第6章串級控制系統(tǒng).ppt

1、1,第6章 串級控制系統(tǒng),目 錄 6.1 串級控制系統(tǒng)的基本概念 6.2 串級控制系統(tǒng)的分析 6.3 串級控制系統(tǒng)的設計 6.4 串級控制系統(tǒng)的整定 6.5 串級控制系統(tǒng)的投運 6.6 利用MATLAB對串級控制系統(tǒng)進行仿真 本章小結(jié),2,最簡單的控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng) 系統(tǒng)中只用了一個調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器也只有一個輸入信號。 從系統(tǒng)方框圖看，只有一個閉環(huán)。,3,隨著生產(chǎn)過程向大型、連續(xù)和強化方向發(fā)展，對操作條件要求更加嚴格，參數(shù)間相互關系更加復雜，對控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求，對能源消耗和環(huán)境污染也有明確的限制。為此，需要在簡單控制系統(tǒng)的基礎上，采取其他措施，組成復雜控制系統(tǒng)。 復雜控制

2、系統(tǒng) 多回路控制系統(tǒng)。 由多個測量值、多個調(diào)節(jié)器；或者由多個測量值、一個調(diào)節(jié)器、一個補償器或一個解耦器等等組成多個回路的控制系統(tǒng)。 從系統(tǒng)方框圖看，有多個閉環(huán)。,4,6. l 串級控制系統(tǒng)的概念,6.2.l 串級控制的提出 例6-1 隔焰式隧道 窯溫度控制系統(tǒng)。 （見圖6-1）。 隧道窯是對陶瓷制 品進行預熱、燒成、 冷卻的裝置。,在生產(chǎn)過程的常規(guī)控制中，串級控制系統(tǒng)是提高過程控制品質(zhì)非常有效的方案之一。,5,如果火焰直接在窯道燒成帶燃燒，燃燒氣體中的有害物質(zhì)將會影響產(chǎn)品的光澤和顏色，所以就出現(xiàn)了隔焰式隧道窯?；鹧嬖谌紵抑腥紵瑹崃拷?jīng)過隔焰板輻射加熱燒成帶。制品在窯道的燒成帶內(nèi)按工藝規(guī)定的溫

3、度進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度一般為1300，偏差不得超過5C。所以燒成帶的燒結(jié)溫度是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要控制指標之一，因此將窯道燒成帶的溫度作為被控變量，將燃料的流量作為操縱變量。 為了保證陶瓷制品的質(zhì)量，必須嚴格控制燒成帶溫度1 ，為此采用調(diào)節(jié)閥來改變?nèi)剂系牧髁浚豢貙ο缶哂腥齻€熱容積，即燃燒室、隔焰板和燒成帶。,6,圖6-l即為隔焰隧道窯燒成帶溫度簡單控制系統(tǒng)工藝流程圖，原理方框圖如圖6-2所示。,按照我們前面學過的簡單控制系統(tǒng)，影響燒成帶溫度l的各種干擾因素都被包括在控制回路當中，只要干擾造成l偏離設定值，控制器就會根據(jù)偏差的情況，通過控制閥改變?nèi)剂系牧髁浚瑥亩炎兓说膌 重新調(diào)回到設定值。,7

4、,但實踐證明這種控制方案的控制質(zhì)量很差，遠遠達不到生產(chǎn)工藝的要求。原因就是從控制閥到窯道燒成帶滯后時間太大，如果燃料的壓力發(fā)生波動，盡管控制閥門開度沒變，但燃料流量將發(fā)生變化，必將引起燃燒室溫度的波動，再經(jīng)過隔焰板的傳熱、輻射，引起燒成帶溫度的變化。因為只有燒成帶溫度出現(xiàn)偏差時，才能發(fā)現(xiàn)干擾的存在，所以對于燃料壓力的干擾不能夠及時發(fā)現(xiàn)。燒成帶溫度出現(xiàn)偏差后，控制器根據(jù)偏差的性質(zhì)立即改變控制閥的開度，改變?nèi)剂狭髁?，對燒成帶溫度加以調(diào)節(jié)。可是這個調(diào)節(jié)作用同樣要經(jīng)歷燃燒室的燃燒、隔焰板的傳熱以及燒成帶溫度的變化這個時間滯后很長的通道，當調(diào)節(jié)過程起作用時，燒成帶的溫度已偏離設定值很遠了。也就是說，即使

5、發(fā)現(xiàn)了偏差，也得不到及時調(diào)節(jié)，造成超調(diào)量增大，穩(wěn)定性下降。如果燃料壓力干擾頻繁出現(xiàn)，對于單回路控制系統(tǒng)，不論控制器采用PID的什么控制作用，還是參數(shù)如何整定，都得不到滿意的控制效果。,8,假定燃料的壓力波動是主要干擾，發(fā)現(xiàn)它到燃燒室的滯后時間較小、通道較短，而且還有一些次要干擾，例如燃料熱值的變化、助燃風流量的改變以及排煙機抽力的波動等等（如圖6-2中用D2表示），都是首先進入燃燒室。人們會想，如果把燃燒室的溫度2測量出來并送控制器T2C，讓它來控制調(diào)節(jié)閥，那么調(diào)節(jié)動作就提前了許多。于是就出現(xiàn)了圖6-3所示的以燃燒室溫度2為被控變量的單回路控制系統(tǒng)。,9,制品的原料成分、窯車上裝載制品的數(shù)量以

