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过程控制系统仿真电子工业出版社 出版 2009.3作者：郭阳宽 王正林联系邮箱：wa_l6.1 串级控制系统基础知识l6.2 串级控制系统性能分析l6.3 串级控制系统设计l6.4 串级控制参数整定l6.5 综合仿真实例l6.6 本章小结l习题与思考第6章 串级控制系统内容提要l本章描述串级控制的基本概念，介绍串级控制的基本特点、串级控制系统的设计以及串级控制系统控制器参数整定等基础知识，并通过仿真实例讲述串级控制系统的特点、设计及整定。l通过本章，读者对串级控制的特点、串级控制系统的功能有较为全面的认识，并能通过仿真深化对串级控制的理解。6.1 串级控制系统概述6.1.1 基本概念6.1.2 基本组成串级控制系统的结构特点：l1由两个或两个以上的控制器串联而成，一个控制器的输入是另一个控制器的设定。l2由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。l3主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动系统，对二次扰动而言，副回路是恒值控制系统。6.1.3 串级控制的特点串级控制的主要优点可概括如下：l1副回路的内部干扰，通常在它影响主被调量之前就已经被副控制器所控制了。l2副对象的相位滞后由于存在副回路而显著减小，因而改善了主回路的响应速度。l3副对象增益变化的影响在副回路内部被克服。l4副回路可按主回路的需要进行精确的控制。串级控制也存在如下一些不足：l1只有当中间变量能够被检测出来时，才可能采用串级控制，但许多过程在结构上是不容易以这种方式加以分割的。l2串级控制系统比单回路控制系统需要更多的仪表。l3串级控制系统的投放和整定比单回路控制系统要复杂一些。6.2 串级控制系统性能分析 与单回路控制相比，串级控制增加了副控制回路，使控制系统性能得到改善，串级控制系统的性能一般可以从以下四个方面进行分析：l系统的抗扰性能l动态性能l工作频率l自适应能力 6.2.1 抗扰性能l对串级控制系统而言，它对二次扰动的抑制能力比对一次扰动的抑制能力更强，而且在系统的其他环节特性不变的情况下，副控制器的增益越大，则副回路的抗干扰能力越强，这点在设计串级控制系统时应该加以注意。l串级控制系统对动态过程的改善更为明显，一般认为对二次扰动的最大动态偏差可以减小几十倍，对一次扰动的最大动态偏差也可以减小几倍。6.2.2 动态性能1副回路显著减小了副对象的时间常数l由于闭环控制的影响，副回路的等效时间常数T2较之副对象时的时间常数缩小为 ，从而进一步错开了与主对象的时间常数（一般较大）之间的距离。l副回路的等效时间常数减小，相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节，使得系统的反应速度加快，控制更为及时。等效对象的放大倍数的减小，可以通过增加主控制器的增益来加以补偿。因此，副回路的等效时间常数缩小，可使系统的控制质量得到提高。2副回路可以减小副对象的相位滞后l由于副对象的相位滞后减小了，相应就提高了整个系统的稳定性 6.2.3 工作频率l在相同阻尼比的条件下，串级控制系统的工作频率高于单回路系统，系统的工作频率提高，过渡过程也就缩短了，因而控制质量得到改善，而且，副回路控制器的比例带越小，这种改善越明显。l当主、副对象特性一定时，副控制器的增益越大，串级控制系统的工作频率提高的越明显，当副控制器的增益不变时，随着的增大，串级控制系统的工作频率也越高。6.2.4 自适应能力l当副控制器的增益足够大时，副回路的特性主要由反馈检测所决定，而与副对象的增益无关，因此，串级控制系统具有一定的自适应能力，只要反馈检测装置的特性是线性的，就可以大大削弱包括调节阀在内的副对象的非线性特性的影响，当然，这种自适应能力是有一定限度的。串级控制系统的性能可归纳为：l1可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至二次扰动在对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作用也加快了，对一次扰动的抑制能力也提高了。