串級控制系統(tǒng)

1、過程控制系統(tǒng)及工程信息學院自動化系：孫洪程信息學院自動化系：孫洪程 Email:S第二章第二章 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng) 復雜系統(tǒng)-隨著控制理論與工業(yè)應用的發(fā)展，包含的內(nèi)容也不同，例如復雜大系統(tǒng)-人口系統(tǒng)，環(huán)境控制，能源控制，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營控制等。 復雜系統(tǒng)-多回路系統(tǒng) 多回路系統(tǒng)特征：基于PID控制策略；由多個控制回路組成的系統(tǒng)。 80-90%控制系統(tǒng)是基于PID控制的系統(tǒng)，包括多回路系統(tǒng)。 多回路系統(tǒng)應用狀況以乙烯生產(chǎn)廠為例，它共有421個控制回路其中：常規(guī)PID單回路 347個 串級、比值等74個（串級24） 多回路系統(tǒng)占17.5% TC 分析干擾：分析干擾：情況一，情況一， TCFC串級

2、控制系統(tǒng)：串級控制系統(tǒng)：特點：特點： TCFC溫度控制器流量控制器流量控制器控制閥控制閥流量變送器流量變送器流量對象流量對象溫度對象溫度對象溫度變送器溫度變送器 F形成兩個環(huán): 副環(huán)或副回路“ 粗調(diào)”作用 主環(huán)或主回路“ 細調(diào)”作用 定值控制系統(tǒng)，給定值由工藝設定，主控制器輸出作為副控制器的設定 隨動控制系統(tǒng)，給定值由主控制器輸出給定，副控制器輸出控制控制閥F副環(huán)中有副調(diào)節(jié)器、副變送器、副對象以及調(diào)節(jié)閥主環(huán)中有主調(diào)節(jié)器、主變送器、主對象，無調(diào)節(jié)閥TCFC蒸汽蒸汽進料進料 流量控制器：流量控制器：“粗調(diào)粗調(diào)” 溫度控制器：溫度控制器：“細調(diào)細調(diào)” 蒸汽流量突然增大蒸汽流量突然增大（一段時間：提餾

3、段溫度不變，（一段時間：提餾段溫度不變，溫度控制器輸出不變，流量控制器設定值不變，但流溫度控制器輸出不變，流量控制器設定值不變，但流量測量增大量測量增大（流量控制器正偏差，流量控制器輸出（流量控制器正偏差，流量控制器輸出減小，控制閥關(guān)?。p小，控制閥關(guān)?。┱羝髁繙p小，削弱對提餾段蒸汽流量減小，削弱對提餾段溫度的影響）溫度的影響） 提餾段溫度緩慢上升提餾段溫度緩慢上升（溫度控制器正偏差，溫（溫度控制器正偏差，溫度控制器輸出減小，輸出到流量控制器的設定值減?。┒瓤刂破鬏敵鰷p小，輸出到流量控制器的設定值減?。┝髁靠刂破髟O定值減小，流量控制閥開度進一步減流量控制器設定值減小，流量控制閥開度進一步減小

4、。小。FCspuFCspu 溫度控制器：溫度控制器：“細調(diào)細調(diào)” 結(jié)論：結(jié)論：流量控制器：流量控制器：“粗調(diào)粗調(diào)” （1 1） （2 2） （3 3）（4）溫度控制器流量控制器流量控制器控制閥控制閥流量對象流量對象溫度對象溫度對象溫度變送器溫度變送器流量變送器流量變送器 主變量是生產(chǎn)工藝的主要操作指標，要求比較嚴格，主變量是生產(chǎn)工藝的主要操作指標，要求比較嚴格，一般不允許有余差一般不允許有余差 副變量是粗調(diào)，一般要求不嚴格，允許有波動和余差；副變量是粗調(diào)，一般要求不嚴格，允許有波動和余差；主控制器（定值控制）一般選擇比例積分控制規(guī)律，有時為了克服主控制器（定值控制）一般選擇比例積分控制規(guī)律，有

5、時為了克服對象滯后，也加入微分作用；對象滯后，也加入微分作用；副控制器（隨動控制）力求快速反應，所以，一般不加入積分作用，副控制器（隨動控制）力求快速反應，所以，一般不加入積分作用，只選擇比例控制規(guī)律；只選擇比例控制規(guī)律；只要主控制器有積分規(guī)律，主變量就可以保證沒有余差，不管干擾只要主控制器有積分規(guī)律，主變量就可以保證沒有余差，不管干擾出現(xiàn)在什么位置。出現(xiàn)在什么位置。（1）主、副控制器控制規(guī)律的選擇）主、副控制器控制規(guī)律的選擇 選擇順序：先副后主選擇順序：先副后主 副控制器：副回路按單回路獨立考慮，與主回路沒有關(guān)系副控制器：副回路按單回路獨立考慮，與主回路沒有關(guān)系 即從穩(wěn)定性考慮，開環(huán)放大倍數(shù)