6、及春夏秋冬、刮風下雨帶來環(huán)境溫度的變化等等（如圖6-2中用D1表示）。由于在這個控制系統(tǒng)中，燒成帶溫度不是被控變量，所以對于干擾D1造成燒成帶溫度的變化，控制系統(tǒng)無法進行調(diào)節(jié)。,這種控制系統(tǒng)對于上述的干擾有很強的抑制作用，不等到它們影響燒成帶溫度，就被較早發(fā)現(xiàn)，及時進行控制，將它們對燒成帶溫度的影響降低到最小限度。但是，我們也知道，還有直接影響燒成帶溫度的干擾，例如窯道中裝載制品的窯車速度、,10,溫度穩(wěn)定不變，所以燒成帶溫度控制器應該是定值控制，起主導作用。而燃燒室溫度控制器則起輔助作用。它在克服干擾D2的同時，應該受燒成帶溫度控制器的操縱，操縱方法就是燒成帶溫度控制器的輸出作為燃燒室溫度控

7、制器的設定值，從而就形成了圖6-4所示的串級控制系統(tǒng)。,比較上述兩個控制系統(tǒng)，它們各有自己的長處。第一種控制系統(tǒng)包括了所有干擾，第二種控制系統(tǒng)能對主要的和一些次要干擾提前發(fā)現(xiàn)，及早控制。如果能將兩個控制系統(tǒng)結(jié)合？起來，發(fā)揮各自優(yōu)勢，不是兩全其美嗎! 另外，控制燃燒室的溫度2并不是目的，真正的目的是燒成帶的,11,所謂串級控制系統(tǒng)，就是采用兩個控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副控制器的設定值，由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果。與圖6-4串級控制系統(tǒng)的工藝流程圖對應的原理方框圖如圖 6-5所示。,12,13,從圖中可以看到，串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)有一個顯著的區(qū)別，即其

8、在結(jié)構上形成了兩個閉環(huán)。一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或者副回路，在控制過程中起著“粗調(diào)”的作用；一個環(huán)在外面，被稱為主環(huán)或主回路，用來完成“細調(diào)”任務，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。無論主環(huán)或副環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對象、測量變送元件和調(diào)節(jié)器。,14,6.1.2 串級控制系統(tǒng)的組成 1串級控制系統(tǒng)的方框圖 根據(jù)隔焰式隧道窯串級控制系統(tǒng)的方框圖，可得串級控制系統(tǒng)標準方框圖如圖6-6所示。,15,2. 串級控制系統(tǒng)有關的術語 主、副回路 在外面的閉合回路稱為主回路（主環(huán)），在里面的閉合回路稱為副回路（副環(huán)）。 主、副控制器 處于主回路中的控制器稱為主控制器；處于副回路中的控制器稱為副控制器。 主、副被控變

9、量 主回路的被控交量稱為主被控變量，也稱為主變量或主參數(shù)；副回路的被控變量稱為副被控變量，也稱為副變量或副參數(shù)。,16,主、副對象 主回路所包括的對象稱為主對象；副回路所包括的對象稱為副對象。 主、副檢測變送器 檢測和變送主變量的稱為主檢測變送器；檢測和變送副變量的稱為副檢測變送器。 一、二次干擾進入主回路的干擾稱為一次干擾D1；進人副回路的干擾稱為二次干擾D2。,17,應該指出，系統(tǒng)中盡管有兩個調(diào)節(jié)器，它們的作用各不相同。 主調(diào)節(jié)器具有自己獨立的設定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設定值 副調(diào)節(jié)器的輸出信號則是送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。比較串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)，前者只比后者多了一個測量變送元件和一個

10、調(diào)節(jié)器，增加的儀表投資并不多，但控制效果卻有顯著的提高。,18,6l3 串級控制系統(tǒng)的工作過程 串級控制系統(tǒng)是由兩個控制器串聯(lián)工作的，只有副控制器的輸出去操縱控制閥，兩個控制器能否協(xié)調(diào)一致地工作，會不會發(fā)生矛盾，我們?nèi)砸愿粞媸剿淼栏G溫度串級控制系統(tǒng)為例來加以說明?？紤]到生產(chǎn)的安全，控制閥選擇“氣開”工作方式。兩個控制器都選擇“反”作用方式。（1）只存在二次干擾 （2）只存在一次干擾 (3)一次干擾和二次干擾同時存在,19,1. 只存在二次干擾 假定系統(tǒng)只受到來自燃料壓力波動的干擾。由于它進入副回路，所以屬于二次干擾D2。例如整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)下，突然燃料壓力升高，這時盡管控制閥門開度沒變，可

11、燃料的流量增大了，首先將引起燃燒室溫度2升高，經(jīng)副溫度檢測變送器后，副控制器接受的測量值增大。由于燃料流量的變化，并不能立即引起燒成帶溫度T1的變化。所以此時主控制器的輸出暫時還沒有變化，因此副控制器處于定值控制狀態(tài)。根據(jù)副控制器的“反”作用，其輸出將減小，“氣開”式的控制閥門將被關小，燃料流量將被調(diào)節(jié)回穩(wěn)定狀態(tài)時的大小。,20,如果這個干擾幅度并不大，經(jīng)副回路的調(diào)節(jié)，很快得到克服，不至于引起主變量的改變。如果這個干擾作用比較強，盡管副回路的控制作用已大大削弱了它對主變量的影響，但隨著時間的推移，主變量仍會受到它的影響偏離了穩(wěn)態(tài)值而升高。經(jīng)主溫度檢測變送器后，主控制器接受到的測量信號增大。主控

