過程控制及儀表(8)1_dlh

1、第八章第八章 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)過程控制及儀表過程控制及儀表（過程控制系統(tǒng)篇過程控制系統(tǒng)篇）本節(jié)重點：本節(jié)重點：串級控制系統(tǒng)的組成：串級控制系統(tǒng)的組成：基本術(shù)語基本術(shù)語串級控制系統(tǒng)的工作過程串級控制系統(tǒng)的工作過程第一節(jié)第一節(jié) 概述概述但實踐證明，此方案達不到要求。改變?nèi)剂嫌偷牧髁?，把變化了的溫度重新調(diào)回到設定值。要干擾導致了爐出口溫度變化，控制器就可改變閥的開度，來此方案把所有對溫度的干擾因素都包括在控制回路中，只。統(tǒng)，見圖出口溫度單回路控制系方案1：其他干擾：燃油溫度變化、爐通風量、環(huán)境溫度變化。燃料油壓力變化、流量變化、燃油熱質(zhì)變化。原料油壓力變化、流量變化、溫度變化；主要干擾：要求

2、：爐出口溫度保持恒定。例：見圖管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。一、串級控制系統(tǒng)的組成 1-4 主要干擾：壓主要干擾：壓力、流量、溫力、流量、溫度的變化度的變化主要干擾：壓主要干擾：壓力、流量、熱力、流量、熱質(zhì)的變化質(zhì)的變化其他干擾：燃其他干擾：燃油溫度變化、油溫度變化、通風量、室溫通風量、室溫變化變化。通過控制燃油流量來控通過控制燃油流量來控制出口溫度，見圖制出口溫度，見圖。出口溫度間接控制方案出口溫度間接控制方案方案方案只有當流量變化的影響只有當流量變化的影響使被控量使被控量爐出口溫爐出口溫度發(fā)生變化后，控制器才改變閥的開度，以度發(fā)生變化后，控制器才改變閥的開度，以改變?nèi)剂嫌偷牧髁縼砜朔蓴_改變

3、燃料油的流量來克服干擾燃料油壓力燃料油壓力的變化，把被控量調(diào)回到被控值上。燃料油的變化，把被控量調(diào)回到被控值上。燃料油流量的變化要經(jīng)過管道傳輸、燃燒、傳熱等流量的變化要經(jīng)過管道傳輸、燃燒、傳熱等一系列環(huán)節(jié)，才能使爐出口溫度變化?？倻幌盗协h(huán)節(jié)，才能使爐出口溫度變化?？倻筝^大，控制作用不及時，特別是燃油壓力后較大，控制作用不及時，特別是燃油壓力變化大且頻繁時，偏差會很大，控制質(zhì)量顯變化大且頻繁時，偏差會很大，控制質(zhì)量顯著降低。著降低。燃料油的壓力變化將導致流量變化，燃料油的壓力變化將導致流量變化，原因：原因：2-4 . 2 控制作用快控制作用快此方案能及時克服燃油此方案能及時克服燃油壓力造成的

4、干擾，只要燃油壓力波動壓力造成的干擾，只要燃油壓力波動導致流量波動，不等它影響到爐出口溫度，流量控制器就能導致流量波動，不等它影響到爐出口溫度，流量控制器就能及時調(diào)節(jié)，把燃油壓力干擾引起的出口溫度變化減弱到最低及時調(diào)節(jié)，把燃油壓力干擾引起的出口溫度變化減弱到最低程度。實踐證明，此方案也有不足之處。程度。實踐證明，此方案也有不足之處。原因：出口溫度不是被控量，當燃油壓力以外的干擾引起出原因：出口溫度不是被控量，當燃油壓力以外的干擾引起出口溫度變化時，此流量系統(tǒng)就無能為力了。因為控制燃油流口溫度變化時，此流量系統(tǒng)就無能為力了。因為控制燃油流量穩(wěn)定并不是目的，它只是為控制爐出口溫度服務的。量穩(wěn)定并不

