第三十二页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)4.1.3 串级控制系统的设计串级控制系统的设计(shj)一个设计一个设计(shj)合理的串级控

13、制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会减小到单回路控制系统时的减小到单回路控制系统时的1/101/100。干扰从主回路进入，最大偏差也会缩。干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统时小到单回路控制系统时1/31/5。第33页/共92页第三十三页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)1、主变量、主变量(binling)的选择的选择选择直接或间接地反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控选择直接或间接地反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制目的的参数作主变量制目的的参数作主变量(binling

14、)。选选择择原原则则是是在条件许可的情况下，尽量选择在条件许可的情况下，尽量选择直接反映控制目的的参数为主变量直接反映控制目的的参数为主变量，不行时可选择与控制目的有某种，不行时可选择与控制目的有某种单值对应关系单值对应关系(gun x)的间接参数的间接参数作为主变量；作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化所选的主变量必须有足够的变化灵敏度；还应考虑工艺上的合理性灵敏度；还应考虑工艺上的合理性和实现的可能性。和实现的可能性。第34页/共92页第三十四页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fn xio)2、副变量、副变量(binling)的选择的选择副回路副回路(hul)的设计质量是保证发挥串级控

15、制的设计质量是保证发挥串级控制系统优点的关键。系统优点的关键。第35页/共92页第三十五页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio) (1)应使主要应使主要(zhyo)的和的和更多的干扰落更多的干扰落入副回路入副回路尽可能地把更多的干扰纳入副回路，特别是那些变化剧烈、幅尽可能地把更多的干扰纳入副回路，特别是那些变化剧烈、幅度最大、频繁出现的主要干扰包括在副回路中，一旦度最大、频繁出现的主要干扰包括在副回路中，一旦(ydn)出出现，副回路首先把它们克服到最低程度，减小它们对主变量的影现，副回路首先把它们克服到最低程度，减小它们对主变量的影响，从而提高控制质量。响，从而提高控制质量。注意：副回路

16、不能包含全部干扰注意：副回路不能包含全部干扰第36页/共92页第三十六页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)可供选为副变量的有燃料油的阀前压力、可供选为副变量的有燃料油的阀前压力、燃料油的流量燃料油的流量(liling)及炉膛温度。及炉膛温度。第37页/共92页第三十七页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)如果燃料油的压力波动是生产过程中的主要如果燃料油的压力波动是生产过程中的主要(zhyo)干干扰，选择燃料油阀前压力作为副变量构成出口温度与阀扰，选择燃料油阀前压力作为副变量构成出口温度与阀前压力串级控制系统，如图中虚线前压力串级控制系统，如图中虚线1。第38页/共92页第三十

17、八页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)选择选择(xunz)燃料流量为副变量构成温度燃料流量为副变量构成温度流量串级控制系统，如图中虚线流量串级控制系统，如图中虚线2。第39页/共92页第三十九页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)假若燃料的压力和流量都比较稳定，而生产过程中原料假若燃料的压力和流量都比较稳定，而生产过程中原料油的流量却频繁波动，或原料油的入口温度受外界影响油的流量却频繁波动，或原料油的入口温度受外界影响波动较大波动较大(jio d)(jio d)，上述两个方案都是不可行的，因，上述两个方案都是不可行的，因为它们没有把主要干扰纳入副回路之中。为它们没有把主要干扰

18、纳入副回路之中。 第40页/共92页第四十页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)这这时时应应将将炉炉膛膛温温度度选选作作副副变变量量构构成成图图中中虚虚线线3的的温温度度温温度度串串级级控控制制系系统统就就显显得得更更为为合合理理了了。更更多多的的次次要要干干扰扰也也包包括括在在副副回回路路中中了了，例例如如燃燃料料油油热热值值的的变变 化化 、 原原 料料 油油 组组 分分 的的 变变 化化 、 助助 燃燃 风风 的的 流流 量量(liling)波动、烟囱抽力的变化等等。波动、烟囱抽力的变化等等。第41页/共92页第四十一页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(2)应使主、副

