《串级控制系统》课件.ppt

1、第第6章章 串级控制系统串级控制系统目目 录录6.1 串级控制系统的基本概念6.2 串级控制系统的分析6.3 串级控制系统的设计6.4 串级控制系统的整定6.5 串级控制系统的投运6.6 利用MATLAB对串级控制系统进行仿真本章小结1精选pptn最简单的控制系统单回路控制系统单回路控制系统n系统中只用了一个调节器，调节器也只有一个输入信号。n从系统方框图看，只有一个闭环。2精选pptn 随着生产过程向大型、连续和强化方向发展，对操作条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制系统的精度和功能提出许多新的要求，对能源消耗和环境污染也有明确的限制。为此，需要在简单控制系统的基础上，采取其他措

2、施，组成复杂控制系统。n复杂控制系统 多回路控制系统多回路控制系统。n由多个测量值、多个调节器多个测量值、多个调节器；或者由多多个测量值个测量值、一个调节器一个调节器、一个补偿器一个补偿器或一个解耦器解耦器等等组成多个回路的控制系统。n从系统方框图看，有多个闭环。3精选ppt6.l 串级控制系统的概念n 6.2.l 串级控制的提出串级控制的提出n例例6-1 隔焰式隧道n窑温度控制系统。n（见图6-1）。n隧道窑是对陶瓷制n品进行预热、烧成、n冷却的装置。在生产过程的常规控制中，串级控制系统是提高过程控制品质非常有效的方案之一。4精选ppt如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影

3、响产品的光泽和颜色，所以就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为13001300，偏差不得超过 5 5 C C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量控变量，将燃料的流量作为操纵变量。为了保证陶瓷制品的质量，必须严格控制烧成带温度1，为此采用调节阀来改变燃料的流量，被控对象具有三个热容积，即燃烧室、三个热容积，即燃烧室、隔焰板和烧成带。隔焰板和烧成带。5精选ppt 图6-l即为隔焰隧道窑烧成带温度简单

4、控制系统工艺流程图，原理方框图如图6-2所示。按照我们前面学过的简单控制系统，影响烧成带温度l的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成l偏离设定值，控制器就会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的l 重新调回到设定值。6精选ppt 但实践证明这种控制方案的控制质量很差，远远达不到生产工艺的要求。原因就是从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃

5、料压力的干扰不能够及时发对于燃料压力的干扰不能够及时发现。现。烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。可是这个这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了带的温度已偏离设定值很远了。也就是说，即使发现了偏差，也即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰

6、频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。7精选ppt 假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等（如图6-2中用D2表示），都是首先进入燃烧室。人们会想，如果把燃烧室的温度2测量出来并送控制器T2C，让它来控制调节阀，那么调节动作就提前了许多。于是就出现了图6-3所示的以燃烧室温度2为被控变量的单回路控制系统。8精选ppt制品的原料成分、窑车上装载制品的数量以及春夏秋冬、刮风下雨带来环境温度的变化等等（如图6-2中用D

7、1表示）。由于在这个控制系统中，烧成带温度不是被控变量，所以对于干扰D1造成烧成带温度的变化，控制系统无法进行调节。这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成带温度的影响降低到最小限度。但是但是，我们也知道，还有直接影响烧成带温度的干扰还有直接影响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、9精选ppt温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值控制，起主导作用主导作用。而燃烧室温度控制器则起辅助作用辅助作用。它在克服干扰D2的同时，应该应该受烧成带温度控制器的操纵受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输

8、出作为燃烧室温度控制器的设定值，从而就形成了图6-4所示的串级控制系统。比较上述两个控制系统，它们各有自己的长处。第一种控制系统包括了所有干扰，第二种控制系统能对主要的和一些次要干扰提前发现，及早控制。如果能将两个控制系统结合？起来结合？起来，发挥各自优势，不是两全其美吗!另外，控制燃烧室的温度2并不是目的，真正的目的是烧成带的10精选ppt 所谓串级控制系统串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。与图6-4串级控制系统的工艺流程图对应的原理方框图如图 6-5所示。11精选ppt12精选pp