5、是目的，它只是為控制爐出口溫度服務的。 。，爐出口溫度與燃油流量的串級控制系統(tǒng)，見圖爐出口溫度與燃油流量的串級控制系統(tǒng)，見圖方案方案 以上兩方案各有優(yōu)缺點以上兩方案各有優(yōu)缺點，若能將兩者結(jié)合，就可形成控制效果，若能將兩者結(jié)合，就可形成控制效果更好的系統(tǒng)更好的系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)集中以上兩方案的優(yōu)點于一身。集中以上兩方案的優(yōu)點于一身。44343-.隨動給定隨動給定溫度控制器的輸出作為流量控制器的設定值，而流量控制器的輸出溫度控制器的輸出作為流量控制器的設定值，而流量控制器的輸出去控制閥。去控制閥。串級：兩臺控制器串聯(lián)在一起，控制一個閥。有兩個被控量。串級：兩臺控制器串聯(lián)在一起，控制一個閥

6、。有兩個被控量。 。操縱量，輸出信號為副操縱量，輸出信號為副變量。上例中流量過程。變量。上例中流量過程。副對象：副變量所處的副對象：副變量所處的那一部分工藝設備。它的輸入信號為那一部分工藝設備。它的輸入信號為副變量，輸出信號為主副變量，輸出信號為主變量。上例中溫度過程。變量。上例中溫度過程。主對象：主變量所處的主對象：主變量所處的那一部分工藝設備。它的輸入信號為那一部分工藝設備。它的輸入信號為進行工作的控制器。上進行工作的控制器。上例中流量控制器。例中流量控制器。副控制器：按副變量的副控制器：按副變量的測量值與主控制器來的設定值的偏差測量值與主控制器來的設定值的偏差常用術(shù)語：常用術(shù)語：上例中為

7、出口溫度。上例中為出口溫度。操作安全的那個被控量。其相應的變送器為主變送器。操作安全的那個被控量。其相應的變送器為主變送器。主變量：在串級系統(tǒng)中主變量：在串級系統(tǒng)中，起主導作用、關(guān)系到產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量或起主導作用、關(guān)系到產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量或制器。上例中溫度控制制器。上例中溫度控制器。器。主控制器：按主變量的主控制器：按主變量的測量值與設定值的偏差進行工作的控測量值與設定值的偏差進行工作的控的變送器為副變送器。的變送器為副變送器。上例中燃料油流量。上例中燃料油流量。副變量：為穩(wěn)定主變量副變量：為穩(wěn)定主變量或某種需要引入的輔助變量，其相應或某種需要引入的輔助變量，其相應。二次干擾：作用在副對二次干擾：作

8、用在副對象上的干擾。見圖象上的干擾。見圖一次干擾：作用在主對一次干擾：作用在主對象上的干擾；象上的干擾；一、二次干擾一、二次干擾在串級系統(tǒng)方框圖中，在串級系統(tǒng)方框圖中，處于內(nèi)環(huán)（副環(huán)）的回路。包括：處于內(nèi)環(huán)（副環(huán)）的回路。包括：副控制器、閥、副對象及副變送器等組成的閉合回路。又副控制器、閥、副對象及副變送器等組成的閉合回路。又稱隨動回路。稱隨動回路。副回路副回路包括主控制器、副控制包括主控制器、副控制器、閥、副對象、主對象及主變送器器、閥、副對象、主對象及主變送器等組成的閉合回路。等組成的閉合回路。在串級系統(tǒng)方框圖中，在串級系統(tǒng)方框圖中，處于外環(huán)（主環(huán)）的整個回路。處于外環(huán)（主環(huán)）的整個回路。

9、主回路主回路44 :- - D44 3-4 2工作過程：工作過程：方面，使爐出口溫度升方面，使爐出口溫度升高。即圖中高。即圖中的一次干擾的一次干擾D1。來自原料油來自原料油第二種情況：假定干擾第二種情況：假定干擾工作過程：工作過程：。中二次干擾中二次干擾流量變化，即圖流量變化，即圖來自燃料油來自燃料油第一種情況：假定干擾第一種情況：假定干擾流量控制器：反作用。流量控制器：反作用。溫度控制器：反作用；溫度控制器：反作用；控制閥：氣開；控制閥：氣開；為例，并假定：為例，并假定：以圖以圖二、串級控制系統(tǒng)的工作過程二、串級控制系統(tǒng)的工作過程- -反作用單回路。單回路。相配合，控制質(zhì)量高于相配合，控制質(zhì)

