復(fù)雜過程控制系統(tǒng)--串級控制

1、CompanyLOGO第四章第四章 復(fù)雜過程控制系統(tǒng)復(fù)雜過程控制系統(tǒng)v串級控制串級控制v前饋控制前饋控制v大滯后補償控制大滯后補償控制v比值控制比值控制v分程與選擇性控制分程與選擇性控制v多變量解耦控制多變量解耦控制v模糊控制模糊控制v預(yù)測控制預(yù)測控制Company Logo單回路系統(tǒng)的局限單回路系統(tǒng)的局限v僅適用于比較簡單的單輸出生產(chǎn)過程的控制，不僅適用于比較簡單的單輸出生產(chǎn)過程的控制，不能解決多輸出過程的控制問題。能解決多輸出過程的控制問題。v即使是簡單的單輸出生產(chǎn)過程，也存在這樣的情即使是簡單的單輸出生產(chǎn)過程，也存在這樣的情況，如其調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性決定了它很難控制況，如其調(diào)節(jié)對象的動態(tài)

2、特性決定了它很難控制(如過程的滯后常數(shù)很大或擾動量很大如過程的滯后常數(shù)很大或擾動量很大)；或調(diào)節(jié)；或調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性雖不復(fù)雜，但工藝對調(diào)節(jié)質(zhì)量的對象的動態(tài)特性雖不復(fù)雜，但工藝對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求很高或很持殊。要求很高或很持殊。v現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對提高現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對提高生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護提出了更高的生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護提出了更高的要求，使工業(yè)生產(chǎn)過程對操作條件要求更加嚴(yán)格，要求，使工業(yè)生產(chǎn)過程對操作條件要求更加嚴(yán)格，對工藝參數(shù)要求更加苛刻，從而對控制系統(tǒng)的精對工藝參數(shù)要求更加苛刻，從而對控制系統(tǒng)的精度和功能要求更高。度和功能要求更高

3、。Company Logo第一節(jié)第一節(jié) 串級串級(Cascade)控制控制一、串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作過程一、串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作過程Company Logov方案一：圖方案一：圖41a (單回路單回路)v 被控參數(shù)：爐的出口溫度被控參數(shù)：爐的出口溫度T1 (直接參數(shù)直接參數(shù))v 控制參數(shù)：燃料量控制參數(shù)：燃料量v 主要擾動：被加熱物料的流量和初溫主要擾動：被加熱物料的流量和初溫f1(t)，燃料熱值的變化、壓力的波動、流量的變化燃料熱值的變化、壓力的波動、流量的變化f2(t)，煙囪擋板位置的改變、抽力的變化煙囪擋板位置的改變、抽力的變化f3(t).v 系統(tǒng)特點：所有對被控參數(shù)的擾動都包含在

4、系統(tǒng)特點：所有對被控參數(shù)的擾動都包含在這個回路中，理論上都可由溫度調(diào)節(jié)器予以克服，這個回路中，理論上都可由溫度調(diào)節(jié)器予以克服，但是控制通道的時間常數(shù)和容量滯后較大，控制但是控制通道的時間常數(shù)和容量滯后較大，控制作用不及時，系統(tǒng)克服擾動的能力較差，不能滿作用不及時，系統(tǒng)克服擾動的能力較差，不能滿足生產(chǎn)工藝要求。足生產(chǎn)工藝要求。Company Logov方案二：圖方案二：圖41b(單回路單回路)v 被控參數(shù)：爐膛溫度被控參數(shù)：爐膛溫度T2(間接參數(shù)間接參數(shù))v 控制參數(shù)：燃料量控制參數(shù)：燃料量v 主要擾動：被加熱物料的流量和初溫主要擾動：被加熱物料的流量和初溫f1(t)，燃料熱值的變化、壓力的波動