19、应使主、副对象的时间常数对象的时间常数(sh jin chn sh)匹配匹配从回路的频率特性来分析回路都分别看作是从回路的频率特性来分析回路都分别看作是一个二阶振荡一个二阶振荡(zhndng)系统。系统。二阶系统的闭环传递函数为二阶系统的闭环传递函数为第42页/共92页第四十二页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)第43页/共92页第四十三页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)第44页/共92页第四十四页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)第45页/共92页第四十五页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)第46页/共92页第四十六页，共93页。东北大学秦皇岛分校(

20、fnxio)当外界干扰频率小于当外界干扰频率小于1/3r1/3r或大于或大于 r r ，系统的增幅，系统的增幅是很小的，甚至没有增幅。是很小的，甚至没有增幅。如果外界干扰频率进入如果外界干扰频率进入(jnr)1/3r(jnr)1/3r到到 r r之间之间时，系统的幅值增大，振荡加剧，甚至发生共振。时，系统的幅值增大，振荡加剧，甚至发生共振。 第47页/共92页第四十七页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)共振区：共振区：副回路一直受主回路的干扰，所以：副回路一直受主回路的干扰，所以：主回路工作频率主回路工作频率d1相当于作用于副回路得到干扰频率，主回路和副回相当于作用于副回路得到干扰频

21、率，主回路和副回路之间的共振区为：路之间的共振区为：副回路输出也是主回路的干扰，二者互相干扰，容易副回路输出也是主回路的干扰，二者互相干扰，容易(rngy)发生发生“共共振效应振效应”第48页/共92页第四十八页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)要避免要避免(bmin)共振效应，应是：共振效应，应是：第49页/共92页第四十九页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)另外根据二阶系统闭环传递函数的特征方程可知系另外根据二阶系统闭环传递函数的特征方程可知系统的工作频率统的工作频率d与系统的自然与系统的自然(zrn)频率频率o有如下关系：有如下关系： d=o对于小的阻尼系数对于小的阻

22、尼系数，r和和d的值几乎相等。的值几乎相等。如果分别将主、副回路都整定到如果分别将主、副回路都整定到4；1的衰减振荡，的衰减振荡，即即=0216时，它们的工作频率时，它们的工作频率d与其对应的共振与其对应的共振频率频率r近似相等。即近似相等。即 dlrl d2=r2第50页/共92页第五十页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)避免避免“共振效应共振效应”的条件是：的条件是：为确保为确保(qubo)串级控制系统不受到串级控制系统不受到“共振效应共振效应” ，一，一般取般取d2=(310)d1根据系统的工作频率与对象的时间常数近似成反比关系，根据系统的工作频率与对象的时间常数近似成反比关系

23、，在选择副变量时，应考虑主、副对象时间常数的匹配关在选择副变量时，应考虑主、副对象时间常数的匹配关系，通常取系，通常取T01=(310)TO2第51页/共92页第五十一页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)分析分析(fnx)可可知知(1)当当T01/T0210时，则时，则T02很小，副回路包括的干扰很小，副回路包括的干扰很少，作用未发挥。很少，作用未发挥。(2)当当T01/T023时，说明时，说明T02过大，副回路的控制作用过大，副回路的控制作用不及时。不及时。(3)当当T01/T02 1时，主、副回路易出现时，主、副回路易出现“共振效应共振效应”。 一般认为：一般认为：T01/T02

24、=3 10 较合适。较合适。 究竟究竟T02取多大为好，应按具体情况确定。若欲快取多大为好，应按具体情况确定。若欲快速克服主干扰，则小一点为好；若欲克服对象速克服主干扰，则小一点为好；若欲克服对象(duxing)的大滞后，可取大点；若欲克服对象的大滞后，可取大点；若欲克服对象(duxing)的非线性，则的非线性，则T01/T02宜取大一些。宜取大一些。第52页/共92页第五十二页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(3)应考虑应考虑(kol)工艺上工艺上的合理性、可能的合理性、可能性和经济性性和经济性副变量的选择，应考虑工艺上主、副变量有对副变量的选择，应考虑工艺上主、副变量有对应关系

