复杂过程控制系统--串级控制.ppt

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CompanyLOGO第四章第四章复杂过程控制系统复杂过程控制系统v串级控制串级控制v前馈控制前馈控制v大滞后补偿控制大滞后补偿控制v比值控制比值控制v分程与选择性控制分程与选择性控制v多变量解耦控制多变量解耦控制v模糊控制模糊控制v预测控制预测控制单回路系统的局限单回路系统的局限v仅仅适适用用于于比比较较简简单单的的单单输输出出生生产产过过程程的的控控制制，不不能解决多输出过程的控制问题。

能解决多输出过程的控制问题。

v即即使使是是简简单单的的单单输输出出生生产产过过程程，也也存存在在这这样样的的情情况况，如如其其调调节节对对象象的的动动态态特特性性决决定定了了它它很很难难控控制制（如如过过程程的的滞滞后后常常数数很很大大或或扰扰动动量量很很大大）；或或调调节节对对象象的的动动态态特特性性虽虽不不复复杂杂，但但工工艺艺对对调调节节质质量量的的要求很高或很持殊。

要求很高或很持殊。

v现现代代工工业业生生产产过过程程对对产产品品的的产产量量、质质量量，对对提提高高生生产产效效率率、降降耗耗节节能能以以及及环环境境保保护护提提出出了了更更高高的的要要求求，使使工工业业生生产产过过程程对对操操作作条条件件要要求求更更加加严严格格，对对工工艺艺参参数数要要求求更更加加苛苛刻刻，从从而而对对控控制制系系统统的的精精度和功能要求更高。

度和功能要求更高。

CompanyLogo第一节第一节串级串级（Cascade）控制控制一、串级控制系统的结构与工作过程一、串级控制系统的结构与工作过程CompanyLogov方案一：

图方案一：

图41a（单回路单回路）v被控参数：

炉的出口温度被控参数：

炉的出口温度T1（直接参数直接参数）v控制参数：

燃料量控制参数：

燃料量v主主要要扰扰动动：

被被加加热热物物料料的的流流量量和和初初温温f1（t），燃燃料料热热值值的的变变化化、压压力力的的波波动动、流流量量的的变变化化f2（t），烟囱挡板位置的改变、抽力的变化烟囱挡板位置的改变、抽力的变化f3（t）.v系系统统特特点点：

所所有有对对被被控控参参数数的的扰扰动动都都包包含含在在这这个个回回路路中中，理理论论上上都都可可由由温温度度调调节节器器予予以以克克服服，但但是是控控制制通通道道的的时时间间常常数数和和容容量量滞滞后后较较大大，控控制制作作用用不不及及时时，系系统统克克服服扰扰动动的的能能力力较较差差，不不能能满满足生产工艺要求。

足生产工艺要求。

CompanyLogov方案二：

图方案二：

图41b（单回路单回路）v被控参数：

炉膛温度被控参数：

炉膛温度T2（间接参数间接参数）v控制参数：

燃料量控制参数：

燃料量v主主要要扰扰动动：

被被加加热热物物料料的的流流量量和和初初温温f1（t），燃燃料料热热值值的的变变化化、压压力力的的波波动动、流流量量的的变变化化f2（t），烟囱挡板位置的改变、抽力的变化烟囱挡板位置的改变、抽力的变化f3（t）。

v系系统统特特点点：

能能及及时时有有效效地地克克服服扰扰动动f2（t）、f3（t），但但是是扰扰动动f1（t）未未包包括括在在系系统统内内，系系统统不不能能克克服服扰扰动动f1（t）对对炉炉出出口口温温度度的的影影响响，仍仍然然不不能能达到生产工艺要求。

达到生产工艺要求。

CompanyLogov方案三：

图方案三：

图42（串级串级）主被控参数主被控参数（主参数主参数）：

炉出口温度：

炉出口温度T1副被控参数副被控参数（副参数副参数）：

炉膛温度：

炉膛温度T2CompanyLogo名词术语：

名词术语：

主回路、副回路主回路、副回路主参数、副参数主参数、副参数主过程、副过程主过程、副过程（对象对象）主调节器、副调节器主调节器、副调节器一次扰动、二次扰动一次扰动、二次扰动CompanyLogo加热炉串级控制系统的工作过程加热炉串级控制系统的工作过程当当处处在在稳稳定定工工况况时时，被被加加热热物物料料的的流流量量和和温温度度不不变变，燃燃料料的的流流量量与与热热值值不不变变，烟烟囱囱抽抽力力也也不不变变，炉炉出出口口温温度度和和炉炉膛膛温温度度均均处处于于相相对对平平衡衡状状态态，调调节节阀阀保保持持一一定定的的开开度度，此此时时炉炉出出口口温温度度稳稳定定在在给给定定值值上上，当当扰扰动动破破坏坏了了平平衡衡工工况况时时，串串级级控控制制系系统统便便开开始始了了其其控控制制过过程程。