6、必須為即從穩(wěn)定性考慮，開環(huán)放大倍數(shù)必須為“負負” 要求，知道副對象的符號，以及控制閥的符號要求，知道副對象的符號，以及控制閥的符號 主控制器：考慮主環(huán)內(nèi)各個環(huán)節(jié)的符號情況主控制器：考慮主環(huán)內(nèi)各個環(huán)節(jié)的符號情況 主控制器、主對象，以及副回路。主控制器、主對象，以及副回路。 副回路可以看作是一個符號為副回路可以看作是一個符號為“正正”的環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié) 隨動系統(tǒng)，跟蹤主隨動系統(tǒng)，跟蹤主控制器的輸出?？刂破鞯妮敵?。 （2）主、副控制器正反作用的選擇）主、副控制器正反作用的選擇因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號，即，因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號，即，主對象為主對象為“正正”，則主控制器

7、取，則主控制器取“反反”作用，主對象作用，主對象為為“負負”，則主控制器取，則主控制器取“正正”作用作用 例例1 1 加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級控制系統(tǒng)PCTC燃料燃料物料物料副控制器：副控制器： 控制閥選控制閥選“氣開氣開”式式正正 副對象，壓力對象，閥門開大，負，反作用副對象，壓力對象，閥門開大，負，反作用 壓力上升壓力上升正正 變送器一般均為正變送器一般均為正主控制器：主控制器： 副環(huán)副環(huán)正正 主對象，溫度對象，主對象，溫度對象， 燃料壓力增大時，燃料量增加，負，反作用燃料壓力增大時，燃料量增加，負，反作用 出口溫度上升出口溫度上升正正例例2 2

8、精餾塔提餾段溫度與再沸器加熱蒸汽流量串級控制系統(tǒng)精餾塔提餾段溫度與再沸器加熱蒸汽流量串級控制系統(tǒng)副控制器：副控制器： 控制閥選控制閥選“氣閉氣閉”式式負負 正對象，流量對象，閥門開大，正對象，流量對象，閥門開大， 流量增大流量增大正正 變送器一般均為正變送器一般均為正主控制器：主控制器： 副環(huán)副環(huán)正正 主對象，溫度對象，主對象，溫度對象， 蒸汽流量增大時，加熱量增加，蒸汽流量增大時，加熱量增加， 提餾段溫度上升提餾段溫度上升正正FCTC結(jié)論結(jié)論 串級串級主控：用主控制器代替原副控制器的輸出，直接控制控制閥主控：用主控制器代替原副控制器的輸出，直接控制控制閥 主控主控串級：用副控制器代替原主控制

9、器的輸出，直接控制控制閥串級：用副控制器代替原主控制器的輸出，直接控制控制閥 無論哪種切換，必須保證閥的控制方向正確無論哪種切換，必須保證閥的控制方向正確直接切換條件直接切換條件 （3）串級與主控的切換條件）串級與主控的切換條件副控制器為反作用（負）：副控制器為反作用（負）：副控制器為正作用（正）：副控制器為正作用（正）：FCspconstFCspconstuuFCspconstFCspconstuu如副控是反作用，可執(zhí)行切換；如副控是正作用，需先改變主控的方向，再切換。條件條件結(jié)論結(jié)論如對控制閥的開閉形式?jīng)]有要求，應選擇使副控為反作用的開、閉形式。 熔劑溶質(zhì)蒸汽TC熔劑溶質(zhì)蒸汽T2CT1C溶

10、解罐內(nèi)溫度單回路控制系統(tǒng)溶解罐內(nèi)溫度與夾套溫度串級控制系統(tǒng)GC(s)GV（s）G02（s）G01（s）Gm（s） R（s）GC1(s)GC2(s)GV（s）G02（s）G01（s）Gm2（s）Gm1（s）GC1(s)GC2(s)GV（s）G02（s）G01（s）Gm2（s）Gm1（s）（1）副回路的存在，改善了對象特性，提高了系統(tǒng)工作頻率）副回路的存在，改善了對象特性，提高了系統(tǒng)工作頻率GC1(s)GC2(s)GV(s)G02(s)G01（s）Gm2(s)Gm1(s)GC2(s)GV(s) GC1(s)GC2(s)GV(s)G02(s)G01（s）Gm1(s)02020222( )( )1(

11、)( )( )( )mCVGsGsGs Gs Gs Gs022022021CVmKK K K KT s0 20 21KTs 比較可知，串級系統(tǒng)的等效副對象的放大倍數(shù)和時間比較可知，串級系統(tǒng)的等效副對象的放大倍數(shù)和時間常數(shù)都比原副對象的要小常數(shù)都比原副對象的要小結(jié)論結(jié)論22()CCGsK()VVGsK0 20 20 2()1KGsTs22()mmGsK020220221CVmKKKKKK020220221CVmTTKKKK 0202TT 0202KK（2）串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力）串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力串級系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)具有快速作用，能有效地克服二次擾動的影響21222122211

