第七章串级控制系统

2020/2/10赵小强过程控制系统兰州理工大学电信学院05:03:062掌握串级控制系统结构掌握串级控制系统的特点掌握串级控制系统设计方法了解串级控制系统参数整定方法第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:063兰州理工大学电信学院过程控制与集散系统串级控制系统结构7.1第7章串级控制系统串级控制系统是提高过程控制品质非常有效的方案之一串级控制的提出：简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。05:03:064将烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。简单控制系统，影响烧成带温度T1的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成Tl偏离设定值，控制器就会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的Tl重新调回到设定值。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:065原因就是从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:066可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:067假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等(D2表示)，都是首先进入燃烧室。能否通过控制燃烧室温度T2的方法来达到稳定烧成带的温度呢?于是就出现了图示的以燃烧室温度T2为被控变量的单回路控制系统。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:068这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成带温度的影响降低到最小限度。直接影响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的原料成分、窑车上装载制品的数量以及春夏秋冬、刮风下雨带来环境温度的变化等等(D1表示)。在这个控制系统中，烧成带温度不是被控变量，所以对于干扰造成烧成带温度的变化，控制系统无法进行调节。上述两个控制系统，它们各有自己的长处。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:069第一种控制系统包括了所有干扰，第二种控制系统能对主要的和一些次要干扰提前发现，及早控制。如果能将两个控制系统结合起来，发挥各自优势，不是两全其美吗!另外，控制燃烧室的温度T2并不是目的，真正的目的是烧成带的温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值控制，起主导作用。而燃烧室温度控制器则起辅助作用，它在克服干扰D1的同时，应该受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值，从而就形成了串级控制系统。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0610就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。串级控制系统过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0611串级控制系统的组成⑥一、二次干扰①主、副回路⑤主、副检测变送器④主、副对象②主、副控制器③主、副被控变量串级控制系统的组成过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:06123•在外面的闭合回路称为主回路(主环)，•在里面的闭合回路称为副回路(副环)。①主、副回路②主、副控制器•处于主回路中的控制器称为主控制器；•于副回路中的控制器称为副控制器。•③主、副被控变量•主回路的被控变量称为主被控变量，也称为主变量或主参数；•副回路的被控变量称为副被控变量，也称为副变量或副参数。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0613过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:06143•检测和变送主变量的称为主检测变送器；•检测和变送副变量的称为副检测变送器。⑤主、副检测变送器3•进入主回路的干扰称为一次干扰；•进入副回路的干扰称为二次干扰。•⑥一、二次干扰④主、副对象•主回路所包括的对象称为主对象；•副回路所包括的对象称为副对象。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0615串级控制系统的工作过程串级控制系统是由两个控制器串联工作的，只有副控制器的输出去操纵控制阀，两个控制器能否协调一致地工作，会不会发生矛盾，以隔焰式隧道窑温度串级控制系统为例来加以说明。考虑到生产的安全，控制阀选择“气开”工作方式。两个控制器都选择“反”作用方式。7.2过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:06(1)只存在二次干扰假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所以属于二次干扰D2。例如整个系统处于稳定状态下，突然燃料压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度T2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度Tl的变化。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0617如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快得到克服，不至于引起主变量(烧成带温度T1)的改变。如果这个干扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量仍然会受到它的影响偏离了稳态值而升高。此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0618经主温度检测变送器后，主控制器接受到的测量信号增大。主控制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主控制器的输出将减小。副控制器的设定值减小，也就是副控制器的输出在原来的基础上变得更小，从而阀门开度也将再关小一点，以克服干扰对主变量的影响。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0619(2)只存在一次干扰假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度T1的降低。对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的“反”作用，它的输出必然增大，也就是说副控制器的设定值增大了。因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量(燃烧室的温度T2)没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0620在整个控制过程中，燃烧室的温度T2也发生了变化，然而副控制器并没有对它加以调节，原因就在于串级控制系统中，主控制器起着主导作用，体现在它的输出作为副控制器的设定值。而副控制器则处于从属地位，它首先是接受主控制器的命令，然后才进行控制操作。在这种情况下，燃烧室温度T2的改变是作为对烧成带温度T1的控制手段来利用的，而不是作为干扰加以克服的。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院对于副控制器来说，设定值增大而测量值没变，可以等效为其设定值不变而测量值减小。根据副控制器的“反”作用，其输出将增大，“气开”式的控制阀门开度增大，从而加大燃料的流量，使燃烧室温度T2升高，进而使窑道烧成带温度回升至设定值。05:03:0621(3)一次干扰和二次干扰同时存在两种干扰同时存在又可分为两种不同情况。①一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化，即同时增大或同时减小。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0622假定一次干扰为窑车的前进速度减小，将引起主变量(烧成带温度)T1升高；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量(燃烧室温度)T2也升高。对于主控制器来讲，由于它的测量值升高，根据它的“反”作用关系，它的输出将在稳态时的基础上减小，也就是副控制器的设定值将减小。而对于副控制器来讲，由于它的测量值增大，其输出的变化应该根据它的“反”作用以及设定值和测量值的变化方向共同决定。不妨将设定值的变化等效为设定值不变而测量值变化的情况，设定值减小可以等效为设定值不变而测量值大。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0623根据副控制器的“反”作用关系，上述两种干扰都将使副控制器的输出减小，都要求阀门开度关小。控制阀的调节作用是主、副控制器控制作用的叠加。减小燃料的流量不仅是为了克服二次干扰把燃烧室的温度调回到稳态值，而且使燃烧室的温度比稳态值更低一些用以克服一次干扰对主变量的影响。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0624②一次干扰和二次干扰引起主、副变量反方向变化，即一个增大而另一个减小。假定一次干扰为窑车前进速度增大，引起主变量(烧成带温度)T1下降；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量(燃烧室温度)T2升高。对主控制器来说，由于其测量值减小，根据其“反”作用关系，它的输出将增大，也将使副控制器的设定值增大。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0625对副控制器来说，由于其测量值增大，设定值也增大，如果它们同步增大，幅度相同，即副控制器的输入信号——偏差没有改变，控制器的输出当然也就不变，控制阀开度不变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节。如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0626从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合，尤其是对于二次干扰，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步“细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统。从结构上看，两个控制器串联工作，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，共同完成对主变量的定值控制任务。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院05:03:0627串级控制系统的分析与设计7.3.1串级控制系统的分析串级控制系统在结构上仅仅比简单控制系统多了一个副回路，可是实践证明，对于相同的干扰，串级控制系统的控制质量是简单控制系统所无法比拟的。过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院7.305:03:06287.3.1.1减小了对象的时间常数过程控制与集散系统第7章串级控制系统兰州理工大学电信学院Gc1(s)、Gc2(s)分别为主、副控制器的传递函数；Go1(s)、Go2(s)分别为主、副对象的传递函数；Gm1(s)、Gm2(s)分别为主、副检测变送器的传递函数；Cv(s)为控制阀的传递函数。05:03:0629把整个副回路看作是一个等效副对象并以G’o2(s)表示其传递函数，则图示的简单控制系统为:假定•Gc2(s)=Kc2(s),•Gv(s)=Kv,•G