9、tn 从图中可以看到，串级系统串级系统和简单系统简单系统有一个一个显著的区别显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副环副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，被称为主主环环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。13精选ppt6.1.2 串级控制系统的组成串级控制系统的组成1串级控制系统的方框图串级控制系统的方框图 根据隔焰式隧道窑串级控制系统的方框图，可得串级控制系统标准方框图如图6-6所示。14精选ppt 2.串级控制系统有关的术语 主、副回路 在外面的闭合回路称为主

10、回路（主环），在里面的闭合回路称为副回路（副环）。主、副控制器 处于主回路中的控制器称为主控制器；处于副回路中的控制器称为副控制器。主、副被控变量 主回路的被控交量称为主被控变量，也称为主变量或主参数；副回路的被控变量称为副被控变量，也称为副变量或副参数。15精选ppt 主、副对象 主回路所包括的对象称为主对象；副回路所包括的对象称为副对象。主、副检测变送器 检测和变送主变量的称为主检测变送器；检测和变送副变量的称为副检测变送器。一、二次干扰进入主回路的干扰称为一次干扰D1；进人副回路的干扰称为二次干扰D2。16精选pptn 应该指出，系统中尽管有两个调节器，它们的作用各不相同。n主调节器具有

11、自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值n副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。比较串级系统和简单系统，前者只比后者多了一个测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却有显著的提高。17精选ppt 6l3 串级控制系统的工作过程 串级控制系统是由两个控制器串联工作的，只有副控制器的输出去操纵控制阀，两个控制器能否协调一致地工作，会不会发生矛盾，我们仍以隔焰式隧道窑温度串级控制系统为例来加以说明。考虑到生产的安全，控制阀选择“气开”工作方式。两个控制器都选择“反”作用方式。（1）只存在二次干扰（2）只存在一次干扰 (3)一次干扰和二次干扰同时存在 18精选ppt1

12、.只存在二次干扰 假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所以属于二次干扰D2。例如整个系统处于稳定状态下，突然燃料压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度T1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。19精选ppt如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快得到克服，不至于引起主变量的改变。如果这个干扰作

13、用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量仍会受到它的影响偏离了稳态值而升高。经主温度检测变送器后，主控制器接受到的测量信号增大。主控制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主控制器的输出会减小。这就意味着副控制器的设定值减小，从而会使得副控制器在原来的基础上变的更小，也即阀门开度也将再关小一点，以克服干扰对主变量的影响。20精选ppt2.只存在一次干扰 假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度1的降低。对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的“反”作用，它的输出必然增大，也就是说副控制器的设

14、定值增大了。因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量（燃烧室的温度2）没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。对于副控制器来说，设定值增大而测量值没变，可以等效为其设定值不变而测量值减小。根据副控制器的“反”作用，其输出将增大，“气开”式的控制阀门开度增大，从而加大燃料的流量，使燃烧室温度2升高，进而使窑道烧成带温度回升至设定值。21精选ppt3.一次干扰和二次干扰同时存在 两种干扰同时存在又可分为两种不同情况。一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化，即同时增大或同时减小。假定一次干扰为窑车的前进速度减小，将引起主变量（烧成带温度）l升高；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量（燃

15、烧室温度）2也升高。对于主控制器来讲，由于它的测量值升高，根据它的“反作用关系，它的输出将在稳态时的基础上减小，也就是副控制器的设定值将减小。而对于副控制器来讲，由于它的测量值增大，其输出的变化应该根据它的“反”作用以及设定值和测量值的变化方向共同决定。不妨将设定值的变化等效为设定值不变而测量值变化的情况，设定值减小可以等效为设定值不变而测量值增大。根据副控制器的“反”作用关系，上述两种作用都将使副控制器的输出减小，都要求阀门开度关小。22精选ppt此时调节阀的作用是主、副控制器作用的叠加。减小燃料的流量不仅是为了克服二次干扰把燃烧室的温度调回到稳态值，而且是使燃烧室的温度比稳态值更低一些用于

