1、1 2串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)3串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)4v 主被控變量主被控變量：工藝控制指標(biāo)，在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被：工藝控制指標(biāo)，在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量?？刈兞俊 副被控變量副被控變量：串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量或因某種需要而引：串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。入的輔助變量。v 主被控過程（主對象）：主回路包含的過程。主被控過程（主對象）：主回路包含的過程。v 副被控過程（副對象）：由副被控變量為輸出的過程。副被控過程（副對象）：由副被控變量為輸出的過程。串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)5 主控制器主控制器：按主變量的測量值與給定值而工作，其輸

2、出作為副變：按主變量的測量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個控制器。量給定值的那個控制器。v 副控制器副控制器：其給定值來自主控制器的輸出，并按副變量的測量值：其給定值來自主控制器的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作的那個控制器。與給定值的偏差而工作的那個控制器。v 主回路主回路：由主變量的測量變送裝置，主、副控制器，執(zhí)行器和主、：由主變量的測量變送裝置，主、副控制器，執(zhí)行器和主、副對象構(gòu)成的外回路。副對象構(gòu)成的外回路。主回路是個定值控制系統(tǒng)主回路是個定值控制系統(tǒng)v 副回路副回路：由副變量的測量變送裝置，副控制器執(zhí)行器和副對象所：由副變量的測量變送裝置，副控制器執(zhí)行器和副

3、對象所構(gòu)成的內(nèi)回路。構(gòu)成的內(nèi)回路。副回路是個隨動系統(tǒng)副回路是個隨動系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)6一次擾動一次擾動：作用在主回路，不包括副回路。（加熱物料變化）：作用在主回路，不包括副回路。（加熱物料變化）二次擾動二次擾動：作用在副回路，不包括副回路。（燃燒值；煙囪抽力）：作用在副回路，不包括副回路。（燃燒值；煙囪抽力）二次擾動二次擾動一次擾動一次擾動一次、二次擾動同時存在，主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律可以一致也可相反。一次、二次擾動同時存在，主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律可以一致也可相反。串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)7 串級控制系統(tǒng)的控制效果串級控制系統(tǒng)的控制效果1.1.能迅速克服二次干擾能迅速克服二次干擾 202*0

4、2220221cvmYsGsGsFsGs Gs Gs Gs8 串級控制系統(tǒng)的控制效果串級控制系統(tǒng)的控制效果1.1.能迅速克服二次干擾能迅速克服二次干擾 1120201112020111ccvccvmY sGs Gs Gs Gs GsXsGs Gs Gs Gs Gs Gs *10201*212020111ccvmY sGs GsFsGs Gs Gs Gs Gs Gs9 控制能力和抗干擾能力綜合定義為控制能力和抗干擾能力綜合定義為：111212ccvYsXsKKKYsFs sGsGsGsFsYsXsYvcc21211122( )CCGsK( )VVGsK10 sGsGsGsGsGsGsGsGsGs

5、XsYmvcvc101020102111 sGsGsGsGsGsGsFsYmvc1020102211 控制能力和抗干擾控制能力和抗干擾能力綜合：能力綜合： sGsGsFsYsXsYvc2111( )CCGsK( )VVGsK 1112cvYsXsK KYsFs12CCCK KK一般情況下有：一般情況下有：結(jié)論結(jié)論：迅速克服進(jìn)入副回路的擾動，減少對主參數(shù)影響，提高了控制質(zhì)量迅速克服進(jìn)入副回路的擾動，減少對主參數(shù)影響，提高了控制質(zhì)量112.2.能改善控制通道的動態(tài)特性，提高控制質(zhì)量能改善控制通道的動態(tài)特性，提高控制質(zhì)量 22020220222022( ) ( )( )1cvcvcvmY sG s

