第5讲串级控制系统课件

第五讲第五讲 串级控制系统串级控制系统主讲：左 燕Email:2复杂调节系统复杂调节系统复杂调节系统类型：1、串级调节系统2、比值调节系统3、均匀调节系统4、前馈调节系统5、选择调节系统6、解耦调节系统7、分程调节系统8、简单的简单的单回路调节系统单回路调节系统：简单、应用广泛：简单、应用广泛复杂调节系统：1、对象特性比较复杂或难以控制 2、调节任务比较特殊或要求较高3主要内容主要内容串级控制系统组成串级控制系统组成串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的设计串级控制系统的设计串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用4例例例例：管式加热炉管式加热炉管式加热炉管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），其工艺要求是：其工艺要求是：其工艺要求是：其工艺要求是：炉出口温度保持恒定炉出口温度保持恒定炉出口温度保持恒定炉出口温度保持恒定。干扰：干扰：干扰：干扰：原料的流量、初始温度；原料的流量、初始温度；原料的流量、初始温度；原料的流量、初始温度；燃料的流量、燃料热值。燃料的流量、燃料热值。燃料的流量、燃料热值。燃料的流量、燃料热值。串级控制系统的组成串级控制系统的组成控制工艺：管式加热炉的任务是把原油或重油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。被加热的原料油流过炉膛四周的排管，由燃料油燃烧进行加热，原料油被加热到出口温度 工艺上要求该温度的波动不超过在加热的燃料油管道上装设一个调节阀，用来控制燃料油流量，以达到调节温度 的目的。5温度检测温度检测变送器变送器温度控温度控制器制器期望期望温度温度由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时；由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时；由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时；由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时；偏差大，控制质量差。偏差大，控制质量差。偏差大，控制质量差。偏差大，控制质量差。存在的问题：存在的问题：存在的问题：存在的问题：方案一：方案一：方案一：方案一：管式加热炉出口温度的单回路控制管式加热炉出口温度的单回路控制管式加热炉出口温度的单回路控制管式加热炉出口温度的单回路控制6方案二：方案二：方案二：方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（管式加热炉出口温度的间接控制（管式加热炉出口温度的间接控制（管式加热炉出口温度的间接控制（1 1 1 1）存在的问题：存在的问题：存在的问题：存在的问题：在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入口温在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入口温在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入口温在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间接控度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间接控度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间接控度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间接控制系统无法将变化了的温度调回来；制系统无法将变化了的温度调回来；制系统无法将变化了的温度调回来；制系统无法将变化了的温度调回来；期望期望流量流量流量检测流量检测变送器变送器流量控流量控制器制器7管式加热炉出口温度的间接控制（管式加热炉出口温度的间接控制（管式加热炉出口温度的间接控制（管式加热炉出口温度的间接控制（2 2 2 2）期望炉膛期望炉膛温度温度8 用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料油流量抑制燃料油流量的扰动的扰动方案三：方案三：方案三：方案三：加热炉出口温度与燃料流量的串级控制加热炉出口温度与燃料流量的串级控制加热炉出口温度与燃料流量的串级控制加热炉出口温度与燃料流量的串级控制同样：同样：同样：同样：加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油抑制燃料油 流量的扰动和热值扰动。流量的扰动和热值扰动。910例例2-火力发电厂过热蒸汽温度控制火力发电厂过热蒸汽温度控制生产工艺及控制要求生产工艺及控制要求出口蒸汽(高温)减温水入口蒸汽(低温)烟气入口蒸汽温度入口蒸汽流量减温器过热器减温水压力烟气温度烟气流量减温水流量蒸汽温度被调量：出口蒸汽温度调节量：减温水流量主要干扰因素：，。