串級(jí)控制cascade

1、+-ryuym)(sGc)(sGp)(sGv)(sGm圖5.1反應(yīng)器的溫度控制D2D1圖5.2反應(yīng)器簡(jiǎn)單溫度控制系統(tǒng)q1r調(diào)節(jié)器夾套調(diào)節(jié)閥槽壁反應(yīng)槽溫度測(cè)量q2q1圖5.3反應(yīng)器的溫度串級(jí)控制方案圖5.4反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)D2D1q1q2q1r主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套反應(yīng)槽溫度測(cè)量溫度測(cè)量q2r槽壁F主參數(shù)主參數(shù)( (主變量主變量) ): :串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被調(diào)參數(shù)。用的被調(diào)參數(shù)。F副參數(shù)副參數(shù)( (副變量副變量) ): :其給定值隨主調(diào)節(jié)器的輸其給定值隨主調(diào)節(jié)器的輸出而變化，能提前反映主信號(hào)數(shù)值變化的出而變化，能提前反映主信號(hào)數(shù)值變化的中間參數(shù)（輔助參數(shù)）中

2、間參數(shù)（輔助參數(shù)） 。 F主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器( (主控制器主控制器) ): :據(jù)主參數(shù)與給定值的據(jù)主參數(shù)與給定值的偏差而動(dòng)作，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定偏差而動(dòng)作，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值的調(diào)節(jié)器；值的調(diào)節(jié)器；F副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器( (副控制器副控制器) ): :其給定值由主調(diào)節(jié)器其給定值由主調(diào)節(jié)器的輸出決定，并根據(jù)副參數(shù)與給定值的輸出決定，并根據(jù)副參數(shù)與給定值( (即主即主調(diào)節(jié)器輸出調(diào)節(jié)器輸出) )的偏差動(dòng)作。的偏差動(dòng)作。F主回路主回路( (外回路外回路) )： 斷開(kāi)副調(diào)節(jié)器的反饋斷開(kāi)副調(diào)節(jié)器的反饋回路后的整個(gè)外回路?；芈泛蟮恼麄€(gè)外回路。F副回路副回路( (內(nèi)回路內(nèi)回路) )： 由副參數(shù)、副調(diào)節(jié)

3、器由副參數(shù)、副調(diào)節(jié)器及所包括的一部分對(duì)象所組成的閉合回路及所包括的一部分對(duì)象所組成的閉合回路（隨動(dòng)回路（隨動(dòng)回路) )F主對(duì)象主對(duì)象( (惰性區(qū)惰性區(qū)) )： 主參數(shù)所處的那部分主參數(shù)所處的那部分工藝設(shè)備，其輸入信號(hào)為副變量，輸出信工藝設(shè)備，其輸入信號(hào)為副變量，輸出信號(hào)為主參數(shù)號(hào)為主參數(shù)F副對(duì)象副對(duì)象( (導(dǎo)前區(qū)導(dǎo)前區(qū)) )： 副參數(shù)所處的那部分副參數(shù)所處的那部分工藝設(shè)備，其輸入信號(hào)為調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)工藝設(shè)備，其輸入信號(hào)為調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)，其輸出信號(hào)為副參數(shù)，其輸出信號(hào)為副參數(shù)( (副變量副變量) )。F形成兩個(gè)環(huán): 副環(huán)或副回路“粗調(diào)”作用 主環(huán)或主回路“細(xì)調(diào)”作用F副環(huán)中有副調(diào)節(jié)器、副變送器、