25、，即调整副变量能有效地影响主变量，而应关系，即调整副变量能有效地影响主变量，而且可以在线检测。且可以在线检测。串级控制系统的设计，有时从控制角度看是合串级控制系统的设计，有时从控制角度看是合理的、可行理的、可行(kxng)的，但从工艺角度看，却是的，但从工艺角度看，却是不合理的。这时就应该根据工艺的具体情况改进不合理的。这时就应该根据工艺的具体情况改进设计。设计。第53页/共92页第五十三页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)在副回路的设计中，若出现几个可供选择的方案时，应把经济原则和控制在副回路的设计中，若出现几个可供选择的方案时，应把经济原则和控制品质要求有机地结合起来。品质要求有

26、机地结合起来。 在保证生产工艺要求的前提下，尽量选择投资少、见效快，成本低、效益在保证生产工艺要求的前提下，尽量选择投资少、见效快，成本低、效益高的方案。高的方案。 这个思想应作为这个思想应作为(zuwi)工程设计人员的指导原则。工程设计人员的指导原则。 第54页/共92页第五十四页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)3、主、副控制器的选择、主、副控制器的选择(xunz) 包括主、副控制器控制规律的选择包括主、副控制器控制规律的选择(xunz)，控制，控制器正、反作用的选择器正、反作用的选择(xunz)以及控制器积分饱和的以及控制器积分饱和的预防。预防。第55页/共92页第五十五页，共

27、93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)主变量是生产工艺的重要指标。控制品质要求较高，主变量是生产工艺的重要指标。控制品质要求较高，超出规定范围就要出次品或发生事故。超出规定范围就要出次品或发生事故。副变量的引入主要是通过闭合的副回路副变量的引入主要是通过闭合的副回路(hul)来保来保证和提高主变量的控制精度。证和提高主变量的控制精度。这是串级控制系统的基本类型。这是串级控制系统的基本类型。 (1)控制控制(kngzh)规律的规律的选择选择一般说来有下列四种情况：一般说来有下列四种情况： 第56页/共92页第五十六页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)生产工艺对主变量的控制品质要求(y

28、oqi)高，因而主控制器宜选择PI控制作用。为了克服对象的容量滞后，进一步提高主变量的控制质量，可再加入微分作用，即选择PID控制。对于副控制器，因对副变量的控制品质要求(yoqi)不高，一般选P作用就行了。此时引入积分作用反而减弱了副回路的快速性。第57页/共92页第五十七页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)对主变量的控制要求较高，对副变量的控制要求也不低。对主变量的控制要求较高，对副变量的控制要求也不低。为了使主变量在外界干扰作用下不至于产生余差，主控为了使主变量在外界干扰作用下不至于产生余差，主控制器选择制器选择PI作用；作用；为了克服进入副环干扰的影响，保证副变量也达到为了克

29、服进入副环干扰的影响，保证副变量也达到(d do)一定的控制品质要求，副控制器也选择一定的控制品质要求，副控制器也选择PI作用。作用。第58页/共92页第五十八页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)对主变量的控制要求不高，允许在一定范围内波对主变量的控制要求不高，允许在一定范围内波动。动。要求副变量能够快速、准确地跟随主控制器的输出要求副变量能够快速、准确地跟随主控制器的输出而变化。而变化。此时主控制器选择此时主控制器选择(xunz)P作用，副控制器应选择作用，副控制器应选择(xunz)PI作用。作用。对主变量的控制要求不十分严格，对副变量的控对主变量的控制要求不十分严格，对副变量的控

30、制品质要求也不高。制品质要求也不高。主、副控制器均可选择主、副控制器均可选择(xunz)P作用。作用。第59页/共92页第五十九页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)如如果果输输入入(shr)控控制制器器的的测测量量信信号号增增大大，控控制制器器是是比比例例作作用用时时的的输输出出也也增大，则称其作用方式为正作用，否则为反作用。增大，则称其作用方式为正作用，否则为反作用。(2)控制器正、反作用方式控制器正、反作用方式(fngsh)的选择的选择第60页/共92页第六十页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)正正反反作作用用(zuyng)方方式式确确定定的的基基本本原原则则是是保保证

