第四章串級控制系統(tǒng)PPT課件

1、過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章第四章第四章 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) 簡單控制系統(tǒng)是過程控制中最基本、應(yīng)用最廣簡單控制系統(tǒng)是過程控制中最基本、應(yīng)用最廣的控制形式，約占全部控制系統(tǒng)的的控制形式，約占全部控制系統(tǒng)的80。但是：。但是：q隨著生產(chǎn)過程的大型化和復(fù)雜化，操作條件更隨著生產(chǎn)過程的大型化和復(fù)雜化，操作條件更加嚴格，變量之間的關(guān)系更加復(fù)雜。加嚴格，變量之間的關(guān)系更加復(fù)雜。q有些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。有些生產(chǎn)工藝和控制要求比較特殊。q隨著技術(shù)發(fā)展，對工藝的控制目標多樣化，如隨著技術(shù)發(fā)展，對工藝的控制目標多樣化，如產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保、效率等。產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保、

2、效率等。為此，設(shè)計出各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。為此，設(shè)計出各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章 當對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，當對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，采用簡單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿足不了工采用簡單控制系統(tǒng)往往控制質(zhì)量較差，滿足不了工藝上的要求，這時，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。藝上的要求，這時，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。 4.1 串級控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過程串級控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作過程串級控制是在簡單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進。串級控制是在簡單控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上的改進。例例 管式加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置管式加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置

3、之一，它的任務(wù)是把原油加熱到一定溫度，以保證之一，它的任務(wù)是把原油加熱到一定溫度，以保證下道工藝的順利進行。因此，需要控制原油加熱后下道工藝的順利進行。因此，需要控制原油加熱后的出口溫度。的出口溫度。過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章問題：問題：控制通道容量滯后控制通道容量滯后很大，控制緩慢。很大，控制緩慢。燃料壓力或燃燃料壓力或燃料的熱值變化料的熱值變化 影響爐膛溫度影響爐膛溫度 熱傳導(dǎo)給原料熱傳導(dǎo)給原料 影響出口溫度影響出口溫度15min3min原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐若用簡單溫控系統(tǒng)：若用簡單溫控系統(tǒng)：過程控制系統(tǒng)第

4、四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章爐膛溫度爐膛溫度變化變化T2T、T2C回路先改變?nèi)剂狭炕芈废雀淖內(nèi)剂狭縏1T、 T1C回路再改回路再改變?nèi)剂狭孔內(nèi)剂狭砍隽蠝囟瘸隽蠝囟茸兓兓鉀Q措施解決措施：在影響出口溫度的通：在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化，提前控道中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。制。燃料壓力燃料壓力變化變化3min原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖為：管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)框圖為：主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、

5、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t) 主控制器執(zhí)行器副對象主對象主變送器副變送器副控制器 主變量副變量給定干擾標準框圖為：標準框圖為：過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：q系統(tǒng)系統(tǒng)有兩個閉合回路，形成內(nèi)外環(huán)。有兩個閉合回路，形成內(nèi)外環(huán)。主變量是主變量是工藝要求控制的變量，副變量是為了更好地控制主工藝要求控制的變量，副變量是為了更好地控制主變量而選用的輔助變量。變量而選用的輔助變量。q主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，主調(diào)節(jié)器的輸出主、副調(diào)節(jié)器是串聯(lián)工作的，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。作為副調(diào)節(jié)器的給定值。主控制器執(zhí)行器副對象主對象

6、主變送器副變送器副控制器 主變量副變量給定干擾過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章控制過程分析：控制過程分析：1燃料壓力燃料壓力f3(t)、燃料熱值、燃料熱值f4(t)發(fā)生擾動發(fā)生擾動干擾進入副回路干擾進入副回路進入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送進入副回路的干擾首先影響爐膛溫度，副變送器提前測出，副控制器立即開始控制，控制過程大器提前測出，副控制器立即開始控制，控制過程大為縮短。為縮短。主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t) 過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油