4、副對(duì)象 以及調(diào)節(jié)閥。 主環(huán)中有主調(diào)節(jié)器、主變送器、主對(duì)象, 無(wú)調(diào)節(jié)閥FF副環(huán)調(diào)節(jié)副參數(shù)，如夾套內(nèi)溫度。 主環(huán)調(diào)節(jié)主參數(shù)，如反應(yīng)器溫度最終目標(biāo)。FF副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，其設(shè)定值是主調(diào)節(jié)器之輸出，不代表副參數(shù)要達(dá)到的設(shè)定值。串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖)(2sWpY2(s)R2(s)R1(s)WT1(s)WT2(s)Wv(s)Wp2(s)Wp1(s)Wd2(s)Wm2(s)Wm1(s)Y1(s)D2(s)R1(s)WT(s)Wv(s)Wp2(s)Wp1(s)Wd2(s)Wm(s)Y2(s)R2(s)Y1(s)D2(s)單回路控制系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)方框圖1.1.串級(jí)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)具有快速

5、作用，能有效串級(jí)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)具有快速作用，能有效地克服二次擾動(dòng)的影響地克服二次擾動(dòng)的影響)()()()(1)()()()()()(1)()()()(1)()()()(222221112221221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsDsYmpvTpvTpmTmpvTpd)()()()()(1)()()()(211221sWsWsWsWsWsWsWsDsYmppvTpd單(6-2)(6-1)()()()()()()()()()(1)()()()(221112221221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsDsYpvTpmTmpvTpd與單回路比較與單回路

6、比較 在二次干擾下，被控量受二次干擾的在二次干擾下，被控量受二次干擾的影響影響, , 串級(jí)系統(tǒng)比單回路系統(tǒng)要減小串級(jí)系統(tǒng)比單回路系統(tǒng)要減小10-10010-100倍。倍。結(jié)論結(jié)論化簡(jiǎn)化簡(jiǎn)2. 2. 內(nèi)環(huán)起了改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的用，提高內(nèi)環(huán)起了改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的用，提高系統(tǒng)工作頻率，提高控制品質(zhì)系統(tǒng)工作頻率，提高控制品質(zhì)整個(gè)副回路可看成一個(gè)等效對(duì)象整個(gè)副回路可看成一個(gè)等效對(duì)象)(2sWp其中:2222221KKKKKKKKmvpvp11222KKKKmvp222221KKKKTTmvp22TT 設(shè)1)(222sTKsWp22)(pTKsWvvKsW)(22)(mmKsW1)(222sTKsWp3.

7、 3. 內(nèi)環(huán)的存在，使系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)內(nèi)環(huán)的存在，使系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力能力222222222221, 11mmvpmvpvpKKKKKKKKKKKKKK所以因?yàn)镕副回路增益不受主回路系統(tǒng)負(fù)荷影響副回路增益不受主回路系統(tǒng)負(fù)荷影響F副回路是個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，快速跟蹤的能副回路是個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，快速跟蹤的能力力一一. .副回路的設(shè)計(jì)原則副回路的設(shè)計(jì)原則副回路的設(shè)計(jì)原則：副回路的設(shè)計(jì)原則：等干擾包括在副回等干擾包括在副回路內(nèi)，充分發(fā)揮副路內(nèi)，充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)回路改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的作用，保證特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定主參數(shù)的穩(wěn)定; ;（1） 副回路應(yīng)把副回路應(yīng)把 變化幅度最大變化幅度最大 最劇烈

8、最劇烈 最頻繁最頻繁 （2）選擇副回路時(shí)，應(yīng)力求把盡量多的干擾選擇副回路時(shí)，應(yīng)力求把盡量多的干擾包括進(jìn)去，以盡量減少它們對(duì)主參數(shù)的影響，包括進(jìn)去，以盡量減少它們對(duì)主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。提高系統(tǒng)抗干擾能力。（3）主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配， 原則是：兩者相差大一些。原則是：兩者相差大一些。二二. . 副回路工作頻率的選擇副回路工作頻率的選擇當(dāng)當(dāng) 時(shí)，主副對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)時(shí)，主副對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系十分緊密，則在干擾作用下，主、副參數(shù)聯(lián)系十分緊密，則在干擾作用下，主、副參數(shù) 任一個(gè)先振蕩，必將引起另一個(gè)也振蕩，這樣任一個(gè)先振蕩，必將引起另一個(gè)也振蕩，這樣