16、克服一次干扰对主变量的影响。23精选ppt一次干扰和二次干扰引起主、副变量反方向变化，即一个增大而另一个减小。假定一次干扰为窑车前进速度增大，引起主变量（烧成带温度）l下降；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量（燃烧室温度）T2升高。对主控制器来说，由于其测量值减小，根据其“反”作用关系，它的输出将增大，也将使副控制器的设定值增大。对副控制器来说，由于其测量值增大，设定值也增大，如果它们同步增大，幅度相同，即副控制器的输入信号偏差没有改变，控制器的输出当然也就不变，控制阀开度不变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节。如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不相同，也就是说

17、二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上。24精选ppt 从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合的，两个控制器协调一致，互相配合。尤其是对于二次干扰，副控制器首先进行副控制器首先进行“粗调粗调”，主控制器再进，主控制器再进一步一步“细调细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统。25精选ppt6.2 串级控制系统的分析n 串级控制系统与简单控制系统相比，只是在结构上增加了一个副回路，但是实践证明，对于相同的干扰，对于相同的干

18、扰，串级控制系统的控制质量是简单控制系统所无法比拟串级控制系统的控制质量是简单控制系统所无法比拟的的。本节将从理论上对串级控制系统的特点加以分析。26精选ppt6.2.1 增强系统的抗干扰能力增强系统的抗干扰能力n 串级控制系统的副环具有快速作用，它能够有效地克服二次扰动的影响。可以说串级系统主是用来克服进串级系统主是用来克服进入副回路的二次干扰的入副回路的二次干扰的。27精选pptn 现在对图6-7所示方框图进行分析，可进一步揭示问题的本质。n 当二次干扰经过干扰通道环节Gd2(s)后，进入副环，首先影响副参数y2，于是副调节器立即动作，力图消弱干扰对y2的影响。显然，干扰经过副环的抑止后再

19、进入主环，对y1的影响将有较大的减弱。28精选pptn 按图6-7所示串级系统，可以写出二次干扰 D 2至主参数y1的；传递函数是)()()()()()()()()()(1)()()()()()(1)()()()()()(1)()()()(1)()()()(2211122212222221112221221sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsDsYovcomcmovcodmovcovcomcmovcod串(6-1)29精选pptn为了与一个简单回路控制系统相比较，由图6-8可以很容易地得到单回路控制下D 2至y1的传

20、递函数为)()()()()(1)()()()(211221sGsGsGsGsGsGsGsDsYmoovcod单(6-2)30精选pptn 比较式(6-l)和(6-2)。先假定 Gc(s)Gcl(s)，且注意到单回路系统中的 Gm(s)就是串级系统中的Gm1(s)，可以看到，串级中Y1(s)D2(s)的分母中多了一项，即Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gm2(s)。在主环工作频率下，这项乘积的数值一般是比较大的，而且随着副调节器比例增益的增大而加大；另外式(6-l)的分母中第三项比式(6-2)分母中第二项多了一个Gc2(s)。一般情况下，副调节器的比例增益是大于 l的。因此可以说，串级控制系统

21、的结构使二次干扰串级控制系统的结构使二次干扰 D2对主对主参数参数y1这一通道的动态增益明显减小这一通道的动态增益明显减小。当二次干扰出现时，很快就被副调节器所克服。与单回路控制系统相比，被调量与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰的影响往往可以减小受二次干扰的影响往往可以减小10-100倍，这要视主环与倍，这要视主环与副环中容积分布情况而定。副环中容积分布情况而定。31精选ppt6.2.2 改善对象的动态特性改善对象的动态特性 由于串级控制系统中的副回路起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主控器的增益，提高系统的工作频率。32精选ppt33精选ppt1.减少了对象的时间常数 分析图6-7

