第五章 串級控制講義F

第二篇復(fù)雜控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng)均勻控制系統(tǒng)分程控制系統(tǒng)選擇型控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)解耦控制系統(tǒng)第五章串級控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)5-1串級控制系統(tǒng)的概念 單回路控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡單，但難于適應(yīng)工藝參數(shù)間關(guān)系比較復(fù)雜的控制，特別是現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。復(fù)雜控制系統(tǒng)：具有兩個以上的檢測變送單元、調(diào)節(jié)器、或執(zhí)行器，能完成一些復(fù)雜或特殊的任務(wù)。一、串級控制系統(tǒng)的組成例5-1以連續(xù)槽反應(yīng)器溫度控制為例θ1Cθ1rθ1Tθ1進(jìn)料產(chǎn)品冷卻液主要擾動：物料方面：物料流量、入口溫度、物料的化學(xué)組成等。冷卻水方面：入口溫度、壓力簡單控制系統(tǒng)θ1Cθ1rθ1Tθ1進(jìn)料產(chǎn)品冷卻液副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套槽壁主調(diào)節(jié)器溫度測量溫度測量θ1r——物料溫度D2D1θ2rθ2反應(yīng)槽串級控制系統(tǒng)θ1Cθ1rθ1Tθ1進(jìn)料產(chǎn)品冷卻液θTθ2θ2C例5-2

精餾塔提餾段的溫度控制精餾過程：將混合物料中各組分分離，達(dá)到規(guī)定的純度。分離的機(jī)理：利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同（沸點(diǎn)不同）使液相中的輕組分（低沸物）和液相中的重組分（高沸物）互相轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)分離。精餾塔示意圖進(jìn)料熱蒸汽塔釜產(chǎn)品冷凝器塔頂產(chǎn)品LBLD回流罐回流泵再沸器精餾塔擾動：物料蒸汽壓力波動控制目標(biāo)：溫度穩(wěn)定例5-2

精餾塔提餾段的溫度控制簡單控制系統(tǒng)——直接控制方案PCPT簡單控制系統(tǒng)——間接控制方案θC2QT加熱蒸汽串級控制系統(tǒng)例5-3

煉油廠管式加熱爐的溫度控制工藝要求：爐出口溫度保持恒定。問題：控制通道容量滯后很大，控制緩慢。15min燃料壓力或燃料的熱值變化影響爐膛溫度熱傳導(dǎo)給原料影響出口溫度3min燃料油被加熱油料θ1Cθ1Tθ1rθ1例5-3

煉油廠管式加熱爐的溫度控制燃料油被加熱油料θ2Cθ1Tθ2θ1解決措施：在影響出口溫度的通道中，加測爐膛溫度的變化，提前控制。燃料壓力變化爐膛溫度變化出料溫度變化θ1T、θ1C回路再改變?nèi)剂狭?minθ1Cθ1r

θ2rθ2Tθ2T、θ2C回路先改變?nèi)剂狭恐髡{(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥爐膛料油D2、D3、D4D1管壁溫度變送器1溫度變送器2副調(diào)節(jié)器＋θ2rθ2θ1－－＋θ1r擾動：燃料油方面---組分、油壓D2；噴油用過熱蒸汽壓力D4；被加熱油料—流量、溫度D1；配風(fēng)、爐膛漏風(fēng)和大氣溫度D3。二次干擾：包含在副環(huán)內(nèi)的擾動；一次干擾：作用副環(huán)之外的干擾。主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥爐膛料油D2、D3、D4D1管壁溫度變送器1溫度變送器2副調(diào)節(jié)器＋θ2rθ2θ1－－＋θ1r1．D2

、D3和D4發(fā)生擾動——干擾進(jìn)入副回路2．D1發(fā)生擾動——干擾進(jìn)入主回路3．干擾同時作用于副回路和主回路，有兩種情況：（1）主副回路的干擾影響方向相同。如：燃料油壓力D2↑→爐膛溫度↑→出口溫度↑