12、制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主控制器的輸出會減小。這就意味著副控制器的設定值減小，從而會使得副控制器在原來的基礎上變的更小，也即閥門開度也將再關小一點，以克服干擾對主變量的影響。,21,2. 只存在一次干擾 假定串級控制系統(tǒng)只受到來自窯車速度的干擾，比如窯車的速度加快，必然導致窯道中燒成帶溫度1的降低。對于定值控制的主控制器來說，其測量值減小，由于主控制器的“反”作用，它的輸出必然增大，也就是說副控制器的設定值增大了。因為窯車的速度屬于一次干擾，它對副變量（燃燒室的溫度2）沒有影響，所以這時副控制器的測量值暫時還沒有改變。對于副控制器來說，設定值增大而測量值沒變，可以等效為其設定值不

13、變而測量值減小。根據(jù)副控制器的“反”作用，其輸出將增大，“氣開”式的控制閥門開度增大，從而加大燃料的流量，使燃燒室溫度2升高，進而使窯道燒成帶溫度回升至設定值。,22,3. 一次干擾和二次干擾同時存在 兩種干擾同時存在又可分為兩種不同情況。 一次干擾和二次干擾引起主變量和副變量同方向變化，即同時增大或同時減小。 假定一次干擾為窯車的前進速度減小，將引起主變量（燒成帶溫度）l升高；二次干擾為燃料壓力增大，導致副變量（燃燒室溫度）2也升高。對于主控制器來講，由于它的測量值升高，根據(jù)它的“反作用關系，它的輸出將在穩(wěn)態(tài)時的基礎上減小，也就是副控制器的設定值將減小。而對于副控制器來講，由于它的測量值增大

14、，其輸出的變化應該根據(jù)它的“反”作用以及設定值和測量值的變化方向共同決定。不妨將設定值的變化等效為設定值不變而測量值變化的情況，設定值減小可以等效為設定值不變而測量值增大。根據(jù)副控制器的“反”作用關系，上述兩種作用都將使副控制器的輸出減小，都要求閥門開度關小。,23,此時調(diào)節(jié)閥的作用是主、副控制器作用的疊加。減小燃料的流量不僅是為了克服二次干擾把燃燒室的溫度調(diào)回到穩(wěn)態(tài)值，而且是使燃燒室的溫度比穩(wěn)態(tài)值更低一些用于克服一次干擾對主變量的影響。,24,一次干擾和二次干擾引起主、副變量反方向變化，即一個增大而另一個減小。 假定一次干擾為窯車前進速度增大，引起主變量（燒成帶溫度） l下降；二次干擾為燃料

15、壓力增大，導致副變量（燃燒室溫度）T2升高。對主控制器來說，由于其測量值減小，根據(jù)其“反”作用關系，它的輸出將增大，也將使副控制器的設定值增大。對副控制器來說，由于其測量值增大，設定值也增大，如果它們同步增大，幅度相同，即副控制器的輸入信號偏差沒有改變，控制器的輸出當然也就不變，控制閥開度不變。實際上就是用二次干擾補償了一次干擾，閥門無需調(diào)節(jié)。 如果兩個干擾引起副控制器的設定值和測量值的同向變化不相同，也就是說二次干擾還不足以補償一次干擾時，副控制器再根據(jù)偏差的性質(zhì)作小范圍調(diào)節(jié)即可將主變量穩(wěn)定在設定值上。,25,從串級控制系統(tǒng)的工作過程可以看出，兩個控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導，保證主變量

16、穩(wěn)定為目的，兩個控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合。尤其是對于二次干擾，副控制器首先進行“粗調(diào)”，主控制器再進一步“細調(diào)”。因此控制質(zhì)量必然高于簡單控制系統(tǒng)。,26,6.2 串級控制系統(tǒng)的分析,串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)相比，只是在結(jié)構上增加了一個副回路，但是實踐證明，對于相同的干擾，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量是簡單控制系統(tǒng)所無法比擬的。本節(jié)將從理論上對串級控制系統(tǒng)的特點加以分析。,27,6.2.1 增強系統(tǒng)的抗干擾能力,串級控制系統(tǒng)的副環(huán)具有快速作用，它能夠有效地克服二次擾動的影響?？梢哉f串級系統(tǒng)主是用來克服進入副回路的二次干擾的。,28,現(xiàn)在對圖6-7所示方框圖進行分析，可進一步揭示問題的本質(zhì)。 當二次

17、干擾經(jīng)過干擾通道環(huán)節(jié)Gd2(s)后，進入副環(huán)，首先影響副參數(shù)y2，于是副調(diào)節(jié)器立即動作，力圖消弱干擾對y2的影響。顯然，干擾經(jīng)過副環(huán)的抑止后再進入主環(huán)，對y1的影響將有較大的減弱。,29,按圖6-7所示串級系統(tǒng)，可以寫出二次干擾 D 2至主參數(shù)y1的；傳遞函數(shù)是,(6-1),30,為了與一個簡單回路控制系統(tǒng)相比較，由圖6-8可以很容易地得到單回路控制下D 2至y1的傳遞函數(shù)為,(6-2),31,比較式(6-l)和(6-2)。先假定 Gc(s)Gcl(s)，且注意到單回路系統(tǒng)中的 Gm(s)就是串級系統(tǒng)中的Gm1(s)，可以看到，串級中Y1(s)D2(s)的分母中多了一項，即Gc2(s)Gv(s