调节要求：稳定对象特性（减温器和过热器）：管道有较长纯滞后。过热器管壁金属的热容量很大11例例2-火力发电厂过热蒸汽温度控制火力发电厂过热蒸汽温度控制确定调节方案确定调节方案方案：问题：调节滞后太大，使 发生较大动态偏差。出口蒸汽(高温)减温水调节器入口蒸汽(低温)烟气减温器过热器：蒸汽温度：减温水流量12例例2-火力发电厂过热蒸汽温度控制火力发电厂过热蒸汽温度控制方案：问题：不够经济出口蒸汽(高温)减温水调节器入口蒸汽(低温)烟气减温器过热器：蒸汽温度调节器：减温水流量13例例2-火力发电厂过热蒸汽温度控制火力发电厂过热蒸汽温度控制方案：出口蒸汽(高温)减温水调节器入口蒸汽(低温)烟气减温器过热器：蒸汽温度调节器：减温水流量问题：最好14串级汽温调节系统串级汽温调节系统15串级控制系统的组成串级控制系统的组成 串级调节系统方块图：串级调节系统方块图：核心：核心：核心：核心：主调节器输出作为副调节器给定值，副调节器用于主调节器输出作为副调节器给定值，副调节器用于 控制执行阀。控制执行阀。串级控制系统：串级控制系统：串级控制系统：串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个就是由两个调节器串联在一起，控制一个就是由两个调节器串联在一起，控制一个就是由两个调节器串联在一起，控制一个 执行阀，实现定值控制的控制系统。执行阀，实现定值控制的控制系统。执行阀，实现定值控制的控制系统。执行阀，实现定值控制的控制系统。16串级控制系统的组成串级控制系统的组成 串级调节系统方块图：串级调节系统方块图：串级控制系统中常见的名词术语：串级控制系统中常见的名词术语：串级控制系统中常见的名词术语：串级控制系统中常见的名词术语：主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、副检测变送器，主、副回路。副检测变送器，主、副回路。副检测变送器，主、副回路。副检测变送器，主、副回路。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。17串级控制系统的组成串级控制系统的组成以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度-流量串级控制系统流量串级控制系统流量串级控制系统流量串级控制系统克服干扰的过程。克服干扰的过程。克服干扰的过程。克服干扰的过程。调节阀：调节阀：调节阀：调节阀：气开式气开式气开式气开式 温度调节器、流量调节器：温度调节器、流量调节器：温度调节器、流量调节器：温度调节器、流量调节器：反作用反作用反作用反作用18串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程设定值控制阀流 量控制器测量变送温 度控制器温度对象测量变送釜温流量对象扰动作用副回路扰动作用主回路气开反反假定系统在干扰作用之前处于稳定的“平衡”状态，即此时燃料油流量、压力和加热炉出口温度均维持不变。当某个时刻系统都受到扰动影响时，系统的“平衡”状态受到破坏，串级控制系统开始进行控制。以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度-流量串级控制系统流量串级控制系统流量串级控制系统流量串级控制系统克服干扰的过程。克服干扰的过程。克服干扰的过程。克服干扰的过程。19串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程情况一情况一 干扰来自燃料油流量的变化（二次干扰）干扰来自燃料油流量的变化（二次干扰）先副回路，先副回路，后主回路后主回路 初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控制器初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控制器初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控制器初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改变执行阀就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改变执行阀就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改变执行阀就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改变执行阀的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器的设当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器的设当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器的设当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器的设定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制，定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制，定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制，定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制，直到炉出口温度重新恢复到设定值直到炉出口温度重新恢复到设定值直到炉出口温度重新恢复到设定值直到炉出口温度重新恢复到设定值 。