31、证系系统统成成为负反馈。为负反馈。副控制器按单回路方式选择副控制器按单回路方式选择:(副副 控控 制制 器器 +/-)(控控 制制 阀阀 +/-)(副副 对对 象象 +/-)=(-)控制阀：气开为正，气关为负控制阀：气开为正，气关为负副对象：控制量增加，副被控量增加，为正。副对象：控制量增加，副被控量增加，为正。主控制器按下式确定主控制器按下式确定:(主主 控控 制制 器器 +/-)(副副 对对 象象 +/-)(主主 对对 象象 +/-)=(-)判别式法判别式法第61页/共92页第六十一页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)控控制制器器具具有有积积分分作作用用。当当系系统统长长时时间间

32、存存在在偏偏差差而而不不能能消消除除时时，控控制制器器将将出出现现积积分分饱饱和和现现象象。这这一一现现象象将将造造成成系系统统控控制制品品质质下下降降甚甚至至失失控控。在在串串级级控控制制系系统统中中，如如果果副副控控制制器器只只是是(zhsh)P作作用用，而而主主控控制制器器是是PI或或PID控控制制时时，出出现现积积分分饱饱和和的的条条件件与与单单回回路路控控制制系系统统相相同同，利利用用外外部部积积分分反反馈馈法法，只只要要在在主主控控制制器器的的反反馈馈回回路路中中加加一一个个间间歇歇单单元元就可以有效地防止积分饱和。就可以有效地防止积分饱和。(3)主、副控制器的防积分饱和措主、副控

33、制器的防积分饱和措施施(cush)控制规律的选择控制规律的选择第62页/共92页第六十二页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)如如果果主主、副副控控制制器器都都具具有有积积 分分 作作 用用 ， 积积 分分 饱饱 和和(boh)的的情情况况比比单单回回路路控控制制系系统统要要严严重重得得多多，存存在在着着两两个个控控制制器器输输出出都都达达到到极极值值点点的的可可能能，若若如如此此，串串级级控控制制系系统统的的失失控控范范围围要要比比单单回回路路控控制制系系统统积积分分饱饱和和(boh)时时失失控控范范围围大得多。大得多。第63页/共92页第六十三页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fn

34、xio)l1)副控制器防止积分饱和(boh)的方法和单回路控制系统的方法相同，采用外部积分反馈法。第64页/共92页第六十四页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)2）防止主控制器积分饱和的原理如下）防止主控制器积分饱和的原理如下: 在动态过程在动态过程(guchng)中，主控制器的输出为：中，主控制器的输出为： 第65页/共92页第六十五页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)系统系统(xtng)处于正常工作时，处于正常工作时，Y2应不断跟踪应不断跟踪R2，即有，即有Y2(s)R2(s)，此时主控制器的输出可以写成，此时主控制器的输出可以写成R2(s)KclEl(s)+1/(Tn

35、s+1)Y2(s) 第66页/共92页第六十六页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)此时主控制器具有此时主控制器具有PI控制作用。与通常采用主控制器输出控制作用。与通常采用主控制器输出(shch)R2作为正反馈信号时一致。作为正反馈信号时一致。第67页/共92页第六十七页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)当副回路由于某种原因而出现长期偏差时，即当副回路由于某种原因而出现长期偏差时，即R2(s)Y2(s)时，时，R2(s)KclEl(s)+1/(Tns+1)Y2(s)则则主主控控制制器器的的输输出出R2与与其其输输入入信信号号之之间间仅仅存存比比例例关关系系。此此时时的的Y2只

36、只是是(zhsh)主控制器输出的一个偏置值。主控制器输出的一个偏置值。第68页/共92页第六十八页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)在稳态时有：在稳态时有： r2Kc1el+y2这就是说，这就是说，r2不会因副回路偏差不会因副回路偏差(pinch)的长期存在而发生积分饱和。的长期存在而发生积分饱和。 第69页/共92页第六十九页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)两个控制器的参数都需要进行整定。两个控制器的参数都需要进行整定。其其中中任任一一个个控控制制器器任任一一参参数数值值发发生生变变化化，对对整整个个串串级级系系统统都都有有影影响响(yngxing)，因因此此，串串级级