根根据据不不同同的的扰扰动动，分分三种情况：

三种情况：

1.燃料压力、热值变化燃料压力、热值变化f2（t）和烟筒抽力变化和烟筒抽力变化f3（t）-二次扰动或副回路扰动二次扰动或副回路扰动2.被加热物料的流量和初温变化被加热物料的流量和初温变化f1（t）-一次扰动一次扰动或主回路扰动或主回路扰动CompanyLogo3.一次扰动和二次扰动同时存在一次扰动和二次扰动同时存在假假设设调调节节阀阀为为气气开开式式，主主、副副调调节节器器均均为为反反作作用用。

如如果果一一、二二次次扰扰动动的的作作用用使使主主、副副被被控控参参数数同同时时增增大大或或同同时时减减少少，主主、副副调调节节器器对对调调节节阀阀的的控控制制方方向向是是一一致致的的，即即大大幅幅度度关关小小或或开开大大阀阀门门，加加强强控控制制作作用用，使使炉炉出出口口温温度度很很快快调调回回到到给给定定值值上。

上。

如如果果一一、二二次次扰扰动动的的作作用用使使主主、副副被被控控参参数数一一个个增增大大（炉炉出出口口温温度度升升高高），另另一一个个减减小小（燃燃料料量量减减少少，即即炉炉膛膛温温度度降降低低），此此时时主主、副副调调节节器器控控制制调调节节阀阀的的方方向向是是相相反反的的，调调节节阀阀的的开开度度只只要要作作较较小变动即可满足控制要求。

小变动即可满足控制要求。

CompanyLogo二、串级控制系统的特点与分析二、串级控制系统的特点与分析在在结结构构上上与与电电力力传传动动自自动动控控制制系系统统中中的的双双闭闭环环系系统统相相同同（比比单单回回路路系系统统多多了了一一个个副副回回路路），其其系统特点与分析方法亦基本相同。

系统特点与分析方法亦基本相同。

主回路主回路（外环外环）：

定值控制系统：

定值控制系统副回路副回路（内环内环）：

随动控制系统：

随动控制系统与与单单回回路路系系统统相相比比，串串级级控控制制系系统统多多用用了了一一个个测测量量变变送送器器与与一一个个控控制制器器（调调节节器器），增增加加的的投投资资并并不不多多（对对计计算算机机控控制制系系统统来来说说，仅仅增增加加了了一一个个测测量量变变送送器器），但但控控制制效效果果却却有有显显著著的的提提高高，其其原原因因在在于于串串级级控控制制系系统统中中增增加加了了一一个个包包含含二二次次扰扰动动的副回路。

的副回路。

CompanyLogo（一一）改善了被控过程的动态特性改善了被控过程的动态特性CompanyLogo副回路闭环传递函数副回路闭环传递函数设设W02（s）=K02/（T02s+1），Wc2（s）=Kc2，Wv（s）=Kv，Wm2（s）=Km2，可得可得式中式中-等效被控过程的放大系数等效被控过程的放大系数-等效被控过程的时间常数等效被控过程的时间常数CompanyLogo可见可见T02仅仅为为T02的的1/（1+Kc2Kv2K02Km2）。

而而且且随随着着Kc2的的增增大大这这种种效效果果更更显显著著。

如如果果匹匹配配得得当当，副副回回路路可可近近似似为为1：

1的的环环节节。

这这样样对对主主调调节节器器来来说说，其其等等效效被被控控过过程程只只剩剩下下不不包包括括在在副副回回路路之之内内的的一一部部分分被被控控过过程程，所所以以其其容容量量滞滞后后减减小小了了，过过程程的的动动态态特特性性得得到到显显著著改改善善，使使系系统统的的响响应应加加快快，控控制制更为及时，从而提高了系统的控制质量。

