第6章串級(jí)控制系統(tǒng)

1、作者：郭陽(yáng)寬 王正林聯(lián)系郵箱：wa_l6.1 串級(jí)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)l6.2 串級(jí)控制系統(tǒng)性能分析l6.3 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)l6.4 串級(jí)控制參數(shù)整定l6.5 綜合仿真實(shí)例l6.6 本章小結(jié)l習(xí)題與思考l本章描述串級(jí)控制的基本概念，介紹串級(jí)控制的基本特點(diǎn)、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定等基礎(chǔ)知識(shí)，并通過(guò)仿真實(shí)例講述串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)及整定。l通過(guò)本章，讀者對(duì)串級(jí)控制的特點(diǎn)、串級(jí)控制系統(tǒng)的功能有較為全面的認(rèn)識(shí)，并能通過(guò)仿真深化對(duì)串級(jí)控制的理解。 6.1.1 基本概念串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：l1由兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制器串聯(lián)而成，一個(gè)控制器的輸入是另一個(gè)控制器的設(shè)定。l2由兩個(gè)

2、或兩個(gè)以上的控制器、相應(yīng)數(shù)量的檢測(cè)變送器和一個(gè)執(zhí)行器組成。l3主回路是恒值控制系統(tǒng)，對(duì)主控制器的輸出而言，副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)二次擾動(dòng)而言，副回路是恒值控制系統(tǒng)。串級(jí)控制的主要優(yōu)點(diǎn)可概括如下：l1副回路的內(nèi)部干擾，通常在它影響主被調(diào)量之前就已經(jīng)被副控制器所控制了。l2副對(duì)象的相位滯后由于存在副回路而顯著減小，因而改善了主回路的響應(yīng)速度。l3副對(duì)象增益變化的影響在副回路內(nèi)部被克服。l4副回路可按主回路的需要進(jìn)行精確的控制。串級(jí)控制也存在如下一些不足：l1只有當(dāng)中間變量能夠被檢測(cè)出來(lái)時(shí)，才可能采用串級(jí)控制，但許多過(guò)程在結(jié)構(gòu)上是不容易以這種方式加以分割的。l2串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)需要更多的儀

3、表。l3串級(jí)控制系統(tǒng)的投放和整定比單回路控制系統(tǒng)要復(fù)雜一些。 與單回路控制相比，串級(jí)控制增加了副控制回路，使控制系統(tǒng)性能得到改善，串級(jí)控制系統(tǒng)的性能一般可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行分析：l系統(tǒng)的抗擾性能l動(dòng)態(tài)性能l工作頻率l自適應(yīng)能力 l對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)而言，它對(duì)二次擾動(dòng)的抑制能力比對(duì)一次擾動(dòng)的抑制能力更強(qiáng)，而且在系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)特性不變的情況下，副控制器的增益越大，則副回路的抗干擾能力越強(qiáng)，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該加以注意。l串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的改善更為明顯，一般認(rèn)為對(duì)二次擾動(dòng)的最大動(dòng)態(tài)偏差可以減小幾十倍，對(duì)一次擾動(dòng)的最大動(dòng)態(tài)偏差也可以減小幾倍。 1副回路顯著減小了副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)l由于閉環(huán)控

4、制的影響，副回路的等效時(shí)間常數(shù)T2較之副對(duì)象時(shí)的時(shí)間常數(shù)縮小為 ，從而進(jìn)一步錯(cuò)開(kāi)了與主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)（一般較大）之間的距離。l副回路的等效時(shí)間常數(shù)減小，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)起超前作用的微分環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)的反應(yīng)速度加快，控制更為及時(shí)。等效對(duì)象的放大倍數(shù)的減小，可以通過(guò)增加主控制器的增益來(lái)加以補(bǔ)償。因此，副回路的等效時(shí)間常數(shù)縮小，可使系統(tǒng)的控制質(zhì)量得到提高。2副回路可以減小副對(duì)象的相位滯后l由于副對(duì)象的相位滯后減小了，相應(yīng)就提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 p2vo2m211KK KKl在相同阻尼比的條件下，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率高于單回路系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作頻率提高，過(guò)渡過(guò)程也就縮短了，因而控制質(zhì)量得到改

5、善，而且，副回路控制器的比例帶越小，這種改善越明顯。l當(dāng)主、副對(duì)象特性一定時(shí)，副控制器的增益越大，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率提高的越明顯，當(dāng)副控制器的增益不變時(shí)，隨著的增大，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率也越高。 l當(dāng)副控制器的增益足夠大時(shí)，副回路的特性主要由反饋檢測(cè)所決定，而與副對(duì)象的增益無(wú)關(guān)，因此，串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，只要反饋檢測(cè)裝置的特性是線性的，就可以大大削弱包括調(diào)節(jié)閥在內(nèi)的副對(duì)象的非線性特性的影響，當(dāng)然，這種自適應(yīng)能力是有一定限度的。 串級(jí)控制系統(tǒng)的性能可歸納為：l1可以顯著提高系統(tǒng)對(duì)二次擾動(dòng)的抑制能力，甚至二次擾動(dòng)在對(duì)主被控量尚未產(chǎn)生明顯影響時(shí)就被副回路克服了。由于副回路調(diào)節(jié)作用