5、、流量的變化燃料熱值的變化、壓力的波動、流量的變化f2(t)，煙囪擋板位置的改變、抽力的變化煙囪擋板位置的改變、抽力的變化f3(t)。v 系統(tǒng)特點：能及時有效地克服擾動系統(tǒng)特點：能及時有效地克服擾動f2(t)、 f3(t)，但是擾動，但是擾動f1(t)未包括在系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)不未包括在系統(tǒng)內(nèi)，系統(tǒng)不能克服擾動能克服擾動f1(t)對爐出口溫度的影響，仍然不能對爐出口溫度的影響，仍然不能達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。Company Logov方案三：圖方案三：圖42 (串級串級) 主被控參數(shù)主被控參數(shù)(主參數(shù)主參數(shù))：爐出口溫度：爐出口溫度T1 副被控參數(shù)副被控參數(shù)(副參數(shù)副參數(shù))：爐膛溫度：爐

6、膛溫度T2 特點：把爐出口溫特點：把爐出口溫度調(diào)節(jié)器度調(diào)節(jié)器T1的輸出作為的輸出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器爐膛溫度調(diào)節(jié)器T2的給的給定值，擾動定值，擾動f2(t)、f3(t) 主主要由爐膛溫度調(diào)節(jié)器要由爐膛溫度調(diào)節(jié)器(副副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)構(gòu)成的控制回路構(gòu)成的控制回路(副回路副回路)來克服，擾動來克服，擾動f1(t)對爐出口溫度的影響對爐出口溫度的影響由爐出口溫度調(diào)節(jié)器由爐出口溫度調(diào)節(jié)器(主主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)構(gòu)成的控制回路構(gòu)成的控制回路(主回路主回路)來消除。來消除。Company Logo名詞術(shù)語：名詞術(shù)語： 主回路、副回路主回路、副回路 主參數(shù)、副參數(shù)主參數(shù)、副參數(shù) 主過程、副過程主過程、副過程(對象對

7、象) 主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器 一次擾動、二次擾動一次擾動、二次擾動Company Logo加熱爐串級控制系統(tǒng)的工作過程加熱爐串級控制系統(tǒng)的工作過程 當(dāng)處在穩(wěn)定工況時，被加熱物料的流量和溫當(dāng)處在穩(wěn)定工況時，被加熱物料的流量和溫度不變，燃料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不度不變，燃料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口溫度和爐膛溫度均處于相對平衡狀態(tài)，變，爐出口溫度和爐膛溫度均處于相對平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開度，此時爐出口溫度穩(wěn)定在調(diào)節(jié)閥保持一定的開度，此時爐出口溫度穩(wěn)定在給定值上，當(dāng)擾動破壞了平衡工況時，串級控制給定值上，當(dāng)擾動破壞了平衡工況時，串級控制系統(tǒng)便開始了其控制過程

8、。根據(jù)不同的擾動，分系統(tǒng)便開始了其控制過程。根據(jù)不同的擾動，分三種情況：三種情況：1.燃料壓力、熱值變化燃料壓力、熱值變化f2(t)和煙筒抽力變化和煙筒抽力變化f3(t) -二次擾動或副回路擾動二次擾動或副回路擾動2.被加熱物料的流量和初溫變化被加熱物料的流量和初溫變化f1(t)-一次擾動一次擾動或主回路擾動或主回路擾動Company Logo3.一次擾動和二次擾動同時存在一次擾動和二次擾動同時存在 假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣開式，主、副調(diào)節(jié)器均為反假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣開式，主、副調(diào)節(jié)器均為反作用。如果一、二次擾動的作用使主、副被控參作用。如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)同時增大或同時減少，主、副調(diào)節(jié)器對

9、調(diào)節(jié)閥數(shù)同時增大或同時減少，主、副調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的，即大幅度關(guān)小或開大閥門，的控制方向是一致的，即大幅度關(guān)小或開大閥門，加強控制作用，使?fàn)t出口溫度很快調(diào)回到給定值加強控制作用，使?fàn)t出口溫度很快調(diào)回到給定值上。上。 如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)一個增大一個增大(爐出口溫度升高爐出口溫度升高)，另一個減小，另一個減小(燃料量燃料量減少，即爐膛溫度降低減少，即爐膛溫度降低)，此時主、副調(diào)節(jié)器控制，此時主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開度只要作較調(diào)節(jié)閥的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開度只要作較小變動即可滿足控制要求。小變動即可滿足