→副控制器開始調(diào)節(jié)被加熱油流量D1(t)↓→出口溫度↑→主副控制器共同調(diào)節(jié)（2）主副回路的干擾影響方向相反。如：燃料壓力D2↑→爐膛溫度↑→出口溫度↑→副控制器開始調(diào)節(jié)被加熱油流量D1(t)↑→出口溫度↓→主控制器反向調(diào)節(jié)，使副控制器調(diào)節(jié)量減小。副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副對象主對象主調(diào)節(jié)器副變送器主變送器主參數(shù)設(shè)定——+

主參數(shù)二次干擾一次干擾副變量:為穩(wěn)定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。副變送器:檢測和變送副變量的變送器。主調(diào)節(jié)器:按主變量的測量值與設(shè)定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器:按副變量的測量值與主調(diào)節(jié)器的輸出值即副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值之間的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器。主對象:主變量所處的那部分工藝設(shè)備,其輸入信號為副變量,輸出信號為主變量。副對象:副變量所處的那部分工藝設(shè)備,其輸入信號為操縱量,輸出信號為副變量。主回路:在串級控制系統(tǒng)方框圖中,處于外環(huán)(也叫主環(huán))的整個閉合回路。副回路:串級控制系統(tǒng)方框圖中的內(nèi)環(huán)(也叫副環(huán)),有時也稱隨動回路。例5-3

煉油廠管式加熱爐的溫度控制燃料油被加熱油料θCθTθrθQCQT主要擾動：燃料油閥前壓力例5-3

煉油廠管式加熱爐的溫度控制燃料油被加熱油料θCθTθrθQCQT主要擾動：被加熱油料—流量、溫度D1一、時間常數(shù)主對象副對象調(diào)節(jié)閥副調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器副變送器主變送器副回路主回路5-2串級控制系統(tǒng)的分析設(shè):等效副受控對象結(jié)論：串級控制系統(tǒng)能使等效副對象的時間常數(shù)變小，副環(huán)具有快速作用，能夠有效克服二次擾動的影響。副回路的增加改善了對象的動態(tài)性能，可加主調(diào)節(jié)器的增益，提高工作效率。二、工作效率系統(tǒng)的特征方程為:將代入上式得:串級控制系統(tǒng)的工作頻率：單回路控制系統(tǒng)的特征方程為:單回路控制同理可得:單回路控制系統(tǒng)的工作頻率：假設(shè)結(jié)論：串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，提高了系統(tǒng)的工作頻率，減小了振蕩周期，在衰減系數(shù)相同的情況下，縮短了調(diào)節(jié)時間，提高了系統(tǒng)的快速性。三、抗干擾能力1、能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動，提高控制質(zhì)量串級控制系統(tǒng)控制性能與抗干擾能力的綜合指標(biāo)為串級控制系統(tǒng)結(jié)論：串級控制系統(tǒng)的抗干擾能力優(yōu)于單回路控制系統(tǒng)的抗干擾能力,尤以抗作用于副環(huán)的干擾能力更為顯著。一般情況下均成立單回路控制系統(tǒng)2、對一次擾動有很強(qiáng)的抑制能力串級控制系統(tǒng)結(jié)論：串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)?！咭话闱闆r下單回路控制系統(tǒng)四、自適應(yīng)能力單回路控制系統(tǒng)：調(diào)節(jié)器參數(shù)是根據(jù)具體的對象特性整定而得到的。當(dāng)Kv、Kp2變化大時，控制質(zhì)量難以保證。串級控制系統(tǒng)：當(dāng)副調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)Kc2整定的足夠大，使其中，副回路的特性與Kv、Kp2變化無關(guān)，能保證控制質(zhì)量。串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。串級系統(tǒng)特點(diǎn)總結(jié)：①可以明顯提高系統(tǒng)對二次擾動的抑制能力，對進(jìn)入主回路的干擾控制效果也有改善；②改善了被控過程的動態(tài)特性；③提高了系統(tǒng)的工作頻率；④對負(fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。

調(diào)節(jié)效果比較串級控制單回路控制ty五、串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍1.具有較大純延遲的過程要求：單回路控制：串級控制：例：網(wǎng)前箱溫度——溫度串級控制系統(tǒng)T2CT1C2.克服對象的容積延遲適用于溫度、質(zhì)量等容量滯后較大且控制質(zhì)量要求較高的系統(tǒng)例：加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)原料油熱值變化引起爐膛溫度變化只需3分鐘3.克服變化劇烈和幅值大的干擾