更为及时，从而提高了系统的控制质量。

串串级级控控制制系系统统由由于于增增加加了了一一个个副副回回路路，使使等等效效被被控控过过程程的的时时间间常常数数减减小小了了，改改善善了了系系统统的的动动态态特特性。

（频域分析略）性。

（频域分析略）CompanyLogo（二二）大大增强了对二次扰动的克服能力大大增强了对二次扰动的克服能力在二次扰动在二次扰动F2（s）的作用下，副回路传递函数的作用下，副回路传递函数系统输出对输入的传递函数为系统输出对输入的传递函数为而系统输出对二次扰动而系统输出对二次扰动F2（s）的传递函数为的传递函数为CompanyLogo对对于于一一个个控控制制系系统统来来说说，当当它它在在给给定定信信号号作作用用下下，其其输输出出量量能能复复现现输输入入量量的的变变化化，即即Y1（s）/X1（s）越越接接近近于于1时时，则则系系统统的的控控制制性性能能越越好好；当当它它在在扰扰动动作作用用下下，其其控控制制作作用用能能迅迅速速克克服服扰扰动动的的影影响响，即即Y1（s）/F2（s）越越接接近近于于0时时，则则系系统统的的控控制制性性能能越越好好，系统的抗干扰能力就越强。

系统的抗干扰能力就越强。

v图图4-5串级控制系统串级控制系统抗干扰能力抗干扰能力可用下式表示：

可用下式表示：

CompanyLogo为了与单回路控制系统比较，用同样方法可得为了与单回路控制系统比较，用同样方法可得出单回路控制系统出单回路控制系统（图图41a）输出输出Y（s）对输入对输入X（s）的传递函数。

的传递函数。

输出输出Y（s）对扰动对扰动F2（s）作用下的传递函数为作用下的传递函数为CompanyLogo单回路控制系统的抗干扰能力为单回路控制系统的抗干扰能力为串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能力串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能力之比之比:

设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比例放大系数分别为例放大系数分别为KC1、KC2、KC，则上式变为则上式变为一般一般KC1KC2KC，所以所以QC2QD2。

CompanyLogo（三三）对一次扰动有较好的克服能力对一次扰动有较好的克服能力v对串级控制系统：

对串级控制系统：

抗扰动能力：

抗扰动能力：

v对单回路控制系统：

对单回路控制系统：

抗扰动能力：

抗扰动能力：

CompanyLogov两者抗一次扰动能力之比：

两者抗一次扰动能力之比：

设设WC（s）=WC1（s），一般情况下一般情况下WC2（s）很大，很大，则有则有一一般般情情况况下下WV（s）W02（s）Wm2（s）小小于于1，因因此此串串级级控控制制系系统统的的抗抗一一次次扰扰动动的的能能力力要要比比单单回回路路控制系统略强一些。

控制系统略强一些。

CompanyLogo（四四）对副回路参数变化具有一定的对副回路参数变化具有一定的自适应能力自适应能力在在生生产产过过程程中中，常常含含有有非非线线性性与与未未建建模模动动态态，工工作作点点亦亦常常随随负负荷荷与与操操作作条条件件发发生生变变化化，使使过过程程特特性性发发生生变变化化。

对对于于包包含含在在副副回回路路内内的的非非线线性性与与参参数数、负负荷荷变变化化，串串级级控控制制系系统统具具有有一一定定的的自自适适应能力。

应能力。

例：

加热炉中零件数量变化（温度控制）。

例：

加热炉中零件数量变化（温度控制）。

CompanyLogo仿真研究仿真研究单回路系统：

单回路系统：

PID参数参数vKp=3.7vTI=38svTD=0sCompanyLogo串级控制串级控制（未加扰动未加扰动）主调节器主调节器vKp=8.4vTI=12.8svTD=0s副调节器副调节器vKp=10vTI=5000svTD=0sCompanyLogov串级控制：

串级控制：

（副回路加入副回路加入阶跃扰动阶跃扰动）CompanyLogov串级控制：

串级控制：

（主回路加入阶主回路加入阶跃扰动跃扰动）CompanyLogov串级控制：

串级控制：

（主、副回路主、副回路同时加入阶同时加入阶跃扰动跃扰动）