20串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程设定值控制阀流 量控制器测量变送温 度控制器温度对象测量变送釜温流量对象扰动作用副回路气开反反 燃料油流量燃料油流量燃料油流量燃料油流量 流量控制器输出流量控制器输出流量控制器输出流量控制器输出 出口温度出口温度出口温度出口温度 温度控制器输出温度控制器输出温度控制器输出温度控制器输出 流量控制器设定值流量控制器设定值流量控制器设定值流量控制器设定值 。情况一情况一 干扰来自燃料油流量的变化（二次干扰）干扰来自燃料油流量的变化（二次干扰）21串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程情况二情况二 干扰来自原料油方面的变化（一次干扰）干扰来自原料油方面的变化（一次干扰）例如当原料油入口温度突然增加时，炉膛温度上升，导致加热炉出口温度上升，温度控制器感受正偏差，于是它的输出下降，也就是流量控制器的给定值减小了，而其流量测量值暂时没变，因此，流量控制器感受到正偏差，于是它的输出下降，控制阀的开度将减小，燃料油的流量下降。这表明干扰作用于主对象时，串级控制也能有效的去克服干扰。22串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程情况二情况二 干扰来自原料油方面的变化（一次干扰）干扰来自原料油方面的变化（一次干扰）设定值控制阀流 量控制器测量变送温 度控制器温度对象测量变送釜温流量对象气开反反扰动作用主回路 出口温度出口温度出口温度出口温度 温度控制器输出温度控制器输出温度控制器输出温度控制器输出 流量控制器设定值流量控制器设定值流量控制器设定值流量控制器设定值 。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。23串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程情况三情况三 一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰和二次干扰同时存在(a)受干扰作用，主、副对象的变化方向相同 假如副回路干扰使得流量上升，流量控制器感受到正偏差，其输出将下降，需要将控制阀关小。同时，主回路干扰使得出口温度上升。此时，温度控制器感受到正偏差，其输出将下降，即，压力控制器的给定值减小了，因此，流量控制器感受到的正偏差将进一步增大，其输出进一步下降，就需要把控制阀进一步关小。这两个要求加在一起，阀门的开度大大减小。由于有副回路的存在，系统能更早，更快的克服干扰。设定值控制阀流 量控制器测量变送温 度控制器温度对象测量变送釜温流量对象扰动作用副回路气开反反扰动作用主回路24串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程情况三情况三 一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰和二次干扰同时存在(b)受干扰作用，主、副对象变化方向相反 假如主回路被加热原料油增加，该干扰使得出口温度降低，此时，温度控制器感受到负偏差，其输出将增大，即流量控制器的给定值增大了。而副回路干扰使得流量上升，流量控制器的测量值也增大了。此时，由于流量控制器的测量值和给定值都在增大，其偏差的大小和符号就要由这两者的增量的大小来决定。如果两者增量的大小相等，则完全抵消，偏差为零，其输出将保持不变，则控制阀开度不变。所以，在被控对象受干扰作用后，主副变量变化方向相反的情况下，串级系统比较稳定。设定值控制阀流 量控制器测量变送温 度控制器温度对象测量变送釜温流量对象扰动作用副回路气开反反扰动作用主回路25串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程情况三情况三 一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰和二次干扰同时存在主、副变量同向变化主、副变量同向变化 主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化，使得炉出口温度很快恢复到设定值。主、副变量反向变化主、副变量反向变化 两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回路控制系统。26在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器；有两个测量变送器。有两个控制器：主控制器和副控制器；有两个测量变送器。