自动化仪表

过程控制系统与仪表第6章第6章复杂控制系统简单控制系统是过程控制中最基本、应用最广的控制形式，约占全部控制系统的80％。但是：随着生产过程的大型化和复杂化，操作条件更加严格，变量之间的关系更加复杂。有些生产工艺和控制要求比较特殊。随着技术发展，对工艺的控制目标多样化，如产量、质量、节能、环保、效率等。为此，设计出各种复杂控制系统。过程控制系统与仪表第6章6.1串级控制系统当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。6.1.1串级控制系统基本结构及工作过程串级控制是在简单控制系统基础上的改进。例管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原油加热到一定温度，以保证下道工艺的顺利进行。因此，需要控制原油加热后的出口温度。过程控制系统与仪表第6章问题：控制通道容量滞后很大，控制缓慢。燃料压力或燃料的热值变化影响炉膛温度热传导给原料影响出口温度15min3min原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉若用简单温控系统：过程控制系统与仪表第6章炉膛温度变化T2T、T2C回路先改变燃料量T1T、T1C回路再改变燃料量出料温度变化解决措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。燃料压力变化3min原料出口温度θ1(t)原料T1CT1T燃料管式加热炉T2CT2T过程控制系统与仪表第6章图6.6管式加热炉出口温度串级控制系统框图为：主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f4f1、f2管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋主控制器执行器副对象主对象主变送器副变送器副控制器＋－－＋主变量副变量给定干扰标准框图为：过程控制系统与仪表第6章结构特点：系统有两个闭合回路，形成内外环。主变量是工艺要求控制的变量，副变量是为了更好地控制主变量而选用的辅助变量。主、副调节器是串联工作的，主调节器的输出作为副调节器的给定值。主控制器执行器副对象主对象主变送器副变送器副控制器＋－－＋主变量副变量给定干扰过程控制系统与仪表第6章控制过程分析：1．燃料压力f3(t)、燃料热值f4(t)发生扰动——干扰进入副回路进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大为缩短。主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f4f1、f2管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋过程控制系统与仪表第6章主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f4f1、f2管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋2．原油流量f1(t)、原油入口温度f2(t)发生扰动——干扰进入主回路对进入主回路的干扰，虽然副变送器不能提前测出，但副回路的闭环负反馈，使对象炉膛部分特性的时间常数大为缩短，则主控制器的控制通道被缩短，控制效果也得到改善。过程控制系统与仪表第6章3．干扰同时作用于副回路和主回路主副回路干扰的综合影响有两种情况：（1）主副回路的干扰影响方向相同。如：燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑→出口温度↑→副控制器开始调节原油流量f1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f4f1、f2管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋过程控制系统与仪表第6章（2）主副回路的干扰影响方向相反。如：燃料压力f3(t)↑→炉膛温度↑→出口温度↑→副控制器开始调节原油流量f1(t)↑→出口温度↓→主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。主控制器调节阀x1炉膛原料油f3、f4f1、f2管壁温度变送器1温度变送器2副控制器＋x2(t)θ2(t)θ1(t)－－＋过程控制系统与仪表第6章6.1.2串级控制系统特点及其分析将串级控制系统等效成单回路控制系统讨论。Gc1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)＋X2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)－－F3(s)、F4(s)G*o2(s)G’o2(s)X2(s)Θ2(s)将副环等效为：C2V0202C2V02m2G(s)G(s)G(s)G()1G(s)G(s)G(s)G(s)s0202C2V02m2G(s)G()1G(s)G(s)G(s)G(s)s过程控制系统与仪表第6章C2V0202C2V02m2G(s)G(s)G(s)G()1G(s)G(s)G(s)G(s)s6.1.2.1改善被控过程的动态特性控制通道等效副对象的传函：120202sTKsG)(22ccKsG)(vv()GsKm2m2()GsK设：则：C2V02C2V02m20202C2V02m2KKK1KKKKG()T1S1KKKKsT02′T02K02′≈1/Km2过程控制系统与仪表第6章Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串级控制等效真正的单回路控制T02′T02，说明主环控制通道时间常数缩短，改善了系统的动态性能。过程控制系统与仪表第6章Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－同理，通过对系统振荡频率的推导可知：副回路的引入，提高了系统的工作频率，也改善了系统的动态性能。