18、)Gp2(s)Gm2(s)。在主環(huán)工作頻率下，這項乘積的數(shù)值一般是比較大的，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大而加大；另外式(6-l)的分母中第三項比式(6-2)分母中第二項多了一個Gc2(s)。一般情況下，副調(diào)節(jié)器的比例增益是大于 l的。因此可以說，串級控制系統(tǒng)的結(jié)構使二次干擾 D2對主參數(shù)y1這一通道的動態(tài)增益明顯減小。當二次干擾出現(xiàn)時，很快就被副調(diào)節(jié)器所克服。與單回路控制系統(tǒng)相比，被調(diào)量受二次干擾的影響往往可以減小10-100倍，這要視主環(huán)與副環(huán)中容積分布情況而定。,32,6.2.2 改善對象的動態(tài)特性,由于串級控制系統(tǒng)中的副回路起了改善對象動態(tài)特性的作用，因此可以加大主控器的增益，提高系統(tǒng)

19、的工作頻率。,33,34,1.減少了對象的時間常數(shù) 分析圖6-7和6-8發(fā)現(xiàn)，串級系統(tǒng)中的副回路似乎代替了簡單控制系統(tǒng)中的一部分對象，即可以把整個副回路看成一個等效對象 ，即,假設副回路中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：,35,則,36,和 分別為等效對象的增益和時間常數(shù)。 由于在任何情況下， 都是成立的。因此有,這就表明，由于副回路的存在，起到改善動態(tài)特性的作用。等效對象的時間常數(shù)縮小了 倍，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大而減小。時間常數(shù)的減少，意味著控制通道的縮短，從而使得控制作用更及時，響應速度更快，控制質(zhì)量必然得到提高。,37,通常情況下，副對象是單容或雙容對象，因此副調(diào)節(jié)器的比例增益可以取得很大

20、，這樣，等效時間常數(shù)就可以減到很小的數(shù)值，從而加快了副環(huán)的響應速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。 由于等效對象的增益也減小了。這種減小不但不會影響控制質(zhì)量，反而此時串級控制系統(tǒng)中主控制器的增益Kc1可以整定得比簡單控制系統(tǒng)更大一些，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 另外，串級控制系統(tǒng)對進入系統(tǒng)中的一次干擾D1的抗干擾能力也有一定的提高。因為副回路的存在，減小了對象的時間常數(shù)，對于主回路來說，其控制通道縮短了，所以克服一次干擾比同等條件下的簡單控制系統(tǒng)及時了。,38,2.提高了系統(tǒng)的工作頻率 根據(jù)6-7所示的串級控制系統(tǒng)，可以得到其特征方程為：,將6-3式 代入上式：,整理后可得串級控制系統(tǒng)的特征方程為：,

21、39,假設主副回路各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為,代入上式整理后可得串級控制系統(tǒng)的特征方程為:,40,對比二階標準系統(tǒng)特征方程 ，可知串級控制系統(tǒng)的工作頻率為,而對于如圖6-8所示的簡單控制系統(tǒng)，特征方程為,注意 ，且注意到簡單控制系統(tǒng)中的 就是串級控制系統(tǒng)中的 后，將有關傳遞函數(shù)代入上式后整理得,41,對比標準二階系統(tǒng)的特征方程，同樣可得簡單控制系統(tǒng)的工作頻率為,如果假定通過控制器參數(shù)的整定，使得串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)的阻尼比(或衰減率)相同，即 ，則利用式6-10和6-12得,42,因為 ，所以 。即串級控制系統(tǒng)的工作頻率大于簡單控制系統(tǒng)的工作頻率。 由以上分析可知，串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，

22、使整個系統(tǒng)的工作頻率提高了，改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。當主、副對象的特性一定時，副控制器的增益Kc2整定的越大，這種效果越明顯。,43,6.2.3 對負荷變化有一定的自適應能力,眾所周知，生產(chǎn)過程往往包含一些非線性因素。隨著操作條件和負荷的變化，對象的靜態(tài)增益也將發(fā)生變化。因此，在一定負荷下，即在確定的工作點情況下，按一定控制質(zhì)量指標整定的控制器參數(shù)只適應于工作點附近的一個小范圍。如果負荷變化過大，超出這個范圍，那么控制質(zhì)量就會下降。在單回路控制中若不采取其它措施是難以解決的。但在串級系統(tǒng)中情況就不同了，負荷變化引起副回路內(nèi)個各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，可以較少影響或不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。,44,一方面可以

23、用式（6-3）所表示的等效副對象的來表示，即等效對象的傳遞函數(shù)為 一般情況下， ，因此 （6-13）,45,由式（6-13）可知，串級系統(tǒng)中的等效對象僅與測量變送裝置有關。如果副對象或調(diào)節(jié)閥的特性隨負荷變化時，對等效對象的影響不大。只要測量變送環(huán)節(jié)進行了線性化處理，副對象和調(diào)節(jié)閥的非線性特性對整個系統(tǒng)的控制品質(zhì)影響是很小的。因而在不改變控制器整定參數(shù)的情況下，系統(tǒng)的副回路能自動地克服非線性因素的影響，保持或接近原有的控制質(zhì)量。,46,另一方面，由于副回路通常是一個流量隨動系統(tǒng)，當系統(tǒng)操作條件或負荷改變時，主控制器將改變其輸出值，副回路能快速跟蹤及時而又精確地控制流量，從而保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。從

24、上述兩個方面看，串級控制系統(tǒng)對負荷的變化有一定自適應能力。,綜上所述，可以將串級控制系統(tǒng)具有較好的控制性能的原因歸納為： 對二次干擾有很強的克服能力； 改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率， 對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。,47,6.3 串級控制系統(tǒng)的設計,一般來說，一個設計合理的串級控制系統(tǒng)，當干擾從副回路進入時，其最大偏差將會減少到簡單控制系統(tǒng)的1/101/100。即使干擾是從主回路進入，其最大偏差也會減小到簡單控制系統(tǒng)的1/31/5. 主變量的選擇 如果把串級控制系統(tǒng)中整個閉環(huán)副回路作為一個等效對象來考慮，可以看到主回路與一般單回路控制系統(tǒng)沒有什么區(qū)別，主變量的選擇原則與

