自动控制理论 第三章 控制系统的时域分析 3.8 控制系统的稳定性(8)

图5.39所示的控制系统为串级控制系统。当被控对象具有较大的惯性和容量延迟时，

图5.40 被控对象

若被控对象可以分为两部分，称为过程Ⅰ，过程Ⅱ，如图5.40 所示。过程Ⅱ的输出是过程Ⅰ的输入,会对被控变量产生重大影响.一般情况下,过程Ⅱ 的惯性较小,过程Ⅰ的惯性较大.对于这种情况,采用单回路控制方案,对发生在过程Ⅱ 上的扰动,控制效果很差,采用串级控制方式,则能收到较为满意的控制效果。

图5.41 串级控制系统的原理图

串级控制系统的结构图见图5.41。串级控制系统共有2个控制回路.内部的反馈回路称为副回路。副回路包括副控制器(副调节器),调节阀,副对象(即过程Ⅱ )和副变送器.发生在副回路内的扰动称为二次扰动。外部的控制回路称为主回路.主回路包括主控制器(主调节器),整个副回路,主对象(过程Ⅰ )和变送器。发生在主对象上的扰动称为一次扰动。如果把整个副回路当成一个等效环节,它串联在主回路的前向通道上。这就是串级控制名称的由来。串级控制在结构上有两个特点:一个特点是串级控制虽然有两个控制器,两个变送器和两个测量参数,但仍然是一个单输入单输出系统,系统只有一个需人为设定的给定值,只有一个控制变量(即副控制器输出),只有一个执行机构,因而也只能有一个被控变量,这一点和单回路控制系统极其相似;串级控制的另一个结构的特点是主控制器和副控制器串联在回路中.主控制器的输出是副控制器的给定值.主控制器接受设定的给定值,所以整个串级控制系统是一个定值调节系统.副控制器的给定值是主控制器的输出,因为这个输出要随着扰动而变化,所以副回路是一个随动系统.过程控制中还会经常遇到具有两个回路的控制系统,只要不符合以上两个特征,就不是串级控制系统.

　　串级控制在控制品质上也有两个最显著的特点.图5.42是某个串级控制系统的结构图,图中标明了各环节的传递函数.为了比较控制效果,图5.43给出了同一被控对象的单回路控制结构图.

图 5.42 串级控制系统

当二次扰动进入副回路后,二次扰动至控制系统输出(称为主参数)的传递函数为

而单回路系统, 至主参数 的传递函数为:

图5.43 单回路控制系统

比较两式，串级系统的传递函数分母比单回路系统大的多。这说明，串级控制系统使二次扰动对主参数的增益明显减小，与单回路相比，二次扰动的影响可以减小10-100倍。从作用原理上看，二次扰动首先影响副对象的输出（称为副参数），副控制器立即产生控制作用，由于副对象（或副过程）惯性较小，所以扰动的影响很快得到克服，不会对被控变量产生大的影响。串级控制的副回路对进入副回路的干扰有很强的克服能力。这是串级控制的一个显著的特点。在设计串级控制系统时，一定要把被控对象的主要扰动包括在副回路内。这是设计串级控制系统的根本原则。