37、控控制制系系统统的的参参数数整整定定要要比比单单回回路路控控制制系系统统复杂一些。复杂一些。4.3 串级控制系统串级控制系统(kn zh x tn)整定方法整定方法第70页/共92页第七十页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)l参数整定的实质都是相同的，通过改变控制器的参参数整定的实质都是相同的，通过改变控制器的参数来改善控制系统的静、动态特性，从而数来改善控制系统的静、动态特性，从而(cng r)获得最佳的控制过程。获得最佳的控制过程。第71页/共92页第七十一页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)串串级级控控制制系系统统(kn zh x tn)从从主主回回路路看看，它它是是

38、一一个个定定值值控控制制系系统统(knzhxtn)，因因而而其其控控制制品品质质指指标标和和单单回回路路控控制制系系统统(knzhxtn)一样。一样。从从副副回回路路来来着着，它它是是一一个个随随动动系系统统，一一般般来来讲讲对对它它的的控控制制品品质质要要求求并并不不高高，只要能准确、快速地跟随主控制器的输出而变化就行了。只要能准确、快速地跟随主控制器的输出而变化就行了。第72页/共92页第七十二页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)由由于于两两个个控控制制器器完完成成任任务务的的侧侧重重点点不不同同，对对控控制制品品质质的的要要求求也也就就往往往往不不同同。必必须须根根据据各各自自

39、完完成成的的任任务务和和控控制制品品质质要要求去确定主、副控制器的参数。求去确定主、副控制器的参数。整定参数的方法整定参数的方法(fngf)可分为以下三种。可分为以下三种。第73页/共92页第七十三页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)依依次次整整定定副副回回路路、主主回回路路，然然后后循循环环进进行行，逐逐步步接接近近主主、副控制副控制(kngzh)回路的最佳整定的一种方法。回路的最佳整定的一种方法。1、逐步、逐步(zhb)逼近法逼近法第74页/共92页第七十四页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)其步骤如下其步骤如下(rxi)：(1)首首先先整整定定副副回回路路。断断开开主

40、主回回路路，将将副副回回路路按按照照单单回回路路控控制制系系统统的的整整定定方方法法进进行行整整定定，求求取取副副控控制制器器的整定参数，得到第一次整定值，记作的整定参数，得到第一次整定值，记作Gc21。第75页/共92页第七十五页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(2)整整定定主主回回路路。把把刚刚整整定定好好的的副副回回路路看看作作是是主主回回路路中中的的一一个个(y )环环节节，对对主主回回路路仍仍按按单单回回路路控控制制系系统统的的整整定定方法求取主控制器的整定参数，记作方法求取主控制器的整定参数，记作Gc11。第76页/共92页第七十六页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fn

41、xio)(3)(3)再次整定副回路。此时主、副回路都已闭合。在主控制再次整定副回路。此时主、副回路都已闭合。在主控制器参数为器参数为Gc11Gc11的条件的条件(tiojin)(tiojin)下，将副回路仍按单回路下，将副回路仍按单回路控制系统再次进行整定，得到副控制器新的整定参数控制系统再次进行整定，得到副控制器新的整定参数Gc22Gc22。至此已完成一个循环的整定。至此已完成一个循环的整定。第77页/共92页第七十七页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(4)重新整定主回路。重新整定主回路。 同样是在两个回路都闭合、副控制器的参数为同样是在两个回路都闭合、副控制器的参数为Gc22的

42、条件的条件(tiojin)下，按单回路重新整定主回下，按单回路重新整定主回路，得到主控制器的新参数路，得到主控制器的新参数Gc12 。第78页/共92页第七十八页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)比较已整定的参数和控制品质，如果满意了，整定工作就比较已整定的参数和控制品质，如果满意了，整定工作就此结束。如果不满意，再依次按上面的此结束。如果不满意，再依次按上面的3、4步骤继续进行，步骤继续进行，直到满意为止。直到满意为止。此种方法比较繁琐费时，尤其是副控制器也采用此种方法比较繁琐费时，尤其是副控制器也采用PI控控制作用时。制作用时。逐步逼近法在一般逐步逼近法在一般(ybn)情况下很少