22、和6-8发现，串级系统中的副回路似乎代替了简单控制系统中的一部分对象，即可以把整个副回路看成一个等效对象 ，即02()Gs20220222022()()()()()()1()()()()cvcvmGs G s GsY sGsR sGs G s Gs Gs假设副回路中各环节的传递函数为：0222022202()();();();()1ccvvmmKsGsKG sK GsGsKT s34精选ppt则02202202022220220222020222021()()()()11111cvcvmcvcvmcvmKK KT sY sGsKsR sK K KT sK K KK K KKT sK K KK2

23、0202020222022202;11cvcvmcvmK K KTKTK K KKK K KK35精选ppt020202()1KGsT s 和 分别为等效对象的增益和时间常数。由于在任何情况下，都是成立的。因此有02K02T220211cvmK K KK0202TT这就表明，由于副回路的存在，起到改善动态特性由于副回路的存在，起到改善动态特性的作用。等效对象的时间常数缩小了的作用。等效对象的时间常数缩小了 倍，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。时倍，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。时间常数的减少，意味着控制通道的缩短，从而使得间常数的减少，意味着控制通道的缩短，从而使得控制作用更及时

24、，响应速度更快，控制质量必然得控制作用更及时，响应速度更快，控制质量必然得到提高。到提高。22021cvmK K KK36精选pptn通常情况下，副对象是单容或双容对象，因此副调节器的比例增益可以取得很大，这样，等效时间常数就可以减到很小的数值，从而加快了副环从而加快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。的响应速度，提高了系统的工作频率。n 由于等效对象的增益也减小了。这种减小不但由于等效对象的增益也减小了。这种减小不但不会影响控制质量，反而此时串级控制系统中主不会影响控制质量，反而此时串级控制系统中主控制器的增益控制器的增益Kc1可以整定得比简单控制系统更可以整定得比简单控制系统更大一些，

25、从而提高系统的抗干扰能力大一些，从而提高系统的抗干扰能力。n 另外，串级控制系统对进入系统中的一次干扰串级控制系统对进入系统中的一次干扰D1的抗干扰能力也有一定的提高的抗干扰能力也有一定的提高。因为副回路的存在，减小了对象的时间常数，对于主回路来说，其控制通道缩短了，所以克服一次干扰比同等条件下的简单控制系统及时了。37精选ppt2.提高了系统的工作频率根据6-7所示的串级控制系统，可以得到其特征方程为：1020111()()()()0cmGs Gs Gs Gs将6-3式 代入上式：02()Gs20210112022()()()1()()()01()()()()cvcmcvmGs G s Gs

26、GsGs GsGs G s Gs Gs整理后可得串级控制系统的特征方程为：38精选ppt202212020111()()()()()()()()()()0cvmccvmGs G s Gs GsGs Gs G s Gs Gs Gs假设主副回路各环节的传递函数为01110111010222022202()();();()1()();();();()1ccmmccvvmmKsGsKGsGsKT sKsGsKG sK GsGsKT s代入上式整理后可得串级控制系统的特征方程为:201022022 012022120102101 0201 0210cvmcvmccvmTTK K K K TK K K K

27、K K K K K KssT TT T39精选ppt对比二阶标准系统特征方程 ，可知串级控制系统的工作频率为22010220220101 02112cvmdnTTK K K K TT T串串串串串2220nnss而对于如图6-8所示的简单控制系统，特征方程为02011()()()()()0cvmG s G s Gs Gs Gs注意 ，且注意到简单控制系统中的 就是串级控制系统中的 后，将有关传递函数代入上式后整理得1()()ccG sGs()mGs1()mGs40精选ppt2010210102101 0201 0210cvmTTK K K K KssT TT T对比标准二阶系统的特征方程，同样