7、f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t) 2原油流量原油流量 f1(t)、原油入口溫度、原油入口溫度 f2(t)發(fā)生擾動發(fā)生擾動干擾進入主回路干擾進入主回路 對進入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測對進入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測出，但副回路的閉環(huán)負反饋，使對象爐膛部分特性的出，但副回路的閉環(huán)負反饋，使對象爐膛部分特性的時間常數(shù)大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，時間常數(shù)大為縮短，則主控制器的控制通道被縮短，控制效果也得到改善?？刂菩Ч驳玫礁纳?。過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章3干擾同時作用于副回路和主回路干擾同時作用

8、于副回路和主回路主副回路干擾的綜合影響有兩種情況：主副回路干擾的綜合影響有兩種情況：（1）主副回路的干擾影響方向相同。如：）主副回路的干擾影響方向相同。如：燃料壓力燃料壓力f3(t)爐膛溫度爐膛溫度 出口溫度出口溫度 副控制器開始調(diào)節(jié)副控制器開始調(diào)節(jié)原油流量原油流量f1(t)出口溫度出口溫度主副控制器共同調(diào)節(jié)主副控制器共同調(diào)節(jié)主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t) 過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章（2）主副回路的干擾影響方向相反。如：）主副回路的干擾影響方向相反。如：燃料壓力燃料壓力f3(t)爐膛溫度爐膛

9、溫度 出口溫度出口溫度 副控制器開始調(diào)節(jié)副控制器開始調(diào)節(jié)原油流量原油流量f1(t)出口溫度出口溫度主控制器反向調(diào)節(jié)，主控制器反向調(diào)節(jié)，使副控制器調(diào)節(jié)量減小。使副控制器調(diào)節(jié)量減小。主控制器調(diào)節(jié)閥x1爐膛原料油f3、f4f1、f2管壁溫度變送器1溫度變送器2副控制器x2(t)2(t)1(t) 過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章4.2串級控制系統(tǒng)特點及其分析串級控制系統(tǒng)特點及其分析將串級控制系統(tǒng)等效成單回路控制系統(tǒng)討論。將串級控制系統(tǒng)等效成單回路控制系統(tǒng)討論。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)

10、、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)F3(s)、F4(s)G*o2(s)Go2(s)X2(s)2(s)將副環(huán)等效為：將副環(huán)等效為：C2V0202C2V02m2G(s) G (s) G (s)G( )1G(s) G (s) G (s) G(s)s0202C2V02m2G (s)G( )1G(s) G (s) G (s) G(s)s過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章C2V0202C2V02m2G(s) G (s) G (s)G( )1G(s) G (s) G (s) G(s)s4.2.1改善被控過程的動態(tài)特性改善被控過程的動態(tài)特性 控制通道等效副對象的傳函：控制通道等效副對象的傳函

11、：1 12 202020202 sTKsG)(2 22 2ccKsG )(vv( )G sKm2m2( )GsK設(shè)：設(shè)：則：則：C2V02C2V02m20202C2V02m2KK K1KK K KG( )T1S1KK K KsT02 T02K02 1/Km2過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效真正的單回路控

12、制真正的單回路控制 T02 T02 ，說明主環(huán)控制通道時間常數(shù)縮短，說明主環(huán)控制通道時間常數(shù)縮短，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)同理，通過對系統(tǒng)振蕩頻率的推導(dǎo)可知：同理，通過對系統(tǒng)振蕩頻率的推導(dǎo)可知：副回路的引入，提高了系統(tǒng)的工作頻率，也改副回路的引入，提高了系統(tǒng)的工作頻率，也改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 從系統(tǒng)特征方程：從系統(tǒng)特征方程：1+Gc1(s)Go2(s)Go1(s)Gm1(

13、s)=0可求出系統(tǒng)的工作頻率可求出系統(tǒng)的工作頻率c過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章4.2.2 抗干擾能力增強抗干擾能力增強對于進入副回路的干擾，串級控制和單回路控對于進入副回路的干擾，串級控制和單回路控制前向通道的區(qū)別：制前向通道的區(qū)別：G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效真正的單回路控制真正的單回路控制過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四

14、章 第五章第五章0202C2V02m2G (s)G( )1 G(s) G (s) G (s) G(s)s干擾通道的傳函：干擾通道的傳函：1 12 202020202 sTKsG)(2 22 2ccKsG )(vv( )G sKm2m2( )GsK設(shè)：設(shè)：則：則：02*C2V02m20202C2V02m2K1KK K KG( )T1S1KK K KsT02* T02K02 * K02過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章 K02 * K02 說明干擾通道的影響力降低；說明干擾通道的影響力降低；T02 * T02 說明干擾通道時間常數(shù)縮短，即副說明干擾通道時間常數(shù)縮短，即副回路的控制速