6、G s G sGsG s G s G sX sG s G s G s Gs122.2.能改善控制通道的動態(tài)特性，提高控制質(zhì)量能改善控制通道的動態(tài)特性，提高控制質(zhì)量結(jié)論：等效時間常數(shù)減小，響應(yīng)速度加快；控制及時結(jié)論：等效時間常數(shù)減小，響應(yīng)速度加快；控制及時0202022222( )1 ,( ),( ),( )ccvvmmGsKT sGsKGsKGsK2020202220202202220202020222021( )111111cvcvmcvcvmcvmK K KT sGsK K KKT sK K KK K KKKTT ssK K KK0202TT13串級系統(tǒng)的特征方程為：串級系統(tǒng)的特征方程為：

7、 10201110cmGs Gs Gs Gs 010101111102/1 ,( )ccmmGsKT sGsKGsKGs10201102011/110cmK KK KT sT s20102120110102010210ccmTTKKKKssT TT T01020010221020110010221cmTTT TKKKKT T220020ss14串級控制系統(tǒng)的工作頻率為：串級控制系統(tǒng)的工作頻率為：02100201220211TTTT串對同一過程，采用單回路控制方案，用同樣的分析方法，可得：對同一過程，采用單回路控制方案，用同樣的分析方法，可得：020102012 2 0211TTTT單若兩種方案

8、的阻尼系數(shù)相同，則有：02010201020102010201020111TTTTTTTTTTTT單串02010201TTTT單串15結(jié)論：結(jié)論：副回路改善了動特性、提高了響應(yīng)速度和工作頻率；當(dāng)主、副回路改善了動特性、提高了響應(yīng)速度和工作頻率；當(dāng)主、副時間常數(shù)比值一定，副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)越大，工作頻率越副時間常數(shù)比值一定，副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)越大，工作頻率越高；同樣，當(dāng)比例系數(shù)一定，主、副時間常數(shù)比值越大，工作高；同樣，當(dāng)比例系數(shù)一定，主、副時間常數(shù)比值越大，工作頻率也越高。其結(jié)果使頻率也越高。其結(jié)果使振蕩周期縮短，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。振蕩周期縮短，提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。4 4 能適應(yīng)負(fù)荷和操

9、作條件的劇烈變化能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的劇烈變化副回路的等效放大系數(shù)為：副回路的等效放大系數(shù)為：2020220221cvcvmKK KKKK K K2022021cvmKk K KK幾乎不變2）能改善控制通道的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力；）能改善控制通道的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力；3）對非線性情況下的負(fù)荷或操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。）對非線性情況下的負(fù)荷或操作條件的變化有一定的適應(yīng)能力。綜上所述，串級控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：綜上所述，串級控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：1）對進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力；）對進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力；16串級控制系統(tǒng)的適用范圍串級控制系統(tǒng)的適

10、用范圍1. 1. 適用于容量滯后較大的過程：適用于容量滯后較大的過程：選容量滯后較小的輔助變量，減小選容量滯后較小的輔助變量，減小時常，提高頻率。時常，提高頻率。2.2. 適用于純滯后較大的過程：適用于純滯后較大的過程：在調(diào)節(jié)閥近純時延小的地方選取副在調(diào)節(jié)閥近純時延小的地方選取副參數(shù)，構(gòu)成時延小的副回路。在參數(shù)，構(gòu)成時延小的副回路。在大時延主過程前減小干擾影響。大時延主過程前減小干擾影響。工藝要求：過濾前的壓力穩(wěn)定在工藝要求：過濾前的壓力穩(wěn)定在250Pa;250Pa;特點(diǎn)：距離長，純滯后時特點(diǎn)：距離長，純滯后時間長。間長。仿絲膠液壓力與壓力串級仿絲膠液壓力與壓力串級控制?？刂?。17串級控制系統(tǒng)