10、控制要求。Company Logo二、串級控制系統(tǒng)的特點與分析二、串級控制系統(tǒng)的特點與分析 在結(jié)構(gòu)上與電力傳動自動控制系統(tǒng)中的雙閉在結(jié)構(gòu)上與電力傳動自動控制系統(tǒng)中的雙閉環(huán)系統(tǒng)相同環(huán)系統(tǒng)相同(比單回路系統(tǒng)多了一個副回路比單回路系統(tǒng)多了一個副回路)，其，其系統(tǒng)特點與分析方法亦基本相同。系統(tǒng)特點與分析方法亦基本相同。 主回路主回路(外環(huán)外環(huán))：定值控制系統(tǒng)：定值控制系統(tǒng) 副回路副回路(內(nèi)環(huán)內(nèi)環(huán))：隨動控制系統(tǒng)：隨動控制系統(tǒng) 與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一與單回路系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器與一個控制器個測量變送器與一個控制器(調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)，增加的投，增加的投資并不多資并不多(

11、對計算機控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個對計算機控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個測量變送器測量變送器)，但控制效果卻有顯著的提高，其原，但控制效果卻有顯著的提高，其原因在于串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動因在于串級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾動的副回路。的副回路。Company Logo (一一)改善了被控過程的動態(tài)特性改善了被控過程的動態(tài)特性Company Logo 副回路閉環(huán)傳遞函數(shù)副回路閉環(huán)傳遞函數(shù) 設(shè)設(shè)W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2，Wv(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得，可得 式中式中 -等效被控過程的放大系數(shù)等效被控過程的放大系數(shù) -等效被控過程的時間

12、常數(shù)等效被控過程的時間常數(shù)02C2V0222C2V02m2W (s)W (s)W (s)Y (s)W (s)=X (s)1+W (s)W (s)W (s)W(s)020202KW (s)=T s+102K0 2TC2V0202C2V02m2KK KK=1+ KK K K0202C2V02m2TT=1+ KK K KCompany Logo 可見可見 T02僅僅為為T02的的1/(1+Kc2Kv2K02Km2)。而。而且隨著且隨著Kc2的增大這種效果更顯著。如果匹配得當(dāng)，的增大這種效果更顯著。如果匹配得當(dāng)，副回路可近似為副回路可近似為1：1的環(huán)節(jié)。這樣對主調(diào)節(jié)器來的環(huán)節(jié)。這樣對主調(diào)節(jié)器來說，其等

13、效被控過程只剩下不包括在副回路之內(nèi)的說，其等效被控過程只剩下不包括在副回路之內(nèi)的一部分被控過程，所以其容量滯后減小了，過程的一部分被控過程，所以其容量滯后減小了，過程的動態(tài)特性得到顯著改善，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制動態(tài)特性得到顯著改善，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制更為及時，從而提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。更為及時，從而提高了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 串級控制系統(tǒng)由于增加了一個副回路，使等效串級控制系統(tǒng)由于增加了一個副回路，使等效被控過程的時間常數(shù)減小了，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特被控過程的時間常數(shù)減小了，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性。（頻域分析略）性。（頻域分析略）02020202K K T KC， 所以所以QC2QD2。D2CV

14、2Y(s)/X(s)Q(s)=W (s)W (s)Y(s)/F (s)C2C1C2D2CQ (s)W (s)W (s)=Q(s)W (s)C2C1C2D2CQ (s)KK=Q(s)KCompany Logo(三三)對一次擾動有較好的克服能力對一次擾動有較好的克服能力v 對串級控制系統(tǒng)：對串級控制系統(tǒng)： 抗擾動能力：抗擾動能力：v 對單回路控制系統(tǒng)：對單回路控制系統(tǒng)： 抗擾動能力：抗擾動能力：0111C10201m1W (s)Y (s)=F (s)1+W (s)W (s)W (s)W(s)11C1C10211Y (s)/X (s)Q (s)=W (s)W (s)Y (s)/F (s)011CV0

15、201mW (s)Y(s)=F (s)1+W (s)W (s)W (s)W (s)W (s)D1VC021Y(s)/X(s)Q(s)=W (s)W (s)W (s)Y(s)/F (s)Company Logov兩者抗一次擾動能力之比：兩者抗一次擾動能力之比： 設(shè)設(shè)WC(s)=WC1(s)，一般情況下，一般情況下WC2(s)很很大，則有大，則有 一般情況下一般情況下WV(s)W02(s)Wm2(s)小于小于1，因此串級控制系統(tǒng)的抗一次擾動的能力要比單回因此串級控制系統(tǒng)的抗一次擾動的能力要比單回路控制系統(tǒng)略強一些。路控制系統(tǒng)略強一些。C1C102C1C2D1CV02CC2V02m2Q (s)W (