25、單回路控制系統(tǒng)的選擇原則是一致的，無須特殊討論。 下面就副回路的設計，副參數(shù)的選擇，主、副回路之間的關系，一個系統(tǒng)中有兩個控制器會產(chǎn)生什么問題等予以討論。,48,6.3.1 副回路的選擇,從上一節(jié)分析可知，串級系統(tǒng)的種種特點都是因為增加了副回路的緣故。可以說，副路的設計質(zhì)量是保證發(fā)揮串級系統(tǒng)優(yōu)點的關鍵所在。從結(jié)構上看，副回路也是一個單回路，問題的實質(zhì)在于如何從整個對象中選取一部分作為副對象，然后組成一個副控制回路，這也可以歸納為如何選擇副參數(shù)。下面是有關副回路設計的幾個原則。,49,1副參數(shù)的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應靈敏,通常串級系統(tǒng)被用來克服對象的容積滯后和純遲延。也就說

26、，總是這樣來選擇副參數(shù)，使得副回路時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，從而使等效對象的時間常數(shù)大大減小，提高了系統(tǒng)的工作頻率，加速了反應速度，縮短控制時間，最終改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 比如隔焰式隧道窯溫度串級控制系統(tǒng)，在組成系統(tǒng)時，選擇一個反應靈敏的溫度2作為副參數(shù)時，副對象是一個一階對象，它可以迅速反應燃料方面的干擾，然后加以克服，使得在主要干擾影響主參數(shù)之前就得到克服。副回路這種超前控制作用，必然使得控制質(zhì)量有很大提高。,50,2副回路應包含被控對象所受到的主要干擾,串級系統(tǒng)的副回路具有動作速度快，對二次干擾有較強的克服能力等特點。為了發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設計時，副參數(shù)的選擇應使得副環(huán)盡可能多地包括

27、一些擾動，特別是那些變化劇烈、幅度最大、頻繁出現(xiàn)的主要干擾應該包括在副回路中。當然也不能走極端，試圖把所有擾動都包括進去，這樣將使主調(diào)節(jié)器失去作用，也就不成其為串級控制了。因此，在要求副回路調(diào)節(jié)通道短、反應快與盡可能多地納入干擾這兩者之間存在著矛盾，應在設計中加以協(xié)調(diào)。 在具體情況下，將更多的干擾包括在副回路當中只是相對而言的，并不是副回路包括的干擾越多越好。,51,副回路的范圍應當多大，決定于整個對象的容積分布情況及各種擾動影響的大小。副回路的范圍也不是越大越好，太大了，副回路本身的調(diào)節(jié)性能差，克服干擾的靈敏度下降，其優(yōu)越性就體現(xiàn)不出來，同時，還可能使主回路的調(diào)節(jié)性能惡化。 一般應使副回路的

28、頻率比主回路的頻率高得多。當副回路的時間常數(shù)加在一起超過了主回路時，采用串級控制就沒有什么效果了。因此，在選擇副回路時，究竟把哪些干擾包括進去，應具體情況具體分析。,52,53,3. 應考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟性 以上對副變量選擇的討論都是從控制質(zhì)量角度來考慮的，而在實際應用時，首先要考慮生產(chǎn)工藝的要求。 副變量的選擇，應考慮工藝上主、副變量有對應關系，即調(diào)整副變量能有效地影響主變量，而且可以在線檢測。 串級控制系統(tǒng)的設計，有時從控制角度看是合理的、可行的，但從工藝角度看，卻是不合理的。這時就應該根據(jù)工藝的具體情況改進設計。 在副回路的設計中，若出現(xiàn)幾個可供選擇的方案時，應把經(jīng)濟原則和

29、控制品質(zhì)要求結(jié)合起來。在保證生產(chǎn)工藝要求的前提下，盡量選擇投資少、見效快、成本低、效益高的方案。這一思想應作為工程設計人員的指導原則。 操縱變量的選擇原則與簡單控制系統(tǒng)中的選擇原則基本相同。,54,1. 產(chǎn)生共振的原因 對于二階系統(tǒng)，當系統(tǒng)阻尼比0707時，二階系統(tǒng)的幅頻特性呈現(xiàn)一個峰值。如果外界干擾信號的頻率等于共振頻率，則系統(tǒng)進入諧振，或稱為共振。由自動控制理論可知，系統(tǒng)的工作頻率 和諧振頻率 與固有頻率 之間的關系如下： 系統(tǒng)幅頻特性 與 的關系圖如下：,6.3.2 主副回路工作頻率的選擇 為了避免串級系統(tǒng)發(fā)生共振，應使主、副對象的工作頻率匹配。,55,廣義共振區(qū)，廣義共振區(qū)的頻率范圍,

30、56,在串級控制系統(tǒng)中，如果主、副回路都是一個二階振蕩系統(tǒng)。主副回路是兩個相互獨立而又密切相關的回路。從副回路看，主控器每個時刻都向副回路輸送信號，相當于副回路一直受到從主回路來的一個連續(xù)干擾，這個干擾信號的頻率就是主回路的工作頻率 。從主回路看，副回路的輸出對主回路也相當于一個持續(xù)作用的干擾，這個干擾信號的頻率就是副回路的工作頻率 。,57,如果主、副回路的工作頻率很接近，彼此都落入對方的廣義共振區(qū)，那么在受到某種擾動作用時，主參數(shù)的變化進入副回路時會引起副回路中副參數(shù)波動振幅的增加，而副參數(shù)的變化傳送到主回路后，又迫使主參數(shù)的變化幅度增加，如此循環(huán)往復，就會使主、副參數(shù)長時間地大幅度地波動

