串級控制系統(tǒng)

《過程控制》

PROCESSCONTROL

石油大學自動化胡長松第3章串級控制系統(tǒng)

本章主要內(nèi)容一、串級控制系統(tǒng)

二、均勻控制系統(tǒng)

三、前饋控制系統(tǒng)

四、比值控制系統(tǒng)

五、分程控制系統(tǒng)

六、其他復雜控制系統(tǒng)

第3章復雜控制系統(tǒng)

§1串級控制系統(tǒng)

基本要求：

掌握串級控制系統(tǒng)的結構、特點、應用場合。設計原則（主、副回路的設計，主、副控制器控制規(guī)律的選擇，正、反作用的選擇），參數(shù)整定方法。

一、串級控制系統(tǒng)的概念

（一）舉例1:連續(xù)槽反應器溫度控制被控參數(shù)：反應溫度T1調(diào)節(jié)手段：改變冷卻水流量調(diào)節(jié)對象：反應器干擾因素：物料流量，入口溫度，物料化學組分冷卻水口溫度，調(diào)節(jié)閥前的壓力1、采用簡單控制系統(tǒng)（1）工作過程:設冷卻水擾動:如T冷卻水↑→T1↑→調(diào)節(jié)器發(fā)出信號→開閥→T1↓（2）問題：從開閥→T1↓中間需經(jīng)過夾套,槽壁,調(diào)節(jié)過程長,導致動態(tài)偏差大。（1）設計思路：干擾發(fā)生后，先控制夾套溫度，再控制出口溫度。

（2）方框圖：2、采用串級控制系統(tǒng)

（3）工作過程：(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:先影響到夾套水的溫度T2，由T2C控制冷卻水，將干擾克服在影響溫度T1之前。（ⅱ）若進料發(fā)生干擾：T1必變化，T1C輸出信號送T2C，使得調(diào)節(jié)通道變短，調(diào)節(jié)速度也加快了。（二）串級控制系統(tǒng)的概念

串級控制系統(tǒng)：采用兩個或兩個以上調(diào)節(jié)器，各個調(diào)節(jié)器之間相串接，一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的輸入。一般串級控制系統(tǒng)的方框圖：

幾個術語：主參數(shù)（主被控變量） 副參數(shù)（副被控變量）主對象：副參數(shù)與主參數(shù)之間的對象部分。副對象：控制閥與副參數(shù)以間的對象部分。主調(diào)節(jié)器：接受主參數(shù)測量值的控制器。 副調(diào)節(jié)器：接受副參數(shù)測量值的控制器。主變送器：測量主參數(shù)的變送器。 副變送器：測量副參數(shù)的變送器。主回路（主環(huán)）：包括主參數(shù)測量變送，主控制器、副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對象、主對象組成的回路，亦稱外環(huán)。副回路（副環(huán)）：包括副參數(shù)測量變送，副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對象組成的回路，亦稱內(nèi)環(huán)。一次擾動：作用于副環(huán)之外的擾動。二次擾動：包括在副回路內(nèi)的擾動。注：1、副調(diào)節(jié)器的設定值是主調(diào)節(jié)器的輸出。2、副調(diào)節(jié)器是在外設定下工作，主調(diào)節(jié)器在內(nèi)設定下工作二、串級控制系統(tǒng)的特點

（一）對進入副回路的干擾有很強的抑制能力。

與簡單回路相比，串級控制系統(tǒng)在結構上增加了一個副回路GC1,GC2：主、副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

GP1,GP2：主、副對象的傳遞函數(shù)。Hm1,Hm2：主、副變送器的傳遞函數(shù)。Gf1,Gf2：一、二次擾動的傳遞函數(shù)。簡單控制系統(tǒng)：被控對象包括主、副對象兩部分。串級控制系統(tǒng)：副回路代替了原來的一部分對象，作為主回路的一個環(huán)節(jié)，等效副對象G′P2(S)的傳函為：

1、當擾動為f2時，方框圖轉化為：簡單：串級:

比較上兩式：由于副回路的控制作用，副回路的負反饋作用減弱擾動f2對C2的影響。

2、舉例：設副回路有關環(huán)節(jié)傳函分別為：GP1,GP2：主、副對象的傳遞函數(shù)?！郖c1為“+”即反作用控制器3對象具有較大的非線性特性，且負荷變化較大時副控制器：一般選P，采用流量副環(huán)時，因其時間常數(shù)小，也可適當引入積分作用。(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:(3)主、副時間常數(shù)應匹配。副變送器：測量副參數(shù)的變送器。串級：Kc2=5，最大偏差不超過±1℃。串級控制系統(tǒng)：采用兩個或兩個以上調(diào)節(jié)器，各個調(diào)節(jié)器之間相串接，一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的輸入。（3）T2↓T1↓∴Kp1為“+”GP1,GP2：主、副對象的傳遞函數(shù)。2、副調(diào)節(jié)器是在外設定下工作，主調(diào)節(jié)器在內(nèi)設定下工作(1)副參數(shù)的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應靈敏。檢驗：當反應溫度T1升高時，主控制器的輸出減小，即副控制器設定值減?。ㄏ喈斢诮o定值不變，測量值增加）副控制器的輸出減小控制閥開度增大，冷卻水流量增大反應溫度降低。逐步逼近法：當串級控制系統(tǒng)主、副對象的時間常數(shù)相差不大，主、副回路動態(tài)聯(lián)系緊密時，可采用此法。(1)副參數(shù)的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應靈敏。2、舉例：設副回路有關環(huán)節(jié)傳函分別為：簡單：（無副回路的控制作用）

串級：∴

（二）減小了調(diào)節(jié)通道的慣性，提高系統(tǒng)的工作頻率。

設副回路等效對象G′p2(S)，副環(huán)中的各環(huán)節(jié)傳函為：∴

無論在什么條件下∴分析：T′p2<Tp2，且Kc2↑，等效過程時間常數(shù)T′p2愈小，過程動態(tài)特性改善顯著，調(diào)節(jié)作用加快等效時間常數(shù)的減小，使系統(tǒng)的工作頻率提高。

（三）對副環(huán)前向通道的非線性有很強的自適應能力將較大非線性的部分對象包括在副回路中，副回路的閉環(huán)增益為:設Km2=1,則

參數(shù)靈敏度縮成為副回路未閉合時的

∴能自動克服前向通道非線性的影響。三、串級控制系統(tǒng)的應用場合用于克服變化劇烈和幅值大的干擾。設計時把變化劇烈和幅值大的干擾包含在副回路中，把控制器的增益Kc2整定得比較大。舉例：工藝要求溫度偏差為±1.5℃，生產(chǎn)過程中，蒸汽壓力變化劇烈，而且幅度大，有時從500KPa→300KPa，壓力變化了40%。簡單：Kc，最大偏差為10℃，不能滿足要求。串級：Kc2=5，最大偏差不超過±1℃。2用于時滯較大的對象3對象具有較大的非線性特性，且負荷變化較大時四、串級系統(tǒng)設計和實施