9、，兩個(gè)參數(shù)互相促進(jìn)，振蕩更加劇烈，這就是，兩個(gè)參數(shù)互相促進(jìn)，振蕩更加劇烈，這就是 顯然應(yīng)力求避免。顯然應(yīng)力求避免。2. T1 (35) T2或或 T1 = (310) T2FF當(dāng)當(dāng)時(shí)，表示時(shí)，表示很小，副回路很小，副回路包括的干擾因素越少，副回路克服干擾包括的干擾因素越少，副回路克服干擾 能力能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)未能充分利用。強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)未能充分利用。FF當(dāng)當(dāng)時(shí)，表明時(shí)，表明過(guò)大，副回路過(guò)大，副回路包括的干擾多，包括的干擾多， 控制作用不及時(shí)?？刂谱饔貌患皶r(shí)。 21212111221122( ),( )11( ),( ),( )( ),( )ppTTTTvvmmmmKKWsWsT sT sWsKWsKWs

10、KWsKWsK=+=設(shè)對(duì)象是慣性設(shè)對(duì)象是慣性環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)，其它均為比例環(huán)節(jié)，即，其它均為比例環(huán)節(jié)，即代入（代入（6-16-1）式分母化成二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式）式分母化成二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式 ()()21 212222 12221211210TvmTvmTTvmT T sTTKK KK TsKK KKKKK KK K+=220020ssxww+=21222101 212TvmTTKK KK TT Twx+=g串串阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)自然頻率自然頻率x0w12222 12201 21112TvmTTKK KK TT Twx wxx+=-=-gg串串串串串同理，單回路控制系統(tǒng)的工作頻率同理，單回路控制系統(tǒng)的工作頻率

11、 串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率 12212112TTT Twxx+=-gg單單單假定串級(jí)控制和單回路控制以同樣的衰減率工作，即令：假定串級(jí)控制和單回路控制以同樣的衰減率工作，即令： xx=串單()11122 21222222 12121122 1112KK KTKK KKTv mTTKK KK TTTv mTK TTv mTTTTTww+=+=+串單FF由上式由上式2221122111TvmKK KKTfTTT串單 的曲線圖如圖的曲線圖如圖6-126-12所示。所示。 可作出函數(shù)可作出函數(shù)2221TvmKK KK確定，確定，若若F從上圖，串級(jí)控制系統(tǒng)頻率增長(zhǎng)的速度，在主、副從上

12、圖，串級(jí)控制系統(tǒng)頻率增長(zhǎng)的速度，在主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)的比值對(duì)象時(shí)間常數(shù)的比值時(shí)最為顯著。時(shí)最為顯著。Kv=KzKfT T2 2很小，副回路包括的干擾因素越來(lái)越少，很小，副回路包括的干擾因素越來(lái)越少，副副回路回路克服干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)未能充分利用?？朔蓴_能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)未能充分利用。 T2T2過(guò)大，副回路包括的干擾過(guò)多，控制作用不過(guò)大，副回路包括的干擾過(guò)多，控制作用不及時(shí)。及時(shí)。 在選副回路時(shí)，主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比在選副回路時(shí)，主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比值應(yīng)值應(yīng) 之間之間希望希望小些，使副回路靈敏，控制作用快。小些，使副回路靈敏，控制作用快。但但 過(guò)小，必然使比值過(guò)小，必然使比值加大，則提加大，則提高

13、統(tǒng)的工作頻率意義不大。同時(shí)，高統(tǒng)的工作頻率意義不大。同時(shí)， 過(guò)小，過(guò)小，將導(dǎo)致副環(huán)過(guò)于敏感而不穩(wěn)定。將導(dǎo)致副環(huán)過(guò)于敏感而不穩(wěn)定。 三三. . 性能比較（課本性能比較（課本P111P111例例5-55-5）相同的整定條件下相同的整定條件下（ 0.75衰減率，0殘偏差） 單回路系統(tǒng) 串級(jí)系統(tǒng) 工作頻率 0.087 0.23二次擾動(dòng)短期最大偏差 0.24 0.011一次擾動(dòng)短期最大偏差 0.3 0.11 四四. .串級(jí)控制系統(tǒng)中的量綱串級(jí)控制系統(tǒng)中的量綱副回路副回路)()()()(1)()()()(222222sWsWsWsWsWsWsWsWmpvTpvTp1),111 ()(222pipTKsTK

