串級(jí)控制原理

串級(jí)控制原理第1頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月例 ：管式加熱爐是煉油廠經(jīng)常采用的設(shè)備之一（如下所示），其工藝要求是：爐出口溫度保持恒定。一、串級(jí)控制系統(tǒng)的組成干擾：原料的流量、初始溫度；燃料的流量、燃料熱值?！?.1串級(jí)控制原理第2頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月方案一：管式加熱爐出口溫度的單回路控制溫度檢測變送器溫度控制器期望溫度由于原料、燃料的流量等擾動(dòng)導(dǎo)致控制作用不及時(shí)；偏差大，控制質(zhì)量差。存在的問題：第3頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月方案二：管式加熱爐出口溫度的間接控制（1）存在的問題：在這個(gè)方案中，爐出口溫度不是被控量，當(dāng)來自原料入口溫度和初始溫度等干擾因素使出口溫度發(fā)生變化時(shí)，此間接控制系統(tǒng)無法將變化了的溫度調(diào)回來；期望流量流量檢測變送器流量控制器第4頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月管式加熱爐出口溫度的間接控制（2）期望爐膛溫度第5頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月用溫度控制器的輸出作為流量控制器的設(shè)定值，由流量控制器的輸出去控制燃料油管線的控制閥，可以抑制燃料油流量的擾動(dòng)方案三：加熱爐出口溫度與燃料流量的串級(jí)控制同樣：加熱爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制可以抑制燃料油流量的擾動(dòng)和熱值擾動(dòng)。第6頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

串級(jí)控制系統(tǒng)：就是由兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起，控制一個(gè)執(zhí)行閥，實(shí)現(xiàn)定值控制的控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)中常見的名詞術(shù)語：溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖如下：主、副變量，主、副控制器（調(diào)節(jié)器），主、副對(duì)象，主、副檢測變送器，主、副回路。作用在主、副對(duì)象上的干擾分別為一、二次干擾。第7頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月串級(jí)控制系統(tǒng)的通用方框圖：二、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程（參見P198）

仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析溫度-流量串級(jí)控制系統(tǒng)克服干擾的過程。調(diào)節(jié)閥：氣開式

溫度調(diào)節(jié)器、流量調(diào)節(jié)器：反作用內(nèi)回路選取時(shí)應(yīng)包含主要干擾，同時(shí)時(shí)間常數(shù)不宜過長。第8頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月情況一：干擾來自燃料油流量的變化初始階段，出口溫度不變，溫度控制器的輸出不變，流量控制器就按照變化了的測量值與沒變的設(shè)定值之差進(jìn)行控制，改變執(zhí)行閥的原有開度，使燃料油向原來的設(shè)定值靠近。當(dāng)出口溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度控制器不斷改變著流量控制器的設(shè)定值，流量控制器就按照測量值與變化了的設(shè)定值之差進(jìn)行控制，直到爐出口溫度重新恢復(fù)到設(shè)定值。先副回路，后主回路情況二：干擾來自原料油方面，使?fàn)t出口溫度升高

出口溫度溫度控制器輸出流量控制器設(shè)定值。燃料油流量為適應(yīng)溫度控制的需要而不斷變化。第9頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月情況三：一次干擾和二次干擾同時(shí)存在主、副變量同向變化主、副調(diào)節(jié)器共同作用，執(zhí)行閥的開度大幅度變化，使得爐出口溫度很快恢復(fù)到設(shè)定值。主、副變量反向變化兩種干擾作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的調(diào)整。通過分析可知：副控制器具有“粗調(diào)”的作用，而主控制器具有“細(xì)調(diào)”的作用，兩者互相配合，控制質(zhì)量必然高于單回路控制系統(tǒng)。返回第10頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月1、能迅速克服進(jìn)入副回路的二次干擾串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如下：§6.2串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)輸出對(duì)于輸入的傳遞函數(shù)：第11頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出對(duì)于二次擾動(dòng)的傳遞函數(shù)：第12頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月單回路控制系統(tǒng)方框圖如下：第13頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月即：串級(jí)控制系統(tǒng)克服二次干擾的能力大于單回路控制系統(tǒng)（約10～100倍）。串級(jí)控制系統(tǒng)克服一次干擾的能力也比單回路控制系統(tǒng)強(qiáng)。2、提高了系統(tǒng)的工作頻率雙容對(duì)象的單回路控制系統(tǒng)如下圖所示：其特征方程式為：第14頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月阻尼振蕩頻率為：自然振蕩頻率阻尼比雙容對(duì)象的串級(jí)控制系統(tǒng)如下圖所示：第15頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月