设定值控制阀流 量控制器干扰测量变送温 度控制器温度对象干扰测量变送釜温流量对象定值控制系统随动控制系统串级控制系统的特点串级控制系统的特点27在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特征，在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特征，使控制过程加快，具有超前控制的作用。使控制过程加快，具有超前控制的作用。Y对象2控制阀副控制器测量变送2对象1测量变送1主控制器F2F1XcbaY对象2X控制阀控制阀对象1F2F1测量变送abc 单回路控制系统单回路控制系统 串级控制系统串级控制系统串级控制系统的特点串级控制系统的特点28串级控制系统的特点串级控制系统的特点1 1、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰2 2、提高了系统的工作频率、提高了系统的工作频率、提高了系统的工作频率、提高了系统的工作频率3 3、减小了对象的时间常数、减小了对象的时间常数、减小了对象的时间常数、减小了对象的时间常数4 4、对负荷变化有一定的适应能力、对负荷变化有一定的适应能力、对负荷变化有一定的适应能力、对负荷变化有一定的适应能力291 1 1 1、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰输出对于输入的传递函数：输出对于输入的传递函数：输出对于输入的传递函数：输出对于输入的传递函数：串级控制系统的特点串级控制系统的特点30输出对于二次扰动的传递函数：输出对于二次扰动的传递函数：输出对于二次扰动的传递函数：输出对于二次扰动的传递函数：31单回路控制系统方框图如下：单回路控制系统方框图如下：单回路控制系统方框图如下：单回路控制系统方框图如下：32即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统（约（约（约（约10101010100100100100倍）。倍）。倍）。倍）。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。33串级控制系统的特点串级控制系统的特点2 2 2 2、提高了系统的工作频率、提高了系统的工作频率、提高了系统的工作频率、提高了系统的工作频率其特征方程式为：其特征方程式为：其特征方程式为：其特征方程式为：阻尼振荡频率为：阻尼振荡频率为：阻尼振荡频率为：阻尼振荡频率为：自然振自然振荡频率荡频率阻尼比阻尼比34双容对象的串级控制系统如下图所示：双容对象的串级控制系统如下图所示：双容对象的串级控制系统如下图所示：双容对象的串级控制系统如下图所示：同理可得：同理可得：同理可得：同理可得：35 串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间，提高了系统的快速性。间，提高了系统的快速性。间，提高了系统的快速性。间，提高了系统的快速性。363 3 3 3、减小了对象的时间常数、减小了对象的时间常数、减小了对象的时间常数、减小了对象的时间常数由由由由特点特点特点特点2 2 2 2可知副回路的传递函数：可知副回路的传递函数：可知副回路的传递函数：可知副回路的传递函数：式中：式中：式中：式中：等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意味着控等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意味着控等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意味着控等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度更快。制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度更快。制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度更快。制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度更快。37无串级时，开环传函：有串级时，开环传函：所以，串级控制可以减小或消除副对象的非线性。所以，串级控制可以减小或消除副对象的非线性。4 4 4 4、对负荷变化有一定的适应能力、对负荷变化有一定的适应能力、对负荷变化有一定的适应能力、对负荷变化有一定的适应能力381.1.串级控制系统副参数的选择及副回路的设计串级控制系统副参数的选择及副回路的设计 主副变量间应有一定的内在联系 系统的主要干扰应包围在副回路中 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生。即主副时间常数不能太接近 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后串级控制系统设计串级控制系统设计39串级控制系统设计串级控制系统设计2.主变量的选择主变量的选择 与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求的参数作为主变量。3.