28、可得简单控制系统的工作频率为22010201 02112SingledSinglenSingleSingleSingleTTT T如果假定通过控制器参数的整定，使得串级控制系统与简单控制系统的阻尼比(或衰减率)相同，即 ，则利用式6-10和6-12得Single串41精选ppt01022022 0120220102010201021(1)1dcvmcvmdSingleTTK K K K TK K K KTTTTTT串因为 ，所以 。即串级控制系统的工作频率大于简单控制系统的工作频率。由以上分析可知，串级控制系统由于副回路的存串级控制系统由于副回路的存在，使整个系统的工作频率提高了，改善了系统的

29、在，使整个系统的工作频率提高了，改善了系统的控制品质。控制品质。当主、副对象的特性一定时，副控制器的增益Kc2整定的越大，这种效果越明显。220211cvmK K KKdSingled串42精选ppt6.2.3 对负荷变化有一定的自适应能力对负荷变化有一定的自适应能力 众所周知，生产过程往往包含一些非线性因素。随着操作条件和负荷的变化，对象的静态增益也将发生变化。因此，在一定负荷下，即在确定的工作点情在一定负荷下，即在确定的工作点情况下，按一定控制质量指标整定的控制器参数只适应况下，按一定控制质量指标整定的控制器参数只适应于工作点附近的一个小范围。于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化过大，超

30、出这个范围，那么控制质量就会下降。在单回路控制中若不采取其它措施是难以解决的。但在串级系统中情况就不同了，负荷变化引起副回路内个各环节参数负荷变化引起副回路内个各环节参数的变化，可以较少影响或不影响系统的控制质量的变化，可以较少影响或不影响系统的控制质量。43精选ppt 一方面可以用式（6-3）所表示的等效副对象的来表示，即等效对象的传递函数为一般情况下，因此 （6-13）)()()()(1)()()()()()(22222222sGsGsGsGsGsGsGsRsYsGmovcovco1)()()()(222sGsGsGsGomvc)(1)(22sGsGmo44精选ppt由式（6-13）可知，

31、串级系统中的等效对象仅与测量串级系统中的等效对象仅与测量变送装置有关变送装置有关。如果副对象或调节阀的特性随负荷变如果副对象或调节阀的特性随负荷变化时，对等效对象的影响不大化时，对等效对象的影响不大。只要测量变送环节进只要测量变送环节进行了线性化处理，副对象和调节阀的非线性特性对整行了线性化处理，副对象和调节阀的非线性特性对整个系统的控制品质影响是很小的个系统的控制品质影响是很小的。因而在不改变控制因而在不改变控制器整定参数的情况下，系统的副回路能自动地克服非器整定参数的情况下，系统的副回路能自动地克服非线性因素的影响，保持或接近原有的控制质量线性因素的影响，保持或接近原有的控制质量。45精选

32、ppt另一方面，由于副回路通常是一个流量随动系统，当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，主控制器将改变其输出系统操作条件或负荷改变时，主控制器将改变其输出值，副回路能快速跟踪及时而又精确地控制流量，从值，副回路能快速跟踪及时而又精确地控制流量，从而保证系统的控制品质而保证系统的控制品质。从上述两个方面看，串级控串级控制系统对负荷的变化有一定自适应能力。制系统对负荷的变化有一定自适应能力。综上所述，可以将串级控制系统具有较好的控制性能的原因归纳为：对二次干扰有很强的克服能力；对二次干扰有很强的克服能力；改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率，改善了对象的动态特性，提

33、高了系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。46精选ppt6.3 串级控制系统的设计 一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会减少到简单控制系统的1/101/100。即使干扰是从主回路进入，其最大偏差也会减小到简单控制系统的1/31/5.主变量的选择 如果把串级控制系统中整个闭环副回路作为一个等效对象来考虑，可以看到主回路与一般单回路控制系统没有什么区别，主变量的选择原则与单回路控制系统的选择原则是一致的，无须特殊讨论。下面就副回路的设计，副参数的选择，主、副回路之间的关系，一个系统中有两个控制器会产生什

