过程控制李国勇著第6章串级控制系统

1第6章串级控制系统目录6.1串级控制系统的基本概念6.2串级控制系统的分析6.3串级控制系统的设计6.4串级控制系统的整定6.5串级控制系统的投运6.6利用MATLAB对串级控制系统进行仿真本章小结2•最简单的控制系统——单回路控制系统•系统中只用了一个调节器，调节器的设定值一般是内给定的。•从系统方框图看，只有一个闭环。3•复杂控制系统——多回路控制系统。•由多个测量值、多个调节器；或者由多个测量值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦器等等组成多个回路的控制系统。•从系统方框图看，有多个闭环。46.l串级控制系统的概念•6.1.l串级控制的提出•例6-1隔焰式隧道•窑温度控制系统。•隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。5隧道窑温度控制：6工艺要求：烧成带内烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。变量选择：窑道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，所以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。7简单控制系统方框图：影响烧成带温度l的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成l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l重新调回到设定值。8•影响控制质量因素：•1被控对象特性；•对象特性-多环节大惯性对象•2对象的扰动。D1(t):燃料初始温度，热值，流量波动D2(t):助燃风流量（压力）的波动D3(t):加热炉烟气排量波动TTTC燃料sp燃烧室烧成带烟气出口V9当对象时间常数大环节多，扰动又很大时，将影响控制质量，单回路控制系统不能满足要求。方案：是否在单回路系统基础上，设计专门克服扰动单回路(燃料扰动D1(t)为例)???设计单回路克服燃料波动D1(t):被控参数：燃料管路压力控制参数：燃料流量测量变送器：压力传感器PT执行器：调节阀（气开式）控制器：压力调节器PCPC燃料sp1PT10•如何实现能够克服燃料油扰动D1(t)的温度控制系统？变送器调节器执行器燃料管路+-D2(t)设定压力管路压力烧成带+…11执行器只有1个，如何听从两个调节器的调节？方案不可行。12实际上：1压力控制回路目的是保证管路中压力稳定，即保证管路中流量稳定。压力给定值实际就是要求燃料流量大小。2调节器1输出从燃油管路输出看，就是要求燃料调节阀的开度，就是对应的燃料流量的给定值。3因此，可以把调节器1的输出作为压力控制回路的给定值。即调节器1输出作为调节器2的给定值（外给定）。4压力控制回路作用：通过调节器2克服压力扰动D2(t),实现管路实际流量跟踪调节器1的要求流量。压力给定13温度-压力串级控制系统框图14系统结构特点：•被控对象分成两部分，对象1和对象2。•调节器1输出作为调节器2给定值。•1个执行器完成调节。•压力回路克服D1(t)保证流量稳定且快速跟随调节器1的给定值(随动控制)。•温度回路实现温度设定控制(定值控制)。温度-压力串级控制系统15出口温度和燃料压力串级控制系统结构图：TTPC燃料TCspPT单回路调节器控制执行器串级控制通过副回路控制执行器TTTC燃料sp燃烧室烧成带出口物料管16小结•隧道窑工艺要求：燃料需要通过燃烧室燃烧，对隧道窑加热。温度精度要求±5度•特点：被控对象由燃料管+燃烧室+格烟板+烧成带多个串联环节组成，对象时间常数很大，各个对象上存在干扰•单回路系统不能满足要求，可以选择串联对象中的一个输出作为一个副参数，组成副回路。构成两个回路的串级系统。