12、12222122211122( )( )1( )( )( )( )( )( )( )( )( )1( )( )( )1( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )dpcvpmcvpcmpcvpmdpcvpmcmpcvpGs GsGs G s Gs GsY sGs G s GsD sGs Gs GsGs G s Gs GsGs GsGs G s Gs GsGs Gs Gs Gs G s Gs串211212( )( )( )( )1( )( )( )( )( )dpcvppmGs GsY sD sG s G s Gs Gs Gs單在二次干擾下，

13、被控量受二次干擾的影響, 串級系統(tǒng)比單回路系統(tǒng)要減小10100倍。（2）串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力）串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力在二次干擾下，被控量受二次干擾的影響, 串級系統(tǒng)比單回路系統(tǒng)要減小10100倍。10002468246810串/單1+KC2KVK02Km2 特別是干擾出現(xiàn)在副環(huán)內(nèi)的時候，相當于兩個控制器進行特別是干擾出現(xiàn)在副環(huán)內(nèi)的時候，相當于兩個控制器進行控制，副控制，副“粗調(diào)粗調(diào)”，主，主“細調(diào)細調(diào)”，副環(huán)起到超前調(diào)節(jié)的作用，副環(huán)起到超前調(diào)節(jié)的作用 據(jù)統(tǒng)計，當干擾作用于副環(huán)時，控制質(zhì)量可提高據(jù)統(tǒng)計，當干擾作用于副環(huán)時，控制質(zhì)量可提高10100倍，倍，干擾作用于主環(huán)時，也

14、可提高干擾作用于主環(huán)時，也可提高25倍倍 例：精餾塔提餾段溫度控制系統(tǒng) 1）副環(huán)干擾 2）主環(huán)干擾（2）串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力）串級控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力（3）串級系統(tǒng)具有一定的自適應能力）串級系統(tǒng)具有一定的自適應能力 自適應問題：控制器的參數(shù)往往是根據(jù)一定的控制對象自適應問題：控制器的參數(shù)往往是根據(jù)一定的控制對象設置的，設置的， 當控制對象特性發(fā)生變化時（非線性特性，當控制對象特性發(fā)生變化時（非線性特性，操作條件變化、負操作條件變化、負 荷變化），原來好的控制器參數(shù)就荷變化），原來好的控制器參數(shù)就變得不好了（不適應了）變得不好了（不適應了） 串級系統(tǒng)中，副控制系統(tǒng)是隨動系統(tǒng)，

15、主控制器可根據(jù)串級系統(tǒng)中，副控制系統(tǒng)是隨動系統(tǒng)，主控制器可根據(jù)操作條件的變化，不斷修改副控制器的給定值操作條件的變化，不斷修改副控制器的給定值自適應能力自適應能力 “能力有限能力有限”，自適應控制（現(xiàn)代控制技術(shù)），自適應控制（現(xiàn)代控制技術(shù)） （3）串級系統(tǒng)具有一定的自適應能力）串級系統(tǒng)具有一定的自適應能力12222222222111,cvppcvpmcvpmpmK K KKK K KKK K KKKK因為所以F副回路增益不受主回路系統(tǒng)負荷影響F副回路是個隨動系統(tǒng)，快速跟蹤的能力 串級系統(tǒng)的缺點：儀表多，投運和整定都比單回路復雜串級系統(tǒng)的缺點：儀表多，投運和整定都比單回路復雜 工程上，宜簡不宜繁

16、工程上，宜簡不宜繁 串級系統(tǒng)的關(guān)鍵在于副環(huán)的設計串級系統(tǒng)的關(guān)鍵在于副環(huán)的設計 設計合理，能有效發(fā)揮串級系統(tǒng)的優(yōu)勢設計合理，能有效發(fā)揮串級系統(tǒng)的優(yōu)勢 設計不合理，失去了串級的意義，而使控制系統(tǒng)復雜化設計不合理，失去了串級的意義，而使控制系統(tǒng)復雜化 關(guān)鍵：對工藝進行細致的分析關(guān)鍵：對工藝進行細致的分析 包含有兩方面的內(nèi)容包含有兩方面的內(nèi)容:1) 主參數(shù)的確定主參數(shù)的確定2) 副參數(shù)的確定副參數(shù)的確定例例1 1加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)PCTCA）爐出口溫度與燃料壓力串級方案）爐出口溫度與燃料壓力串級方案燃料壓力波動燃料壓力波動例例1 1加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)B）爐出口溫度與爐膛溫度串級方案）爐出口溫度與爐膛溫度串級方案燃料組成波動燃料組成波動TC2TC1 TC1TC2例例 2 2醋酸乙烯合成反應器反應溫度控制系統(tǒng)醋酸乙烯合成反應器反應溫度控制系統(tǒng)。 PC2PC2 =0.216(n=1:4)2.01.01/