第4章(串级控制)过程控制课件

第4章串级控制系统4-1概述一﹑串级控制系统的组成炼油厂常用的设备中有一种叫管式加热炉,工艺要求被加热原料在炉的出口温度保持恒定.单回路控制系控制阀出口温度燃料油原料油TC设定值测量值变送器控制量但此方案的实际控制效果并不理想,统的方案如下图.原因是,影响燃料油流量除阀门开度外,油压也对流量产生影响,而此影响使被控量即出口温度发生变化后,控制器才改变阀的开度,使流量产生相应的变化以克服油压变化这一干扰因素.但由于燃料油要经过管道传输﹑燃烧传热等一系列环节,总滞后较大,导致控制作用不及时,尤其当燃料油压力变化较大且频繁时,将使系统偏差增大控制质量显著降低.既然燃料油压力变化是主要干扰,且其对出口温度影响滞后较大,则是否能通过控制燃料油流量来间接达到控控制阀出口温度燃料油原料油QC设定值测量值变送器控制量制出口温度的目的?给出下图控制方案.此方案的优点在于能及时有效地克服燃料油压力的干扰,使流量的波动对出口温度的影响降到最低程度.此方案的缺点是出口温度不是被控量,燃料油流量是间接被控量,这就要求燃料油流量对出口温度有足够的灵敏度且两者间有一一对应的关系.但影响出口温度的还有燃料油的热值﹑炉膛的压力(影响燃烧所需的空气含氧量)﹑原料油入口温度及入口流量等诸多因素,且当上述因素引起出口温度变化时,由于出口温度未反馈到系统的输入端,故此方案无法克服上述因素的干扰将温度调节到理想状态.上面两种方案各有优缺点,下图是把两种方案结合起来的一种控制方案.控制阀出口温度燃料油原料油QC控制量流量测量值流量变送器TC温度设定值温度测量值温度变送器在此方案中,用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值由流量控制器的输出去调节燃料油的流量.从结构上看,其特点是两个控制器串接使用故此方案可叫加热炉出口温度与燃料油流量的串级控制系统.由结构示意图可画出其方框图.为便于对串级控制系统的控制阀出口温度燃料油原料油温度测量值温度变送器TC温度设定值流量测量值流量变送器QC控制量温度对象)(1sY)(2sY流量对象控制阀流量控制器)(2sE)(2sR温度控制器流量检测变送器)(2sZ)(1sE)(1sR温度检测变送器)(1sZ工作原理进行定性分析,先给出串级控制系统的一些常用名词术语.主变量:起主导作用,关系到产品产量﹑质量和操作安全的被控量如炉出口温度1Y主变送器:检测和变送主变量的变送器.)(1sD)(2sD副变量:为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量如燃料油流量2Y副变送器:检测和变送副变量的变送器.主控制器:按主变量的测量值与设定值的偏差进行工作的控制器,如温度控制器.副控制器:按副变量的测量值与主控制器的输出值即副控制器的设定值之间的偏差进行工作的控制器,如流量控制器.主对象:主变量所处的那部分工艺设备,其输入信号为副变量,输出信号为主变量,如温度对象.副对象:副变量所处的那部分工艺设备,其输入信号为操纵量,输出信号为副变量,如流量对象.主回路:在串级控制系统方框图中,处于外环(也叫主环)的整个闭合回路.副回路:串级控制系统方框图中的内环(也叫副环),有时也称随动回路.一次干扰:作用在主对象上的干扰,如二次干扰:作用在副对象上的干扰,如1D2D应用上述名称和术语,可得一般串级控制系统的如下方框图)(1sY主对象)(2sY副对象控制阀副控制器)(2sE)(2sR主控制器副变送器)(2sZ)(1sE)(1sR主变送器)(1sZ)(1sD)(2sD副回路主回路二﹑串级控制系统的工作过程以管式加热炉出口温度与燃料油流量串级控制系统为例,定性分析此类系统克服干扰的过程.首先应按工艺机理和保证生产的安全性确定系统中各固有对象和装置的正反作用,然后选择主﹑副控制器的正反作用,使主﹑副回路均为负反馈.