串級(jí)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(shí)間，提高了系統(tǒng)的快速性。同理可得：第16頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3、減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)由特點(diǎn)2可知副回路的傳遞函數(shù)：式中：等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小于副對(duì)象本身的時(shí)間常數(shù)，意味著控制通道的縮短，從而使控制作用更加及時(shí)，響應(yīng)速度更快。第17頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月4、對(duì)負(fù)荷變化有一定的適應(yīng)能力無串級(jí)時(shí)，開環(huán)傳函：有串級(jí)時(shí)，開環(huán)傳函：所以，串級(jí)控制可以減小或消除副對(duì)象的非線性。返回某控制系統(tǒng)方框圖如下：第18頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月與單回路控制系統(tǒng)的選擇原則一致，即選擇直接或間接反映生產(chǎn)過程的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、節(jié)能、環(huán)保以及安全等控制要求的參數(shù)作為主變量。一、主變量的選擇二、副變量的選擇選擇原則：（1）在保證副回路時(shí)間常數(shù)較小的前提下，使其納入主要的和更多的干擾副回路包含的干擾越多，其通道越長，克服干擾的靈敏度越低?！?.3串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第19頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配副回路工作頻率為確保串聯(lián)系統(tǒng)不產(chǎn)生共振，一般取主回路工作頻率（3）應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)性三、主、副控制器的選擇（1）控制規(guī)律的選擇主控制器：一般用P精度要求較高PI主對(duì)象滯后較大PID副控制器：一般用P精度要求較高，副對(duì)象時(shí)間常數(shù)過小PI第20頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）控制器正反作用方式的選擇“先副后主”

將副回路看作是一個(gè)設(shè)定值不變的單回路，用與單回路中確定調(diào)節(jié)器正反作用同樣的方法進(jìn)行確定；將副回路當(dāng)作一個(gè)正環(huán)節(jié)，對(duì)主回路進(jìn)行考慮，方法同上。氣開式反作用反作用返回第21頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月副回路：是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，一般對(duì)其控制品質(zhì)要求不高，對(duì)其快速性要求較高。主回路：是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)和單回路控制系統(tǒng)一樣。參數(shù)整定的方法：逐步逼近法兩步整定法一步整定法自學(xué)P211-216§6.4串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定返回第22頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月1、應(yīng)用于容量滯后較大的過程設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想：如果用單回路控制系統(tǒng)能夠滿足控制性能要求，就不用串級(jí)控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。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(jí)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§6.5串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用第23頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月2、應(yīng)用于純延時(shí)較大的過程當(dāng)對(duì)象純延時(shí)較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足控制性能指標(biāo)時(shí)，可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)：在離控制閥較近、純延時(shí)較小的地方選擇一個(gè)副參數(shù)，把干擾納入副回路中。例：網(wǎng)前箱溫度-溫度串級(jí)控制系統(tǒng)要求：單回路控制：串級(jí)控制：第24頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月3、應(yīng)用于有變化劇烈和幅度較大擾動(dòng)的過程例：精餾塔釜溫度與蒸汽流量串級(jí)控制系統(tǒng)要求：單回路控制：串級(jí)控制：第25頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月4、應(yīng)用于非線性過程對(duì)象的靜態(tài)特性都具有一定非線性，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起工作點(diǎn)的移動(dòng)，使被控對(duì)象的特性發(fā)生改變。例：合成反應(yīng)爐中部溫度與進(jìn)氣口溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)非線性設(shè)備第26頁，課件共27頁，創(chuàng)作于2023年2月5、自校正設(shè)定值串級(jí)控制系統(tǒng)中，副控制器的設(shè)定值是由主控制器