31、，這就是所謂串級系統(tǒng)的共振現(xiàn)象。一旦發(fā)生了共振，系統(tǒng)就失去控制，不僅使控制品質(zhì)惡化，如不及時處理，甚至可能導致生產(chǎn)事故，引起嚴重后果。,58,2.串級系統(tǒng)的共振條件,先假定其主、副回路都是二階系統(tǒng)，而且都按4：1衰減曲線的要求進行整定，即系統(tǒng)阻尼比=0.216。從副回路看，主調(diào)節(jié)器無時無刻地向副回路輸送信號，相當于副回路一直受到從主回路來的一個連續(xù)性干擾。如果要避免副回路進入共振區(qū)，則主回路的工作頻率d1與副回路的共振頻率r2必須滿足下式：,59,由式6-14可知，在 時， 與 十分接近。故，對于副回路， 則有 ，則上式可以改寫為,同理，從主回路看，副回路的輸出對主回路也相當于一個持續(xù)作用的頻

32、率為 的干擾，為了避免主回路進入共振區(qū)，同理可得以下條件,60,考慮到副回路通常是快速回路，其工作頻率總是高于主回路的工作頻率，為了保證主、副回路進入共振區(qū)，從式6-18和式6-19可以得到的條件是,為確保串級控制系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的威脅，一般取,又知系統(tǒng)的工作頻率與時間常數(shù)近似成反比關系，所以在選擇副變量時，應考慮主副回路時間常數(shù)的匹配關系，,61,一般取 當然，為了滿足式(6-20)，使主回路的振蕩周期為3至10倍于副回路的周期，除了副回路設計中加以考慮外，還與主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)有關。 實際中T1/T2究竟取多大為好？,62,在實際應用中，比值T1/T2的取值一般原則： 如果串級控制系統(tǒng)

33、的目的主要是利用副回路的快速性和抗干擾能力強的特點去克服對象的主要干擾的話，那么副回路的時間常數(shù)以小一點為好，只要能夠準確地把主要干擾納入副回路就行了。 如果串級控制系統(tǒng)的目的是由于對象時間常數(shù)過大和滯后嚴重，希望利用副回路可以改善對象特性，那么副環(huán)時間常數(shù)可以取得適當大一些。 如果利用串級控制系統(tǒng)克服對象的非線性，那么主、副對象的時間常數(shù)又宜拉開一些。,63,6.3.3 主副控制器的選擇 主副控制器的選擇內(nèi)容包括主、副控制器控制規(guī)律的選擇，控制器正、反作用的選擇以及控制器積分飽和的預防。 1. 控制規(guī)律的選擇 在串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務不同，對于它們的選型即調(diào)節(jié)動作規(guī)律的選擇

34、也有不同考慮。,64,從串級控制系統(tǒng)的結(jié)構上看，主回路時一個定值控制系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器的任務是準確保持被控變量符合生產(chǎn)要求。凡是需要采用串級調(diào)節(jié)的場合，工藝上對控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許被控變量存在偏差，因此，主調(diào)節(jié)器都必須具有積分作用，一般都采用 PI調(diào)節(jié)器。如果副回路外面的容積數(shù)目較多，同時有主要擾動落在副回路外面的話，就可以考慮采用 PID調(diào)節(jié)器。,65,從結(jié)構上看，副回路既是隨動控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的任務是要快動作以迅速地抵消落在副環(huán)內(nèi)的二次擾動。而副變量則是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量，一般無嚴格的指標要求，即副變量并不要求無差，所以一般都選 P調(diào)節(jié)器，也可以采用

35、PD調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復雜性，而效果并不很大。在一般情況下，采用 P調(diào)節(jié)器就足夠了。如主、副環(huán)的頻率相差很大，也可以考慮采用 PI調(diào)節(jié)器。,66,2. 控制器正、反作用的選擇,與簡單控制系統(tǒng)一樣，一個串級控制系統(tǒng)要實現(xiàn)正常運行，其主、副回路都必須構成負反饋，因而必須正確選擇主、副控制器的正、反作用方式。,67,(1) 副控制器正、反作用的選擇 串級控制系統(tǒng)中，副控制器作用方式的選擇，是根據(jù)工藝安全等要求，在選定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式后，按照使副回路構成副反饋系統(tǒng)的原則來確定的。因此，副控制器的作用方式與副對象特性及調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式有關，其選擇方法與簡單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用方式

36、的選擇方法相同。這時可不考慮主控制器的作用方式，只是將主控制器的輸出作為副控制器的設定值即可。,68,在假定副測量變送裝置的增益為正的情況下，副控制器正反作用選擇的判別式為 （副控制器）（調(diào)節(jié)閥）（副對象）=（-） 其中，調(diào)節(jié)閥的“”取決于它的“氣開”還是“氣關”作用方式，“氣開”為“+”，“氣關”為“-”；而副對象的“”取決于控制變量和副被控變量的關系，控制變量增大，副被控變量也增大時稱其為“+”，否則稱其為“-”。,69,(2) 主控制器正、反作用的選擇 串級控制系統(tǒng)中，主控制器作用方式的選擇完全由工藝情況確定，而與調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關形式及副控制器的作用方式完全無關，即只需根據(jù)主對象的特性