10、量高于”作用，兩者互作用，兩者互用，主控制器有用，主控制器有“細調(diào)細調(diào)“粗調(diào)粗調(diào)”作作由此可見，副控制器有由此可見，副控制器有主、副變量反向變化：主、副變量反向變化：主、副變量同向變化：主、副變量同向變化：時出現(xiàn)。時出現(xiàn)。一次干擾和二次干擾同一次干擾和二次干擾同、副對象上的、副對象上的第三種情況：作用在主第三種情況：作用在主 2. 1. 本節(jié)重點：本節(jié)重點： 串級控制系統(tǒng)的四大特點：串級控制系統(tǒng)的四大特點： 等效時間常數(shù)減小等效時間常數(shù)減小 工作頻率提高工作頻率提高 抗干擾能力增強抗干擾能力增強 有一定自適應能力有一定自適應能力為單回路控制系統(tǒng)。圖簡化成圖表示，則圖把副環(huán)用。見圖一、時間常數(shù)7

11、47464)S(W 6-4 o2- - - - 3)-(4 KKKK1TTKKKK1KKKK 2-41STKK1STKKK11STKKK 1-4)S(H)S(W)S(W )S(W1)S(W)S(W )S(W)S(R)S(Y)S(W1TK)S(W K)S(H ,K)S(W ,K)S( W 2m2o2c2o2o2m2o2c2o2c2o2o2o2m2o2o2c2o2o2cm2o2c2o2c222o22o2oo22mm22cc2 + += =+ += =+ += =+ + + += =+ += = =+ += = = = =u uu uu uu uu uu uu uu uu u式中：）（）（則有：設：

12、超前作用超前作用倍，因此串級倍，因此串級的的是原來副對象放大系數(shù)是原來副對象放大系數(shù)大系數(shù)大系數(shù)，由于等效副對象的放，由于等效副對象的放制質(zhì)量必然提高。另外制質(zhì)量必然提高。另外應更快，控應更快，控使控制作用更及時，響使控制作用更及時，響控制通道的縮短，從而控制通道的縮短，從而的減小，就意味著的減小，就意味著著。著。的增大，這種情況愈顯的增大，這種情況愈顯隨著隨著不變的情況下，不變的情況下，、，在，在的的是副對象本身時間常數(shù)是副對象本身時間常數(shù)等效對象的時間常數(shù)等效對象的時間常數(shù)，使，使中，由于副回路的存在中，由于副回路的存在上式表明，在串級系統(tǒng)上式表明，在串級系統(tǒng)）（，故有，故有，相比較，在一

13、般情況下相比較，在一般情況下與與將將2222c2222222222222222o2o21 11 4-4 11(S)W(S)W mocoocmomocooooomocKKKKKKKTKKKKKKKKTTTKKKKKKuuuuu+1STK)S(W K)S(H K)S( W 6-4 0)S(H)S(W)S( W )S(W )S(W)S(W)S(H)S(W)S(W )S(W1 0)S(H)S(W)S(H)S(W)S(W )S(W1)S(W)S(W )S(W )S(W11-45)-(4 0)S(H)S(W)S( W)S(W1 7-4 K 1o1o1o1mm11cc1m11oo2c2c1m2o2c2m11

14、om2o2c2o2c2c1m11oo2c11c+ += = = = =+ + += =+ + += =+ +u uu uu uu u，為：假定主回路各環(huán)節(jié)傳函）（整理后特征方程為：）代入上式：將式（有：由圖二、工作頻率抗干擾能力。大些，可以提高系統(tǒng)的更就可以整定的比單回路數(shù)系統(tǒng)主控制器的放大系）（令：令：）（將上式整理：將上式整理：），有），有，代入式（，代入式（副回路各環(huán)節(jié)傳函同前副回路各環(huán)節(jié)傳函同前8-4 TTKKKKKKKKKKTTTKKKKTT2 7-4 TTKKKKKKKKKKSTTTKKKKTTS STKSTKKKKKKSTKKK1 6-4 oooomccmocoooomocooo