16、s)W (s)W (s)W (s)=Q(s)W (s)W (s)W (s)W (s)1+W (s)W (s)W (s)W(s)C1C2D1C2V02m2V02m2Q (s)W (s)1=Q(s)W (s)W (s)W (s)W(s)W (s)W (s)W(s)Company Logo(四四)對副回路參數(shù)變化具有一定的對副回路參數(shù)變化具有一定的自適應(yīng)能力自適應(yīng)能力 在生產(chǎn)過程中，常含有非線性與未建模動態(tài)，在生產(chǎn)過程中，常含有非線性與未建模動態(tài)，工作點亦常隨負(fù)荷與操作條件發(fā)生變化，使過程工作點亦常隨負(fù)荷與操作條件發(fā)生變化，使過程特性發(fā)生變化。對于包含在副回路內(nèi)的非線性與特性發(fā)生變化。對于包含在副回

17、路內(nèi)的非線性與參數(shù)、負(fù)荷變化，串級控制系統(tǒng)具有一定的自適參數(shù)、負(fù)荷變化，串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。應(yīng)能力。 例：加熱爐中零件數(shù)量變化（溫度控制）。例：加熱爐中零件數(shù)量變化（溫度控制）。Company Logo仿真研究仿真研究單回路系統(tǒng)：單回路系統(tǒng)：PID參數(shù)參數(shù)vKp=3.7vTI=38svTD=0s未加干擾未加干擾Company Logo串級控制串級控制(未加擾動未加擾動)主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器vKp=8.4vTI=12.8 svTD=0 s副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器vKp=10vTI=5000 svTD=0 sCompany Logov串級控制：串級控制：(副回路加入副回路加入階躍擾動階躍擾動)C

18、ompany Logov串級控制：串級控制：(主回路加入階主回路加入階躍擾動躍擾動)Company Logov串級控制：串級控制：(主、副回路主、副回路同時加入階同時加入階躍擾動躍擾動)Company Logo參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)v過程控制與過程控制與Simulink應(yīng)用，王正林應(yīng)用，王正林, 郭陽寬，郭陽寬，2006Company Logo三、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計三、串級控制系統(tǒng)的設(shè)計 (一一)主、副回路的設(shè)計主、副回路的設(shè)計 串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值控制系統(tǒng)。主主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計可以按照單回路控制參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)

19、計原則進行。系統(tǒng)的設(shè)計原則進行。串級控制系統(tǒng)的設(shè)計主要串級控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計以及主、副回路是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計以及主、副回路關(guān)系的考慮。關(guān)系的考慮。1副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動副回路應(yīng)包括盡可能多的擾動 副回路對于包含在其內(nèi)的二次擾動以及非線副回路對于包含在其內(nèi)的二次擾動以及非線性、參數(shù)變化有很強的抑制能力與一定的自適應(yīng)性、參數(shù)變化有很強的抑制能力與一定的自適應(yīng)能力，因此副回路應(yīng)包括生產(chǎn)過程中變化劇烈且能力，因此副回路應(yīng)包括生產(chǎn)過程中變化劇烈且幅度大的主要擾動。幅度大的主要擾動。Company Logo 并不是說在副回路中包括的擾動愈多愈好，并不是說在副回路

20、中包括的擾動愈多愈好，而應(yīng)該是合理。而應(yīng)該是合理。原因：副回路包括的擾動愈多，原因：副回路包括的擾動愈多，通道就愈長，時間常數(shù)就愈大，無法快速克服擾通道就愈長，時間常數(shù)就愈大，無法快速克服擾動。動。2應(yīng)使主、副過程的時間常數(shù)適當(dāng)匹配應(yīng)使主、副過程的時間常數(shù)適當(dāng)匹配 原則上，主、副過程時間常數(shù)之比應(yīng)在原則上，主、副過程時間常數(shù)之比應(yīng)在3到到10范圍之內(nèi)。范圍之內(nèi)。 如果如果副過程的時間常數(shù)比主過程小得太多副過程的時間常數(shù)比主過程小得太多，這時雖然副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但此時這時雖然副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但此時一般情況下副回路包含的擾動少，對于過程特性一般情況下副回路包含的擾動少，對于