37、，選擇與其作用方向相反的主控制器就行了。 由于副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，在選擇主控制器的作用方式時，首先把整個副回路簡化為一個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的輸入信號是主控制器的輸出信號（即副回路的設定值），而輸出信號就是副變量，其副回路的輸入信號與輸出信號之間總是正作用，即輸入增加，輸出亦增加。因此，整個副回路可看成為一個增益為正的環(huán)節(jié)。,70,這樣，在假定主測量變送裝置的增益為正的情況下，主控制器正、反作用的選擇實際上只取決于主對象的增益符號. 主控制器正反作用方式選擇的判別式為 （主控制器） (主對象）=（-） 由這個判別式也可看出，主控制器的作用方向與主對象的特性相反。即當主對象為正作用時，主控制器選反

38、作用；而當主對象為負作用時，主控制器選正作用。,71,在此還應說明一點，有些生產(chǎn)過程要求控制系統(tǒng)既可以進行申級控制，又可以由主控制器單獨控制。兩種控制方式切換時，要注意主控制器的正、反作用方式是否需要改變。 如果副控制器是反作用，切換時主控制器的作用方式無需改變；如果副控制器是正作用，切換時主控制器的作用方式必須改變。這一點在實施中要特別注意。,72,3. 防止控制器積分飽和的措施 對于具有積分作用的控制器，當系統(tǒng)長時間存在偏差而不能消除時，控制器將出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象。這一現(xiàn)象將造成系統(tǒng)控制品質(zhì)下降甚至失控。在串級控制系統(tǒng)中，如果副控制器只是P作用，而主控制器是PI或PID控制時，出現(xiàn)積分飽和的

39、條件與單回路控制系統(tǒng)相同，利用外部積分反饋法，只要在主控制器的反饋回路中加一個間歇單元就可以有效地防止積分飽和。,73,但是如果主、副調(diào)節(jié)器均具有積分作用，就存在兩個調(diào)節(jié)器輸出分別達到極限值的可能，此時，積分飽和的情況顯然比單回路系統(tǒng)要嚴重得多。雖然利用間歇單元可以防止副調(diào)節(jié)器的積分飽和，但對主調(diào)節(jié)器卻無所助益。如果由于任何原因副調(diào)節(jié)器不能對主調(diào)節(jié)器的輸出變化做出響應，主調(diào)節(jié)器將會出現(xiàn)積分飽和。同樣，當副調(diào)節(jié)器逐漸地到達飽和，那么主調(diào)節(jié)器的輸出無需到達極限，主回路就會開環(huán)，在這種情況下，必須采取其它抗積分飽和措施。,74,圖6-11所示為根據(jù)副回路的偏差來防止主調(diào)節(jié)器積分飽和的方案。,它是采用

40、副參數(shù)Y2(s)作為主控制器的外部反饋信號。在動態(tài)過程中，主控制器的輸出為,75,在系統(tǒng)工作正常時，Y2(s)應不斷跟蹤R2(s),即有 Y2(s)=R2(s)，此時主控制器的輸出可以寫成,從上式可以看出，主控制器實現(xiàn)比例積分動作。當副回路受到某種約束而出現(xiàn)長期的偏差，即 , 則主控制器的輸出R2(s)與輸入E1(s)之間存在比例關系，而由Y2(s)決定其偏置項。此時主控制器失去積分作用，在穩(wěn)態(tài)時有,76,顯然， r2不會因副回路偏差的長期存在而發(fā)生積分飽和。 這種方案的另一特點是將副回路包圍在主控制器的正反饋回路中，實現(xiàn)了補償反饋，這必定會改善主回路的性能。,77,6.4 串級控制系統(tǒng)的整定

41、,串級控制系統(tǒng)在結(jié)構上有主、副控制器相互關聯(lián)，兩個控制器的參數(shù)都需要進行整定。其中兩個控制器的任一參數(shù)值發(fā)生變化，對整個串級系統(tǒng)都有影響，因此，串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定要比簡單控制系統(tǒng)復雜一些。但參數(shù)整定的實質(zhì)都是相同的，這就是通過改變控制器的參數(shù)來改善控制系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性，從而獲得最佳的控制過程。所以，在整定串級控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)時，首先必須明確主、副回路的作用，以及對主、副變量的控制要求，然后通過控制器參數(shù)的整定，使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。,78,從整體上看，串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求主變量有較高的控制精度，其控制品質(zhì)的要求與簡單定值控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)要求相同；但一般而言，

42、串級控制系統(tǒng)的副回路是為了提高主回路的控制品質(zhì)而引入的一個隨動控制系統(tǒng)，因此，對副回路沒有嚴格的控制品質(zhì)要求，只要求副變量能夠快速、準確地跟蹤主控制的輸出變化，作為隨動控制系統(tǒng)考慮。這樣對副控制器的整定要求不高，從而使整定簡化。 由于兩個控制器完成任務的側(cè)重點不同，對控制品質(zhì)的要求也不同。因此，必須根據(jù)各自完成的任務和控制品質(zhì)要求去確定主、副控制器的參數(shù)。 下面介紹串級控制系統(tǒng)的幾種整定方法。,79,在一般情況下，既然主、副回路的頻率相差很多，互相之間的影響不大，這時就可以首先按通常整定簡單控制系統(tǒng)的方法整定副調(diào)節(jié)器。然后，在投入副調(diào)節(jié)器的情況下，再按通常方法把主調(diào)節(jié)器整定好。 如果由于受到副