由于燃料油,温度对象为正作用;温度对象)(1sY)(2sY流量对象控制阀流量控制器)(2sE)(2sR温度控制器流量检测变送器)(2sZ)(1sE)(1sR温度检测变送器)(1sZ)(1sD)(2sD12YY“+”阀门开度增大,导致流经阀门的燃料油流2Y,流量对象为正作用;“+”考虑到一旦发生故障,不致使加热炉烧坏,控制阀采用气开式,则控制阀为正作用;“+”流量和温度检测变送器均为正作用;“+”“+”先选择副回路中流量控制器正反作用,根据控制器正反作用选择规则,流量控制器选择反作用,“-”则222ZRE.由于副回路为负反馈,所以22YR副回路为正作用;最后可选温度控制器为反作用.“-”下面分析串级控制系统的工作过程.第一种情况:假设仅有作用于流量对象的二次干扰温度对象)(1sY)(2sY流量对象控制阀流量控制器)(2sE)(2sR温度控制器流量检测变送器)(2sZ)(1sE)(1sR温度检测变送器)(1sZ)(1sD)(2sD“+”“+”“+”“+”“+”“-”“-”22YD由于2Y的变化需经一段时间才会引起1Y的变化,故认为1Y暂时不变,则1Z也暂时不变,因1R是给定值,所以21,RE也不变,从而有:)(222222ZREZYD阀门开度2Y,可见一有二次干扰,副回路即对副变量进行调节,使其回到受干扰前的数值上.但初始时2Y的上升经一段时间后仍会引起1Y的上升,则有:12221111122)(YYERZREZYYD第二种情况:假设仅有作用于温度对象的一次干扰温度对象)(1sY)(2sY流量对象控制阀流量控制器)(2sE)(2sR温度控制器流量检测变送器)(2sZ)(1sE)(1sR温度检测变送器)(1sZ)(1sD)(2sD“+”“+”“+”“+”“+”“-”“-”11YD与第一种情况分析过程类似有:12221111YYEREZYD第三种情况:假设21,DD同时作用,又分两种情形,第一种情形21,DD使2211YDYD2111REZY2Z2E122YYE同向变化,则有:21,YY第二种情形使21,DD21,YY反向变化,则有:2211,YDYD1Y温度对象)(1sY)(2sY流量对象控制阀流量控制器)(2sE)(2sR温度控制器流量检测变送器)(2sZ)(1sE)(1sR温度检测变送器)(1sZ)(1sD)(2sD“+”“+”“+”“+”“+”“-”“-”使变化很小,假定1Y稍有上升,则1Z稍有上升,致使21,RE稍有下降,由于222ZYD所以2E变化不大,使2Y稍作调整即可让上升的1Y回复到受干扰前的数值上.可见,在这种情形下,串级控制系统本身主﹑副变量的反向变化即具有互补作用.通过以上分析结果可认为,副控制器具有粗调作用,主控制器有细调作用,两者相互配合,其控制质量必高于单回路控制系统.4-2串级控制系统的特点本节将对串级控制系统的若干特点从理论上进行分析,以加深对此类系统的理解和认识.一﹑时间常数将下面串级控制系统的通用方框图)(1sY主对象)(2sY副对象控制阀副控制器)(2sE)(2sR主控制器副变送器)(2sZ)(1sE)(1sR主变送器)(1sZ)(1sD)(2sD副回路主回路中各方框分别用其相应的传递函数替代,可得下图:)(1sY)(2sY)(2sE)(2sR)(1sE)(1sR)(1sD)(2sD)(1sWc)(2sWc)(sWv)(2sWo)(1sWo)(2sZ)(2sHm)(1sZ)(1sHm将上图中副回路输入信号与反馈信号比较点由副控制器前后移至副对象之前,得如下方框图.)(1sY)(2sY)(1sE)(1sR)(1sD)(2sD)()()(21sWsWsWvcc)('2sR)(2sWo)(1sWo)()()(22sHsWsWmvc)(1sZ)(1sHm设上图中:2222222)(),1/()(,)(,)(mmooovvccKsHsTKsWKsWKsW把上图再简化成下图.)