21、過程特性的改善也就減少了。的改善也就減少了。Company Logo 如果如果副回路的時間常數(shù)接近甚至大于主過程副回路的時間常數(shù)接近甚至大于主過程的時間常數(shù)的時間常數(shù)，這時副回路雖對改善過程特性的效，這時副回路雖對改善過程特性的效果較顯著，但副回路反映較遲鈍，不能及時有效果較顯著，但副回路反映較遲鈍，不能及時有效克服擾動?？朔_動。 如果如果主、副過程的時間常數(shù)比較接近主、副過程的時間常數(shù)比較接近，這時，這時主、副回路的動態(tài)聯(lián)系十分密切，一個參數(shù)發(fā)生主、副回路的動態(tài)聯(lián)系十分密切，一個參數(shù)發(fā)生振蕩時，會使另一個參數(shù)也發(fā)生振蕩（振蕩時，會使另一個參數(shù)也發(fā)生振蕩（共振）共振），不利于生產(chǎn)的正常進行。

22、不利于生產(chǎn)的正常進行。 串級控制系統(tǒng)主、副過程時間常數(shù)的匹配是串級控制系統(tǒng)主、副過程時間常數(shù)的匹配是一個比較復(fù)雜的問題，工程上應(yīng)根據(jù)具體過程的一個比較復(fù)雜的問題，工程上應(yīng)根據(jù)具體過程的實際情況與控制要求來定。實際情況與控制要求來定。Company Logo(二二)主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇 出發(fā)點：主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器出發(fā)點：主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用。起隨動控制作用。 主調(diào)節(jié)器選主調(diào)節(jié)器選PI或或PID控制規(guī)律：控制規(guī)律：主參數(shù)是工主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動的范圍較小，一般要藝操作的主要指標(biāo)，允許波動的范圍較小，一般要求無余

23、差。求無余差。 副調(diào)節(jié)器選副調(diào)節(jié)器選P控制規(guī)律：控制規(guī)律：副參數(shù)的設(shè)置是為了副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以在一定范圍內(nèi)變化，保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差。一般不引入積分允許有余差。一般不引入積分(會延長控制過程，會延長控制過程，減弱副回路的快速作用減弱副回路的快速作用)。也不引入微分。也不引入微分(副回路本副回路本身起著快速作用，再引入微分規(guī)律會使調(diào)節(jié)閥動作身起著快速作用，再引入微分規(guī)律會使調(diào)節(jié)閥動作過大，對控制不利過大，對控制不利)。Company Logo(三三)確定主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式v 主、副調(diào)節(jié)器正主、副調(diào)節(jié)器正

24、/反作用反作用方式的方式的選擇原則選擇原則： 使整個控制系統(tǒng)構(gòu)成使整個控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即主通道各負(fù)反饋系統(tǒng)，即主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正。須為正。 （各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性（各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的規(guī)定與單回路系統(tǒng)相同）的規(guī)定與單回路系統(tǒng)相同） 例：例：圖圖42所示爐所示爐出口溫度與爐膛溫度串級出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。Company Logo四、串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定四、串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定v串級控制系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來控制一個調(diào)節(jié)串級控制系統(tǒng)兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來控制一個調(diào)節(jié)閥，是相互關(guān)聯(lián)的，因此其參數(shù)整定也是相互關(guān)閥，是相互關(guān)聯(lián)

25、的，因此其參數(shù)整定也是相互關(guān)聯(lián)的，需相互協(xié)調(diào)、反復(fù)核定才能取得最佳效果。聯(lián)的，需相互協(xié)調(diào)、反復(fù)核定才能取得最佳效果。v在整定主調(diào)節(jié)器時，必須知道副調(diào)節(jié)器的動態(tài)特在整定主調(diào)節(jié)器時，必須知道副調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性；在整定副調(diào)節(jié)器時，又必須知道主調(diào)節(jié)器的性；在整定副調(diào)節(jié)器時，又必須知道主調(diào)節(jié)器的動態(tài)特性。動態(tài)特性。v原則：原則：主回路為定值控制主回路為定值控制，要求主參數(shù)有較高的，要求主參數(shù)有較高的控制精度，其品質(zhì)指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)一控制精度，其品質(zhì)指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)一樣。但樣。但副回路是隨動控制副回路是隨動控制，只要求副參數(shù)能快速，只要求副參數(shù)能快速準(zhǔn)確地跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化即可。準(zhǔn)確地