43、參數(shù)選擇的限制，主、副回路的頻率比較接近時，它們之間的影響就比較大了。在這種情況下，就需要在主、副回路之間反復進行試湊，才能達到最佳的整定。這樣的反復試湊是很麻煩的。,6.4.1 逐步逼近法,80,逐步逼近法 它是一種依次整定副回路、主回路環(huán)，然后循環(huán)進行，逐步接近主、副環(huán)的最佳整定的一種方法，其步驟如下： (1)首先整定副環(huán) 此時斷開主環(huán)，按照單回路整定方法，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，得到第一次整定值，記作Gc2l。,81,(2)整定主環(huán) 把剛整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，仍按單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，記作Gc1l。 (3)再次整定副環(huán) 注意此時副回路、主回路都已閉合。在主調(diào)

44、節(jié)器的整定參數(shù)為Gc1l的條件下，按單回路整定方法，重新求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為Gc22。至此已完成一個循環(huán)的整定。,82,(4)重新整定主環(huán) 同樣是在兩個回路閉合、副調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為Gc22的情況下，重新整定主調(diào)節(jié)器，得到Gc12。 (5)如果調(diào)節(jié)過程仍未達到品質(zhì)要求，按上面、步繼續(xù)進行，直到控制效果滿意為止。 一般情況下，完成第(3)步甚至只要完成第(2)步就已滿足品質(zhì)要求，無需繼續(xù)進行。這種方法往往費時較多，尤其是副控制器也采用PI控制作用時。因此，逐步逼近法在一般情況下很少使用。,83,6.4.2 兩步整定法,當串級控制系統(tǒng)中主、副對象的時間常數(shù)相差較大，主副回路的動態(tài)聯(lián)系不緊密時，可

45、采用兩步法進行整定。這種整定方法的理論根據(jù)是由于主、副對象的時間常數(shù)相差很大，則主、副回路的工作頻率差別很大，當副回路整定好后，將副回路視作主回路的一個環(huán)節(jié)來整定主回路時，可認為對副回路影響很小，甚至可以忽略。另外，工業(yè)生產(chǎn)中，工藝上對主變量的控制要求較高，而對副變量的控制要求較低，多數(shù)情況下副變量的設置目的是為了進一步提高主變量的控制品質(zhì)。因此，當副控制器整定好以后，再去整定主控制器時，雖然多少會影響,84,副變量的控制品質(zhì)，但只要保證主變量的控制質(zhì)量，副變量的控制品質(zhì)差一點也是允許的。兩步法的整定步驟如下：,(1)先整定副環(huán) 在主、副環(huán)均閉合，主、副調(diào)節(jié)器都置于純比例作用條件下，將主調(diào)節(jié)器

46、的比例帶放在100處，按單回路整定法整定副環(huán)，這時得到副調(diào)節(jié)器的衰減率=075時比例帶2s和副參數(shù)振蕩周期T2s。,85,(2)整定主環(huán) 主、副環(huán)仍然閉合，副調(diào)節(jié)器置于2s值上，用同樣方法整定主調(diào)節(jié)器，得到主調(diào)節(jié)器在075下的比例帶1s值和被調(diào)量的振蕩周期T1s。 (3)依據(jù)上面兩次整定得到的1s、2s 和T1s與T2s，按所選調(diào)節(jié)器的類型，利用“衰減曲線法”的計算公式，分別求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。 (4) 按照“先副后主”、“先P后I再D”的順序，將計算出的參數(shù)設置在控制器上，做一些擾動實驗，觀察過渡過程曲線，做適當?shù)膮?shù)調(diào)整，直到符合控制要求為止。,86,6.4.3 一步整定法,兩步整定法

47、雖然比逐步逼近法簡便得多，但仍然要分兩步進行整定，要尋求兩個4：1的衰減振蕩過程,因而仍比較麻煩。人們在采用兩步法整定參數(shù)的實踐中，對兩步法反復進行總結(jié)、簡化，從而得到了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副控制器的比例度，然后按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定主控制器的參數(shù)。一步法的整定準確性雖然比兩步法低一些，但由于方法更簡便，易于操作和掌握，因而在工程上得到了廣泛的應用。,87,一步整定法是在工程實踐中被發(fā)現(xiàn)的。對于一個串級控制系統(tǒng)，在純比例控制的情況下，要得到主變量的4：1衰減振蕩過程，主、副控制器的放大系數(shù)Kc1、Kc2可以有好幾組搭配，它們的相互關系近似滿足Kc1Kc2=K

48、s（常數(shù)），如表6-2所示的實驗數(shù)據(jù)可以說明這一點。,88,當采用1至3組整定參數(shù)時，主變量均可得到4：1衰減振蕩過程，且過渡過程時間均在9min左右，而Ks一般為3.3。這說明主、副控制器的放大系數(shù)可以在一定范圍內(nèi)任意匹配，而控制效果基本相同。這樣就可以依據(jù)經(jīng)驗，先將副控制器的比例度確定一個數(shù)值，然后按一般單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法整定主控制器的參數(shù)。雖然副控制器按經(jīng)驗設置的比例度不一定很合適，但可以通過調(diào)整主控制器的比例度進行補償，使主變量最終得到4：1的衰減振蕩過程。,89,對副控制器的比例帶或放大系數(shù)的估計，可利用表6-2的經(jīng)驗數(shù)值進行確定。 一步整定法的具體步驟： 由表6-2選擇副控制器的比例度，使副回路按純比例控制運行。 將系統(tǒng)投人申級控制狀態(tài)運行，按單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定的方法對主控制器進行參數(shù)整定，使主變量的控制品質(zhì)最佳。,90,6.5 串