15、oooomccmocooomocoooooomccmooc+=w+=xw=+=+uuuuuuuu21211212222211222212121121222211222212112212122221010111。頻率頻率單回路控制系統(tǒng)的工作單回路控制系統(tǒng)的工作為便于比較，同樣求出為便于比較，同樣求出）（此，此，制系統(tǒng)的工作頻率，因制系統(tǒng)的工作頻率，因此振蕩頻率即為串級控此振蕩頻率即為串級控時，系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，而時，系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，而當當串級系統(tǒng)自然頻率。串級系統(tǒng)自然頻率。串級系統(tǒng)衰減系數(shù)；串級系統(tǒng)衰減系數(shù)；式中：式中：特征方程的標準形式為特征方程的標準形式為單單串串21110124022112222

16、1222222, 12wxx-+=x-w=wx w w + + + + += =+ + + += =w ww wx x= =x xu uu uu u2o1o2o1o2m2o2cT/T1T/TKKKK11+ + + += =w ww wu u）（單串，控制系統(tǒng)的抗干控制質(zhì)量高。綜合考慮）式（）式（）（傳函為：在設定值作用下的閉環(huán)）（閉環(huán)傳函為：，在二次干擾作用下的對于圖。虛線框中的傳函為：圖并等效成入系統(tǒng)，見圖假定二次干擾從閥前進三、抗干擾能力119-4018-4 19-4 )S(H)S(W)S( W)S(W)S(W1)S(W)S(W)S(W)S(W)S(R)S(Y 18-4 )S(H)S(W)

17、S( W)S(W)S(W1)S(W)S(W)S(D)S(Y114)S(H)S(W)S(W )S(W1)S(W)S(W )S( W11410-4 m1o1o2c2c1o1o2c2c111m1o1o2c2c1o1o221m2o2c2o2o2+ += =+ += =- -+ += =- -u uu u）（）（。圖能力，見回路控制系統(tǒng)的抗干擾下面分析同等條件下單，控制質(zhì)量越好。越大，抗干擾能力越強、可見）（則有如）（：擾能力可用下式來評價23-4)S(H)S(W)S(W)S(W)S(W1)S(W)S(W)S(W)S(W)S(R)S(Y 22-4 )S(H)S(W)S(W)S(W)S(W1)S(W)S(

18、W)S(W)S(D)S(Y124 KK 21-4 KK)S(D/ )S(Y)S(R/ )S(Y ,K)S( W,K)S( W20-4 )S(W)S(W)S(D/ )S(Y)S(R/ )S(Y m1o1o2co12ocm1o1o2co12o22c1c2c1c21112cc21cc1c2c12111u uu uu uu u+ += =+ += =- -= = = = =）（統(tǒng)抗干擾能力的差別。統(tǒng)抗干擾能力的差別?；芈房刂葡祷芈房刂葡抵葡到y(tǒng)與同等條件下單制系統(tǒng)與同等條件下單下面進一步分析串級控下面進一步分析串級控擾能力強。擾能力強。即串級控制系統(tǒng)的抗干即串級控制系統(tǒng)的抗干一般，一般，）（則有則有如果

19、如果）（抗干擾能力為：抗干擾能力為：26-4 0 H WWW1 , 25-4 W24-4 Wm1o1c2c1212cc2=+=)S()S()S()S(KKKK)S(D/ )S(Y)S(R/ )S(Y,K)S()S()S(D/ )S(Y)S(R/ )S(Yccccc Wo2S( )）（）（）（則有則有，設設27-4 ST1K SKKKKTKKKKKK STKKKKKKSHSWS WSWSWSWKH,KH, STKW ,STK WKWKWK Wo2 o2mocomocoomocom2o2c2o2mm2mm1ooo2ooo1cc2cc1+=+=+=+=+=+=uuuuuuuuu22222222222