26、跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化即可。Company Logo1兩步整定法兩步整定法 根據(jù)串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則，主、副過程的時根據(jù)串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則，主、副過程的時間常數(shù)之比間常數(shù)之比T01/T02應(yīng)在應(yīng)在3到到10范圍內(nèi)。此時主、副范圍內(nèi)。此時主、副回路的工作頻率和周期相差很大，動態(tài)聯(lián)系很小，可回路的工作頻率和周期相差很大，動態(tài)聯(lián)系很小，可忽略不計。所以，忽略不計。所以，副調(diào)節(jié)器參數(shù)按單回路系統(tǒng)方法整副調(diào)節(jié)器參數(shù)按單回路系統(tǒng)方法整定定后，可以后，可以將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回將副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)路系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，而不再

27、考慮，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對副回路的影響。主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對副回路的影響。 另外，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對于主參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)另外，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程對于主參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)要求很高，而對副參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)沒有嚴(yán)格要求，設(shè)要求很高，而對副參數(shù)的質(zhì)量指標(biāo)沒有嚴(yán)格要求，設(shè)置副參數(shù)是為了進一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在副置副參數(shù)是為了進一步提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。在副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好后，再整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好后，再整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，只要主只要主參數(shù)的質(zhì)量通過主調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定得到保證，副參參數(shù)的質(zhì)量通過主調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定得到保證，副參數(shù)的控制質(zhì)量可以允許犧牲一些數(shù)的控制質(zhì)量可以允許犧牲一些。Comp

28、any Logov整定步驟：整定步驟：第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。（先副后主）定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。（先副后主） 1)在工況穩(wěn)定、在工況穩(wěn)定、主回路閉合主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于都在純比例作用下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法(如如4：1)整整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度2s和周期和周期T2s 。 2)將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值2s上，把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，用同樣上，把副回路

29、作為主回路的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比例度方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比例度1s和周和周期期T1s 。Company Logov 3)根據(jù)根據(jù)1s、T1s 、2s、T2s，按單回路系統(tǒng)，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法的整定公式計算主調(diào)節(jié)器的比例度衰減曲線法的整定公式計算主調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間積分時間TI和微分時間和微分時間TD。v 4)按按先副后主、先比例后積分先副后主、先比例后積分的順序，設(shè)置的順序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳。要時進行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳。Com

30、pany Logo 2逐步逼近法逐步逼近法 對于對于主、副過程的時間常數(shù)相差不大主、副過程的時間常數(shù)相差不大的串級的串級控制系統(tǒng)，由于主、副回路的動態(tài)聯(lián)系比較密切，控制系統(tǒng)，由于主、副回路的動態(tài)聯(lián)系比較密切，所以系統(tǒng)整定必須反復(fù)進行、逐步逼近。所以系統(tǒng)整定必須反復(fù)進行、逐步逼近。 逐步逼近法：逐步逼近法：在在主回路斷開主回路斷開的情況下，求取的情況下，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求數(shù)值上，將主回路閉合以求取主調(diào)節(jié)器置在所求數(shù)值上，將主回路閉合以求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。而后，將主調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在的整定參數(shù)值。而后，將主調(diào)節(jié)器的

31、參數(shù)設(shè)置在所求數(shù)值上再進行整定，求出第二次副調(diào)節(jié)器的所求數(shù)值上再進行整定，求出第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。比較上述兩次的整定參數(shù)值和控制整定參數(shù)值。比較上述兩次的整定參數(shù)值和控制質(zhì)量，如果達(dá)到了控制品質(zhì)指標(biāo)，整定工作就此質(zhì)量，如果達(dá)到了控制品質(zhì)指標(biāo)，整定工作就此結(jié)束。否則再按此法求取第二次主調(diào)節(jié)器的整定結(jié)束。否則再按此法求取第二次主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，依次循環(huán)，直到求得合適的整定參數(shù)值。參數(shù)值，依次循環(huán)，直到求得合適的整定參數(shù)值。（整定步驟略）（整定步驟略）Company Logo五、串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用五、串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用(一一)用于克服被控過程較大的容量滯后用于克服被控過程較大的容

