13 第四章 复杂控制系统 4-1 串级控制系统.pptx

第1页：单回路控制系统的局限

前言

• 单回路控制系统解决了工业生产过程自动化中大量的参数定值控制问题；
• 在大多数情况下，这种简单系统能满足生产工艺的要求。
• 单回路系统仅适用于比较简单的单输出生产过程的控制，不能解决多输出过程的控制问题。即使对于简单的单输出生产过程，亦存在这样的情况，譬如其调节对象的动态特性决定了它很难控制(如过程的滞后常数很大或扰动量很大)；或调节对象的动态特性虽不复杂，但工艺对调节质量的要求很高或很特殊；

第2页：复杂控制系统的提出

随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，这使工业生产过程对操作条件要求更加严格、对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高；

• 需要在单回路的基础上，采取其它措施，组成比单回路系统“复杂”一些的控制系统，在这些情况下，采用单回路控制系统就无法满足生产的要求。
• 复杂控制系统：克服单回路系统的局限性。

第3页：复杂控制系统方案清单

复杂控制系统方案清单

方案清单页，列出串级、前馈、大滞后补偿、比值、分程与选择控制及多变量解耦控制。

本页主体为图示（封面、公式推导、框图或曲线），源文件未提取到成段文字，上述标注与要点请以原课件图片为准。

第4页：串级控制系统概述

1串级控制系统（双闭环）重点：内容、组成、特点、工作过程、工程设计原则(原理推导➔自动控制；变送器、调节器、执行器➔与单回路控制系统相近)串级：按照结构命名的，一个控制器的输出作为下一个控制器的输入系统，两个控制器相串联，叫做串级。

第5页：加热炉串级控制的结构

1.1串级控制系统结构1.结构以加热炉为例：被控量：炉出口(炉膛)温度控制量：燃料量影响炉出口温度的因素(扰动)：1)被加热物料的流量和初始温度f12)燃料热值变化，压力波动，流量变化f23)烟囱挡板位置改变，抽力变化f35

第6页：控制炉出口温度的单回路方案

控制炉出口温度（单回路系统）6所有对被控参数的扰动都包含在这个回路中，理论上都可由温度调节器予以克服。但是控制通道的时间常数和容量滞后较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力较差，不能满足生产工艺要求。出口温度控制方案

第7页：控制炉膛温度的单回路方案

控制炉膛温度的单回路方案

炉膛温度方案页，说明其能及时克服燃料与抽力扰动但不能克服物料流量扰动。

控制炉膛温度（单回路系统）7炉出口温度为间接控制量

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第8页：串级控制方案的提出

串级控制系统8串级控制方案选取炉出口温度为主被控参数(简称主参数)，选取炉膛温度为副被控参数(简称副参数)，把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值－炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统

第9页：串级控制的特点

扰动f2(t),f3(t)对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器(称为副调节器)构成的控制回路(称为副回路)来克服；

• 扰动f1(t)对炉出口温度的影响由出口温度调节器(称为主调节器)构成的控制回路(称为主回路)来消除。1)被加热物料的流量和初始温度f12)燃料热值变化，压力波动，流量变化f23)烟囱挡板位置改变，抽力变化f3特点：

第10页：串级控制系统框图

串级控制系统框图

串级控制系统框图，标出主副调节器、调节阀与主副被控过程及测量变送环节。

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第11页：串级系统的术语解释

术语解释

• 主被控参数：在串级系统中起主导作用的被控参数(炉出口温度)；
• 副被控参数：串级系统中，为了稳定主被控参数而引进的中间辅助参数(炉膛温度)；
• 主被控过程：由主被控参数表征其特征的生产过程，其输入是副被控参数；
• 主调节器：按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器。其输出为副调节器的给定值；

第12页：副调节器与主副回路术语

副调节器：按副被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器。其输出直接控制调节阀工作

• 主回路：由主副调节器，调节阀，主副被控过程，主测量变送器组成的闭合回路
• 副回路：由副调节器，副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路
• 一次扰动：不包括在副回路内的扰动f1(t)
• 二次扰动：副回路内的扰动f2(t)和f3(t)