副变量的选择副变量的选择选择原则：选择原则：选择原则：选择原则：（1）在保证副回路时间常数较在保证副回路时间常数较 小的前提下，使其纳入主小的前提下，使其纳入主 要的和更多的干扰要的和更多的干扰副回路包含的干扰越多，其通道越长，克服干扰的灵敏度越低。40串级控制系统设计串级控制系统设计（2）应使主、副对象的时间常数匹配应使主、副对象的时间常数匹配副回路工作频率副回路工作频率副回路工作频率副回路工作频率为确保串联系统不产生共振，一般取为确保串联系统不产生共振，一般取为确保串联系统不产生共振，一般取为确保串联系统不产生共振，一般取主回路工作频率主回路工作频率主回路工作频率主回路工作频率（3 3）应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性）应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性3.副变量的选择副变量的选择41串级控制系统设计串级控制系统设计（1 1 1 1）控制规律的选择）控制规律的选择）控制规律的选择）控制规律的选择主控制器：主控制器：主控制器：主控制器：一般用一般用一般用一般用 P P P P精度要求较高精度要求较高精度要求较高精度要求较高 PIPIPIPI主对象滞后较大主对象滞后较大主对象滞后较大主对象滞后较大 PIDPIDPIDPID副控制器：副控制器：副控制器：副控制器：一般用一般用一般用一般用 P P P P精度要求较高精度要求较高精度要求较高精度要求较高 PIPIPIPI4.主、副控制器的选择主、副控制器的选择副对象时间常数过小副对象时间常数过小副对象时间常数过小副对象时间常数过小 PIPIPIPI42串级控制系统设计串级控制系统设计4.主、副控制器的选择主、副控制器的选择（2 2 2 2）主、副控制器正反作用方式的选择）主、副控制器正反作用方式的选择）主、副控制器正反作用方式的选择）主、副控制器正反作用方式的选择“先副后主先副后主先副后主先副后主”n 首先根据控制阀的气开、气关形式和副对象的放大倍数决定首先根据控制阀的气开、气关形式和副对象的放大倍数决定副控制器正、反作用方式，即使副控制器正、反作用方式，即使 乘积为正。乘积为正。n 将副回路当作一个正环节，对主回路进行考虑，方法同上。将副回路当作一个正环节，对主回路进行考虑，方法同上。43串级控制系统设计串级控制系统设计控制阀：从安全角度考虑，选择气开型控制阀，Kv0副被控对象：燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此Kp20副控制器，为保证负反馈，应满足Kc2.Kv.Kp2.Km20,因为Km20，应选Kc20，即选用反作用控制器。主副控制器正反作用的选择实例主副控制器正反作用的选择实例主被控对象：当炉膛温度升高，出口温度升高，因此Kp10主控制器，为保证负反馈，应满足Kc1.Kp1.Km10，因为Km10，应选Kc10,即选用反作用控制器。44串级控制系统设计串级控制系统设计气开式气开式气开式气开式反作用反作用反作用反作用反作用反作用反作用反作用当扰动或负荷变化使得炉膛温度升高时，因副控制器是反作用，因此，控制器输出减小；控制阀是气开型，因此控制阀开度减小，燃料量减小，使炉膛温度下降。同时，炉膛温度升高，使出口温度升高，通过反作用的主控制器，使副控制器的设定降低，通过副控制回路的调节，减小燃料量，降低炉膛温度，进而降低出口温度，以保持出口温度恒定。45串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定副回路：副回路：是一个随动系统，一般对其控制品质要求不高，是一个随动系统，一般对其控制品质要求不高，对其快速性要求较高。对其快速性要求较高。主回路：主回路：是一个定值控制系统，其控制品质和单回路控制是一个定值控制系统，其控制品质和单回路控制 系统一样。系统一样。参数整定的方法：参数整定的方法：逐步逼近法逐步逼近法两两步整定法步整定法一步整定法一步整定法46调节算法整定调节算法整定1 1 1 1、主副环频率相差较大时的参数整定、主副环频率相差较大时的参数整定、主副环频率相差较大时的参数整定、主副环频率相差较大时的参数整定按单回路算法参数整定法整定整定参数投入对等效对象，参数。切除主调节器 主环开环 按单回路算法参数整定法47调节算法整定调节算法整定2.2.二步整定法二步整定法a、主环闭环用“衰减曲线法“整定参数副环在时的 ，此时比例度为 。的比例度置于 的b、等效对象 包括副回路和主对象对用”衰减曲线法“整定投运副调节器即副环投运主环即 。483.一步法一步法 根据经验先将副控制器参数设定好，然后按照一般单回路系统的整定方法直接整定主控制器参数：根据副变量的类型，选好副控制器参数。并将其放于副控制器上(副控制器只用P控制器)。将串级系统投运后，按单回路系统整定方法直接整定主控制器参数。在主、副环均闭合的情况下适当调整主控制器的参数，使主变量的品质指标达到规定的质量要求。如果系统出现振荡，只要加大主、副控制器的任一参数值，就可消除。如果“共振”剧烈，可先转入手动，待生产稳定后，再在比产生“共振”时略大的控制器参数下重新投运和整定，直至达到满意时为止。