第8章提高控制品质的控制系统

单回路控制系统回顾图单回路控制系统框图调节器执行器被控对象检测变送器结构和特性：单回路、负反馈、应用较广泛。适用于时间常数较小，负荷变化小的对象。但是，在某些被控对象的动态特性比较复杂或者控制任务比较特殊的应用场合，简单控制系统就显得力不从心。所谓复杂，乃是相对简单而言的。一般来说，凡是结构上比单回路控制系统更为复杂或控制目的上较为特殊的控制系统都可以称为复杂控制系统。由于在这些系统中，通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又称为多回路控制系统。显然，这类系统的分析、设计、参数整定与投运比简单控制系统要复杂一些。常见的复杂控制系统有串级、前馈、大时延、比值、均匀、分程、选择等控制系统。复杂控制系统第8章提高控制质量的控制系统8.1串级控制系统8.2前馈控制系统8.3大时延控制系统动态特性比较复杂第9章满足特定要求的过程控制系统9.1比值控制系统9.2均匀控制系统9.3分程控制系统9.4选择控制系统控制任务比较特殊8.1串级控制系统8.2前馈控制系统8.3大时延控制系统第8章提高控制品质的控制系统第8章提高控制品质的控制系统8.1串级控制系统生产过程中有很多容量滞后比较大（T0）的对象，由于控制变量的变化要经过一个较长的时间才能对被控变量起作用，这样明显造成控制作用不及时，使系统控制变差。当对象的容量滞后较大，负荷或干扰变化比较剧烈、比较频繁，或是工艺对产品质量提出的要求很高，此时，采用简单控制系统无法满足要求，可以采用串级控制系统。•8.1.1基本概念•1.串级控制系统结构炼油厂常用的设备中有一种叫管式加热炉,工艺要求被加热原料在炉的出口温度保持恒定。第8章提高控制品质的控制系统8.1串级控制系统冷物料加热炉热物料燃料影响物料出口温度的干扰：（1）原料油流量与初温f1(t)（2）燃油压力、流量、热值f2(t)（3）烟囱抽力变化f3(t)（4）环境温度等f4(t)空气单回路设计方案1：出口温度为被控参数，燃料量为控制参数。T1CT1T冷物料加热炉热物料燃料第8章提高控制质量的控制系统8.1串级控制系统8.1.1基本概念1.串级控制系统结构9分钟45分钟结论：1.结构上合理；2.实际控制质量很差。炉第8章提高控制质量的控制系统8.1串级控制系统8.1.1基本概念1.串级控制系统结构单回路设计方案2：炉膛温度为被控参数，燃料量为控制参数。T1CT1T冷物料加热炉热物料燃料结论：1.能及时克服f2(t)、f3(t)；2.不能克服f1(t)、f4(t)。炉第8章提高控制质量的控制系统8.1串级控制系统8.1.1基本概念1.串级控制系统结构复杂设计方案3：出口温度Y1(s)为主被控参数，炉膛温度Y2(s)为副被控参数，燃料量为控制参数。串级控制系统第8章提高控制质量的控制系统8.1串级控制系统8.1.1基本概念1.串级控制系统结构主被控参数Y1(s)：主要控制目标，工艺要求副被控参数Y2(s)：被控对象引出的中间变量副对象：副被控参数与控制参数之间的通道特性主对象：主被控参数与副被控参数之间的通道特性副控制器：接受副变量的偏差，其输出控制阀门主控制器：接受主变量的偏差，其输出是副控制器的给定值所以，主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。第8章提高控制质量的控制系统8.1串级控制系统8.1.1基本概念1.串级控制系统结构副回路（副环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对象组成的回路。处在串级控制系统内部的，在控制过程中起着“粗调”的作用。主回路（主环）：由副回路、主控制器、主对象、主变量检测变送器组成的回路，在控制系统中起着“细调”的作用。一次干扰：进入主回路的干扰二次干扰：进入副回路的干扰控制阀出口温度燃料油原料油温度测量值温度变送器TC温度设定值流量测量值流量变送器QC控制量第8章提高控制质量的控制系统8.1串级控制系统8.1.1基本概念1.串级控制系统结构另一种方案第8章提高控制质量的控制系统8.1串级控制系统8.1.1基本概念2.串级控制系统的工作过程+-++++-1）只有二次扰动2）只有一次扰动3）一、二次扰动均有①使主副参数同向变化②使主副参数异向变化第8章提高控制质量的控制系统8.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点1.改善过程动态特性'22222222()()()()()()1()()()()cvoocvomGsGsGssGsXsGsGsGsGs'22222211cvoocvomKKKKKKKK'222221oocvomTTKKKK静态放大系数时间常数1.改善过程动态特性8.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点22()mmGsK()vvGsK22()ccGsK222()1oooKGsTs2222''222222'22222222211()11111ocvocvocvomooooocvmocvomKKKKKKTsKKKKKGsKTTsKKKTsKKKK式中：设上式中：代入，得：'222221oocvomTTsKKKK其等效系统与单回路系统相比：取代2222221omoVCooTKKKKTT1.改善过程动态特性8.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点从理论上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小（中间大小的时间，相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节）因而使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；与此同时，等效对象时间常数的缩短，还使系统的工作频率得到提高，这就缩短了振荡周期，减少了过渡过程的时间。即便是干扰作用于主对象，串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统有所改善。