串級設計的關鍵在副環(huán)；副環(huán)的設計關鍵在于選擇副參數(shù)，同時還須考慮主、副環(huán)聯(lián)系和工藝合理性。（一）主、副回路的設計1、主參數(shù)的選擇：應該選一個可測量的，最能直接、正確、迅速反映控制要求的工藝參數(shù)。2、副回路的設計：(1)副參數(shù)的選擇應使副回路的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應靈敏。(2)選擇副參數(shù)應使較多個干擾進入副回路，特別是變化最劇烈、最頻繁、幅值最大的主要干擾。（ⅱ）若進料發(fā)生干擾：(2)副調(diào)節(jié)器：保證Kc2KvKp2Km2的乘積為正值；二次擾動：包括在副回路內(nèi)的擾動。Hm1,Hm2：主、副變送器的傳遞函數(shù)。在副回路的設計中，若出現(xiàn)幾個可供選擇的方案時，應將經(jīng)濟原則和控制質(zhì)量要求結合起來，盡力節(jié)約設備投資。(5)注意生產(chǎn)的經(jīng)濟性(3)主、副時間常數(shù)應匹配。(5)注意生產(chǎn)的經(jīng)濟性兩步整定法：這是一種先整副環(huán)，后整主環(huán)的方法。(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:串級設計的關鍵在副環(huán)；（二）減小了調(diào)節(jié)通道的慣性，提高系統(tǒng)的工作頻率。GP1,GP2：主、副對象的傳遞函數(shù)。存在著一對矛盾(3)主、副時間常數(shù)應匹配。原則上：時間常數(shù)的匹配，應能保證使副、主回路的工作頻率之比大于3，主、副對象的時間常數(shù)之比應在3—10之間。避免“共振效應”。“共振效應”：主、副對象特性相近時，主、副回路的工作頻率就相近，主、副對象之間的動態(tài)聯(lián)系就十分緊密，如果有干擾作用，無論主、副參數(shù)哪個先振蕩，必將引起另一個也振蕩，兩個相互促進，振蕩更加劇烈。(4)應考慮工藝的合理性和實現(xiàn)的可能性。(5)注意生產(chǎn)的經(jīng)濟性在副回路的設計中，若出現(xiàn)幾個可供選擇的方案時，應將經(jīng)濟原則和控制質(zhì)量要求結合起來，盡力節(jié)約設備投資。（二）主、副控制器控制規(guī)律的選擇主控制器：同簡單回路一樣。PI,D為保證產(chǎn)品質(zhì)量副控制器：一般選P，采用流量副環(huán)時，因其時間常數(shù)小，也可適當引入積分作用?？刂破髡⒎醋饔玫倪x擇：確定原則：使整個回路構成負反饋系統(tǒng)。具體步驟：(1)根據(jù)生產(chǎn)設備安全原則選擇控制閥的開、關形式。(2)副調(diào)節(jié)器：保證Kc2KvKp2Km2的乘積為正值；(3)主調(diào)節(jié)器：保證主回路負反饋，即Kc1Kp1的乘積為正值；（1）先投副回路，再投主回路。1、當擾動為f2時，方框圖轉化為：六、其他復雜控制系統(tǒng)(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:一次擾動：作用于副環(huán)之外的擾動。(4)應考慮工藝的合理性和實現(xiàn)的可能性。(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:(3)主、副時間常數(shù)應匹配。第3章串級控制系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器：接受副參數(shù)測量值的控制器。檢驗：當反應溫度T1升高時，主控制器的輸出減小，即副控制器設定值減小（相當于給定值不變，測量值增加）副控制器的輸出減小控制閥開度增大，冷卻水流量增大反應溫度降低。（一）舉例1:連續(xù)槽反應器溫度控制二、串級控制系統(tǒng)的特點

（一）對進入副回路的干擾有很強的抑制能力。逐步逼近法：當串級控制系統(tǒng)主、副對象的時間常數(shù)相差不大，主、副回路動態(tài)聯(lián)系緊密時，可采用此法。設計時把變化劇烈和幅值大的干擾包含在副回路中，把控制器的增益Kc2整定得比較大。二次擾動：包括在副回路內(nèi)的擾動。舉例：反應器控制系統(tǒng)解：（1）從生產(chǎn)安全角度考慮：冷卻水控制閥選氣關型。Kv取“-”（2）當冷卻水流量增加，T2↓?！郖p2為“-”∴Kc2為“+”反作用控制器（3）T2↓T1↓∴Kp1為“+”∴Kc1為“+”即反作用控制器檢驗：當反應溫度T1升高時，主控制器的輸出減小，即副控制器設定值減?。ㄏ喈斢诮o定值不變，測量值增加）副控制器的輸出減小控制閥開度增大，冷卻水流量增大反應溫度降低。五、串級控制系統(tǒng)的運行1、投運方法：（1）先投副回路，再投主回路。（2）先投主回路，再投副回路。投運過程須滿足無擾切換，保證生產(chǎn)穩(wěn)定運行的必要條件。投運步驟：（1）主調(diào)節(jié)器置內(nèi)給定，副調(diào)節(jié)器置外給定，主、副調(diào)節(jié)器均切到手動。（2）調(diào)副調(diào)節(jié)器手操器，使主、副參數(shù)趨于工藝給定值達穩(wěn)定時，調(diào)主調(diào)節(jié)器手操器，使副調(diào)節(jié)器的給定值=測量值，使副調(diào)節(jié)器切入自動。（3）當副環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)定時，主參數(shù)穩(wěn)定時，調(diào)主調(diào)節(jié)器，使主調(diào)節(jié)器的給定值=測量值，將主調(diào)節(jié)器切入自動。2、參數(shù)整定的方法：逐步逼近法：當串級控制系統(tǒng)主、副對象的時間常數(shù)相差不大，主、副回路動態(tài)聯(lián)系緊密時，可采用此法。兩步整定法：這是一種先整副環(huán)，后整主環(huán)的方法。當串級控制系統(tǒng)主、副