43、采用。情况下很少采用。第79页/共92页第七十九页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio) 这 种 整 定 方 法 的 理 论 根 据 是 由 于 主 、 副 对 象 的 时 间 常 数 相 差这 种 整 定 方 法 的 理 论 根 据 是 由 于 主 、 副 对 象 的 时 间 常 数 相 差 ( x i n c h ) 很 大 ， 则 主 、 副 回 路 的 工 作 频 率 差 别 很 大 ， 当 副 回 路 整 定 好 以 后 ， 将 副 回 路 视 作 主 回 路 的 一 个 环 节 来 整 定 主 回 路 时 ， 可 认 为 对 副 回 路 的 影 响 很 小 ，很 大 ， 则

44、主 、 副 回 路 的 工 作 频 率 差 别 很 大 ， 当 副 回 路 整 定 好 以 后 ， 将 副 回 路 视 作 主 回 路 的 一 个 环 节 来 整 定 主 回 路 时 ， 可 认 为 对 副 回 路 的 影 响 很 小 ，甚 至 可 以 忽 略 。甚 至 可 以 忽 略 。 当 副 控 制 器 整 定 好 以 后 ， 再 去 整 定 主 控 制 器 时 ， 虽 然 多 少 会 影 响 到 副 变 量 的 控 制 品 质 ， 但 只 要 保 证 主 变 量 的 控 制 品 质 ， 副 变 量 的 控 制 品 质 差 一 点 也 是 允 许 的 。当 副 控 制 器 整 定 好 以

45、 后 ， 再 去 整 定 主 控 制 器 时 ， 虽 然 多 少 会 影 响 到 副 变 量 的 控 制 品 质 ， 但 只 要 保 证 主 变 量 的 控 制 品 质 ， 副 变 量 的 控 制 品 质 差 一 点 也 是 允 许 的 。2、两步整定法、两步整定法第80页/共92页第八十页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)两步法的整定步骤两步法的整定步骤(bzhu)如下：如下：(1)在生产工艺稳定，主、副回路都处于在生产工艺稳定，主、副回路都处于(chy)闭合条件下，闭合条件下，主、副控制器均采用纯比例控制作用。主、副控制器均采用纯比例控制作用。 将主控制器的比例度将主控制器的比例

46、度1置于置于100。按单回路系统。按单回路系统的衰减曲线法整定副回路。例如按的衰减曲线法整定副回路。例如按4:1的衰减曲线进行整的衰减曲线进行整定。将副控制器的比例度定。将副控制器的比例度2由大到小调整，直到副变量由大到小调整，直到副变量的过渡过程曲线呈的过渡过程曲线呈4：1衰减振荡为止。记下此时的比例衰减振荡为止。记下此时的比例度度2s，从记录纸上量得此时的衰减振荡周期，从记录纸上量得此时的衰减振荡周期T2s。 第81页/共92页第八十一页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(2)在在副副控控制制器器的的比比例例度度仍仍为为2s的的情情况况下下，将将副副回回路路看看作作是是主主回回路

47、路的的一一个个环环节节，用用同同样样的的方方法法将将主主控控制制器器的的比比例例度度1由由大大到到小小调调节节，直直到到主主变变量量的的过过渡过程曲线呈渡过程曲线呈4:1衰减振荡为止衰减振荡为止(wizh)。记记下下此此时时主主控控制制器器的的比比例例度度ls，量量出出主主变变量量振振荡荡周期周期T1s。 第82页/共92页第八十二页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(3)由由已已求求得得的的2s、T2s，和和1s、T1s的的值值，结结合合主主、副副控控制制器器的的选选型型，按按照照单单回回路路控控制制系系统统的的衰衰减减曲曲线线法法整整定定参参数数的的经经验验公公式式，分分别别计计

48、算算出出主主、副副控控制制器器的最佳参数值。的最佳参数值。(4)按按照照“先先副副后后主主”、“先先P再再I后后D”的的顺顺序序，将将计计算算出出的的参参数数设设置置到到控控制制器器上上，作作一一些些扰扰动动试试验验，观观察察(gunch)过过渡渡过过程程曲曲线线，作作适适当当的的参参数数调调整整，直直到控制质量最佳。到控制质量最佳。第83页/共92页第八十三页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)两两步步整整定定法法虽虽然然比比逐逐步步逼逼近近法法简简便便得得多多，但但仍仍然然要要分分两两步步进进行行整整定定，要要寻求两个寻求两个4:1的衰减的衰减(shuijin)振荡过程。因而仍比较