副回路的引入，使整个系统的工作频率有提高代入（8.5）图8.7可得串级系统的特征方程为：'12111()()()()0coomGsGsGsGs（8.5）111()1oooKGsTs11()ccGsK11mmGK''2121211''121210oocoomooooTTKKKKssTTTT（8.7）'12'122oooooTTTT'21211'121coomoooKKKKTT令：特征方程式（8.7）可写成标准形式：2220ooss（8.8）8.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点2.系统工作频率提高2220ooss（8.9）特征根为：2221,224412oooos01系统出现振荡，振荡频率为：2'212'12112oocoooTTTT（8.10）218.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点2.系统工作频率提高单回路特征方程：（8.11）*12111()()()()()0cvoomGsGsGsGsGs**11()ccGsK2220ddodoss特征方程标准形式：'12'122ooddoooTTTT*21211021cvomdooKKKKTT同理可得单回路系统振荡频率为：（8.15）2102122211oooddddodTTTT228.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点2.系统工作频率提高2102122211oooddddodTTTT若使串级控制系统与单回路控制系统具有相同的衰减率，即：2'212'12112oocoooTTTTd2'121''1222110222102112112ooooooooddoodoTTTTTTTTTTTT（8.16）oco2o1o2o1o2o2TT1TT1TT所以：，则有：由于工作频率提高，控制品质改善。串级系统：单回路系统：238.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点2.系统工作频率提高（8.17）进入副回路的干扰F3(s)与副回路输出Θ2(s)之间的传递函数记为G*o2(s):*2223222()()()()1()()()()ooovomGssGsFsGsGsGsGs系统输入X1(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:'1211'11211()()()()()1()()()()coocoomGsGsGssXsGsGsGsGs干扰F3(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:*211'31211()()()()1()()()()oocoomGsGssFsGsGsGsGs（8.19）（8.18）248.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点3.对二次扰动有很强的克服能力系统输入X1(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:'1211'11211()()()()()1()()()()coocoomGsGsGssXsGsGsGsGs干扰F3(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:*211'31211()()()()1()()()()oocoomGsGssFsGsGsGsGs（8.19）（8.18）串级控制系统对F3(s)抗干扰能力Jc3表示为:''12112113**13212()()()()()()/()()/()()()()coococoooGsGsGsGsGssXsJsFsGsGsGs312()()()cccvJGsGsGs（8.21）258.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点3.对二次扰动有很强的克服能力系统输入X1(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:干扰F3(s)与被控参数Θ1(s)之间的传递函数记为:（8.25）单回路控制系统对F3(s)抗干扰能力Jk3表示为:图8.12中单回路系统：*'1211*'11211()()()()()()1()()()()()cvoocvoomGsGsGsGssXsGsGsGsGsGs211*'31211()()()()1()()()()()oocvoomGsGssFsGsGsGsGsGs**12111311321()()()()()/()()()()/()()()cvookcvooGsGsGsGssXsJGsGssFsGsGs268.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点3.对二次扰动有很强的克服能力（8.25）由式（8.21）、（8.25）可得串级系统与单回路系统对进入副回路干扰F3(s)的抗干扰能力之比:**12111311321()()()()()/()()()()/()()()cvookcvooGsGsGsGssXsJGsGssFsGsGs312()()()cccvJGsGsGs（8.21）31212**311()()()()()()()()cccvcckcvcJGsGsGsGsGsJGsGsGs11()ccGsK22()ccGsK**11()ccGsK31212**311()()ccccckccJGsGsKKJGK一般情况下，总有：Kc1Kc2K*c1278.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点3.对二次扰动有很强的克服能力8.1串级控制系统8.1.2串级控制系统的特点4.对负荷变化有一定的自适应能力（1）单回路控制系统中控制器参数是在一定的负荷和操作条件下，按某种质量指标整定得到的，固定不变。而过程控制中的对象特性会随着生产负荷和操作条件的改变而发生变化。控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就很难保证。串级控制系统就不同。虽然主回路是一个定值控制系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控制质量。（2）'22222211cvoo