例：精餾塔釜溫度與蒸汽流量串級控制系統(tǒng)要求：單回路控制：串級控制：4.用于具有非線性特性的過程例：合成反應(yīng)爐中部溫度與進(jìn)氣口溫度的串級控制系統(tǒng)非線性設(shè)備某醋酸﹑乙炔合成反應(yīng)器裝置一、副回路的設(shè)計(jì)5-3串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中的幾個問題正確合理地設(shè)計(jì)，才能使串級控制系統(tǒng)發(fā)揮其特點(diǎn)。設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律選型和正、反作用的確定。1、副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路時間常數(shù)最小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏。

選擇原則主要有：(1)克服對象的容積遲延和純延遲。(2)發(fā)揮副回路的超前控制作用。精餾塔提餾段溫度控制———副回路的選擇2、副回路應(yīng)包括受控對象所受到的主要干擾控制閥出口溫度燃料油原料油控制量流量測量值流量變送器溫度設(shè)定值溫度測量值溫度變送器控制閥出口溫度燃料油原料油溫度變送器溫度設(shè)定值控制量

另外，當(dāng)對象具有非線性環(huán)節(jié)時,應(yīng)使非線性環(huán)節(jié)處于副環(huán)中；當(dāng)對象具有較大純延遲時,應(yīng)使副環(huán)盡量少包括或不包括純延遲。[例]二、主、副回路工作頻率的選擇共振現(xiàn)象：由于主﹑副回路是兩個相互獨(dú)立又密切相關(guān)的回路，在一定條件下，如果受到某種干擾的作用，主參數(shù)的變化進(jìn)入副環(huán)時會引起副環(huán)中副參數(shù)波動振幅的增加，而副參數(shù)的變化傳送到主環(huán)后，又迫使主參數(shù)的變化幅度增加，如此循環(huán)往復(fù)，就會使主、副參數(shù)長時間大幅度地波動。防止措施：在設(shè)計(jì)時應(yīng)將主、副過程的時間常數(shù)錯開；在運(yùn)行中整定調(diào)節(jié)器參數(shù)時把主、副回路的工作頻率拉開。主﹑副回路都可近似看成二階振蕩系統(tǒng),其主﹑副回路的幅頻特性表達(dá)式為：幅頻特性曲線二階振蕩系統(tǒng)呈4:1衰減振蕩時假定主﹑副環(huán)的工作頻率與共振頻率分別為ωd1﹑ωd2﹑ωr1、ωr2共振現(xiàn)象工作頻率即工作頻率與其共振頻率非常接近共振頻率主回路為副回路的干擾信號副回路為主回路的干擾信號共振頻率范圍一般來講為避免共振現(xiàn)象為確保串聯(lián)系統(tǒng)不產(chǎn)生共振，一般取或三、防止調(diào)節(jié)器積分飽和的措施1、副調(diào)節(jié)器——P調(diào)節(jié)，主調(diào)節(jié)器——PI或PID調(diào)節(jié)2、副調(diào)節(jié)器——PI燃料油被加熱油料θC2θ1Tθ2θ1θC1θ1rθ2rθ2T

△t1

△t2

△t1單回路控制退出飽和區(qū)域需要串級控制退出飽和區(qū)域需要

△t1+△t2結(jié)論：積分飽和情況較之簡單控制系統(tǒng)更嚴(yán)重Gc1=Kc1Gc2

=

Kc2Gp2

=

Kp2Gm2

=

Km21/(Tis+1)+_+++_R1(s)E2(s)Y1(s)Y2(s)R2(s)E1(s)系統(tǒng)正常工作時，Y2

不斷跟蹤R2，即PI調(diào)節(jié)P調(diào)節(jié)當(dāng)副回路受到某種約束而長期存在偏差，即四、主、副調(diào)節(jié)器的選擇（1）調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇主調(diào)節(jié)器：要求低用P精度要求較高PI主對象遲延較大PID副調(diào)節(jié)器：一般用P要求高PI副調(diào)節(jié)器一般不引入I或D（2）調(diào)節(jié)器正反作用方式的選擇“先副后主”1、根據(jù)工藝安全或節(jié)能要求確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式；2、按照副回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用；3、依據(jù)主回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用?！纠考訜釥t溫度控制系統(tǒng)主變量：出口溫度副變量：爐膛溫度燃料調(diào)節(jié)閥：氣開式燃料油被加熱油料θ2Cθ1Tθ2θ1θ1Cθ1rθ2rθ2T主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥爐膛料油D2、D3、D4D1管壁溫度變送器1溫度變送器2副調(diào)節(jié)器＋θ2rθ2θ1－－＋θ1rKO2