第13页：主副参数与回路术语说明

主副参数与回路术语说明

术语说明图，标注一次扰动、二次扰动与主副被控过程在加热炉流程中的位置。

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第14页：稳态与二次扰动的工作过程

工作过程稳态时：f1(t)、f2(t)、f3(t)均不变，调节阀开度不变，炉膛出口温度处于相对平衡状态，y1=给定有扰动时：1二次扰动（副回路）：来自燃料压力，热值变化f2(t)和抽力变化f3(t)。

• 扰动f2(t)和f3(t)先影响炉膛温度，于是副调节器立即发出校正信号，控制调节阀的开度，改变燃料量，克服上述扰动对炉膛温度的影响。

第15页：一次扰动与二次扰动的工作过程

如果扰动量不大，经过副回路的及时控制，一般不影响炉出口温度；如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，仍影响炉出口温度，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使炉出口温度调回到给定值上来。（2）一次扰动：来自被加热物料的流量和初温f1(t)扰动f1(t)使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服f1(t)对炉出口温度的影响。由于副回路的存在，加快了校正作用，使扰动对炉出口温度的影响比单回路系统时要小。

第16页：一二次扰动同时存在的情况

（3）一二次扰动同时存在

• 假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值上。
• 如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大(炉出口温度升高)，另一个减小(燃料量减少，即炉膛温度降低)，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只作较小变动即满足控制要求。

第17页：串级系统的双闭环结构

1.2串级控制系统的特点与分析

• 串级控制系统与单回路控制系统相比有一个显著的区别，即其在结构上多了一个副回路，形成了两个闭环—双闭环或称为双环。在结构上与电力传动自动控制系统中的双环系统相同，其系统特点与分析方法亦基本相同。
• 串级控制系统，就其主回路(外环)来看是一个定值控制系统，而副回路(内环)则为一个随动系统。以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路起着对炉出口温度的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。

第18页：串级系统的控制效果优势

与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器)，但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次干扰有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。

第19页：串级系统的等效框图

串级系统的等效框图

等效框图页，给出副回路等效后主回路输入与副参数输出之间的传递函数。

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第20页：副回路等效传递函数推导

副回路等效传递函数推导

等效推导页，假设副对象为一阶惯性、其余为比例环节求副回路等效传递函数。

改善了被控过程的动态特性设副回路为：0202K02W(s)Ts10272C2V02m2WC2(s)WV(s)W02(s)W(s)Y2(s)X(s)1W(s)W(s)W(s)W(s)WV(s)KVWm2(s)Km2一阶惯性

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第21页：等效时间常数缩小的结论

等效时间常数缩小的结论

等效结果页，说明等效放大系数与时间常数均缩小从而加快响应并改善动态特性。

等效被控过程放大系数其中：：等效被控过程时间常数则0202W(s)K02Ts10202KKT02T02两式相比较：容量滞后减小

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第22页：副回路改善动态特性的机理

表明：

• 由于副回路的存在，起到改善动态特性的作用，等效时间常数缩小了（1＋Kc2KvK02Km2）倍；
• 而且随着副调节阀比例增益的增大而减小；
• 通常情况下，副对象是单容或双容对象，因此，副调节器的Kc2可以取得很大，这样等效T02′就可以减到很小，从而加快了副回路的响应速度，提高了系统的工作效率。029c2V02m2T021KKKKT＝

第23页：主回路的特征方程

主回路的特征方程

主回路分析页，设主对象为一阶惯性并列出含等效副回路的闭环特征方程。

提高了系统的工作频率特征方程(主回路)：0101K01W(s)Ts1c10201m11W(s)W(s)W(s)W(s)0设主被控过程：一阶惯性

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第24页：特征方程的整理

特征方程的整理

方程整理页，化为二阶标准形式并给出衰减系数与自然频率的表达式。

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第25页：串级系统的工作频率

串级系统的工作频率

工作频率页，给出串级与单回路系统振荡频率的表达式与特征根形式。

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第26页：工作频率对比的结论

工作频率对比的结论

频率对比页，指出在相同衰减率下串级系统工作频率大于单回路系统。

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第27页：抗干扰能力的评价

增强了克服二次扰动的能力(二次扰动作用于副回路，分析扰动F2(s)的作用)Y1(s)X1(s)1系统的控制性能越好；当它在给定信号作用下，其输出量能复现输入量的变化Y1(s)F2(s)系统的抗干扰能力越强；其控制作用能迅速克服扰动的影响Q(s)Y1(s)/X1(s)Y1(s)/F2(s)抗干扰能力0越大越好