14、sW)(1)(22sWsWmpmAcKWmp221)0(rWT1WT2WvWp2d2Wp1d1Wm2Wm1q2q1Wm1(s)WT1(s)Wp1(s) rq1(C)(mA)(mA)(mA)-(mA)(C)(C)(C)(2sWpWm1(s)特殊問(wèn)題特殊問(wèn)題: 有時(shí)會(huì)將串級(jí)系統(tǒng)改為單回路系統(tǒng)，有時(shí)會(huì)將串級(jí)系統(tǒng)改為單回路系統(tǒng)， 此時(shí)應(yīng)考慮正反作用。此時(shí)應(yīng)考慮正反作用。副回路的正反作用同單回路系統(tǒng)，且作為等效副回路的正反作用同單回路系統(tǒng)，且作為等效 副對(duì)象副對(duì)象 ，永遠(yuǎn)是，永遠(yuǎn)是“”的的)(2sWp主回路只需考慮等效副對(duì)象，按單回路選擇正反作用。主回路只需考慮等效副對(duì)象，按單回路選擇正反作用。一一.

15、. 選型選型 (2)副參數(shù)要求：允許誤差副參數(shù)要求：允許誤差 FF WT2 選選P調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器原則：原則：(1)主參數(shù)要求高主參數(shù)要求高 FF WT1 選選PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器二二. . 整定整定F盡量加大副調(diào)的增益以提高副環(huán)頻率。盡量加大副調(diào)的增益以提高副環(huán)頻率。F運(yùn)行中，有時(shí)會(huì)把主環(huán)從自動(dòng)切到手動(dòng)，副調(diào)應(yīng)能獨(dú)運(yùn)行中，有時(shí)會(huì)把主環(huán)從自動(dòng)切到手動(dòng)，副調(diào)應(yīng)能獨(dú)立工作。立工作。F一般主副調(diào)頻率相差很大，互相影響不大，先在主環(huán)一般主副調(diào)頻率相差很大，互相影響不大，先在主環(huán)開(kāi)路時(shí)整定副調(diào)，然后在投入副調(diào)后整定主調(diào)。開(kāi)路時(shí)整定副調(diào)，然后在投入副調(diào)后整定主調(diào)。 要求無(wú)差要求無(wú)差 FF WT2 選選PI調(diào)節(jié)器

16、調(diào)節(jié)器三三. . 整定方法整定方法1.1.逐步逼近法：逐步逼近法：1）副環(huán)。斷開(kāi)主環(huán)，求）副環(huán)。斷開(kāi)主環(huán)，求Wc212) 主環(huán)。副環(huán)（主環(huán)。副環(huán)（ Wc21），），求求Wc113) 副環(huán)。主環(huán)（副環(huán)。主環(huán)（ Wc11 ）、副環(huán)閉合，求）、副環(huán)閉合，求Wc224) 主環(huán)。主環(huán)、副環(huán)（主環(huán)。主環(huán)、副環(huán)（ Wc22 ）閉合，求）閉合，求Wc125) 若達(dá)不到要求，若達(dá)不到要求，3）4）2.2.兩步整定法：兩步整定法：1 1）副環(huán)。主環(huán)、副環(huán)都閉合，主副調(diào)都為）副環(huán)。主環(huán)、副環(huán)都閉合，主副調(diào)都為P P調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器，主調(diào)主調(diào) 1 1=100%=100%，整定，整定副調(diào)得到副調(diào)得到 2 2s s和和T Ts2 s2 ( ( =0.75)=0.75