第11次 串級控制1

第4章串級控制系統(tǒng)

Cascadecontrolsystems

4.1發(fā)展概況與組成4.2工作過程與特點4.3設(shè)計4.4整定4.5應(yīng)用 4.1發(fā)展概況與組成

一、發(fā)展

結(jié)構(gòu)簡單，但難于適應(yīng)工藝參數(shù)間關(guān)系比較復(fù)雜的控制，特別是現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。 單回路控制系統(tǒng)：4.1發(fā)展概況與組成

一、發(fā)展 單回路控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單，但難于適應(yīng)工藝參數(shù)間關(guān)系比較復(fù)雜的控制，特別是現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。復(fù)雜控制系統(tǒng)：具有兩個以上的檢測變送單元、或控制器、或執(zhí)行器，能完成一些復(fù)雜或特殊的任務(wù)

串級控制系統(tǒng)：對改善控制品質(zhì)有獨到之處，故而在過程控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。4.1發(fā)展概況與組成

二、提出背景

以煉油廠管式加熱爐的出口溫度控制為例：管式加熱爐出口溫度直接控制方案問題：控制通道容量滯后很大，控制緩慢。燃料壓力或燃料的熱值變化影響爐膛溫度熱傳導(dǎo)給原料影響出口溫度3min15min原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐管式加熱爐出口溫度間接控制方案爐膛溫度變化T2T、T2C回路先改變?nèi)剂狭縏1T、T1C回路再改變?nèi)剂狭砍隽蠝囟茸兓胧涸谟绊懗隹跍囟鹊耐ǖ乐校訙y爐膛溫度的變化，提前控制。燃料壓力變化3min原料出口溫度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加熱爐T2CT2T4.1發(fā)展概況與組成

三、組成1、系統(tǒng)框圖f1(t)-原料油流量、f2(t)-原料油入口溫度、f3(t)-燃料壓力、f4(t)-燃料熱值出口溫度設(shè)定爐膛溫度設(shè)定爐膛實際溫度出料實際溫度4.1發(fā)展概況與組成

三、組成2、串級系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)框圖主對象副對象副控制器調(diào)節(jié)閥主控制器副變送器主變送器一次擾動二次擾動設(shè)定副變量主變量主、副變量，主、副控制器，主、副對象，主、副變送器，主、副回路，一、二次擾動等4.1發(fā)展概況與組成

三、組成3、結(jié)構(gòu)特點系統(tǒng)有兩個閉合回路，形成主、副(內(nèi)、外)環(huán)。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變量而選用的輔助變量。主、副控制器是串聯(lián)工作的，主控制器的輸出作為副控制器的給定值。4.2工作過程與特點

一、工作過程仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析克服干擾的過程1．燃料壓力f3(t)、燃料熱值f4(t)發(fā)生擾動——干擾進(jìn)入副回路進(jìn)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，控制過程大為縮短。4.2工作過程與特點

一、工作過程2．原油流量f1(t)、原油入口溫度f2(t)發(fā)生擾動——干擾進(jìn)入主回路對進(jìn)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(fù)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，控制效果也得到改善。4.2工作過程與特點

一、工作過程3．干擾同時作用于副回路和主回路（1）主副回路的干擾影響方向相同。如：燃料壓力f3(t)↑→爐膛溫度↑→副控制器調(diào)節(jié)燃料的流量，使之減小

原油流量f1(t)↓→出口溫度↑→主控制器使副控制器的設(shè)定值減小，使得副控再次減小燃料量4.2工作過程與特點

一、工作過程（2）主副回路的干擾影響方向相反。如：燃料壓力f3(t)↑→爐膛溫度↑→副控制器的測量值↑原油流量f1(t)↑→出口溫度↓→主控制器使副控制器的設(shè)定值↑以上使得副控的輸入偏差基本不變，不作調(diào)節(jié)，也會使目標(biāo)溫度回到原來的工作點上4.2工作過程與特點

二、工作特點Gc1(s)Gc2(s)X1(s)Y1(s)-GV(s)F2(s)+G02(s)F1(s)+G01(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)-Z1(s)Z2(s)X2(s)E1(s)E2(s)將整個副回路看成一個副對象，簡化圖4.2工作過程與特點