第28页：串级与单回路抗扰能力对比

串级与单回路抗扰能力对比

抗扰对比页，给出两者抗扰能力之比并说明主副调节器比例增益大则抗扰强。

单回路系统抗干扰能力：D2cv2Y(s)/F(s)Q(s)Y(s)/X(s)W(s)W(s)串级系统抗扰能力与单回路系统抗扰能力之比：Qc2s)Wc1(s)Wc2(s)QD2(s)Wc(s)设串级与单回路控制系统均采用比例调节器

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第29页：克服二次扰动的机理

)当二次扰动进入副环，首先影响副参数，如影响炉膛温度变化，于是副调节器立即动作，力图削弱干扰对y2的影响。2)干扰经过副回路的抑制后再进入主回路，对y1的影响将有较大的减弱。3)主副两个调节器的比例增益大，抗干扰能力强。4)当变化剧烈或幅值较大的扰动作用于系统时，可以采用串级系统，不过要把这些扰动都纳入副回路。

第30页：串级系统的自适应能力

具有一定的自适应能力在生产过程中，常含有非线性与未建模动态，工作点亦常随负荷与操作条件发生变化，使过程特性发生变化。对于包含在副回路内的非线性与参数、负荷变化，串级控制系统具有一定的自适应能力。单回路系统：参数整定—工作点附近—参数变化—重新整定。串级系统：副回路存在，自身对副回路的扰动有补偿作用。

第31页：主变量的选择

1.3串级控制系统设计1.主变量的选择：同单回路被控量的选择相同

• 串级控制系统的主回路是一个定值控制系统；
• 对于主参数的选择和主回路的设计，可以按照单回路控制系统的设计原则进行；
• 串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。

第32页：副变量与副回路的设计

副回路的设计：(从整个对象中选取一部分作为副对象)1副变量的选择应是物理上可测的，并应是副回路的时间常数较小，调节通道短，反应灵敏。如选炉膛温度对燃料干扰有较大的克服作用。2副回路应包括尽可能多的扰动，包含对象所受的主要干扰。

第33页：主副过程时间常数的匹配

主副过程时间常数的匹配

时间常数匹配页，给出T01/T02=3~10并按克服干扰、减小滞后与克服非线性分别取值。

本页主体为图示（封面、公式推导、框图或曲线），源文件未提取到成段文字，上述标注与要点请以原课件图片为准。

第34页：主副调节器控制规律的选择

主副调节器的控制规律的选择

• 主调节器：定值控制作用；
• 副调节器：随动控制作用；
• 主参数：允许范围很小，无余差，PI、PID调节；
• 副参数：允许有余差，P调节、放大系数大；
• 不引入积分：否则控制时间长；
• 不引入微分：因本身起快速作用，否则调节器控制动作过大，对控制不利。

第35页：调节器正反作用的确定

主副调节器的正反作用确定(负反馈原则——多K乘积=＋)例：炉膛温度控制－－副回路出口温度控制－－主回路燃料调节阀－－气开式加热炉控制系统

第36页：加热炉调节器正反作用判定

Kv---+；调节阀开度增大，燃料增加，炉膛温度升高－－K02---+副回路为负反馈，则副调节器的放大系数Kc2应取正，即为反作用调节器炉膛温度升高，则炉出口温度也升高－－K01---+主回路为负反馈，则主调节器的放大系数Kc1应取正，即为反作用调节器燃料调节阀－－气开式Km2－+Km1－+

第37页：串级系统参数整定的复杂性

串级控制系统调节器参数的整定

• 两个调节器串联起来控制一个调节阀，主副调节器有联系，相互关联。
• 串级控制系统主调节器的Wc1与副调节器Wc2（s）的参数整定亦是相互关联的，需要相互协调，反复整定才能取得最佳效果。
• 在整定主调节器的Wc1（s）时，必须知道副调节器的Wc2（s）的动态特性；而在整定副调节器的Wc2（s）时，又必须知道主调节器的Wc1（s）的动态特性。
• 串级控制系统调节器参数的整定要比单回路控制系统整定复杂。

