6.1串級(jí)控制原理6.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)6.3串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6.4串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定6.5串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用,第六章串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),返回,例：管式加熱爐是煉油廠經(jīng)常采用的設(shè)備之一（如下所示），其工藝要求是：爐出口溫度保持恒定。,一、串級(jí)控制系統(tǒng)的組成,干擾：,原料的流量、初始溫度；,燃料的流量、燃料熱值。,6.1串級(jí)控制原理,方案一：管式加熱爐出口溫度的單回路控制,溫度檢測(cè)變送器,溫度控制器,期望溫度,由于原料、燃料的流量等擾動(dòng)導(dǎo)致控制作用不及時(shí)；偏差大，控制質(zhì)量差。,存在的問(wèn)題：,方案二：管式加熱爐出口溫度的間接控制（1）,存在的問(wèn)題：,在這個(gè)方案中，爐出口溫度不是被控量，當(dāng)來(lái)自原料入口溫度和初始溫度等干擾因素使出口溫度發(fā)生變化時(shí)，此間接控制系統(tǒng)無(wú)法將變化了的溫度調(diào)回來(lái)；,期望流量,流量檢測(cè)變送器,流量控制器,管式加熱爐出口溫度的間接控制（2）,期望爐膛溫度,用溫度控制器的輸出作為流量控制器的設(shè)定值，由流量控制器的輸出去控制燃料油管線的控制閥，可以抑制燃料油流量的擾動(dòng),方案三：加熱爐出口溫度與燃料流量的串級(jí)控制,同樣：加熱爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制可以抑制燃料油流量的擾動(dòng)和熱值擾動(dòng)。,串級(jí)控制系統(tǒng)：就是由兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起，控制一個(gè)執(zhí)行閥，實(shí)現(xiàn)定值控制的控制系統(tǒng)。,串級(jí)控制系統(tǒng)中常見的名詞術(shù)語(yǔ)：,溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖如下：,主、副變量，主、副控制器（調(diào)節(jié)器），主、副對(duì)象，主、副檢測(cè)變送器，主、副回路。,作用在主、副對(duì)象上的干擾分別為一、二次干擾。,串級(jí)控制系統(tǒng)的通用方框圖：,二、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程（參見P198）,仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)克服干擾的過(guò)程。,調(diào)節(jié)閥：氣開式溫度調(diào)節(jié)器、流量調(diào)節(jié)器：反作用,內(nèi)回路選取時(shí)應(yīng)包含主要干擾，同時(shí)時(shí)間常數(shù)不宜過(guò)長(zhǎng)。,情況一：干擾來(lái)自燃料油流量的變化,初始階段，出口溫度不變，溫度控制器的輸出不變，流量控制器就按照變化了的測(cè)量值與沒變的設(shè)定值之差進(jìn)行控制，改變執(zhí)行閥的原有開度，使燃料油向原來(lái)的設(shè)定值靠近。當(dāng)出口溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度控制器不斷改變著流量控制器的設(shè)定值，流量控制器就按照測(cè)量值與變化了的設(shè)定值之差進(jìn)行控制，直到爐出口溫度重新恢復(fù)到設(shè)定值。,先副回路，后主回路,情況二：干擾來(lái)自原料油方面，使?fàn)t出口溫度升高,出口溫度溫度控制器輸出流量控制器設(shè)定值。,燃料油流量為適應(yīng)溫度控制的需要而不斷變化。,情況三：一次干擾和二次干擾同時(shí)存在,主、副變量同向變化主、副調(diào)節(jié)器共同作用，執(zhí)行閥的開度大幅度變化，使得爐出口溫度很快恢復(fù)到設(shè)定值。主、副變量反向變化兩種干擾作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的調(diào)整。,通過(guò)分析可知：副控制器具有“粗調(diào)”的作用，而主控制器具有“細(xì)調(diào)”的作用，兩者互相配合，控制質(zhì)量必然高于單回路控制系統(tǒng)。,返回,1、能迅速克服進(jìn)入副回路的二次干擾,串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如下：,6.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),輸出對(duì)于輸入的傳遞函數(shù)：,輸出對(duì)于二次擾動(dòng)的傳遞函數(shù)：,單回路控制系統(tǒng)方框圖如下：,即：串級(jí)控制系統(tǒng)克服二次干擾的能力大于單回路控制系統(tǒng)（約10100倍）。串級(jí)控制系統(tǒng)克服一次干擾的能力也比單回路控制系統(tǒng)強(qiáng)。