34、么问题等予以讨论。47精选ppt6.3.1 副回路的选择副回路的选择n 从上一节分析可知，串级系统的种种特点都是因为增加了副回路的缘故。可以说，副路的设计质副路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在量是保证发挥串级系统优点的关键所在。从结构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何如何从整个对象中选取一部分作为副对象，然后组成一从整个对象中选取一部分作为副对象，然后组成一个副控制回路，这也可以归纳为如何选择副参数个副控制回路，这也可以归纳为如何选择副参数。下面是有关副回路设计的几个原则。48精选ppt1副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏n 通常串级系统被用来克服对

35、象的容积滞后和纯迟通常串级系统被用来克服对象的容积滞后和纯迟延延。也就说，总是这样来选择副参数，使得副回路时间常数小，调节通道短，从而使等效对象的时间常数大大减小，提高了系统的工作频率，加速了反应速度，缩短控制时间，最终改善系统的控制品质。n 比如隔焰式隧道窑温度串级控制系统，在组成系统时，选择一个反应灵敏的温度2作为副参数时，副对象是一个一阶对象，它可以迅速反应燃料方面的干扰，然后加以克服，使得在主要干扰影响主参数之前就得到克服。副回路这种超前控制作用，必然使得控副回路这种超前控制作用，必然使得控制质量有很大提高。制质量有很大提高。49精选ppt2副回路应包含被控对象所受到的主要干扰副回路应

36、包含被控对象所受到的主要干扰n 串级系统的副回路具有动作速度快，对二次干扰有串级系统的副回路具有动作速度快，对二次干扰有较强的克服能力等特点较强的克服能力等特点。为了发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副环尽可能多地包括一些扰动，特别是那些变化剧烈、幅度最大、频繁出现的特别是那些变化剧烈、幅度最大、频繁出现的主要干扰应该包括在副回路中主要干扰应该包括在副回路中。当然也不能走极端，试图把所有扰动都包括进去，这样将使主调节器失去作用，也就不成其为串级控制了。因此，在要求副回路调节通在要求副回路调节通道短、反应快与尽可能多地纳入干扰这两者之间存在着道短、反应快与尽可能多地纳入干扰这两者

37、之间存在着矛盾，应在设计中加以协调矛盾，应在设计中加以协调。n 在具体情况下，将更多的干扰包括在副回路当中只是相对而言的，并不是副回路包括的干扰越多越好。50精选ppt副回路的范围应当多大，决定于整个对象的容积分决定于整个对象的容积分布情况及各种扰动影响的大小布情况及各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是越大越好，太大了，副回路本身的调节性能差，克服干扰的灵敏度下降，其优越性就体现不出来，同时，还可能使主回路的调节性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高得多一般应使副回路的频率比主回路的频率高得多。当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果了。因此，在选择副回在

38、选择副回路时，究竟把哪些干扰包括进去，应具体情况具体路时，究竟把哪些干扰包括进去，应具体情况具体分析。分析。51精选ppt52精选pptn3.应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性n以上对副变量选择的讨论都是从控制质量角度来考虑的，而在实际应用时，首先要考虑生产工艺的要求首先要考虑生产工艺的要求。n 副变量的选择，应考虑工艺上主、副变量有对应关系，即调整副变量能有效地影响主变量，而且可以在线检测。n 串级控制系统的设计，有时从控制角度看是合理的、可行的，但从工艺角度看，却是不合理的。这时就应该根这时就应该根据工艺的具体情况改进设计。据工艺的具体情况改进设计。n

39、 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、效益尽量选择投资少、见效快、成本低、效益高的方案。高的方案。这一思想应作为工程设计人员的指导原则。n操纵变量的选择原则与简单控制系统中的选择原则基本相同。53精选ppt1.产生共振的原因产生共振的原因 对于二阶系统，当系统阻尼比0707时，二阶系统的幅频特性呈现一个峰值。如果外界干扰信号的频率等于共振频率，则系统进入谐振，或称为共振共振。由自动控制理论可知，系统的工作频率 和谐振频率 与固有频率 之间的关系如下：系统幅频特性 与 的关系图如下：6.3.