11、的適用范圍串級控制系統(tǒng)的適用范圍3.3. 適用于干擾變化劇烈、幅度適用于干擾變化劇烈、幅度大的過程：大的過程：將變化激烈且幅度大擾動包括將變化激烈且幅度大擾動包括在副回路內(nèi)。在副回路內(nèi)。工藝要求：汽包液位控制，特工藝要求：汽包液位控制，特點(diǎn)：快裝鍋爐容量小，蒸汽點(diǎn)：快裝鍋爐容量小，蒸汽流量與水壓變化頻繁、激烈流量與水壓變化頻繁、激烈三沖量液位串級控制。三沖量液位串級控制。18同一種介質(zhì)控制兩種參數(shù)同一種介質(zhì)控制兩種參數(shù)單回路控制：兩套裝置，不經(jīng)濟(jì)又無法工單回路控制：兩套裝置，不經(jīng)濟(jì)又無法工作；作；常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度串級控制。常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度串級控制。4. 4. 適用于參數(shù)

12、互相關(guān)聯(lián)的過程適用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程195. 5. 適用于非線性過程適用于非線性過程特點(diǎn)：特點(diǎn)：負(fù)荷或操作條件改變導(dǎo)致過程特性改變。若：單回路控制，需隨時改負(fù)荷或操作條件改變導(dǎo)致過程特性改變。若：單回路控制，需隨時改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)以保證系統(tǒng)的衰減率不變；串級控制，則可自動調(diào)整副調(diào)變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)以保證系統(tǒng)的衰減率不變；串級控制，則可自動調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值。節(jié)器的給定值。合成反應(yīng)器溫度串級控制：合成反應(yīng)器溫度串級控制：換熱器換熱器呈非線性特性呈非線性特性注意：注意：串級控制雖然應(yīng)用范圍廣，但必須根據(jù)具體情況，充分利用優(yōu)點(diǎn)，才能收串級控制雖然應(yīng)用范圍廣，但必須根據(jù)具體情況，充分利用優(yōu)點(diǎn)，才能

13、收到預(yù)期的效果。到預(yù)期的效果。20a a）燃料油壓力為主要干擾；）燃料油壓力為主要干擾；b b）燃料油粘度、成分、熱值）燃料油粘度、成分、熱值、處理量為主要干擾、處理量為主要干擾主要擾動不同控制方案不同主要擾動不同控制方案不同1. 1. 副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇選擇原則：選擇原則：（1 1）副參數(shù)要物理可測、副對象的時間常數(shù)要小、純滯后時間要盡可能短。副參數(shù)要物理可測、副對象的時間常數(shù)要小、純滯后時間要盡可能短。（2） 副回路要盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾，但也不能越多越好。副回路要盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾，但也不能越多越好。2120221cvm

14、K K K K假設(shè)假設(shè) （3 3）主、副過程的時間常數(shù)要適當(dāng)匹配主、副過程的時間常數(shù)要適當(dāng)匹配. .2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串單當(dāng)串級控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時，有當(dāng)串級控制與單回路控制的阻尼系數(shù)相等時，有副回路副回路 小些小些 快速性，快速性， 過小過小 太大。太大。為常量作圖為常量作圖02T02T0201/TT時常的比值在時常的比值在310范圍內(nèi)選擇范圍內(nèi)選擇0201/TT02T01T22（4 4）應(yīng)綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性要求應(yīng)綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性要求a)a) 冷劑液位為副參數(shù)，投資少，控制質(zhì)量不高；冷劑液位

15、為副參數(shù)，投資少，控制質(zhì)量不高；b)b) 冷劑蒸發(fā)壓力為副參冷劑蒸發(fā)壓力為副參數(shù)，投資多，控制質(zhì)量較高。選擇應(yīng)視具體情況而定。數(shù)，投資多，控制質(zhì)量較高。選擇應(yīng)視具體情況而定。23串級控制系統(tǒng)參數(shù)的選擇串級控制系統(tǒng)參數(shù)的選擇a)a) 可控良好的作為控制參數(shù)；可控良好的作為控制參數(shù)；b)b) 控制參數(shù)須使控制通道有足夠大的放大系數(shù)，大于擾動通道的放大系數(shù)控制參數(shù)須使控制通道有足夠大的放大系數(shù)，大于擾動通道的放大系數(shù) c)c) 控制參數(shù)須使控制通道有足夠大的靈敏度控制參數(shù)須使控制通道有足夠大的靈敏度d)d) 考慮經(jīng)濟(jì)性和工藝合理性?？紤]經(jīng)濟(jì)性和工藝合理性。主調(diào)主調(diào)：定值控制；：定值控制；副調(diào)副調(diào)：隨