二、工作特點等效單回路框圖：G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－G*02(s)G’02(s)Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

F2(s)G01(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－單回路控制系統(tǒng)框圖：X2(s)4.2工作過程與特點

二、工作特點串級系統(tǒng)等效副對象的傳函：單回路系統(tǒng)4.2工作過程與特點

二、工作特點T02′K02′串級系統(tǒng)等效副對象的傳函：<K02<T024.2工作過程與特點

二、工作特點G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－K02

′<K02T02′<T02X2(s)4.2工作過程與特點

二、工作特點

主控制器Gc1(s)的調(diào)整余量大1、放大系數(shù)K02′<K02Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－4.2工作過程與特點

二、工作特點

改善動態(tài)性能，提高控制質(zhì)量2、時間常數(shù)T02′<T02Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－4.2工作過程與特點

二、工作特點3、工作頻率系統(tǒng)的工作頻率ωcyt振蕩頻率相同，衰減比↑，調(diào)節(jié)時間↓，過程快衰減比相同，振蕩頻率↑，振蕩周期↓，調(diào)節(jié)時間↓，過程快衰減比相同頻率越高↑過程越快↑4.2工作過程與特點

二、工作特點3、工作頻率從系統(tǒng)特征方程：1+Gc1(s)G’02(s)G01(s)Gm1(s)=0求串級系統(tǒng)的工作頻率ω串Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－X2(s)4.2工作過程與特點

二、工作特點3、工作頻率串級系統(tǒng)特征方程：1+Gc1(s)G02′

(s)G01(s)Gm1(s)=0等效副對象的傳函：單回路系統(tǒng)特征方程：1+Gc1*(s)G02(s)G01(s)Gm1(s)=04.2工作過程與特點

二、工作特點3、工作頻率衰減比相同頻率越高↑過程越快↑4.2工作過程與特點

二、工作特點4、抗干擾能力G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－考察進(jìn)入副回路、主回路的干擾Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－X2(s)4.2工作過程與特點

二、工作特點4、抗干擾能力Gc1(s)Gc2(s)X1(s)Y1(s)-GV(s)+G02(s)F1(s)+G01(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)-Z1(s)Z2(s)X2(s)E1(s)E2(s)F2(s)副回路干擾通道傳函：4.2工作過程與特點

二、工作特點4、抗干擾能力副回路干擾通道傳函：式中：4.2工作過程與特點

二、工作特點4、抗干擾能力則：K02

*<<K02K02

*<<K02

說明副回路干擾的影響力降低4.2工作過程與特點

二、工作特點4、抗干擾能力G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－Gc1(s)X1(s)Y1(s)＋

G*02(s)F2(s)G01(s)G’02(s)Y2(s)F1(s)Gm1(s)－X2(s)考察進(jìn)入主回路的干擾4.2工作過程與特點

二、工作特點4、抗干擾能力T02′<T02

T02

′<T02，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，克服干擾能力增強。4.2工作過程與特點

二、工作特點5、自適應(yīng)能力

在不同的工藝點，對象的放大倍數(shù)往往不同。如果是單回路控制，控制器參數(shù)可能不再適用。G*c1(s)GV(s)X1(s)Y1(s)＋

G02(s)F2(s)G01(s)F1(s)Gm1(s)－隨動系統(tǒng)4.2工作過程與特點

二、工作特點5、自適應(yīng)能力(1)串級控制將部分對象包含在副回路中，工藝負(fù)荷或操作條件變化時，主控制器隨時調(diào)整副控制器的設(shè)定值，調(diào)節(jié)系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。Gc1(s)Gc2(s)X1(s)Y1(s)-GV(s)+G02(s)F1(s)+G01(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)-Z1(s)Z2(s)X2(s)E1(s)E2(s)F2(s)K02′≈1/Km24.2工作過程與特點

二、工作特點5、自適應(yīng)能力(2)放大系數(shù)只與檢測變送有關(guān)，G02(s)的非線性特性對等效K02′影響不大，適應(yīng)能力強Gc1(s)Gc2(s)X1(s)Y1(s)-GV(s)+G02(s)