复杂控制系统之串级控制.doc

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1、采用串级控制的目的是改善外扰响应和限制负载的控制范围。1、通过反馈控制改善扰动响应采用温控器进行测量控制的目的是希望使控制对象的状态（测量温度）快速收缩于目标值（温度的设定等），对于任何扰动，经常使目标值与控制对象的状态的差为零。那么，反馈控制是怎样抑制由扰动引起的控制状态的混乱呢？如图１所示，以采用温控器进行药液的温度控制为例说明如下。图１单纯反馈控制系统此温度控制系统统是用阀门的开度改变蒸汽的流量，从而控制药液的温度，作为扰动的主要原因有蒸汽的温度变化，蒸汽的压力变化等。如果在此控制系统产生这些扰动时，采用反馈控制的话，因为这

2、些影响作为药液温度的变化表现出来之前，是不能通过温控器进行修正动作的，因此很难迅速收缩由扰动引起的响应混乱。图2蒸汽温度下降时的响应例2、通过与前馈控制并用改善扰动响应在前图１的控制系统，如果可测量蒸汽温度的变化，且对于蒸汽温度的变化，能够明确知道需要的适当修正量（开度输出：MV），那么与前馈控制并用的话，会比仅用反馈控制可以改善因蒸汽温度变动引起的影响。（图3）图3前馈控制系统图3示前馈控制系统，检测出蒸汽的温度，蒸汽温度产生变动时，因为可尽快修正此变动，对于蒸汽温度变化这种扰动，可以把药液温度的变动限制在最小限范围。但是、因为

3、药液温度不受蒸汽流量的影响，一般正确把握蒸汽流量（扰动和温度过程的状态变化的关系）比较困难，通过并用前馈控制改善控制結果受到限制。另因为图3的前馈控制系统仅对蒸汽温度进行补偿，所以对于蒸汽的压力变动没有作用。３、通过串级控制改善扰动的响应在图１所示的控制系统假设的扰动是“蒸汽温度的变化”和“蒸汽压力的变化”，无论哪种场合，其变化都会反映为供给药液能量的变化，作为其结果是药液温度产生变化。因此，假设即使蒸汽的温度或压力变动了，由蒸汽供给药液的能量也能保持一定的话，药液温度应该能保持在一定值。从此观点，把供给药液能量的药液槽下部的温度

4、检测出来，加在控制回路进行控制的系统。图4串级控制系统如图4由多重回路构成的控制方式叫“串级控制”，其动作如下：温控器MASTER（主）是为了使“药液温度”成为目标温度，决定“药液槽下部的温度”，输出温控器SLAVE（从属）的目标温度。温控器SLAVE（从属）是为了使“药液槽下部的温度”成为由温控器MASTER（主）决定的目标温度，而决定“开度输出”。图5串级控制回路方块图SV：药液目标设定温度FL：蒸汽的流量SVs：药液槽下部的目标设定温度PVS：药液槽下部的测量温度MV：流量控制阀门的开度输出PV：药液的测量温度G1：对于蒸汽

5、流量的药液槽下部温度的响应特性G2：从药液槽下部的温度到药液温度测量点的响应特性 在串级控制系统中，蒸汽的温度或压力一旦发生变化，SLAVE（从属）控器把此变化作为药液槽下部的温度变化检测出来，为了使与来自MASTER（主）温控器输出的药液槽设定温度值的温度差为“０”，调节阀门的开度，由此可知比图１单纯的反馈控制系统可以快速抑制由扰动引起的温度混乱。图6串级控制的响应（与反馈控制比较）４、通过串级控制限制负载的控制范围图7单回路温度控制系统图8串级温度控制系统如果是控制输出值MV为100%的话，加热器有可能烧断。想把加热器的温度控

6、制在600℃以下使用，需要图8的串级控制。 如想把从属温度控制器的输入范围设定为0-600℃，这样主温度控制器输出的MV0%-100%，即相当于从属温度控制器的目标值SV为0-600℃即可以热器的温度工作在600℃以下。5、串级控制的小结不知是否理解了由串级控制改善扰动响应特性的构成？图9串级控制回路的方块图如图9所示，在串级控制的控制回路为2个，把反馈本来目的的控制量（PV）的回路叫“MASTER（主）回路”，把在“MASTER（主）回路”内侧的回路叫“SLAVE（从属）回路”。6、如本次介绍的例子，串级控制要取得良好控制效果需

7、要满足以下条件：1、可构成从属回路。2、扰动发生在从属回路内。3、对于主侧控制对象的响应速度延迟，从属侧控制对象的响应速度慢延迟小。请注意，如果不是如上条件时，则对于发生在主回路内的扰动等不能很好地改善扰动响应，串级控制不能得到良好控制效果。