串级控制系统..ppt

第6章 串级控制系统 最简单的控制系统——单回路控制系统 系统中只用了一个调节器，调节器也只有一个输入信号。 从系统方框图看，只有一个闭环。 复杂控制系统—— 多回路控制系统。 由多个测量值、多个调节器；或者由多个测量值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦器等等组成多个回路的控制系统。 从系统方框图看，有多个闭环。 6. l 串级控制系统的概念 6.2.l 串级控制的提出 例6-1 隔焰式隧道 窑温度控制系统。 （见图6-1）。 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。 例6-3 精馏塔提馏段温度控制 扰动： 物料 蒸汽压力波动 控制目标： 温度稳定 串级控制方案 串级系统控制框图 （1）扰动 ? 燃料油方面---组分、油压； ? 喷油用过热蒸汽压力； ? 被加热油料—流量、温度； ? 配风、炉膛漏风。 (2)、采用单回路控制方案：如上图所示。 ?优点：所有对温度的干扰都包括在控制回路之中。 ?缺点：对燃油流量变化等干扰控制不及时，总滞后较大。 从图中可以看到，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。 一个闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用； 一个环在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。 应该指出，系统中尽管有两个调节器，它们的作用各不相同。 主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值， 副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。比较串级系统和简单系统，前者只比后者多了一个测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却有显著的提高。 6．l．3 串级控制系统的工作过程 串级控制系统是由两个控制器串联工作的，只有副控制器的输出去操纵控制阀，两个控制器能否协调一致地工作，会不会发生矛盾，我们仍以隔焰式隧道窑温度串级控制系统为例来加以说明。考虑到生产的安全，控制阀选择“气开”工作方式。两个控制器都选择“反”作用方式。（1）只存在二次干扰 （2）只存在一次干扰  (3)一次干扰和二次干扰同时存在  6.2 串级控制系统的分析 串级控制系统与简单控制系统相比，只是在结构上增加了一个副回路，但是实践证明，对于相同的干扰，串级控制系统的控制质量是简单控制系统所无法比拟的。本节将从理论上对串级控制系统的特点加以分析。 6.2.1 增强系统的抗干扰能力 串级控制系统的副环具有快速作用，它能够有效地克服二次扰动的影响。可以说串级系统主是用来克服进入副回路的二次干扰的。 现在对图6-7所示方框图进行分析，可进一步揭示问题的本质。 当二次干扰经过干扰通道环节Gd2(s)后，进入副环，首先影响副参数y2，于是副调节器立即动作，力图消弱干扰对y2的影响。显然，干扰经过副环的抑止后再进入主环，对y1的影响将有较大的减弱。 按图6-7所示串级系统，可以写出二次干扰 D 2至主参数y1的；传递函数是 为了与一个简单回路控制系统相比较，由图6-8可以很容易地得到单回路控制下D 2至y1的传递函数为 比较式(6-l)和(6-2)。先假定 Gc(s)＝Gcl(s)，且注意到单回路系统中的 Gm(s)就是串级系统中的Gm1(s)，可以看到，串级中Y1(s)／D2(s)的分母中多了一项，即Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gm2(s)。在主环工作频率下，这项乘积的数值一般是比较大的，而且随着副调节器比例增益的增大而加大；另外式(6-l)的分母中第三项比式(6-2)分母中第二项多了一个Gc2(s)。一般情况下，副调节器的比例增益是大于 l的。 串级控制系统的结构使二次干扰 D2对主参数y1这一通道的动态增益明显减小。当二次干扰出现时，很快就被副调节器所克服。与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰的影响往往可以减小10---100倍，这要视主环与副环中容积分布情况而定。 6.2.2 改善对象的动态特性 分析比较图6-7和图6-8，可以发现串级系统中的副环似乎代替了单回路中的一部分对象，亦即可以把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( )倍，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。通常情况下，副对象是单容或双容对象，因此副调节器的比例增益可以取得很大，这样，等效时间常数就可以减到很小的数值，从而加快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。 由于副环起了改善对象动态特性的作用，因此