东华大学 过程控制 ppt 5 串级控制.ppt

5 串级控制 本章学习内容 5.1 串级控制系统的基本原理和结构 5.2 串级控制系统的分析 5.3 串级控制系统的设计 5.4 串级控制系统应用举例 5.1 串级控制系统的基本原理和结构 5.2 串级控制系统的分析 一. 逐次逼近法 二. 两步整定法 三. 一步整定法 5.4 串级控制系统应用举例 3、电厂串级三冲量给水控制系统 图5.11 串级三冲量给水控制系统 * 信息科学与工程学院 5 串级控制 * 电厂锅炉过热汽温控制系统 被 控 量：主汽温θ1 控制手段：喷水减温 对象特点：滞后和惯性较大 导前信号 采用单回路控制品质不好。 增加导前信号θ2 构造串级控制系统 示例2：如图加热炉温度控制系统 控制目标：原料出口温度 主要干扰：燃料压力的波动 控制方式：调整燃料流量 方案一：使用两个单独的单回路系统。投资较多，两个系统可能会产生相互矛盾的控制操作。系统滞后较大，控制作用不及时。 方案二：将温度调节器的输出作为流量调节器的给定值，把两个调节系统组合成一个调节系统-----串级控制系统。组合方式：流量控制系统采用随动控制方式，将温度调节器的输出作为流量调节器的外设定值。以流量调节器的输出操作调节阀。 串级系统相关术语介绍： 主被控参数(主参数)和副被控参数(副参数) 主回路和副回路 主调节器和副调节器 副回路 主回路 串级系统工作工程分析：调节阀为气开阀，TC和FC选 择反作用方式 副回路扰动：燃料压力P或流量F增加→FT输出增加→FC输出减小→调节阀开度减小→燃料流量F减小。 主回路扰动：原料出口温度T增加→TT输出增加→TC输出减小→FC输出减小→调节阀开度减小→燃料流量F减小→ 原料出口温度下降。 主、副回路扰动同时存在：若原料温度T和燃料流量F同时增加，由前2项分析可见，主、副回路产生的调节要求一致。若原料温度T增加而燃料流量F减小， → FT输出减小且TC输出减小→二者之差决定调节阀开度只需要作较小变动即可满足要求 副回路（内回路）：粗调 主回路（外回路）：细调 副参数（副变量）： θ2 主参数（主变量）： θ1 副（导前区）对象 主（惰性区）对象 副控制(调节）器 主控制（调节）器 主调 副调 导前区 惰性区 5.2.1串级控制系统的特点 （1）串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力。 GT1(s) GT2(s) GZ(s) Gμ(s) G02(s) G0f(s) R1(s) Gm2(s) Gm1(s) Y2(s) R2(s) F(s) Y1(s) G01(s) － － 图5.3 一般串级控制系统原理框图 由图5.3所示串级系统，可以写出干扰F至主参数Y1的传递函数： = = (5.1) 下面是单回路控制系统原理框图与传递函数 : GT(s) GZ(s) Gμ(s) G02(s) G0f(s) R1(s) Gm1(s) R2(s) F(s) Y1(s) G01(s) － 图5.4 单回路控制系统原理框图 串级系统中Y1(s)/F(s)的分母中多了一项，即 。一般情况下，副控制器的比例增益是大于1的。 单回路控制系统相比，被调量受进入副回路的扰动F的影响可以减小10～100倍 （2）由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高系统响应速度。 比较图5.3和图5.4，可以将串级系统的整个副回路看成是一个等效对象，记作 (5.3) 假设副回路中各环节传递函数为： 将上述各式代入式（5-3），可得 (5.4) 比较 和 ，由于 这个不等式在任何条件下都是成立的，因此有 (5.8) 这就表明：副控制器的比例增益 可以取得很大。这样，等效时间常数 减小得更加明显。时间常数的减小，意味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时。 （3）提高系统的工作频率，改善了系统控制质量。 将整个副回路看成是一个等效对象 等效对象的时间常数缩小了，而且随着副调节器比例增益的增大而减小,从而加快了副回路的响应速度，提高了系统的工作频率。(证明) 可见，当扰动在副回路以外（例如外扰）时，由于副回路减小了对象的时间常数，提高了整个系统的工作频率，因此也能改善系统的工作品质。 （4）串级系统有一定的自适应能力。 负荷变化引起副回路内各环节参数的变化，可以较少影响或不影响系统的控制质量。 一般 KT2KZKμKO2Km21 由于副回路通常是一个随动系统，当负荷变化时，主调节器