第38页：两步整定法的前提

两步整定法

• 根据串级控制系统的设计原则，主、副过程的时间常数应适当匹配，要求其时间常数之比T01/T02在3到10范围内。这样，主、副回路的工作频率和操作周期相差很大，其动态联系很小，可忽略不计；
• 副调节器参数按单回路系统方法整定后，可以将副回路作为主回路的一个环节，按单回路控制系统的整定方法，整定主调节器的参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响；

第39页：主副参数的质量指标

对于主参数的质量指标要求很高，而对副参数的质量指标没有严格要求。

• 通常设置副参数的目的是为了进一步提高主参数的控制质量。
• 在副调节器参数整定好后，再整定主调节器参数。这样，只要主参数的质量通过主凋节器的参数整定得到保证，副参数的控制质量可以允许牺牲一些。

第40页：两步整定法的步骤

两步法：1)调整副调节器参数；2)调整主调节器参数A.在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100％，用单回路控制系统的衰减(如4：1)曲线法整定，求取副调节器的比例度δ2s和操作周期T2s。B.整定主调节器：将副调节器的比例度置于所求得的数值δ2s上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度δ1s和操作周期T2s。

第41页：两步法整定参数的设置

C.根据δ1s,δ2s,T1s,T2s,按照单回路系统衰减曲线法整定公式，计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI，和微分时间TD的数值。D.按先副后主、先比例后积分的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。

第42页：逐步逼近法

（2）逐步逼近法对主、副过程的时间常数相差不大的串级控制系统，由于主回路与副回路的动态联系比较密切，则系统整定必须反复进行、逐步逼近。1首先整定副回路：主回路断开，按单回路参数整定法(如衰减曲线法)求取副调节器的参数，得到一次整定值[Wc2(s)]12整定主回路：把整定好的副回路作为主回路中的一个环节，然后按照单回路整定方法，求取主调节器的参数[Wc1(s)]

第43页：逐步逼近法的步骤

在主回路闭环的情况下，再次整定副回路：在主调节器的整定参数为[Wc1(s)]1的条件下，按单回路参数整定法，重新求取副调节器的整定参数，求取新的整定参数[Wc2(s)]24重新整定主回路：在副回路整定参数为[Wc2(s)]2的情况下，重新整定主回路调节器，得到[Wc1(s)]25若调解过程仍未满足要求，按照上述步继续进行，直到调节效果满意为止。

第44页：应用之克服容量滞后

用于克服被控过程较大的容量滞后

• 被控参数的过程：－温度：其容量滞后较大。
• 若采用单回路控制系统，其控制质量不能满足生产要求。
• 串级控制系统：改善过程的动态特性、提高其工作频率。
• 选择一个滞后较小的副参数，组成一个快速动作的副回路－－减小等效过程的时间常数，加快响应速度，从而取得较好的控制质量。•例如加热炉：主过程时间常数为15min，扰动因素多。炉膛温度作为副参数，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，提高了控制质量，满足生产工艺要求。

第45页：应用之克服纯滞后

用于克服被控过程的纯滞后当工业过程纯滞后时间较长，有时可应用串级控制系统来改善其控制质量，即在离调节阀较近、纯滞后较小的地方，选择一个副参数，构成一个纯滞后较小的副回路，把主要扰动包括在副回路中。在其影响主参数前，由副回路实现对主要扰动的及时控制，从而提高控制质量。例：网前箱温度串级控制

第46页：网前箱温度的单回路控制

网前箱温度串级控制16工艺过程：纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72℃左右，经过立筛、圆筛除去杂质后送到网前箱，再去铜网脱水。要求：网前箱温度保持在61℃左右，±1℃。单回路控制系统：由于从混合器到网前箱纯滞后达90s，当纸浆流量波动35kg／min时，温度最大偏差达8.5℃，过渡过程时间达450s。控制质量差，不能满足工艺要求。

第47页：网前箱温度串级控制的效果

串级系统：混合器温度为副参数，网前箱出口温度为主参数，主要扰动（纸浆流量波动）包括在副回路中。当其波动时，网前箱温度最大偏差未超过1℃，过渡过程时间为200s，满足工艺要求。网前箱温度串级控制