17温度-压力串级控制系统方框图压力调节器温度变送器压力变送器燃烧室+烧成带执行器温度调节器燃料管D2(t)D1(t)；D3(t)TTPC燃料TCspPT给定输出GD2(S)GC1(S)GO2(S)Gm1(S)Gm2(S)GC2(S)GV(S)GO1(S)GD1(S)D2D1,D3R1(S)--Y2(S)Y1(S)R2(S)186.1.2串级控制系统组成•主回路（主环）-主控制器GC1(S)-主被控变量（主参数、主变量）Y1(S)•副环外主环内扰动D1：1次扰动•副回路（副环）-副控制器GC2(S)-副被控变量（副参数、副变量）Y2(S)•副环内扰动D2：2次扰动副回路主回路GD2(S)GC1(S)GO2(S)Gm1(S)Gm2(S)GC2(S)GV(S)GO1(S)GD1(S)D2D1,D3R1(S)--Y2(S)Y1(S)R2(S)19串级控制系统结构特点：◆串级系统有两个闭环回路，分别是压力控制和温度控制回路，为双回路控制系统，称为主回路和副回路。◆被控对象被分成两个部分，分别是压力对象和温度对象。两部分对象是串联的关系，称为主对象和副对象。（被控对象是串联可分的）◆两个调节器，主调节器(主回路)和副调节器(副回路)，并且串联工作：主调节器的输出作为副调节器的给定值入。◆系统只有一个执行器。◆◆副被控参数选择决定了串级控制系统的基本结构副回路主回路GD2(S)GC1(S)GO2(S)Gm1(S)Gm2(S)GC2(S)GV(S)GO1(S)GD1(S)D2D1,D3R1(S)--Y2(S)Y1(S)R2(S)20•主回路:温度控制回路•主调节器：TC;•主被控对象:燃烧室，烧成带•主被控参数：输出温度；•主测量变送：TT；•1次扰动：D1(t),D3(t)•副回路:压力控制•副调节器：PC;•副被控对象:燃料管•副被控参数:燃料管路压力；•副测量变送:PT；•2次扰动:D2(t)副被控参数：燃料管路压力21•主回路:烧成带温度控制•主控制器TC1;•主被控对象:隔烟板+烧成带•主被控参数：输出温度；•主测量变送：TT1•1次扰动：D3(t)•副回路:燃烧室温度控制•副控制器:TC2;•副被控对象:燃烧室•副被控参数:燃烧室温度；•副测量变送:TT2•2次扰动:D1(t),D2(t)副被控参数：燃烧室温度22温度-压力温度-温度TT1TC2燃料TC1spTT2TTPC燃料TCspPT副被控变量选择是串级控制系统设计的主要内容2324•功能：结构上形成了两个闭环。•一个闭环在里面，副环或副回路，对抑制干扰起着“粗调”的作用；•一个环在外面，主环或主回路，对抑制干扰完成“细调”任务。•无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。256.1.3串级控制系统的工作过程1、二次扰动2、一次扰动3、一次，二次扰动同时a.作用方向相同b.作用方向相反工作过程：是指在系统处于稳定工作情况下，克服一次,二次扰动的系统调节过程例：温度-温度串级控制系统设计：调节阀为气开；主，副控制器选为反作用。TT1TC2燃料TC1spTT2261、二次扰动工作过程：副环过程：二次扰动D2燃油压力波动使得流量V↑→TT2↑→TC2↓(反作用)→V↓(气开阀)→TT2↓副环具有克服副环中扰动（二次扰动）能力。TT1TC2燃料TC1spTT2D2Ve(t)=r(t)-y(t)27•主环过程：副环调节过程中副被控参数变化TT2↑→TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2↓→V↓(气开阀)→TT2↓→TT1↓•结论：克服二次扰动由副环和主环共同完成的，副环为主，粗调。主环为辅，细调。TT1TC2燃料TC1spTT2D2V28•二次扰动克服工作过程：•假如在副环中有2次扰动（如：燃油压力D2，原料油流量波动D1）时，副调节器TC2立即进行调节，使得2次扰动被副环基本克服。•——2次扰动粗调•副环2次扰动调节中引起的副环输出TT2变化，其输出波动再由主调节器TC1的主环进行调节。——2次扰动细调•2次扰动经过副环作用，对主环的影响已经远小于其直接作用于主环的影响。副环具有较强抑制2次扰动的作用。292、一次扰动工作过程：主环过程：一次扰动D3使得输出温度TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓(副环跟随)TC2给定↓→V(气开阀)↓→TT2↓→TT1↑TT1TC2燃料TC1spTT2D3V30•一次扰动克服工作过程：•一次扰动位于副环外-主环内，一次扰动用主环进行调节。