过程控制技术第二版课件教学课件 ppt 作者 王爱广 黎洪坤 主编Course_15.pptVIP

过程控制技术 第十五讲 串级控制系统（一） 5 复杂控制系统 简单控制系统占所有控制系统总数的80%，在绝大多数场合下已能满足生产要求，但在某些应用场合会显得“力不从心”。例如，某些过程具有大纯滞后现象，存在较明显的非线性或时变特性；某些过程中存在的扰动信号频率较高且幅度大，使用简单控制系统很难有效抑制干扰；现代工业生产又有一些控制任务特殊的生产过程需要开发和应用实现特殊要求的过程控制系统；要满足这些要求，解决这些问题，仅靠简单控制系统是不行的，需要引入更为复杂、更为先进的控制系统。本章介绍一类应用非常广泛的、运用常规仪表即可实现的复杂控制系统，主要有串级、均匀、比值三种复杂控制系统。 5 复杂控制系统 5.1串级控制系统 串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，当要求被控变量的误差范围很小，简单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统 5 复杂控制系统 5.1.1组成原理 加热炉是工业生产中常用的设备之一。工艺要求被加热物料的温度为某一定值。 5 复杂控制系统 为此，选择炉膛温度为被控参数，燃料量为控制参数，构成图5-1（a）单回路控制系统。 也可设计图5-1（b）所示控制系统，以维持炉出口温度为没一定值。该系统的特点是对于扰动f2（t），f3（t）能及时有效地克服，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。 5 复杂控制系统 5 复杂控制系统 综上分析，为了充分应用上述两种方案的优点，选取炉出口温度为被控参数，选择炉膛温度为中间辅助变量，把炉出口温度控制器的输出作 为炉膛温度控制器的设定值构成了图5-2和图5-3所示的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。这样扰动f2（t）、f3（t）对炉出口温度的影响主要由炉膛温度控制器T2构成的控制回路来克服，扰动f1（t）对炉出口温度的影响由炉出口温度控制器T1构成的控制回路来消除。 5 复杂控制系统 （1） 串级控制系统的构成原理 将原被控对象分解为两个串联的被控对象，如图5-3所示。 以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控变量，构成一个简单控制系统，称为副控制系统或副环。 以原对象的输出信号为主被控变量，即分解后的第二个被控对象的输出信号，构成一个控制系统，称为主控制系统或主回路。 主控制系统中控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号。如图5-2、5-3所示。 5 复杂控制系统 （2）串联控制统的名词术语 为了便于分析问题，下面介绍串联控制系统常用的名词术语。 主被控变量——在串联控制系统中起主导作用的那个被控参数。如上例中的炉出温度。 副被控变量——串联控制系统中为了稳定主量而引入的中间辅助参数。如上例中的炉 膛温度。 主被控过程——由主被控变量表征其特征的生产过程，其输入量为副被控参数。输出量 为主被控参数。 副被控过程——由副被控变量为输出的生产过程，其输入量为控制参数。 主控制器 ——按主被控变量的测量值与设定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的设定值。 5 复杂控制系统 副控制器 ——按副被控变量的测量值与主控制器输出的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制控制阀动作。 主 回 路 ——由主副控制器、控制阀、主副被控过程、主测量变送器组成的闭合回路。 副 回 路 ——由副控制器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。 一次扰动 ——不包括在副回路能的扰动。如图5-2中被加热料的流量和炉前温度变化。 二次扰动 ——包括在副回路内的扰动。如图5-2中燃料方面的扰动和烟囱抽力的变化。 5 复杂控制系统 5.1.2 串级控制系统的控制过程 设控制阀为气开式，主副控制器均为反作用。当生产过程处在稳定工况时，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在相对平衡状态，控制阀保持一定的开度，此是炉出口温度稳定在设定值上。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。根据不同扰动。分三种情况讨论。 5 复杂控制系统 ①二次扰动来自燃料压力、热值和烟囱抽力变化。扰动先影响炉膛温度，于是副控制器立即发出校正信号。控制阀的开度，改变燃料量，克服上述扰动对炉膛温度的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响炉出口温度；如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正、但还将影响炉出口温度，此时再由主回路的进一步调节，从而完全克服上述扰动。使炉出口温度调回到设定值上。 5 复杂控制系统 ②一次扰动来自被加热物料的流量和炉前温度变化。扰动使炉出口温度变化时，主回路