49、麻烦。振荡过程。因而仍比较麻烦。一一步步整整定定法法，是是根根据据经经验验先先确确定定副副控控制制器器的的比比例例度度，然然后后按按照照单单回回路路控控制制系统的整定方法整定主控制器的参数。系统的整定方法整定主控制器的参数。3、一步、一步(y b)整定整定法法第84页/共92页第八十四页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)一一步步整整定定法法的的理理论论根根据据在在串串级级控控制制系系统统的的方方框框图图中中，如如果果把把副副回回路路等等效效看看成成为为一一个个完完成成“粗粗调调”任任务务(rnwu)的的控控制制器器，整整个个串串级级控控制制系系统统可可以以看作是两个控制器串联在一起的

50、单回路控制系统。看作是两个控制器串联在一起的单回路控制系统。第85页/共92页第八十五页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)一步整定法的具体步骤：一步整定法的具体步骤：选选择择副副控控制制器器的的比比例例(bl)度度2，使使副副回回路路按按纯纯比比例例(bl)控制运行。控制运行。第86页/共92页第八十六页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)将将系系统统(xtng)投投入入串串级级控控制制状状态态运运行行，按按单单回回路路控控制制系系统统(xtng)参参数数整整定定的的方方法法对对主主控控制制器器进进行行参参数数整定，使主变量的控制品质最佳。整定，使主变量的控制品质最佳。第87

51、页/共92页第八十七页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)本章本章(bnzhn)小结小结1掌握串级控制系统的组成原理；会画串级控制系统的原理方框图和工艺流程(nylichn)图；会分析其工作过程。2从理论上理解对串级控制系统的分析，掌握串级控制系统比单回路控制系统的四大优点，即：第88页/共92页第八十八页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(1)减减小小了了对对象象的的时时间间常常数数，缩缩短短了了控控制制通通道道，使使控控制制作作用用更加及时，提高了系统的响应速度。更加及时，提高了系统的响应速度。(2)提提高高了了系系统统的的工工作作频频率率，在在衰衰减减(shuijin)

52、比比相相同同的的条件下，缩短了调节时间。条件下，缩短了调节时间。(3)提提高高了了系系统统的的抗抗干干扰扰能能力力，尤尤其其是是对对二二次次干干扰扰，具具有有超超前控制作用。前控制作用。(4)对负荷或操作条件的改变具有一定的自适应能力。对负荷或操作条件的改变具有一定的自适应能力。第89页/共92页第八十九页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)3设计串级控制系统时应掌握设计串级控制系统时应掌握(1)重点掌握副变量的选择原则。重点掌握副变量的选择原则。应应将将主主要要(zhyo)的的和和更更多多的的干干扰扰包包括括在在副副回回路路当当中。中。应应使使主主、副副对对象象的的时时间间常常数数成

53、成一一定定的的匹匹配配关关系系，即即TolTo2310。应应保保证证生生产产工工艺艺的的合合理理性性、实实现现的的可可能能性性和和投投入入产产出出的经济性。的经济性。第90页/共92页第九十页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)(2)应掌握主、副控制器控制作用的选择规律。(3)应掌握主、副控制器正、反作用方式的选择方法。(4)应 掌 握 主 、 副 控 制 器 防 积 分 饱 和 的 方 法 。4.应掌握串级控制系统参数整定的三种方法，即逐步逼近(bjn)法、两步整定法和一步整定法。第91页/共92页第九十一页，共93页。东北大学秦皇岛分校(fnxio)谢谢您的观看(gunkn)！第92页/共92页第九十二页，共93页。内容(nirng)总结东北大学秦皇岛分校。温度温度串级。图4-4串级控制系统框图。了对象的时间常数，缩短了控。选择燃料流量为副变量构成温度流量串级控制系统，如图中虚线2。这时应将炉膛温度选作副变量构成图中虚线3的温度温度串级控制系统就显得更为(n wi)合理了。若欲克服对象的大滞后，可取大点。为了使主变量在外界干扰作用下不至于产生余差，主控制器选择PI作用。即逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。谢谢您的观看第九十三页，共93页。