15、度快?；芈返目刂扑俣瓤?。 Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)真正的單回路控制真正的單回路控制過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3

16、(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)真正的單回路控制真正的單回路控制對于進入主回路的干擾，串級控制和單回路控制對于進入主回路的干擾，串級控制和單回路控制閉環(huán)回路的區(qū)別：閉環(huán)回路的區(qū)別：過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章C2V02C2V02m20202C2V02m2KK K1KK K KG( )T1S1KK K KsT02 T02K02 T02 T02 ，說明主環(huán)通道時間常數(shù)被縮短，加，說明主環(huán)通道時間常數(shù)被縮短，加快了系統(tǒng)的控制速度?？炝讼到y(tǒng)的控制速度。 Gc1(s)X1(s)1(s)G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Go2(s)2(s

17、)F1(s)、F2(s)Gm1(s)串級控制等效串級控制等效過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章4.2.3對負荷和操作條件變化的適應(yīng)能力增強對負荷和操作條件變化的適應(yīng)能力增強有些生產(chǎn)過程的工藝條件經(jīng)常變化。而在不同的有些生產(chǎn)過程的工藝條件經(jīng)常變化。而在不同的工藝點，對象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控工藝點，對象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控制，這會導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。制，這會導(dǎo)致控制質(zhì)量下降。G*c1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)真正的單回路控制真正的單回路控制過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)

18、第四章 第五章第五章C2V02C2V02m20202C2V02m2KK K1KK KKG( )T1S1KK KKsK02 1/Km2對于串級控制，部分對象被包含在副回路中，其對于串級控制，部分對象被包含在副回路中，其放大倍數(shù)被負反饋壓制。因而工藝負荷或操作條件變放大倍數(shù)被負反饋壓制。因而工藝負荷或操作條件變化時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量?；瘯r，調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章串級

19、系統(tǒng)特點總結(jié)：串級系統(tǒng)特點總結(jié)：對進入副回路的干擾有很強的克服能力；對進入副回路的干擾有很強的克服能力； 改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工改善了被控過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善；作頻率；對進入主回路的干擾控制效果也有改善；對負荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。對負荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。 調(diào)節(jié)效果比較調(diào)節(jié)效果比較串級控制串級控制單回路控制單回路控制ty過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章4.3 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)的設(shè)計與參數(shù)整定4.3.1串級控制系統(tǒng)的方案設(shè)計串級控制系統(tǒng)的方案設(shè)計1主回路設(shè)計

20、主回路設(shè)計 主回路設(shè)計與單回路控制系統(tǒng)一樣。主回路設(shè)計與單回路控制系統(tǒng)一樣。Gc1(s)Gv(s)X1(s)1(s)Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)X2(s)2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章2副回路的選擇副回路的選擇副回路設(shè)計中，最重要的是選擇副回路的被控副回路設(shè)計中，最重要的是選擇副回路的被控參數(shù)（串級系統(tǒng)的副參數(shù)）。副參數(shù)的選擇一般應(yīng)參數(shù)（串級系統(tǒng)的副參數(shù)）。副參數(shù)的選擇一般應(yīng)遵循下面幾個原則：遵循下面幾個原則： 主、副變量有對應(yīng)關(guān)系主、副變量有對應(yīng)關(guān)系副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的副

21、參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾主要干擾，并盡可能多包含一些干擾副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過程副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過程的時間常數(shù)的匹配，以防的時間常數(shù)的匹配，以防“共振共振” 的發(fā)生的發(fā)生應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟性過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章3主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主、副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇在串級系統(tǒng)中，主參數(shù)是系統(tǒng)控制任務(wù)，副參數(shù)輔在串級系統(tǒng)中，主參數(shù)是系統(tǒng)控制任務(wù)，副參數(shù)輔助變量。這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點。助變量。這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點。主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標

