第4章复杂控制系统4.1串级控制系统当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统.4.1.1串级控制系统基本结构及工作过程串级控制是在简单控制系统基础上的改进。FC例管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原油加热到一定温度，以保证下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后的出口温度。问题：控制通道容量滞后很大，控制缓慢。炉膛温度变化下图为管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：结构特点：系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。控制过程分析：1．燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)发生扰动——干扰进入副回路进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。主控制器3．干扰同时作用于副回路和主回路主副回路干扰的综合影响有两种情况：（1）主副回路的干扰影响方向相同。如：燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑→出口温度↑→副控制器开始调节原油流量f1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节（2）主副回路的干扰影响方向相反。如：燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑→出口温度↑→副控制器开始调节原油流量f1(t)↑→出口温度↓→主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。4.1.2串级控制系统特点及其分析将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。4.1.2.1改善被控过程的动态特性控制通道等效副对象的传函：Gc1(s)同理，通过对系统振荡频率的推导可知：副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改善了系统的动态性能。4.1.2.2抗干扰能力增强对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控制前向通道的区别：干扰通道的传函：K02*<<K02说明干扰通道的影响力降低；T02*<<T02说明干扰通道时间常数缩短，即副回路的控制速度快。Gc1(s)4.1.2.4系统的稳健性（Robust）串级系统特点总结：①对进入副回路的干扰有很强的克服能力；②改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。具体体现：(2)在串级控制系统中，有两主、副两个变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。(3)从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。串级控制适用范围在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。2．副回路的选择副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应遵循下面几个原则：①主、副变量有对应关系②副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰③副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生④应注意工艺上的合理性和经济性3．主、副调节器调节规律的选择在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用PI调节，或PID调节。控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选P调节就可以了。4．主、副调节器正、反作用方式的确定对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。选择时的顺序是：1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。以管式加热炉为例，说明串级控制系统主、副调节器的正、反作用方式的确定方法。1、从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式（正作用）。一旦出现故障或气源断气，调节阀应关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。2、副回路中，调节阀开大，炉膛温度升高，测量信号增大，说明副对象和变送器都是正作用。为保证副回路为负反馈，副调节器应为反作用方式。3、对于主调节器，调节阀开大，炉膛温度升高时，原料油出口温度