调节算法整定调节算法整定49串级控制系统仿真研究串级控制系统仿真研究(1)某隧道窑炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温某隧道窑炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、度为主变量，燃烧室温度为副变量的串级控制系统中主、副对象的传递函数副对象的传递函数G1和和G2分别为：分别为：试分别采用单回路控制和串级控制设计为主、副试分别采用单回路控制和串级控制设计为主、副PIDPID控制控制器的参数。器的参数。50Simulink 模型模型51控制器参数控制器参数单回路单回路PID控制器设计控制器设计串级控制主、副串级控制主、副PID控制器设计控制器设计 副回路采用P控制：主回路采用PI控制：52阶跃响应输入阶跃响应输入单回路控制：稳态误差0，超调量0.52，上升时间12.8s，调节时间136s，衰减比0.75串级控制：稳态误差0，超调量0.44，上升时间36.6s，调节时间38s，衰减比0.7553二次扰动下系统输出响应二次扰动下系统输出响应54一次扰动下系统输出响应一次扰动下系统输出响应55串级控制系统仿真研究串级控制系统仿真研究(1)某精馏塔提馏段，要求控制提馏段温度某精馏塔提馏段，要求控制提馏段温度T，操纵变量为蒸汽，操纵变量为蒸汽流量流量Q。Pv为蒸汽控制阀阀前压力（蒸汽回路的主要扰动），为蒸汽控制阀阀前压力（蒸汽回路的主要扰动），F为进料量，为温度回路的主要扰动。为进料量，为温度回路的主要扰动。试分别采用单回路控制和串级控制设计为主、副试分别采用单回路控制和串级控制设计为主、副PIDPID控制器控制器的参数。的参数。56Simulink 模型模型57控制器参数控制器参数单回路单回路PID控制器设计控制器设计串级控制主、副串级控制主、副PID控制器设计控制器设计 副回路采用PI控制：主回路采用PID控制：58阶跃输入响应输出阶跃输入响应输出单回路控制：稳态误差0，超调量0.118，上升时间14.3s，调节时间23.6s，衰减比0.75串级控制：稳态误差0，超调量0.07，上升时间12s，调节时间20s，衰减比0.7559二次扰动下系统输出响应二次扰动下系统输出响应60一次扰动下系统输出响应一次扰动下系统输出响应61串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用设计指导思想：设计指导思想：设计指导思想：设计指导思想：如果用单回路控制系统能够满足控制性能要如果用单回路控制系统能够满足控制性能要如果用单回路控制系统能够满足控制性能要如果用单回路控制系统能够满足控制性能要 求，就不用串级控制等复杂控制系统。求，就不用串级控制等复杂控制系统。求，就不用串级控制等复杂控制系统。求，就不用串级控制等复杂控制系统。1 1、应、应用于用于容量滞后较大容量滞后较大的过程的过程2 2、应、应用于用于纯延时较大纯延时较大的过程的过程3 3、应、应用于用于有变化剧烈和幅度较大扰动有变化剧烈和幅度较大扰动的过程的过程4 4、应、应用于用于非线性过程非线性过程5 5、自校正设定值、自校正设定值串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用621 1 1 1、应、应、应、应用于容量滞后较大的过程用于容量滞后较大的过程用于容量滞后较大的过程用于容量滞后较大的过程温度温度温度温度、质量质量质量质量等等等等容量滞后较大且容量滞后较大且容量滞后较大且容量滞后较大且控制质量要求较高控制质量要求较高控制质量要求较高控制质量要求较高的系统的系统的系统的系统例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统原料油热值变化引起炉膛温度变化只需原料油热值变化引起炉膛温度变化只需原料油热值变化引起炉膛温度变化只需原料油热值变化引起炉膛温度变化只需3 3 3 3分钟分钟分钟分钟串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用(1)63串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用(2)2 2 2 2、应、应、应、应用于纯延时较大的过程用于纯延时较大的过程用于纯延时较大的过程用于纯延时较大的过程 当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。例：网前箱温度例：网前箱温度例：网前箱温度例：网前箱温度-温度串级控制系统温度串级控制系统温度串级控制系统温度串级控制系统单回路控制：单回路控制：单回路控制：单回路控制：串级控制：串级控制：串级控制：串级控制：64串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用(4)3 3 3 3、应、应、应、应用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统要求：要求：要求：要求：单回路控制：单回路控制：单回路控制：单回路控制：串级控制：串级控制：串级控制：串级控制：65串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用(4)4 4 4 4、应、应、应、应用于非线性过程用于非线性过程用于非线性过程用于非线性过程 对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时，对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时，对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时，对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时，会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。