20、22212211211/11/1)()()()(1)()(11 Wo2S( ) ,j S 29-4 STSTKKKKK 0TKSTKKKK28-4 KKKKTTKKKKKKK o2o o2omcco2 o2oomccmocoomocoo有有令令）（或或），有），有）代入（）代入（將式（將式（）（式中：式中：w=-=+=+-+=+=uuu:1)1)(1(111264274111112111121222222222 2 32-4 KKKTTKK 31-4 31-4 TT 30-4 TTKKKKK T TjTTKKKKKm o2ok1o2k1occk1k1o2oo2om o2occo2oo2om o

21、2occ）（界放大系數(shù)：界放大系數(shù)：），可求得控制器的臨），可求得控制器的臨代入式（代入式（將將臨界振蕩頻率臨界振蕩頻率）可得串級控制系統(tǒng)的）可得串級控制系統(tǒng)的由式（由式（）（）（即即112212111122111211112211121 1)(1)(304,180)(tan)(tan1 1)(1)(1)(tan)(tanexp 1)(1)(+w+w=-ww=w+w=+w+w-=w+w-+w+w-的抗干擾能力。的抗干擾能力。上式表示串級控制系統(tǒng)上式表示串級控制系統(tǒng)）（數(shù)：數(shù)：衰減過程時的控制器參衰減過程時的控制器參：在在系統(tǒng)系統(tǒng)），便可得到串級控制），便可得到串級控制）代入式（）代入式（將式（

22、將式（。）（的關(guān)系為：的關(guān)系為：與臨界振蕩頻率與臨界振蕩頻率控制系統(tǒng)的工作頻率控制系統(tǒng)的工作頻率）（數(shù)為：數(shù)為：，這時控制器參，這時控制器參度為度為衰減過程，幅值穩(wěn)定裕衰減過程，幅值穩(wěn)定裕：對于對于串串串串串串串串35-4 KKKTTKK1433-434-4 1.431.1 34-4 33-4 KKKTTKK 0.514 m o2oo2occk1k1m o2ok1o2k1occ11221211122121 1)(1)(5 . 0 1)(1)(5 . 0+aw+aw=aaw=www+w+w=即：即：有有令：令：）（入上式，有入上式，有將上述各環(huán)節(jié)的傳函代將上述各環(huán)節(jié)的傳函代）（特征方程為：特征方

23、程為：，閉環(huán)，閉環(huán)路控制系統(tǒng)，由圖路控制系統(tǒng)，由圖對于同等條件下的單回對于同等條件下的單回1)T(tan )T(tanjexp1)T(1)T(KKKKK,jS37-4 0)1ST)(1ST(KKKKK1 36-4 0 )S(H)S( W)S(W)S(W)S(W1 12-4 o211o12o221o1m2o1oco21o1m2o1ocm1o1o2c- -= =w w+ + +w w- -+ +w w+ +w ww w= = =+ + + += =+ +- - -u uu uu u回路控制器參數(shù)為：回路控制器參數(shù)為：，就可得到單，就可得到單度為度為衰減過程的幅值穩(wěn)定裕衰減過程的幅值穩(wěn)定裕：，蕩頻率

24、蕩頻率代替上式中的臨界振代替上式中的臨界振作頻率作頻率按上面同樣方法，用工按上面同樣方法，用工）（界放大系數(shù)：界放大系數(shù)：可得單回路控制器的臨可得單回路控制器的臨）代入式（代入式（將將）可求出）可求出同上，由式（同上，由式（）（）（單單0.514 40-4 KKKK1)T(1)T(K ,384,39-4 39-4 180)T(tan)T(tan 38-4 11)T(1)T(KKKKK k1mo21o2ko22k1ockko211o12o221o1m2o1ocw ww w+ +w w+ +w w= =- -w ww w= =w w+ +w w= =+ +w w+ +w wu u- - -u u）（28-4 KKKKTTKKKKKKK mocoomocoo+=+=uuu222222222 211）（串串串串35-4 KKKTTKKm o2oo2occ1122121 1)(1