22、，工藝上要求比主參數(shù)是生產(chǎn)工藝的主要控制指標，工藝上要求比較嚴格。所以，主調(diào)節(jié)器通常選用較嚴格。所以，主調(diào)節(jié)器通常選用PI調(diào)節(jié)，或調(diào)節(jié)，或PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)?？刂聘眳?shù)是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參控制副參數(shù)是為了提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴格，允許有靜差。因此，副調(diào)節(jié)數(shù)的要求一般不嚴格，允許有靜差。因此，副調(diào)節(jié)器一般選器一般選P調(diào)節(jié)就可以了。調(diào)節(jié)就可以了。 過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章4主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定對串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用對串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則依然是

23、使系統(tǒng)構(gòu)成負反饋。方式的選擇原則依然是使系統(tǒng)構(gòu)成負反饋。選擇時的順序是：選擇時的順序是：1、根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反、根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的正、反作用；作用；2、按照副回路構(gòu)成負反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的、按照副回路構(gòu)成負反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用；正、反作用；3、依據(jù)主回路構(gòu)成負反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器、依據(jù)主回路構(gòu)成負反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。的正、反作用。過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章以管式加熱爐為例，說明串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)以管式加熱爐為例，說明串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的確定方法。器的正、反作用方式的確

24、定方法。1、從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式、從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)（正作用）。一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應(yīng)關(guān)閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設(shè)備安全。閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設(shè)備安全。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料T1CT1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐T2CT2T過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章2、副回路中，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量、副回路中，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高，測量信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證信號增大，說明副對象和變送器都是正作用。為保證副回路為負

25、反饋，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。副回路為負反饋，副調(diào)節(jié)器應(yīng)為反作用方式。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料 T1C T1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱爐 T2C T2T過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章3、對于主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高時，、對于主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥開大，爐膛溫度升高時，原料油出口溫度也升高，說明主對象和主變送器也原料油出口溫度也升高，說明主對象和主變送器也都是正作用。為保證主回路為負反饋，主調(diào)節(jié)器也都是正作用。為保證主回路為負反饋，主調(diào)節(jié)器也應(yīng)為反作用方式。應(yīng)為反作用方式。原料出口溫度原料出口溫度1(t)原料原料 T1C T1T燃料燃料管式加熱爐管式加熱

26、爐 T2C T2T過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章5串級系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用串級系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用當生產(chǎn)工藝要求高，采用簡單控制系統(tǒng)滿足不當生產(chǎn)工藝要求高，采用簡單控制系統(tǒng)滿足不了工藝要求的情況下，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。了工藝要求的情況下，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)常用于下面一些生產(chǎn)過程。串級控制系統(tǒng)常用于下面一些生產(chǎn)過程。1）容量滯后較大的過程）容量滯后較大的過程2）純滯后較大的過程）純滯后較大的過程3）干擾幅度大的過程）干擾幅度大的過程4）非線性嚴重的過程）非線性嚴重的過程過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章4.3.2串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)的參

27、數(shù)整定有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。1逐步逼近法逐步逼近法依次整定副回路、主回路。并循環(huán)進行，逐步接依次整定副回路、主回路。并循環(huán)進行，逐步接近主、副回路最佳控制狀態(tài)。近主、副回路最佳控制狀態(tài)。 2兩步整定法兩步整定法系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路方法整系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路方法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為定副調(diào)節(jié)器參數(shù)；第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調(diào)節(jié)器進行參數(shù)整定。一個環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調(diào)節(jié)器進行參數(shù)整定。過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章3一步整定法一步整定法

28、所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗，先將副調(diào)節(jié)器所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗，先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次調(diào)好，不再變動，然后按一般單回路控制系參數(shù)一次調(diào)好，不再變動，然后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。表表7.17.1一步整定法副調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍一步整定法副調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍副參數(shù)類型副參數(shù)類型 副調(diào)節(jié)器比例度副調(diào)節(jié)器比例度2（%） 副調(diào)節(jié)器比例增益副調(diào)節(jié)器比例增益Kc2 溫度溫度 2060 5.01.7 壓力壓力 3070 3.01.4 流量流量 4080 2.51.25 液位液位 2080 5.01.25過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五

