復雜控制系統(tǒng)串級

復雜控制系統(tǒng)串級第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四2第7章復雜控制系統(tǒng)

復雜控制系統(tǒng)凡是結構上比單回路控制系統(tǒng)復雜或控制目的較特殊的控制系統(tǒng)，都稱為復雜控制系統(tǒng)。特點：通常包含有兩個以上的變送器、控制器或者執(zhí)行器，構成的回路數也多于一個，所以，復雜控制系統(tǒng)又稱為多回路控制系統(tǒng)。第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四3§7-1串級控制系統(tǒng)一、串級控制系統(tǒng)的結構管式加熱爐是石化工業(yè)中的重要裝置之一，工藝上要求被加熱油料爐出口溫度的波動范圍應控制±2℃內。第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四4主要擾動：（1）原料方面的擾動（包括物料的流量和入口溫度的變化）；（2）燃料方面的擾動（包括燃料的流量、熱值及壓力的波動）；（3）燃燒條件方面的擾動（包括供風量和爐膛漏風量的變化、燃料的霧化狀態(tài)的影響等）。傳熱的滯后性，以及調節(jié)通道的時間常數過大（15min左右），控制作用不及時。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四5方案：將爐膛溫度作為被控變量，組成如圖7-2所示的控制系統(tǒng)。方案的優(yōu)點:調節(jié)通道的時間常數縮短為3分鐘左右。缺點：原料的流量或原料入口溫度波動使爐出口溫度變化時，系統(tǒng)無法使爐出口溫度再調回到給定值上，所以該方案仍不能達到生產工藝要求。第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四6方案：構成爐出口溫度為被控變量，爐膛溫度為輔助變量，由爐膛溫度控制器的輸出去操縱燃料量的控制方案.這就是爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)。第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四7串級控制系統(tǒng)中常見的專用名詞介紹：主變量

—串級控制系統(tǒng)中起主導作用的被控變量，是過程中主要控制的工藝指標。

副變量—串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。爐出口溫度爐膛溫度第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四8主對象

—由主變量表征其主要特征的工藝設備或過程，其輸入量為副變量，輸出量為主變量。副對象

—由副變量表征其特性的工藝生產設備或過程，其輸入量為系統(tǒng)的操縱變量，輸出量為副變量。爐出口溫度對象爐膛溫度對象第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四9主控制器

—按主變量的測量值與給定值的偏差進行工作的控制器，其輸出作為副控制器的給定值。副控制器—按副變量的測量值與主控制器的輸出信號的偏差進行工作的控制器，其輸出直接控制執(zhí)行器的動作。爐出口溫度控制器爐膛溫度控制器第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四10主回路

—由主測量變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)和主對象組成的閉合回路，又稱外環(huán)或主環(huán)。副回路

—由副測量變送器、副控制器、執(zhí)行器和副對象所組成的閉合回路，又稱內環(huán)或副環(huán)。第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四11

方塊圖：工藝控制流程圖：第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四12串級控制系統(tǒng)通用方塊圖:第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四13串級控制系統(tǒng)在結構上具有如下特點：在串級控制系統(tǒng)中，有兩個閉環(huán)負反饋回路，每個回路都有自己的控制器、測量變送器和對象，但只有一個執(zhí)行器。兩個控制器采用串聯控制方式，主控制器的輸出作為副控制器的給定值，而由副控制器的輸出來控制執(zhí)行器的動作。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，副回路則是一個隨動控制系統(tǒng)。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四14二、主、副控制器正、反作用的確定主、副控制器確定順序：“先副后主”的原則副控制器的選擇原則：

副控制器的正、反作用只與副回路中的各個環(huán)節(jié)有關，而與主回路無關。在簡單控制系統(tǒng)中介紹的各環(huán)節(jié)規(guī)定符號“乘積為負”的判別準則，同樣適用于串級控制系統(tǒng)副控制器正、反作用的選擇。（副控制器±）（執(zhí)行器±）（副對象±）（副變送器±）=（一）

第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四15主控制器的選擇原則：

主控制器的正、反作用只與主對象有關，而與副回路無關。分析：

副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的最終控制結果總是要使副變量（副回路的輸出）跟隨主控制器的輸出（副回路的輸入）而變化，也就是說，當副同路的輸入增加時，副回路的輸出也要增加，由此可見，副回路也是一個“+”環(huán)節(jié)。主測量變送是一個“+”環(huán)節(jié)。所以，主控制器的正、反作用就只取決于主對象的符號。為了保證回路中各環(huán)節(jié)總的符號乘積為負，當主對象的符號為

“+”時，主控制器必須是“－”號，即選擇反作用；而當主對象的符號為“－”時，主控制器必須是“+”號，選擇正作用。

第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四16【例題】如圖所示的精餾塔提餾段溫度與加熱蒸汽流量串級控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器選為氣關式，試確定主、副控制器的正、反作用。