16、動控制。：隨動控制。副被控參數(shù)允許副被控參數(shù)允許有靜差有靜差P P, ,不引入不引入PIPI；流量控制時，為保穩(wěn)定，流量控制時，為保穩(wěn)定，P P選較小時，比例控制較弱，可引入積分；選較小時，比例控制較弱，可引入積分；不引入微分不引入微分。主被控參數(shù)要主被控參數(shù)要無靜差無靜差PI,PIDPI,PID調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)； 主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇24 主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇（開環(huán)放大系數(shù)為正）主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇（開環(huán)放大系數(shù)為正）選擇步驟選擇步驟：工藝要求：工藝要求調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)副調(diào)節(jié)器的正、反作用副調(diào)節(jié)器的正、反作用主、主、副過程的正、反作用副過程的正、反

17、作用主調(diào)節(jié)器的正、反作用。主調(diào)節(jié)器的正、反作用。燃油閥氣開（燃油閥氣開（正正），），副對象為正過程（副對象為正過程（正正），），副調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器副調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器（正正） ；主對象也為正過程主對象也為正過程（正正） ，主調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器主調(diào)為反作用調(diào)節(jié)器（正正）25串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 整定原則：整定原則：盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副回路的頻率，使主、副回路的頻率錯開，以減少相互影響、副回路的頻率錯開，以減少相互影響01011GGC1.求串級特征方程D1(S)=0，視為單回路特征方程,特征方程變?yōu)?.特征方程轉(zhuǎn)化為主副調(diào)節(jié)器的整定是相互關(guān)聯(lián)的

18、。主回路有較高的控制精度01022GGC按單回路整定副控制器進(jìn)而整定GC1(S)參數(shù)。26串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定1. 1. 逐步逼近整定法逐步逼近整定法1 1） 主開環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為主開環(huán)、副閉環(huán)，整定副調(diào)的參數(shù)；記為12( )CGs2) 2) 副回路等效成一個環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為副回路等效成一個環(huán)節(jié)，閉合主回路，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為11( )CGs3 3）觀察過渡過程曲線，滿足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即）觀察過渡過程曲線，滿足要求，所求調(diào)節(jié)器參數(shù)即為為11( )CGs12( )CGs否則，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為否則，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為22( )CGs

19、。反復(fù)進(jìn)行，滿意為止。反復(fù)進(jìn)行，滿意為止。該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態(tài)聯(lián)系密切，需反該方法適用于主、副過程時常相差不大、主、副回路動態(tài)聯(lián)系密切，需反復(fù)進(jìn)行，費(fèi)時較多復(fù)進(jìn)行，費(fèi)時較多27串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定2. 2. 兩步整定法兩步整定法( (適用于主、副過程時常相差大適用于主、副過程時常相差大) )1 1）工況穩(wěn)定，主、副閉合，主調(diào)為比例工況穩(wěn)定，主、副閉合，主調(diào)為比例, ,比例度為百分之一百，先用比例度為百分之一百，先用4 4比比1 1衰衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，求得副回路比例度和操作周期；減曲線法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，求得副回路比例度和操作周期；2)2)等效副回路