29、章第五章第五章第五章 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)前饋控制的原理是：當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將前饋控制的原理是：當系統(tǒng)出現(xiàn)擾動時，立即將其測量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小改其測量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動量的大小改變控制變量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。變控制變量，以抵消擾動對被控參數(shù)的影響。5.1前饋控制的工作原理及其特點前饋控制的工作原理及其特點1 1、反饋控制的特點、反饋控制的特點：不論是什么干擾，只要引起被調(diào)參數(shù)的變化，不論是什么干擾，只要引起被調(diào)參數(shù)的變化，調(diào)節(jié)器均可根據(jù)偏差進行調(diào)節(jié)。但必須被調(diào)參數(shù)變調(diào)節(jié)器均可根據(jù)偏差進行調(diào)節(jié)。但必須被調(diào)參數(shù)變化后才進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速度難以進一

30、步提高?；蟛胚M行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)速度難以進一步提高。過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章MTTTC蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水 針對冷物料針對冷物料流量變化的最佳流量變化的最佳調(diào)節(jié)效果：調(diào)節(jié)效果：ty過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章為了改變事后調(diào)節(jié)的狀況，提出前饋控制的思為了改變事后調(diào)節(jié)的狀況，提出前饋控制的思路：根據(jù)冷物料流量路：根據(jù)冷物料流量Q的大小，調(diào)節(jié)閥門開度。的大小，調(diào)節(jié)閥門開度。 2 2、前饋控制的原理與特點、前饋控制的原理與特點M蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFB

31、過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章Gb(s)Gfs)Go(s)Gm(s)Gv(s)M蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFBF(s)Y(s)Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)用方框圖表示：用方框圖表示：過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章補償原理補償原理如果補償量和干擾量以同樣的大小和速度作用如果補償量和干擾量以同樣的大小和速度作用于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。于被控變量，且作用方向相反的話，被控變量不變。 Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s

32、)Go(s) = 0Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章得：得：前饋補償規(guī)律的推導(dǎo)：前饋補償規(guī)律的推導(dǎo)：Y(S) = F(S)Gf(s)+ F(S)Gm(s)Gb(s)Gv(s)Go(s) = 0fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gfs)Go(s)Y(s)過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章q前饋控制的特點：前饋控制的特點：前饋控制器是按是按照干擾的大小進行控制前饋控制器是按是按照干擾的大小進行控制的，的， 稱為稱為“擾動補償擾動

33、補償”。如果補償精確，被調(diào)變量。如果補償精確，被調(diào)變量不會變化，能實現(xiàn)不會變化，能實現(xiàn)“不變性不變性”控制?？刂?。前饋控制是開環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾前饋控制是開環(huán)控制，控制作用幾乎與干擾同步產(chǎn)生，是事先調(diào)節(jié)，速度快。同步產(chǎn)生，是事先調(diào)節(jié)，速度快。前饋控制器的控制規(guī)律不是前饋控制器的控制規(guī)律不是PID控制，是由控制，是由對象特性決定的。對象特性決定的。前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其前饋控制只對特定的干擾有控制作用，對其它干擾無效。它干擾無效。過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章3前饋控制的局限性前饋控制的局限性實際工業(yè)過程中的干擾很多，不可能對每個實際工業(yè)過程中的干擾很

34、多，不可能對每個干擾設(shè)計一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測干擾設(shè)計一套控制系統(tǒng)，況且有的干擾的在線檢測非常困難。非常困難。前饋控制器的補償控制規(guī)律很難精確計算，前饋控制器的補償控制規(guī)律很難精確計算，即使前饋控制器設(shè)計的非常精確，即使前饋控制器設(shè)計的非常精確， 實現(xiàn)時也會存在實現(xiàn)時也會存在誤差，而誤差，而開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正開環(huán)系統(tǒng)對誤差無法自我糾正。因此，一般將前饋控制與反饋控制結(jié)合使用。因此，一般將前饋控制與反饋控制結(jié)合使用。前饋控制針對主要干擾，反饋控制針對所有干擾。前饋控制針對主要干擾，反饋控制針對所有干擾。過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章5.2前饋控制系統(tǒng)的結(jié)