6、的加快，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用也加快了，對(duì)一次擾動(dòng)的抑制能力也提高了。l2提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由于副回路顯著改善了包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象的特性，減小其時(shí)間常數(shù)和相位滯后，使得整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有明顯的改善。l3提高了系統(tǒng)的工作頻率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例帶可以更窄，從而提高了系統(tǒng)的工作頻率。l4有一定的自適應(yīng)能力，在副回路作用下，包括控制閥在內(nèi)的副對(duì)象在操作條件和負(fù)荷變化時(shí)，其特性變化對(duì)系統(tǒng)的影響顯著地削弱了，需要注意的是當(dāng)副回路是流量環(huán)節(jié)時(shí)，流量檢測(cè)的線性化。1從抗干擾方面考慮l從抗干擾角度考慮，副回路選擇應(yīng)遵循以下一些原則：l（1）副回路應(yīng)包含盡可能多的主要擾動(dòng)。l（2）主

7、、副回路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)匹配。2從防止主、副回路產(chǎn)生共振出發(fā)l主副回路的時(shí)間常數(shù)應(yīng)保持合理的比配關(guān)系。選擇副回路的其他可以考慮的因素是從改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和提高系統(tǒng)的工作頻率出發(fā)，則副回路包含的時(shí)間常數(shù)稍大一些效果更好。若希望系統(tǒng)對(duì)于非線性的影響有一定的適應(yīng)能力，則應(yīng)把相關(guān)的非線性包含在副回路之中。6.3.1 副回路選擇主、副控制器的設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)問(wèn)題：l1主、副控制器的控制規(guī)律選擇l一般說(shuō)來(lái)主變量是控制的主要參數(shù)，其狀態(tài)是生產(chǎn)工藝的主要指標(biāo)，而只有對(duì)主變量控制要求較高的條件下才考慮采用串級(jí)控制方式。l至于副控制器，如果副被控量的控制范圍在工藝上要求不是太嚴(yán)格，那么副控制器就可以只采用P控制。l

8、從另一方面來(lái)說(shuō)，副控制器不必要的積分作用引入，會(huì)使副回路的諧振峰值加大，諧振頻率降低，從而加大了主、副回路之間共振的可能。l2主、副控制器的正反作用的選擇l控制器正反作用的選擇原則和單回路系統(tǒng)沒(méi)有什么原則區(qū)別，先考慮副控制的正反作用選擇，其方式同單回路控制，然后考慮主調(diào)，考慮主回路時(shí)需確定副給定和其輸出的“正反作用”。l此處還有一個(gè)問(wèn)題應(yīng)予以注意，在某些場(chǎng)合生產(chǎn)工藝要求系統(tǒng)既可以按串級(jí)方式運(yùn)行，又可以按以主調(diào)節(jié)器為控制器的單回路方式運(yùn)行，這時(shí)應(yīng)仔細(xì)核對(duì)主調(diào)的正反作用是否需加以改變。l一般來(lái)說(shuō)，如果副調(diào)節(jié)是反作用的，則主調(diào)在單純使用時(shí)其正反作用無(wú)須改變。相反，如果副調(diào)節(jié)是正作用的，則主調(diào)單純使用

9、時(shí)其正反作用方向就需要改變。l3抗積分飽和的問(wèn)題l如果副控制器采用比例控制，則主控制器的抗積分飽和與單回路控制時(shí)無(wú)任何區(qū)別，可以利用帶外反饋的間歇單元表來(lái)解決問(wèn)題。如果副控制器也采用PI控制，副控制的積分飽和限制同單回路控制器，而主控制器就復(fù)雜些，主要有兩重原因：l（1）積分飽和的影響更為嚴(yán)重。l（2）在串級(jí)系統(tǒng)中，不管原來(lái)原料油溫度的偏差是否很大，因?yàn)槟撤N原因副控制器進(jìn)入積分飽和，這時(shí)副控制器的輸出不再變化，相當(dāng)于系統(tǒng)開(kāi)環(huán)運(yùn)行，主控制器也會(huì)進(jìn)入積分飽和。l串級(jí)控制系統(tǒng)中主副兩個(gè)回路是彼此互相影響的，而副控制器的整定對(duì)主控制器的影響是一目了然的，因?yàn)楦被芈返奶匦员旧砭褪侵骰芈窂V義對(duì)象的一個(gè)組成部分。主回路的特性對(duì)副回路的影響可以這么來(lái)考慮，即主控制器的輸出本身就是副回路的設(shè)定值，當(dāng)然對(duì)副回路的響應(yīng)有影響。l如果主回路的工作頻率相差很大，例如十倍以上，則對(duì)副回路而言在其控制過(guò)程中可以近似認(rèn)為主回路還沒(méi)有來(lái)得及反應(yīng)，可以忽略主回路對(duì)副回路的影響，則控制器參數(shù)整定可以按由內(nèi)而外的原則，分別獨(dú)立按單回路系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定方法整定。l如果必須考慮主副回路之間的影響，則通常可以采用三種方法：逐次逼近法、兩步法和一步法， 6.5.1 串級(jí)與單回路控制對(duì)比仿真本章主要講述串級(jí)控制系統(tǒng)的基本理論、設(shè)計(jì)方法以及仿真方法：