40、2 主副回路工作频率的选择主副回路工作频率的选择 为了避免串级系统发生共振，应使主、副对象为了避免串级系统发生共振，应使主、副对象的工作频率匹配。的工作频率匹配。drn221;1 2dnrnrMr54精选ppt广义共振区，广义共振区的频率范围123r55精选ppt 在串级控制系统中，如果主、副回路都是一个二阶振荡系统。主副回路是两个相互独立而又密主副回路是两个相互独立而又密切相关的回路。切相关的回路。从副回路看，主控器每个时刻都从副回路看，主控器每个时刻都向副回路输送信号，相当于副回路一直受到从主向副回路输送信号，相当于副回路一直受到从主回路来的一个连续干扰，这个干扰信号的频率就回路来的一个连

41、续干扰，这个干扰信号的频率就是主回路的工作频率是主回路的工作频率 。从主回路看，副回路的从主回路看，副回路的输出对主回路也相当于一个持续作用的干扰，这输出对主回路也相当于一个持续作用的干扰，这个干扰信号的频率就是副回路的工作频率个干扰信号的频率就是副回路的工作频率 。1d2d56精选ppt如果主、副回路的工作频率很接近，彼此都落如果主、副回路的工作频率很接近，彼此都落入对方的广义共振区，那么在受到某种扰动作入对方的广义共振区，那么在受到某种扰动作用时，用时，主参数的变化进入副回路时会引起副回主参数的变化进入副回路时会引起副回路中副参数波动振幅的增加，而副参数的变化路中副参数波动振幅的增加，而副

42、参数的变化传送到主回路后，又迫使主参数的变化幅度增传送到主回路后，又迫使主参数的变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间地大幅度地波动，地大幅度地波动，这就是所谓串级系统的共振所谓串级系统的共振现象现象。一旦发生了共振，系统就失去控制，不仅使控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。57精选ppt2.串级系统的共振条件串级系统的共振条件n 先假定其主、副回路都是二阶系统，而且都按4：1衰减曲线的要求进行整定，即系统阻尼比=0.216。从副回路看，主调节器无时无刻地向副回路输送信号，相当于副回路一直受到从主回路来的一个连续性

43、干扰。如果要避免副回路进入共振区，则主回路的工作频率d1与副回路的共振频率r2必须满足下式：1122123ddrr或58精选ppt由式6-14可知，在 时，与 十分接近。故，对于副回路，则有 ，则上式可以改写为0.216rd22rd1122123dddd或同理，从主回路看，副回路的输出对主回路也相当于一个持续作用的频率为 的干扰，为了避免主回路进入共振区，同理可得以下条件2211123dddd或2d59精选ppt考虑到副回路通常是快速回路，其工作频率总考虑到副回路通常是快速回路，其工作频率总是高于主回路的工作频率是高于主回路的工作频率，为了保证主、副回路进入共振区，从式6-18和式6-19可以

44、得到的条件是213dd为确保串级控制系统不受共振现象的威胁，一般取21310dd又知系统的工作频率与时间常数近似成反比关又知系统的工作频率与时间常数近似成反比关系，所以在选择副变量时，应考虑主副回路时系，所以在选择副变量时，应考虑主副回路时间常数的匹配关系，间常数的匹配关系，60精选ppt一般取 当然，为了满足式(6-20)，使主回路的振荡周期为3至10倍于副回路的周期，除了副回路设计中加以考虑外，还与主、副调节器的整定参数有关。实际中T1/T2究竟取多大为好？12310TT61精选ppt在实际应用中，比值T1/T2的取值一般原则：如果串级控制系统的目的主要是利用副回路的快速性和抗干扰能力强的