35、構(gòu)前饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)前饋控制的結(jié)構(gòu)有靜態(tài)補償和動態(tài)補償。前饋控制的結(jié)構(gòu)有靜態(tài)補償和動態(tài)補償。 1靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)所謂靜態(tài)前饋控制，是前饋控制器的補償控制所謂靜態(tài)前饋控制，是前饋控制器的補償控制規(guī)律，只考慮靜態(tài)增益補償，不考慮速度補償。規(guī)律，只考慮靜態(tài)增益補償，不考慮速度補償。fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss fbbomvKG (0)KKKK Gv(s)Gb(s)Gm(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)（S=0時）時）過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章靜態(tài)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，前饋控制靜態(tài)前饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，

36、前饋控制器就是一個比例放大器。但控制過程中，動態(tài)偏差器就是一個比例放大器。但控制過程中，動態(tài)偏差依然存在。依然存在。2動態(tài)前饋控制系統(tǒng)動態(tài)前饋控制系統(tǒng)完全按照補償控制規(guī)律制作控制器。完全按照補償控制規(guī)律制作控制器。理論上，動態(tài)前饋控制能在每個時刻都完全補償理論上，動態(tài)前饋控制能在每個時刻都完全補償擾動對被控參數(shù)的影響。但補償控制規(guī)律比較復(fù)雜，擾動對被控參數(shù)的影響。但補償控制規(guī)律比較復(fù)雜，常常無法獲得精確表達式，也難以精確實現(xiàn)。常常無法獲得精確表達式，也難以精確實現(xiàn)。fbomvG (s)G ( )G ( ) G (s) G (s)ss 過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章3前饋前饋

37、反饋復(fù)合控制系統(tǒng)反饋復(fù)合控制系統(tǒng)為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋為了克服前饋控制的局限性，將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，組成前饋控制結(jié)合起來，組成前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。 v如換熱器出口溫度前饋如換熱器出口溫度前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。TTTCM蒸汽蒸汽換熱器換熱器冷物料冷物料入口入口熱物料熱物料出口出口冷凝水冷凝水FTFB過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章 在前饋在前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中，設(shè)定值反饋復(fù)合控制系統(tǒng)中，設(shè)定值X(s)、干擾干擾F(s)對輸出對輸出Y(s)的共同影響為：的共同影響為：0vc0vcmT( )( )( )Y( )(

38、 )1( )( )( )G(S)G s G s GssX sG s G s G sfovbmFovcmT( )G (S)G (S)G (S)G(S)( )1( )( )( )G(S)G sF sG s G s G sGv(s)Gb(s)GmF(s)F(s)Gf(s)Go(s)Y(s)GmT(s)Gc(s)X(s)過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章fovbmFfovcmT( )G (S)G (S)G (S)G(S)Y (S)( )1( )( )( )G(S)G sF sG s G s G s1、傳函分子即是前饋控制系統(tǒng)的補償條件。表、傳函分子即是前饋控制系統(tǒng)的補償條件。表明復(fù)合控

39、制系統(tǒng)與開環(huán)前饋控制系統(tǒng)的補償條件完全明復(fù)合控制系統(tǒng)與開環(huán)前饋控制系統(tǒng)的補償條件完全相同，并不因為引進反饋控制而有所改變。相同，并不因為引進反饋控制而有所改變。2、傳函分母即是反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)、傳函分母即是反饋控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。表明反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并不因為引進前饋控制。表明反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性并不因為引進前饋控制而有所改變；且由于反饋控制回路的存在，使前饋控而有所改變；且由于反饋控制回路的存在，使前饋控制的精度比開環(huán)前饋控制高。制的精度比開環(huán)前饋控制高。干擾通道的傳遞函數(shù)為：干擾通道的傳遞函數(shù)為：過程控制系統(tǒng)第四章過程控制系統(tǒng)第四章 第五章第五章復(fù)合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：復(fù)

40、合控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對主要干擾進行前饋補在反饋控制的基礎(chǔ)上，針對主要干擾進行前饋補償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。償。既提高了控制速度，又保證了控制精度。反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精反饋控制回路的存在，降低了對前饋控制器的精度要求，有利于簡化前饋控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。度要求，有利于簡化前饋控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)在單純的反饋控制系統(tǒng)中，提高控制精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性是一對矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無法穩(wěn)定性是一對矛盾。往往為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性而無法實現(xiàn)高精度的控制。而前饋實現(xiàn)高精度的控制。而前饋反饋控制系統(tǒng)既可實反饋控制系統(tǒng)既可實現(xiàn)高精度控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行