第4章串級控制系統

Cascadecontrolsystems

4.1發展概況與組成4.2工作過程與特點4.3設計4.4整定4.5應用 4.1發展概況與組成

一、發展

結構簡單，但難于適應工藝參數間關系比較復雜的控制，特別是現代大規模工業生產。 單回路控制系統：4.1發展概況與組成

一、發展 單回路控制系統：結構簡單，但難于適應工藝參數間關系比較復雜的控制，特別是現代大規模工業生產。復雜控制系統：具有兩個以上的檢測變送單元、或控制器、或執行器，能完成一些復雜或特殊的任務

串級控制系統：對改善控制品質有獨到之處，故而在過程控制系統中應用很廣泛。4.1發展概況與組成

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回路先改變燃料量T1T、T1C回路再改變燃料量出料溫度變化措施：在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化，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發展概況與組成

三、組成1、系統框圖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定爐膛溫度設定爐膛實際溫度出料實際溫度4.1發展概況與組成

三、組成2、串級系統標準框圖主對象副對象副控制器調節閥主控制器副變送器主變送器一次擾動二次擾動設定副變量主變量主、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發展概況與組成

三、組成3、結構特點系統有兩個閉合回路，形成主、副(內、外)環。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)發生擾動——干擾進入副回路進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)發生擾動——干擾進入主回路對進入主回路的干擾，雖然副變送器不能提前測出，但副回路的閉環負反饋，使對象爐膛部分特性的時間常數大為縮短，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↑→副控制器調節燃料的流量，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定值↑以上使得副控的輸入偏差基本不變，不作調節，也會使目標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)－單回路控制系統框圖：X2(s)4.2工作過程與特點

二、工作特點串級系統等效副對象的傳函：單回路系統4.2工作過程與特點

二、工作特點T02′K02′串級系統等效副對象的傳函：<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)的調整余量大1、放大系數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

改善動態性能，提高控制質量2、時間常數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、工作頻率系統的工作頻率ωcyt振蕩頻率相同，衰減比↑，調節時間↓，過程快衰減比相同，振蕩頻率↑，振蕩周期↓，調節時間↓，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、工作頻率從系統特征方程：1+Gc1(s)G’02(s)G01(s)Gm1(s)=0求串級系統的工作頻率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，說明主環通道時間常數被縮短，加快了系統的控制速度，克服干擾能力增強。4.2工作過程與特點

二、工作特點5、自適應能力

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

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

二、工作特點5、自適應能力(1)串級控制將部分對象包含在副回路中，工藝負荷或操作條件變化時，主控制器隨時調整副控制器的設定值，調節系統仍然具有較好的控制質量。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、自適應能力(2)放大系數只與檢測變送有關，G02(s)的非線性特性對等效K02′影響不大，適應能力強Gc1(s)Gc2(s)X1(s)Y1(s)-GV(s)+G02(s)