,2、提高了系統(tǒng)的工作頻率,雙容對(duì)象的單回路控制系統(tǒng)如下圖所示：,其特征方程式為：,阻尼振蕩頻率為：,自然振蕩頻率,阻尼比,雙容對(duì)象的串級(jí)控制系統(tǒng)如下圖所示：,串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，提高了系統(tǒng)的工作頻率，減小了振蕩周期，在衰減系數(shù)相同的情況下，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的快速性。,同理可得：,3、減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù),由特點(diǎn)2可知副回路的傳遞函數(shù)：,式中：,等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小于副對(duì)象本身的時(shí)間常數(shù)，意味著控制通道的縮短，從而使控制作用更加及時(shí)，響應(yīng)速度更快。,4、對(duì)負(fù)荷變化有一定的適應(yīng)能力,無(wú)串級(jí)時(shí)，開環(huán)傳函：,有串級(jí)時(shí)，開環(huán)傳函：,所以，串級(jí)控制可以減小或消除副對(duì)象的非線性。,返回,某控制系統(tǒng)方框圖如下：,與單回路控制系統(tǒng)的選擇原則一致，即選擇直接或間接反映生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保以及安全等控制要求的參數(shù)作為主變量。,一、主變量的選擇,二、副變量的選擇,選擇原則：,（1）在保證副回路時(shí)間常數(shù)較小的前提下，使其納入主要的和更多的干擾,副回路包含的干擾越多，其通道越長(zhǎng)，克服干擾的靈敏度越低。,6.3串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),（2）應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配,副回路工作頻率,為確保串聯(lián)系統(tǒng)不產(chǎn)生共振，一般取,主回路工作頻率,（3）應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性,三、主、副控制器的選擇,（1）控制規(guī)律的選擇,主控制器：,一般用P,精度要求較高PI,主對(duì)象滯后較大PID,副控制器：,一般用P,精度要求較高，副對(duì)象時(shí)間常數(shù)過(guò)小PI,（2）控制器正反作用方式的選擇,“先副后主”,將副回路看作是一個(gè)設(shè)定值不變的單回路，用與單回路中確定調(diào)節(jié)器正反作用同樣的方法進(jìn)行確定；將副回路當(dāng)作一個(gè)正環(huán)節(jié)，對(duì)主回路進(jìn)行考慮，方法同上。,氣開式,反作用,反作用,返回,副回路：是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，一般對(duì)其控制品質(zhì)要求不高，對(duì)其快速性要求較高。主回路：是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)和單回路控制系統(tǒng)一樣。,參數(shù)整定的方法：,逐步逼近法,兩步整定法,一步整定法,自學(xué)P211-216,6.4串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定,返回,1、應(yīng)用于容量滯后較大的過(guò)程,設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想：如果用單回路控制系統(tǒng)能夠滿足控制性能要求，就不用串級(jí)控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。,溫度、質(zhì)量等容量滯后較大且控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng),例：加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng),原料油熱值變化引起爐膛溫度變化只需3分鐘,6.5串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用,2、應(yīng)用于純延時(shí)較大的過(guò)程,當(dāng)對(duì)象純延時(shí)較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足控制性能指標(biāo)時(shí)，可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)：在離控制閥較近、純延時(shí)較小的地方選擇一個(gè)副參數(shù)，把干擾納入副回路中。,例：網(wǎng)前箱溫度-溫度串級(jí)控制系統(tǒng),要求：,單回路控制：,串級(jí)控制：,3、應(yīng)用于有變化劇烈和幅度較大擾動(dòng)的過(guò)程,例：精餾塔釜溫度與蒸汽流量串級(jí)控制系統(tǒng),要求：,單回路控制：,串級(jí)控制：,4、應(yīng)用于非線性過(guò)程,對(duì)象的靜態(tài)特性都具有一定非線性，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起工作點(diǎn)的移動(dòng)，使被控對(duì)象的特性發(fā)生改變。,例：合成反應(yīng)爐中部溫度與進(jìn)氣口溫度的串級(jí)控制系統(tǒng),非線性設(shè)備,5、自校正設(shè)定值,串級(jí)控制系統(tǒng)中，副控制器的設(shè)定值是由主控制器的輸出來(lái)決定的，而主控制器的輸出又