复杂过程控制系统--串级控制.ppt

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1、第四章复杂过程控制系统串级控制前馈控制大滞后补偿控制比值控制分程与选择性控制多变量解耦控制模糊控制预测控制单回路系统的局限仅适用于比较简单的单输出生产过程的控制，不能解决多输出过程的控制问题。即使是简单的单输出生产过程，也存在这样的情况，如其调节对象的动态特性决定了它很难控制(如过程的滞后常数很大或扰动量很大)；或调节对象的动态特性虽不复杂，但工艺对调节质量的要求很高或很持殊。现代工业生产过程对产品的产量、质量，对提高生产效率、降耗节能以及环境保护提出了更高的要求，使工业生产过程对操作条件要求更加严格，对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系统的精度和功能要求更高。Compan

2、yLogo第一节串级(Cascade)控制一、串级控制系统的结构与工作过程CompanyLogo方案一：图4—1a(单回路)被控参数：炉的出口温度T1(直接参数)控制参数：燃料量主要扰动：被加热物料的流量和初温f1(t)，燃料热值的变化、压力的波动、流量的变化f2(t)，烟囱挡板位置的改变、抽力的变化f3(t).系统特点：所有对被控参数的扰动都包含在这个回路中，理论上都可由温度调节器予以克服，但是控制通道的时间常数和容量滞后较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力较差，不能满足生产工艺要求。CompanyLogo方案二：图4—1b(单回路)被控参数：炉膛温度T2(间接参数)

3、控制参数：燃料量主要扰动：被加热物料的流量和初温f1(t)，燃料热值的变化、压力的波动、流量的变化f2(t)，烟囱挡板位置的改变、抽力的变化f3(t)。系统特点：能及时有效地克服扰动f2(t)、f3(t)，但是扰动f1(t)未包括在系统内，系统不能克服扰动f1(t)对炉出口温度的影响，仍然不能达到生产工艺要求。CompanyLogo方案三：图4—2(串级)主被控参数(主参数)：炉出口温度T1副被控参数(副参数)：炉膛温度T2特点：把炉出口温度调节器T1的输出作为炉膛温度调节器T2的给定值，扰动f2(t)、f3(t)主要由炉膛温度调节器(副调节器)构成的控制回路(副回路)来克

4、服，扰动f1(t)对炉出口温度的影响由炉出口温度调节器(主调节器)构成的控制回路(主回路)来消除。CompanyLogo名词术语：主回路、副回路主参数、副参数主过程、副过程(对象)主调节器、副调节器一次扰动、二次扰动CompanyLogo加热炉串级控制系统的工作过程当处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值上，当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同的扰动，分三种情况：1.燃料压力、热值变化f2(t)和烟筒抽力变化f3

5、(t)----二次扰动或副回路扰动2.被加热物料的流量和初温变化f1(t)----一次扰动或主回路扰动CompanyLogo3.一次扰动和二次扰动同时存在假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大(炉出口温度升高)，另一个减小(燃料量减少，即炉膛温度降低)，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即可满足控制要求。CompanyLog

6、o二、串级控制系统的特点与分析在结构上与电力传动自动控制系统中的双闭环系统相同(比单回路系统多了一个副回路)，其系统特点与分析方法亦基本相同。主回路(外环)：定值控制系统副回路(内环)：随动控制系统与单回路系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器)，但控制效果却有显著的提高，其原因在于串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路。CompanyLogo(一)改善了被控过程的动态特性CompanyLogo副回路闭环传递函数设W02(s)=K02/(T02s+1)，Wc2(s)=Kc2，Wv

7、(s)=Kv，Wm2(s)=Km2，可得式中----等效被控过程的放大系数----等效被控过程的时间常数CompanyLogo可见T’02仅为T02的1/(1+Kc2Kv2K02Km2)。而且随着Kc2的增大这种效果更显著。如果匹配得当，副回路可近似为1：1的环节。这样对主调节器来说，其等效被控过程只剩下不包括在副回路之内的一部分被控过程，所以其容量滞后减小了，过程的动态特性得到显著改善，使系统的响应加快，控制更为及时，从而提高了系统的控制质量。串级控制系统由于增加了一个副回路，使等效被控过程的时间常数减小了，改善