45、特点去克服对象的主要干扰的话，那么副回路的时间常数以小一点为好，只要能够准确地把主要干扰纳入副回路就行了。如果串级控制系统的目的是由于对象时间常数过大和滞后严重，希望利用副回路可以改善对象特性，那么副环时间常数可以取得适当大一些。如果利用串级控制系统克服对象的非线性，那么主、副对象的时间常数又宜拉开一些。62精选ppt6.3.3 主副控制器的选择主副控制器的选择 主副控制器的选择内容包括主、副控制器控制主、副控制器控制规律的选择规律的选择，控制器正、反作用的选择控制器正、反作用的选择以及控制器控制器积分饱和的预防积分饱和的预防。1.控制规律的选择控制规律的选择 在串级控制系统中，主调节器和副调

46、节器的任务不同，对于它们的选型即调节动作规律的选择也有不同考虑。63精选pptn 从串级控制系统的结构上看，主回路时一个定值控制系统。主调节器主调节器的任务是准准确保持被控变量符合生产要求确保持被控变量符合生产要求。凡是需要采用串级调节的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被控变量存在偏差不允许被控变量存在偏差，因此，主调节器都必须具有积分作用，一般都采用 PI调节器。如果副回路外面的容积如果副回路外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副回路外数目较多，同时有主要扰动落在副回路外面的话面的话，就可以考虑采用 PID调节器。64精选pptn 从结构上看，副回路既是随动控制系统又是定值控

47、制系统。副调节器副调节器的任务是要快动快动作以迅速地抵消落在副环内的二次扰动作以迅速地抵消落在副环内的二次扰动。而副变量则是为了稳定主变量而引入的辅助变量，一般无严格的指标要求，即副变量并不要求无差，所以一般都选所以一般都选 P调节器调节器，也可以采用 PD调节器，但这增加了系统的复杂性，而效果并不很大。在一般情况下，采用在一般情况下，采用 P调节器就足够调节器就足够了。了。如主、副环的频率相差很大，也可以考虑采用 PI调节器调节器。65精选ppt2.控制器正、反作用的选择 与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现正常运行，其主、副回路都必须构成负反馈，因而其主、副回路都必须构成负反馈，因而

48、必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式。66精选ppt(1)副控制器正、反作用的选择 串级控制系统中，副控制器作用方式的选择副控制器作用方式的选择，是根据工艺安全等要求，在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成副反馈系统的原则来确按照使副回路构成副反馈系统的原则来确定的。定的。因此，副控制器的作用方式与副对象特性及副控制器的作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关，其选择方法与简单调节阀的气开、气关形式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用方式的选择方法相同控制系统中控制器正、反作用方式的选择方法相同。这时可不考虑主控制器的作

49、用方式，只是将主控制器的输出作为副控制器的设定值即可。67精选ppt 在假定副测量变送装置的增益为正的情况下，副控制器正反作用选择的判别式为（副控制器（副控制器）（调节阀（调节阀）（副对象（副对象）=（-）其中，调节阀的“”取决于它的“气开”还是“气关”作用方式，“气开”为“+”，“气关”为“-”；而副对象的而副对象的“”取决于控制变量和副被控变量的关取决于控制变量和副被控变量的关系系，控制变量增大，副被控变量也增大时称其为“+”，否则称其为“-”。68精选ppt(2)主控制器正、反作用的选择 串级控制系统中，主控制器作用方式的选择完全由工完全由工艺情况确定艺情况确定，而与调节阀的气开、气关形

50、式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据主对象的特性，选择只需根据主对象的特性，选择与其作用方向相反的主控制器就行了与其作用方向相反的主控制器就行了。由于副回路是一个随动控制系统，在选择主控制器的作用方式时，首先把整个副回路简化为一个环节，该环节的输入信号是主控制器的输出信号（即副回路的设定值），而输出信号就是副变量，其副回路的输入信号与输出信号之间总是正作用，即输入增加，输出亦增加。因此，整个副回路可看成为一个增益为正的环节。69精选ppt 这样，在假定主测量变送装置的增益为正的情况下，主控制器正、反作用的选择实际上只取决于主对象的增益符号.主控制器正反作用方式选择的判别式为 （主控制器（