37串级控制系统

6串级控制系统6.1基本原理和结构6.1.1串级控制的引入如：加热炉温控系统，若燃料输送管道压力波动较大，则以其流量为操纵变量。但控制通道相当长，所以直接取燃料流量为被控量，而0仍要顾及，于是，将两参数的回路相联，形成串级。TCFCFCTCGm1（s）Gc2（s）Gv（s）Gp2（s）Gm2（s）Gc1（s）Gf2（s）Gp1（s）Gf1（s）通用的串级控制方块图+—+—r1r2ym2F2F1y2ym1y16.1.2方块图及术语6.2串级控制系统分析1、工作过程分析（1）干扰进入副回路干扰小：由副回路迅速克服，主回路不动作。干扰大：副回路随动，主回路定值，且同向调节（2）干扰进入主回路副回路随动，可入时改变副参数以达到稳定主参数的目的。（3）干扰同进进入主、副回路干扰同向；调节方向相同，调节作用强，偏差小干扰反向：调节作用相反，互相抵消，偏差小可见，副回路不仅能迅速克服作用于副回路的干扰；也能迅速克服作用于主回路的干扰。副回路：先调、粗调、快调主回路：后调、细调、慢调2、临界频率和临界增益分析例已知Gc1（s）和Gc2（s）都是纯比例的。)110(2)1(1)(,)13)(130(1)(21sssGsssGppGc1（s）Gc2（s）Gp2（s）Gp1（s）串级系统方块图F2F1++——y2y1副回路的开环传递函数G2（s）为临界频率ωc2可由下式得到2arctan（-ωc2）+arctan（-10ωc2）=-180°可得ωc2=1.1。G2（s）的模为若令ω=ωc2，且令│G2（jωc2）│=1，所解得的Kc2值即为控制器增益的临界值Kmax，c2。即1101121222）（））（cKjG)110()1(1)()()(22222ssKsGsGsGcpc1111111.11222max,cK可得参数整定值取临界值的0.5倍，既Kc2=12这样，主环的开环传递函数为采用与分析副回路的同样方法，可求得主回路的临界频率ωc1和在该频率下的开环传递函数动态部分的振幅比ωc1=0.53|G1’（jωc1）|=0.05224041.012max,cK)()(121)(12)(12211sGsGsGKsGpppc所以假若对同一对象采用单回路（纯比例）控制，其开环传递函数为G（s）=KcGp2（s）Gp1（s）它的临界频率ωc=0.16，环路的临界静态增益Kmax=10.8。由上面分析可知：（1）ωc2≥ωc。这说明副回路的动态响应要比单回路快得多，因而对图中扰动F2（进入副回路的扰动），副回路有很快的抑制作用。（2）主回路临界频率的增高，加快了对扰动F1和F2的响应，提高了控制质量。（3）串级比单回路在相同稳定性下可以具有较强的控制作用，从而改善了控制品质。19|)(|111max,'1cjGK3、串级控制系统的特点分析方框图可等效如下图：其中Gc1(s)Gp2’(s)Gc1(s)Gf2’(s)Gm1(s)r1-f2c2c1222222'222222'222222'211)((1)(FGGGGfGCGGGGsGGGGGGsGmpcffmpcffmpcpcp此时等效副对象）的影响。对）副回路的存在削弱了可知第一个特点为：加副回路前222222210,1,cfFGCGGfmc2)改善了对象特性，提高了工作频率近似于一个比例环节，因而主对象将只是原来对象中剩下的部分，因此，容量滞后减小，相当于增加了微分，使过程加快。2'2222222'21)(1)(mpcmpcpcpGsGGGGGGGsG很大时，3）有一定自适应能力一方面，副回路随动，因而主调可以根据负荷的变化和操作条件改变相应调整副调的设定值。另一方面，副回路闭环增益为以适应。对于对象的特性变化可的影响较小，即副回路对则很大时，当)0(11)0(22222222MKKKKKKKKKKMpmcmpvcpvc4）副回路可按主加路需要更精确地控制操作变量。4、关于系统的鲁棒性(Robust)鲁棒性：指不同控制系统的控制品质对特性变化的敏感程度。如右简单系统，即当反馈控制系统的环路增益足够大时，其等效环节特性主要取决于反馈通道特性，而与前向通道特性无关。G(s)111)(,)()()(1)(,,KKGKsHKsGsHsGsGGyxyx且设因此，串级系统中只要副回路有较高的增益，副回路前向通道特性的变化对副回路等效环节的影响不大，即串级系统对控制阀和副对象特性的变化具有鲁棒性。注意：A主回路对副对象和控制阀的特性变化具有鲁棒性，而副回路本身却并没有这种特性。B主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。5、串级控制系统应用场合1)用于克服变化剧烈和幅值大的干扰,将该干扰包含于副回路，并把Kc2整定得较大。2)用于时滞较大的对象在离阀较近，时滞较小的地方选择辅助参数构成副回路。3)用于容量滞后大的对象选择滞后小的辅助参数组成副回路，使等效副回路的时间常数减小。4)用于克服对象非线性将较大非线性部分对象包括在副回路中6.3串级控制系统设计1、主、副回路选择（1）副回路应包括主要干扰，并尽可能包括多一些干扰。如：加热炉串级可有温度-流量，温度-压力温度-温度等（2）主副对象时间常数匹配以快速抗干扰为主，T副就小一些以改善对象特性为主，T副就长一些以克服非线性为主，T主与T副应拉开些,并应避免“共振效应”（3）考虑工艺合理性（4）考虑经济性2、主副控制规律选择选择方法序号对参数的要求应选调节规律备注主调副调1重要指标，要求很高允许变化，要求不高PI主控必要时引入微分2主要指标，要求较高主要指标，要求较高3允许变化，要求不高要求较高，变化较快工程上很少采用4要求不高，互相协调要求不高，互相协调PIPIPIPPPP3、控制器正反作用选择副:按简单回路主:与主对象符号一致4、控制器防止积分饱和的措施当主控制器有积分作用且偏差长期存在时，控制器输出将不断上升，出现积分饱和。如间歇聚合反应。积分饱和的防止限幅法外反馈法积分切除法外反馈法：控制器开环时，用其它参数作为反馈信号，使之不存在自身输出所形成的偏差累积，而达不到积分饱和。此时主控制器的积分反馈不再采用自身的输出信号r1，而是用副测量信号ym2，当系统处于失控情况时，ym2是一个不受r1控制的独立变量，从而使主控制器的积分反馈被断开，这时尽管主控制器长期存在同向偏差，而输出不会因积分飘向极端。Kc1'22ccGK'22ppGK111sTR'22mmGKr1e1-ym1u1=r2e2-ym2y25、串级控制系统的投运及参数整定1）投运：先副后主先手动后自动具体步骤：见教材P752）参数整定A逐步逼近法（1）按简单回路整定副调（2）按简单回路整定主调，而将副调作为其中一个环节（3）串级运行，再整定副调并循环调试。B一步整定法由于副调起辅助作用，一般要求不太高，所以为节省时间，常用一步整定。（1）按经验加kc2（2）主调在纯比例下整定参数。（3）考虑匹配并微调。