>0KV

>0Km2

>0KC2KV

KO2Km2<0KC2

<0副調(diào)節(jié)器：反作用方式主調(diào)節(jié)器：反作用方式正環(huán)節(jié)KO1

>0Km1

>0∵KC1K副回路

KO1Km1<0∴KC1<0

【例】如圖所示為精餾塔提餾段溫度與蒸汽流量的串級控制系統(tǒng)，生產(chǎn)要求一旦發(fā)生事故應(yīng)立即關(guān)閉蒸汽供應(yīng)。試確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式，選擇調(diào)節(jié)器的正、反作用。

解：當(dāng)出現(xiàn)故障無信號輸入時應(yīng)將閥關(guān)閉，防止將塔釜燒干損壞設(shè)備，因此調(diào)節(jié)閥選擇氣開形式。當(dāng)閥門開大，流量增加，所以副對象為正過程，KO2>0；KV>0；根據(jù)KC2KO2KV<0知KC2<0，即副調(diào)節(jié)器為反作用形式；主對象的輸入為流量（副變量），輸出信號為溫度，當(dāng)流量增大，溫度上升，所以主對象為正過程，KO1>0；根據(jù)KC1KO1<0知KC1<0，即主調(diào)節(jié)器應(yīng)選反作用形式。5-4調(diào)節(jié)器的選型和整定方法一、逐步逼近法——主副回路反復(fù)調(diào)試，逐步逼近最優(yōu)具體步驟為：

1.主回路開環(huán)，整定副調(diào)節(jié)器[GC2]1。

2.主回路閉合，在[GC2]1整定主調(diào)節(jié)器[GC1]1。

3.主、副回路均閉合，在[GC1]1基礎(chǔ)上得[GC2]2。

4.主、副回路均閉合，在[GC2]2基礎(chǔ)上整定[GC1]2

。

5.重復(fù)步驟3、4，直到滿足(逼近)控制指標(biāo)為止。1、逐次逼近法整定串級系統(tǒng)參數(shù)步驟1

2、逐次逼近法整定串級系統(tǒng)參數(shù)步驟2二、兩步整定法——適用于主副回路工作頻率相差較大具體步驟為：1.先整定副環(huán)。在主、副回路均閉合，主、副調(diào)節(jié)器均為純比例作用條件下，將主調(diào)節(jié)器的比例度置為100％，按單回路整定法整定副回路，得到副回路在滿足4:1衰減下的副調(diào)節(jié)器的比例度δ2s和振蕩周期T20

。2.整定主環(huán)。在副調(diào)節(jié)器的比例度為δ2s的條件下，逐漸減小主調(diào)節(jié)器的比例度，直到得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主調(diào)節(jié)器的比例度δ1s和工作振蕩T10

3.根據(jù)前面得到的δ2s

、T20

、δ1s

、T10

，利用公式，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間和微分時間。4.將計(jì)算出的調(diào)節(jié)器參數(shù)加到控制器上，看是否滿足要求，如不滿足，則做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

三、一步整定法——適用于主副回路工作頻率相差較大具體步驟為：1.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，直接將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次設(shè)定好，不再變動；2.整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。副變量類型副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)KC2副調(diào)節(jié)器比例帶δ（%）溫度1.7~5.020~60壓力1.4~3.030~70流量1.25~2.540~80液位1.25~5.020~80一步整定法的調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[例]在硝酸生產(chǎn)過程中，有一個氧化爐溫度與氨氣流量的串級控制系統(tǒng)。溫度為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超過5℃，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)變化，要求不高。系統(tǒng)控制器參數(shù)采用兩步整定法，過程如下：①在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，主調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選用P