第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四17副回路：執(zhí)行器—氣關式，符號為“-”；副對象—執(zhí)行器的閥門開度增大時，副變量蒸汽流量也增大，故副對象的符號為“+”。副變送器—符號也為“+”。

根據回路各環(huán)節(jié)符號“乘積為負”的判別公式，副控制器的符號必須取“+"，即應選擇正作用?！跋雀焙笾鳌钡脑瓌t第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四18主回路：當蒸汽流量增大時，主變量提餾段的溫度將上升，故主對象的符號為“+”。

所以，主控制器應選擇“-”，反作用。第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四19【練習題】如圖的串級控制系統(tǒng)，執(zhí)行器選為氣開閥，試確定主、副控制器的正、反作用。

-++++-第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四20三、串級控制系統(tǒng)的工作過程工藝要求執(zhí)行器選為氣開式，爐出口溫度控制器T１C和爐膛溫度控制器

T２C均采用反作用工作方式，分析系統(tǒng)的工作過程。第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四21干擾作用于副回路：當燃料管網壓力增大，-++++-爐膛T2↑，爐膛T2↓閥門開度↓，T2C↓，T2T↑，導致燃料量↑第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四22干擾作用于主回路：當原料流量增加，-++++-導致出料溫度T1↓

，T1↑副環(huán)隨動+，T2↑，T1C↑，T1T↓

，副環(huán)為隨動控制系統(tǒng)+第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四23干擾同時作用于主、副回路：-++++-當原料溫度升高，導致出料溫度T1↑

；當燃料管網壓力增大，爐膛T2↑；副回路：T2T↑，偏差↑↑，T2C↓

↓

，閥開度↓，T1↓T1C↓

，主回路：T1T↑

，第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四24四、串級控制系統(tǒng)的特點及應用場合串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)相比，由于在結構上多了一個副回路，因而，在相同的干擾作用下，其控制質量是單回路控制系統(tǒng)無法比擬的。串級控制系統(tǒng)在工作性能上的主要特點：

1．對于進入副回路的干擾具有極強的克服能力。2．改善了控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了工作頻率。3.對負荷和操作條件的變化具有一定的適應能力。串級控制系統(tǒng)的適應場合：

主要適合于被控對象的容量滯后或純滯后時間較大，干擾作用強而且頻繁，或者生產負荷經常大范圍波動，簡單控制系統(tǒng)無法滿足生產工藝要求的場合。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四25五、串級控制系統(tǒng)設計中的幾個問題

1．副回路的確定（1）應將生產中的主要干擾納入到副回路中。（2）在可能前提下，應將盡可能多的干擾納入副回路中。（3）應使主、副回路的時間常數適當匹配。選擇使副回路時間常數小一些，有利加快控制。主、副對象時間常數相近，可能發(fā)生“共振”現象。通常，主、副對象時間常數之比在3～10倍之間。第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四262．主、副控制器控制規(guī)律的選擇(1)主變量是生產工藝的重要指標，副回路不要求為了保證過渡過程沒有余差，主控制器至少應選擇比例積分（Pl）控制規(guī)律。主對象的容量滯后較大，必要時也可引入微分作用，即PID控制規(guī)律。若副控制器要求不高，可選用比例（P）作用。(2)工藝對主變量要求較高，對副變量也有一定的要求。保證主變量的控制精度，主控制器需選擇PI作用。副變量在干擾作用下需達到一定的控制質量，副控制器也應該選擇PI作用。第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四27練習題鍋爐供水控制系統(tǒng)如圖所示，1，從鍋爐安全考慮，防止因斷水導致鍋爐燒爆，選擇氣開，氣關閥？選擇控制器+-，構成負反饋系統(tǒng)。2，若鍋爐給水流量波動頻繁且為主要干擾，原來的液位控制系統(tǒng)很難滿足控制要求，試問應采取何種措施來提高控制精度？設計控制方案？畫出系統(tǒng)方塊圖？第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四28執(zhí)行器—從鍋爐安全考慮，防止因斷水導致鍋爐燒爆，應選擇氣關式，“-”。對象—當流入量增加，液位是增加的，符號取為“+”。變送器—輸出信號隨液位的升高增加，符號為“+”?？刂破鳌仨氝x擇正作用“+”，才能構成負反饋控制系統(tǒng)。

答：問題1：第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四29答：

問題2：采用鍋爐液位與給水流量串級控制系統(tǒng)來提高控制精度。串級控制設計方案如圖所示。串級控制系統(tǒng)方塊圖如圖：FCFT第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四30液位控制器流量控制器流量變送液位變送液位對象流量對象鍋爐液位給水流量答：

問題2：第30頁，共32頁，2023年，2月20日，星期四311、兩步整定法工況穩(wěn)定,主副回路均閉合,

衰減曲線法求得d