•副环一次扰动调节过程中不起直接作用，输出根据主调节器给定值要求变化。•但是由于副对象在副回路作用下时间常数减小，所以比单回路系统调节时间更快。313、一次，二次扰动同时作用是一次、二次扰动影响的叠加，叠加的结果有两种情况a.一次、二次扰动作用对系统影响变化方向相同32假设：一次扰动D3使TT1↑,同时二次扰动D2使TT2↑→TT1↑，作用影响控制输出朝相同方向变化二次扰动D2使TT2↑→TC2↓(反作用)→V↓一次扰动D3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓V↓作用结果：一次扰动D3，二次扰动D2→V↓↓一次、二次扰动作用对系统影响变化方向相同时，调节阀的调节响应大大增强，是两个扰动影响的叠加TT1TC2燃料TC1spTT2D2D333b.一次、二次扰动作用对系统影响变化方向相反假设：一次使得输出增加，二次使得输出减小TT1TC2燃料TC1spTT2D2D334•一次扰动D3使TT1↑,同时二次扰动D2使TT2↓→TT1↓，作用影响控制输出朝相反方向变化•二次扰动D2使TT2↓→TC2↑(反作用)→V↑•一次扰动D3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓V↓•作用结果：一次扰动D3，二次扰动D2→V↑↓一次、二次扰动作用相互抵消，V作较小的响应即可调节，调节幅度为其抵消后的值TT1TC2燃料TC1spTT2D2D335小结：串级控制系统的工作过程•二次扰动经过副环(粗调)，消除了大部分二次扰动对系统的影响，余下的经过主环(细调)克服。•副环使得系统具有二次克服副环内扰动(二次扰动)的能力。•一次扰动由主环克服，副环实现跟随作用。•一次、二次扰动同时作用时，对输出影响方向相同时相互叠加，调节作用增强；相反时相互抵消，调节作用减弱366.2串级控制系统的分析•串级控制系统与简单控制系统相比，只是在结构上增加了一个副回路，但是实践证明，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。371、由于副回路的存在，减小了副对象的时间常数，改善了对象的特性。2、提高系统的工作频率。3、串级控制回路具有较强抑制二次扰动能力。4、串级控制系统对负载变化具有一定的自适应能力。38(1)由于副回路的存在，减小副对象的时间常数，改善了对象的特性。GC1(S)GO2(S)Gm1(S)Gm2(S)GC2(S)GV(S)GO1(S)R(S)--D2D1Y2(S)Y1(S)R(S)--G’C1(s)Gv(S)Gm2(s)Gm1(s)Go2(s)Go1(s)Gc2(s)Gv(s)Y2(S)Y1(S)G’o2(S)GC1(S)GO2(S)Gm1(S)GV(S)GO1(S)R(S)-D2D1Y2(S)Y1(S)39STKSGooo2221)(副回路等效传递函数为：2222'22222'2'2'22222222222222222222'21;111111111)(movcoomovcoooomovcomovcomVcooomVcoooooKKKKTTKKKKKKSTKSKKKKTKKKKKKKKKSTKKKKSTKSTKsGGo2(S)-G’o2(S)R(S)--G’C1(s)Gv(S)Gm2(s)Gm1(s)Go2(s)Wo1(s)Gc2(s)Gv(s)Y2(S)Y1(S)G’o2(S)40•由于：1+Kc2KvKo2Km21有：K’o2Ko2T’o2To2结论：等效副对象时间常数变小，意味着对象的容量滞后减小，控制通道时间常数减小，系统的反应速度加快，控制更为及时，系统的控制质量提高。等效副对象的放大倍数减小，导致控制通道的放大倍数缩小，克服干扰能力下降，可通过提高主控制器的放大倍数的办法来弥补。整体：减小副对象的时间常数，改善了对象的特性。2222'22222'211movcoomovcooKKKKTTKKKKKK41复习•串级控制概念：•当对象由多个串联