(1sY)(2sY)(1sE)(1sR)(1sD)()()(21sWsWsWvcc)('2sR)('2sWo)(1sWo)(1sZ)(1sHm图中等效副对象)('/)()('2202sRsYsW1'')()()()(1)(02022222sTKsHsWsWsWsWmovco上式中:)1/(')1/('222202222202movcomovcoKKKKTTKKKKKK因在任何条件下必有11222movcKKKK,因此202202','ooTTKK,这说明,在串级控制系统中,以一个时间常数和放大倍数都缩小了)1(222movcKKKK倍的等效副对象,代替了原副对象,且副控器放大倍数2cK越大等效副对象的时间常数和放大倍数缩小得越显著.等效副对象时间常数的缩小,意味着控制通道的缩短对象的容量滞后减小,相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节,会使系统的反应速度加快,控制更为及时,符合副回路为随动系统的要求,控制质量得以提高.一般来讲,副对象的时间常数比主对象的时间常数小而比测量环节及控制阀的时间常数要大,前面曾有过结论,即减小中间大小的时间常数,可提高系统的可控性,也有利于提高控制质量.等效副对象放大倍数的缩小,可使主控器的放大系数整定的比单回路系统中的控制器的放大系数更大些,利于提高系统的抗干扰能力.二﹑工作频率由于等效副对象时间常数缩小,系统的工作频率得以提高.系统的工作频率可从系统的特征方程求得.)(1sY)(2sY)(1sE)(1sR)(1sD)()()(21sWsWsWvcc)('2sR)('2sWo)(1sWo)(1sZ)(1sHm由下图可得系统的特征方程为:0)()()(')()()(111221sHsWsWsWsWsWmoovcc令1111111)(),1/()(,)(mmoooccKsHsTKsWKsW代入上式并化简后得:01)(11'211'212'21moovccooooKKKKKKsTTsTT将上式与典型二阶系统特征方程相比较可得:022002ss'/)'(2020102010TTTT式中0是二阶系统的无阻尼自然振荡角频率,而有阻尼振荡角频率201即为工作频率.从而得串级控制系统的工作频率'2/1)'(102012020120TTTTcj为说明问题,将串级控制系统的工作频率与下图所示的单回路控制系统的工作频率进行比较.)(sWc)(1sY)(2sY)(1sE)(1sR)(1sD)(2sD)(sWv)(2sWo)(1sWo)(1sZ)(1sHm设图中ccKsW)(其它环节传递函数与前给出的串级控制系统的相应环节传递函数相同,则单回路控制系统的特征方程为:0)()()()()(1112sHsWsWsWsWmoovc将各环节传递函数代入上式得:同理可得:01)(11221221moovcooooKKKKKsTTsTT020102010/)(''2TTTT单回路控制系统的工作频率02012020120'2/'1)('1'TTTTdh当串级控制系统与单回路控制系统整定成具有相同的递减比,即',于是可得:020102010201020102010201/1'/1/)('/)'(TTTTTTTTTTTTdhcjdhcjTT0202'由)1/('222202movcoKKKKTT,当副控制器的比例系数整定得越大,则'02T比02T越小,cj比dh越大.工作频率越大,系统的调节时间和响应速度相应得到改善.三﹑抗干扰能力在自控系统中,控制器的放大系数值决定了系统对偏差的敏感程度,也在一定程度上反映了系统的抗干扰能力.串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统强.设二次干扰从串级控制系统的控制阀前进入,如下图.)(1sY)(2sY)(2sE)(2sR)(1sE)(1sR)(1sD)(2sD)(1sWc)(2sWc)()(2sWsWov)(1sWo)(2sZ)(2sHm)(1sZ)(1s