l2提高了系统的动态性能，由于副回路显著改善了包括控制阀在内的副对象的特性，减小其时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能有明显的改善。l3提高了系统的工作频率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带可以更窄，从而提高了系统的工作频率。l4有一定的自适应能力，在副回路作用下，包括控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱了，需要注意的是当副回路是流量环节时，流量检测的线性化。6.3 串级控制系统设计1从抗干扰方面考虑l从抗干扰角度考虑，副回路选择应遵循以下一些原则：l（1）副回路应包含尽可能多的主要扰动。l（2）主、副回路的时间常数应匹配。2从防止主、副回路产生共振出发l主副回路的时间常数应保持合理的比配关系。选择副回路的其他可以考虑的因素是从改善系统的动态性能和提高系统的工作频率出发，则副回路包含的时间常数稍大一些效果更好。若希望系统对于非线性的影响有一定的适应能力，则应把相关的非线性包含在副回路之中。6.3.1 副回路选择6.3.2 主、副控制器的设计主、副控制器的设计主要包括三个问题：l1主、副控制器的控制规律选择l一般说来主变量是控制的主要参数，其状态是生产工艺的主要指标，而只有对主变量控制要求较高的条件下才考虑采用串级控制方式。l至于副控制器，如果副被控量的控制范围在工艺上要求不是太严格，那么副控制器就可以只采用P控制。l从另一方面来说，副控制器不必要的积分作用引入，会使副回路的谐振峰值加大，谐振频率降低，从而加大了主、副回路之间共振的可能。l2主、副控制器的正反作用的选择l控制器正反作用的选择原则和单回路系统没有什么原则区别，先考虑副控制的正反作用选择，其方式同单回路控制，然后考虑主调，考虑主回路时需确定副给定和其输出的“正反作用”。l此处还有一个问题应予以注意，在某些场合生产工艺要求系统既可以按串级方式运行，又可以按以主调节器为控制器的单回路方式运行，这时应仔细核对主调的正反作用是否需加以改变。l一般来说，如果副调节是反作用的，则主调在单纯使用时其正反作用无须改变。相反，如果副调节是正作用的，则主调单纯使用时其正反作用方向就需要改变。l3抗积分饱和的问题l如果副控制器采用比例控制，则主控制器的抗积分饱和与单回路控制时无任何区别，可以利用带外反馈的间歇单元表来解决问题。如果副控制器也采用PI控制，副控制的积分饱和限制同单回路控制器，而主控制器就复杂些，主要有两重原因：l（1）积分饱和的影响更为严重。l（2）在串级系统中，不管原来原料油温度的偏差是否很大，因为某种原因副控制器进入积分饱和，这时副控制器的输出不再变化，相当于系统开环运行，主控制器也会进入积分饱和。6.4 串级控制参数整定l串级控制系统中主副两个回路是彼此互相影响的，而副控制器的整定对主控制器的影响是一目了然的，因为副回路的特性本身就是主回路广义对象的一个组成部分。主回路的特性对副回路的影响可以这么来考虑，即主控制器的输出本身就是副回路的设定值，当然对副回路的响应有影响。l如果主回路的工作频率相差很大，例如十倍以上，则对副回路而言在其控制过程中可以近似认为主回路还没有来得及反应，可以忽略主回路对副回路的影响，则控制器参数整定可以按由内而外的原则，分别独立按单回路系统控制器的参数整定方法整定。l如果必须考虑主副回路之间的影响，则通常可以采用三种方法：逐次逼近法、两步法和一步法，6.4.1 逐次逼近法6.4.2 两步法6.4.3 一步法6.5 综合仿真实例6.5.1 串级与单回路控制对比仿真6.5.2 串级控制的参数整定仿真6.5.3 串级控制系统设计仿真5.4 本章小结本章主要讲述串级控制系统的基本理论、设计方法以及仿真方法：l1串级控制系统的基本理论l主要讲述了串级控制系统的结构、主副回路的特点等基础知识。l2串级控制系统的设计l主要讲述了串级控制系统的主、副回路的设计思想和方法、主副回路的参数整定流程和方法。l3串级控制系统的仿真l对串级控制的特点、参数整定方法以及串级控制系统的设计进行了详尽的仿真分析，深化对串级控制的理解。习题与思考