例：合成反应炉中部温度与进气口温度的串级控制系统例：合成反应炉中部温度与进气口温度的串级控制系统例：合成反应炉中部温度与进气口温度的串级控制系统例：合成反应炉中部温度与进气口温度的串级控制系统非线性设备非线性设备非线性设备非线性设备66串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用(5)5 5 5 5、自校正设定值、自校正设定值、自校正设定值、自校正设定值 串级控制系统中，副控制器的设定值是由主控制器的输出串级控制系统中，副控制器的设定值是由主控制器的输出来决定的，而主控制器的输出又是随主变量的变化而产生的。来决定的，而主控制器的输出又是随主变量的变化而产生的。因此，凡是被控量的设定值需要随另一被控量的变化而变化因此，凡是被控量的设定值需要随另一被控量的变化而变化时，都可用串级控制系统来实现。时，都可用串级控制系统来实现。例：进加料器的一次风压力与一次风流量的串级控制系统例：进加料器的一次风压力与一次风流量的串级控制系统例：进加料器的一次风压力与一次风流量的串级控制系统例：进加料器的一次风压力与一次风流量的串级控制系统注意：注意：注意：注意：此系统对主变量此系统对主变量此系统对主变量此系统对主变量的要求并不严格，而的要求并不严格，而的要求并不严格，而的要求并不严格，而主要希望副变量能够主要希望副变量能够主要希望副变量能够主要希望副变量能够迅速地随主变量的变迅速地随主变量的变迅速地随主变量的变迅速地随主变量的变化而变化，在参数整化而变化，在参数整化而变化，在参数整化而变化，在参数整定时要加以注意。定时要加以注意。定时要加以注意。定时要加以注意。67知识点知识点串级控制系统串级控制系统 串级控制系统基本组成 串级控制的特点（与简单控制系统相比）副变量的选择（结合典型设备）串级控制系统主、副控制器的控制规律选择 串级控制系统主、副控制器正、反作用 动态特性分析：串级控制系统如何消除扰动68要求掌握串级系统的基本概念、组成（结构图、方块图）以要求掌握串级系统的基本概念、组成（结构图、方块图）以及串级系统工作过程的分析。了解串级系统中副回路的性质、及串级系统工作过程的分析。了解串级系统中副回路的性质、副回路的设计原则。能够进行主、副控制器正反作用的确定副回路的设计原则。能够进行主、副控制器正反作用的确定和控制规律的选择，串级控制系统的设计与实施以及串级系和控制规律的选择，串级控制系统的设计与实施以及串级系统的整定。统的整定。1串级控制系统都有哪些优点？如何才能发挥串级控制的串级控制系统都有哪些优点？如何才能发挥串级控制的作用？作用？2如何选择串级控制系统的主、副控制器的控制规律？如何选择串级控制系统的主、副控制器的控制规律？3副参数选择的原则是什么？副参数选择的原则是什么？4如何确定串级控制系统中主、副控制器的正、反作用？如何确定串级控制系统中主、副控制器的正、反作用？它们与控制阀的开闭形式有什么关系？它们与控制阀的开闭形式有什么关系？5什么是主控？如何进行主控与串级的切换？什么是主控？如何进行主控与串级的切换？6串级系统投运时需注意什么？串级系统投运时需注意什么？串级控制系统串级控制系统69练习题练习题某物料加热后与添加料混合，工艺要求混合时物料温度o稳定，工艺采用改变换热器蒸汽流量Qs来稳定罐内温度o。影响o的因素有：阀前蒸汽压力Ps，冷物料流量Qi和温度i，环境温度c等。为提高温度控制系统的动态品质，克服扰动影响，拟采用串级为提高温度控制系统的动态品质，克服扰动影响，拟采用串级控制，试确定控制，试确定:(1)控制阀气开，气关形式；控制阀气开，气关形式；(2)控制阀正反作控制阀正反作用；用；(3)控制系统方框图和带控制点的工艺流程图；控制系统方框图和带控制点的工艺流程图；(4)确定控确定控制器的正反作用；制器的正反作用；(5)如果蒸汽阀门压力突然增大，温度控制如果蒸汽阀门压力突然增大，温度控制系统如何克服扰动？系统如何克服扰动？(6)如果冷物料流量突然增加，温度控制如果冷物料流量突然增加，温度控制系统如何克服扰动？系统如何克服扰动？70为保证精馏塔提馏段重组分产品质量，拟采用以再沸器热蒸汽流量为副变量、提馏段灵敏板温度为主变量的串级控制方案，工艺要求在供气中断时切断热源，试：1）确定控制阀气开、气关特性。2）确定控制阀的正反作用。3）画出控制系统方块图。4）简单说明流量副回路的主要作用。5）确定主控制器的正反作用。6）确定副控制器的正反作用。7）由于扰动的影响，使蒸汽流量突然增大，简述串级控制系统如何克服该扰动。8）由于扰动的影响，使提馏段的温度突然升高，简述串级控制系统如何克服该扰动。71Thank you!