从系统特征方程：1+Gc1(s)G’o2(s)Go1(s)Gm1(s)=0可求出系统的工作频率ωc过程控制系统与仪表第6章6.1.2.2抗干扰能力增强对于进入副回路的干扰，串级控制和单回路控制前向通道的区别：G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串级控制等效真正的单回路控制过程控制系统与仪表第6章1）能迅速克服进入副回路的干扰，提高控制质量。sGsGsGsGsGsFsYsGmvc20220222021sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsXsYmvccvcc1010221010221111sGsGsGsGsGsGsGsGsFsYmvcc10102210102211理论分析：VCCvccKKKsGsGsGsFsYsXsY21212111/控制性能与抗干扰能力的综合指标为：过程控制系统与仪表第6章对同样过程的单回路控制，其综合指标为：VCvcKKsGsGsFsYsXsY2111/cccKKK21在一般情况下有：由此可见，串级控制由副回路的存在，控制作用的总放大系数提高了，因而抗干扰能力与控制能力均比单回路控制系统有了明显提高。过程控制系统与仪表第6章0202C2V02m2G(s)G()1G(s)G(s)G(s)G(s)s干扰通道的传函：120202sTKsG)(22ccKsG)(vv()GsKm2m2()GsK设：则：02*C2V02m20202C2V02m2K1KKKKG()T1S1KKKKsT02*T02K02*K02过程控制系统与仪表第6章K02*K02说明干扰通道的影响力降低；T02*T02说明干扰通道时间常数缩短，即副回路的控制速度快。Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串级控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－真正的单回路控制过程控制系统与仪表第6章Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串级控制等效G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－真正的单回路控制对于进入主回路的干扰，串级控制和单回路控制闭环回路的区别：过程控制系统与仪表第6章C2V02C2V02m20202C2V02m2KKK1KKKKG()T1S1KKKKsT02′T02K02′T02′T02，说明主环通道时间常数被缩短，加快了系统的控制速度。Gc1(s)X1(s)Θ1(s)＋G*o2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)G’o2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－串级控制等效过程控制系统与仪表第6章6.1.2.3对负荷和操作条件变化的适应能力增强有些生产过程的工艺条件经常变化。而在不同的工艺点，对象的放大倍数往往不同。如果是单回路控制，这会导致控制质量下降。G*c1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)F1(s)、F2(s)Gm1(s)－真正的单回路控制过程控制系统与仪表第6章C2V02C2V02m20202C2V02m2KKK1KKKKG()T1S1KKKKsK02′≈1/Km2对于串级控制，部分对象被包含在副回路中，其放大倍数被负反馈压制。因而工艺负荷或操作条件变化时，调节系统仍然具有较好的控制质量。Gc1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)＋X2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)－－过程控制系统与仪表第6章串级系统特点总结：①对进入副回路的干扰有很强的克服能力；②改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；对进入主回路的干扰控制效果也有改善；③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。调节效果比较串级控制单回路控制ty过程控制系统与仪表第6章6.1.3串级控制系统的设计与参数整定6.1.3.1串级控制系统的方案设计1．主回路设计主回路设计与单回路控制系统一样。Gc1(s)Gv(s)X1(s)Θ1(s)＋Go2(s)F3(s)、F4(s)Go1(s)Gc2(s)＋X2(s)Θ2(s)F1(s)、F2(s)Gm2(s)Gm1(s)－－过程控制系统与仪表第6章2．副回路的选择副回路设计中，最重要的是选择副回路的被控参数（串级系统的副参数）。副参数的选择一般应遵循下面几个原则：①主、副变量有对应关系②副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰③副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生④应注意工艺上的合理性和经济性过程控制系统与仪表第6章3．主、副调节器调节规律的选择在串级系统中，主参数是系统控制任务，副参数辅助变量。这是选择调节规律的基本出发点。主参数是生产工艺的主要控制指标，工艺上要求比较严格。所以，主调节器通常选用PI调节，或PID调节。控制副参数是为了提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，允许有静差。因此，副调节器一般选P调节就可以了。过程控制系统与仪表第6章4．主、副调节器正、反作用方式的确定对串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则依然是使系统构成负反馈。选择时的顺序是：1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的正、反作用；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则