20、，視為主回路一環(huán)節(jié)，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在等效副回路，視為主回路一環(huán)節(jié)，整定主調(diào)參數(shù)，求得主回路在4 4比比1 1衰減比衰減比下的比例度和操作周期；下的比例度和操作周期；根據(jù)兩種情況下的比例度和操作周期，按經(jīng)驗(yàn)公式求出主、副調(diào)節(jié)器的積分根據(jù)兩種情況下的比例度和操作周期，按經(jīng)驗(yàn)公式求出主、副調(diào)節(jié)器的積分時間和微分時間，時間和微分時間，然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運(yùn)行，觀察曲線，適當(dāng)然后再按先副后主、先比例后積分再微分的次序投入運(yùn)行，觀察曲線，適當(dāng)調(diào)整，滿意為止。調(diào)整，滿意為止。先整定副參數(shù)，再整定主參數(shù)283. 3. 一步整定法一步整定法思路：思路：先根據(jù)副過程特性或經(jīng)驗(yàn)確

21、定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后一步完成主調(diào)節(jié)器的先根據(jù)副過程特性或經(jīng)驗(yàn)確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后一步完成主調(diào)節(jié)器的參數(shù)的整定。參數(shù)的整定。理論依據(jù)：理論依據(jù)：主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)在1 1）主、副調(diào)節(jié)器均置比例控制，根據(jù)約束條件或經(jīng)驗(yàn)確定）主、副調(diào)節(jié)器均置比例控制，根據(jù)約束條件或經(jīng)驗(yàn)確定5 . 0021ccKK條件下，主、副過程特性一定時，條件下，主、副過程特性一定時，21ccKK為一常數(shù)。為一常數(shù)。2cK 2) 2) 等效副回路，按衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；等效副回路，按衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)；3 3）觀察曲線，在約束條件下，適當(dāng)調(diào)整主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿意為止。）觀察曲

22、線，在約束條件下，適當(dāng)調(diào)整主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，滿意為止。；串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定2921T4. 4. 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例: :硝酸生產(chǎn)用氧化爐，主參數(shù)：爐溫，硝酸生產(chǎn)用氧化爐，主參數(shù)：爐溫，PIPI調(diào)節(jié)；副參數(shù)：氨氣流量，調(diào)節(jié)；副參數(shù)：氨氣流量，P P調(diào)節(jié)；主、調(diào)節(jié)；主、副動態(tài)聯(lián)系小，兩步整定法。副動態(tài)聯(lián)系小，兩步整定法。12s1sT1s1為為100100為為32，為為15s15s；1）2 2）副調(diào)置于）副調(diào)置于3232，得主調(diào)的，得主調(diào)的為為50，為為7min7min。3 3）運(yùn)用計(jì)算公式得：）運(yùn)用計(jì)算公式得：為為6060，為為3.5min3.5min,為為32%32%。2sT串級控制系統(tǒng)的參

23、數(shù)整定306.2 6.2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)6.2.1 6.2.1 前饋控制的基本概念前饋控制的基本概念又稱干擾補(bǔ)償控制：按干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服干擾比反饋快；理論上，可又稱干擾補(bǔ)償控制：按干擾大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服干擾比反饋快；理論上，可實(shí)現(xiàn)理想控制。圖實(shí)現(xiàn)理想控制。圖616，圖，圖617原理說明。原理說明。補(bǔ)償器的計(jì)算：補(bǔ)償器的計(jì)算： 0FBY sGsGs GsF s sGsGsGFB0316.2 6.2 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)6.2.2 前饋控制的特點(diǎn)及局限性前饋控制的特點(diǎn)及局限性1.1.前饋控制的特點(diǎn)前饋控制的特點(diǎn)1 1）開環(huán)控制；）開環(huán)控制；2 2）比反饋控制及時；）比反饋控制及時； 3 3）補(bǔ)償器為專用）補(bǔ)償器為專用2.2. 前饋控制的局限性前饋控制的局限性：無法實(shí)現(xiàn)對干擾的完全補(bǔ)償：無法實(shí)現(xiàn)對干擾的完全補(bǔ)償1 1）只能抑制可測干擾；只能抑制可測干擾；2 2）不能對每個干擾實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償；