32、量滯后v 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，一些以溫度等作為被控參數(shù)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，一些以溫度等作為被控參數(shù)的過程，往往其容量滯后較大，控制要求又較高。的過程，往往其容量滯后較大，控制要求又較高。若采用單回路控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量不能滿足生產(chǎn)若采用單回路控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量不能滿足生產(chǎn)要求。此時可選用串級控制系統(tǒng)，充分利用其改要求。此時可選用串級控制系統(tǒng)，充分利用其改善過程的動態(tài)特性、提高工作頻率的特點。為此，善過程的動態(tài)特性、提高工作頻率的特點。為此，選擇一個滯后較小的副參數(shù)，組成一個快速動作選擇一個滯后較小的副參數(shù)，組成一個快速動作的副回路，以減小等效過程的時間常數(shù)，加快響的副回路，以減小等效過程的時間常數(shù)，加快響應(yīng)

33、速度，從而取得較好的控制質(zhì)量。應(yīng)速度，從而取得較好的控制質(zhì)量。v 例：例：圖圖42加熱爐。加熱爐。Company Logo (二二)用于克服被控過程的純滯后用于克服被控過程的純滯后v 當(dāng)工業(yè)過程純滯后時間較長時，可用串級控制當(dāng)工業(yè)過程純滯后時間較長時，可用串級控制來改善控制質(zhì)量，即來改善控制質(zhì)量，即在離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小在離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的地方選擇一個副參數(shù)的地方選擇一個副參數(shù)，構(gòu)成一個純滯后較小的副，構(gòu)成一個純滯后較小的副回路，把主要擾動包括在副回路中，在其影響主參回路，把主要擾動包括在副回路中，在其影響主參數(shù)前，由副回路實現(xiàn)對主要擾動的及時控制，從而數(shù)前，由副回路實現(xiàn)對主要擾動

34、的及時控制，從而提高控制質(zhì)量。提高控制質(zhì)量。v例例41 造紙廠網(wǎng)前箱溫度串級控制造紙廠網(wǎng)前箱溫度串級控制(圖圖4-7)。 紙漿用泵從儲槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸紙漿用泵從儲槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至汽加熱至72左右，經(jīng)過立篩、圓篩除去雜質(zhì)后左右，經(jīng)過立篩、圓篩除去雜質(zhì)后送到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。為保證紙張質(zhì)量，工送到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。為保證紙張質(zhì)量，工藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在61左右，允許偏差不左右，允許偏差不得超過得超過1。Company Logov 若若用單回路系統(tǒng)，從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達(dá)用單回路系統(tǒng)，從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達(dá)90s，當(dāng)紙漿流量波動當(dāng)紙

35、漿流量波動35kg/min時，溫度最大偏差時，溫度最大偏差8.5，過渡過程時間過渡過程時間450s，控制質(zhì)量差，不能滿足工藝要求。，控制質(zhì)量差，不能滿足工藝要求。v 在離調(diào)節(jié)閥較近處選擇在離調(diào)節(jié)閥較近處選擇混合器出口溫度混合器出口溫度為為副參數(shù)副參數(shù)，網(wǎng)，網(wǎng)前箱溫度為主參數(shù)構(gòu)成串級控制，把前箱溫度為主參數(shù)構(gòu)成串級控制，把主要擾動主要擾動(紙漿流量紙漿流量波動波動) 包括在副回路中。實踐表明，網(wǎng)前箱溫度最大偏差包括在副回路中。實踐表明，網(wǎng)前箱溫度最大偏差未超過未超過1，過渡過程時間過渡過程時間200s，完全滿足工藝要求。，完全滿足工藝要求。72611Company Logo (三三)用于抑制變化劇烈且幅度大的擾動用于抑制變化劇烈且幅度大的擾動 將將變化劇烈且幅度大的擾動變化劇烈且幅度大的擾動包括在串級系統(tǒng)副