复杂过程控制系统

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1、第五章复杂过程控制系统5.1串级控制一、串级控制系统的结构和工作过程1、串级控制系统的结构串级控制系统(CascadeControlStstem)是一种常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类控制系统称为串级控制系统。影响炉出口温度的因素很多，主要有：f1(t)：被加热物料的流量和初温；f2(t)：燃料热值的变化、压力的波动，流量的变化；f3(t)：烟囱挡板位置的改变、抽力的变化。热物料冷物料燃料方案1：T1CT1T热物料冷物料燃料

2、单回路系统(控制炉出口温度)优点：所有对温度的干扰都包含在控制回路之中，理论上都可以由温度调节器予以调节缺点：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。选取炉的出口温度为被控对象，选取燃料量为控制参数，构成如图所示的单回路控制系统。方案2：T2CT2T热物料冷物料燃料单回路系统(控制炉膛温度)选取炉膛的出口温度为被控对象，选取燃料量为控制参数，构成如图所示的单回路控制系统。优点：能及时而有效地克服来自f2(t)、f3(t)的干扰。缺点：炉膛的出口温度控制只起辅助作用；放弃炉出口温度控

3、制将无法克服来自f1(t)变化等方面的干扰。方案3：选取炉出口温度为主被控参数（简称主参数）选取炉膛温度为副被控参数(简称副参数)把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值构成了炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统T2CT2T热物料冷物料燃料串级控制系统T1CT1T主调节器调节阀管壁Gm1(s)R1Y1Ym1+－Gm2(s)副调节器炉膛Y2－Ym2R2控制系统方框图f1f3物料f2Gc1(s)Gv(s)Gp1(s)Gm1(s)R1Y1Ym1+－Gm2(s)Gc2(s)Gp2(s)Y2－Ym2R2控制系统方框图

4、F1F2扰动f2(t)、f3(t)对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（简称副调节器）构成的控制回路（称为副回路）来克服扰动f1(t)对炉出口温度的影响由出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）来消除主被控参数Y1、副被控参数Y2、主被控过程（主对象）Gp1(s)、副被控过程（副对象）Gp2(s)、一次扰动F1、二次扰动F2串级控制系统的基本术语：反应釜温度的单回路控制反应釜简单控制系统框图反应釜温度与夹套温度的串级控制当处于稳定工况时，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

5、不变，炉出口稳定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2、串级控制系统的工作过程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，分三种情况讨论：燃料压力、热值变化f2(t)和烟囱抽力变化f3(t)（二次扰动或副回路扰动）f2(t)和f3(t)先影响炉膛温度，于是副调节器立即发出校正信号，控制调节阀的开度，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，

6、仍影响炉出口温度，使主控制器输出，即副控制器的设定变化，副控制器的设定和测量的同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使炉出口温度回复到给定值。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）扰动f1(t)使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服对炉出口温度的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对炉出口温度的影响比单回路系统时小。一次扰动和二次扰动同时存在如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减小，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开度阀门，加强控

7、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（即炉膛温度降低），此时主、副调节器控制调节器的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小的变化即满足控制要求。串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则为一个随动系统。1、改善了被控过程的动态特性二、串级控制系统的特点与分析以加热炉串级控制系统为例，在控制过程中，副回路对炉出口温度起着的“粗调”作用，而主回路则完成对炉出口温度的“细调”任务。Gc1(s)Gv(s)Gp1(s)Gm1(s)R

8、1Y1Ym1+－+Gm2(s)Gc2(s)Gp2(s)Y2－Ym2R2串级控制系统方框图Gc1(s)Gp1(s)Gm1(s)R1Y1Ym1+－Gp2(s)Y2串级控制系统的等效方框图等效被控过程的放大系数等效被控过程的时间常数在串级控制系统中，由于副回路的存在，改善了原有一部分对象的特性，使等效副对象的时间常数减小了。时间常数的减小，意味着控制通道的缩短，