第五章-串级控制系统

第五章串级控制系统与比值控制系统§5-1串级控制系统的概念单回路控制系统：结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。复杂控制系统：具有两个以上的检测变送单元、或控制器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务串级控制系统：对改善控制品质有独到之处，故而在过程控制系统中应用很广泛。一.串级控制系统的组成1、问题的提出例5-1以连续槽反应器温度控制为例下图是单回路控制系统扰动•冷却水温度、压力•物料流量、温度、组分等。例5-2精馏塔提馏段温度控制扰动：•物料•蒸汽压力波动控制目标：•温度稳定E-3V-1θCθQ再沸器蒸汽串级控制方案E-3V-1θCQCθQ串级系统控制框图沈阳理工大学问题：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θ1T燃料管式加热炉θ1C例5-3以炼油厂管式加热炉的出口温度控制（1）扰动燃料油方面---组分、油压；喷油用过热蒸汽压力；被加热油料—流量、温度；配风、炉膛漏风。(2)、采用单回路控制方案：如上图所示。优点：所有对温度的干扰都包括在控制回路之中。缺点：对燃油流量变化等干扰控制不及时，总滞后较大。沈阳理工大学炉膛温度变化θ2T、θ2C回路先改变燃料量θ1T、θ1C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θ1Cθ1T燃料管式加热炉θ2Tθ2C(2)、方框图：如下图所示。(3)、特征：两台控制器串联在一起，控制一个调节阀。(5)、常见名词术语:串级控制系统与单回路控制系统的区别：两个回路.主、副变量，主、副控制器，主、副对象，主、副变送器，主、副回路等。4-5二、二次干扰包含在副环内的扰动称为二次干扰，作用副环之外的干扰为一次干扰。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二次干扰一次干扰沈阳理工大学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)－－＋三、串级控制系统的工作过程沈阳理工大学主控制器调节阀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。沈阳理工大学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)－－＋沈阳理工大学（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)－－＋§5-2串级控制系统的分析一、副环具有快速作用，能有效克服二次干扰串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，副环具有快速作用，从而有效克服二次扰动的影响。将整个副回路看成一个副对象，则简化为书P108中的（5-1）式。Gc1(S)Gc2(S)Gv(S)Gp2(S)Gp1(S)Gd2(S)Gm2(S)Gm1(S)--R1(s)R2(S)D2(S)Y1(S)Y2(S)Gp’2(s)Gc1(S)Gv(S)Gp2(S)Gp1(S)Gd2(S)Gm1(S)-R1(s)D2(S)Y1(S)Y2(S)R2(s)串级控制单回路控制211222211122()()()()1()()()()()()()()()()dpcvpmcmpcvpGsGsYSDsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGs21121112()()()()1()()()()()dpcmpvpGsGsYSDsGsGsGsGsGs串级控制单回路控制串级控制增加项副调节器Gc2（s）大于1，增加项远大于1，使得串级控制的抗干扰能力增强。由于等效副回路时间常数的缩短，系统的工作频率提高了（可使振荡周期缩短）。通过对串级和单回路控制系统特征方程的分析(P109～110)，可知:串单。二、副环改善对象的动态特性，可加大副调节器增益，提高系统的工作频率2222222222222221''()1'1111cvpcvpmppppcvpmcvpmKKKKKKKKGsTSTSKKKKKKKK其中，三、对负荷或操作条件变化有一定的自适应能力单回路控制系统只有一个控制器，设定值一般不变，难以适应负荷非线性的变化。串级控制系统中，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，适应负荷变化的能力较强。副环参数变化影响很小，亦可说明副回路能自动地克服对象非线性特性的影响。22222221'1cvppcvpmmKKKKKKKKK沈阳理工大学串级系统特点总结：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§5-3串级系统设计和实施中的几个问题选择原则主要有：(1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其特点。设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制规律选型和正、反作用的确定。一、副回路的设计1、副参数的选择应使副回路时间常数最小，调节通道短，反应灵敏。2、副回路应包括主要扰动。前已述及，应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在副回路中。研究系统的干扰来源是十分重要的。如前述的管式加热炉，主扰动为然油压力还是然油热值，则副回路的选择大不相同。(2)、发挥副回路的超前控制作用。并非包括的干扰越大越好。干扰包括得越大，副变量的位置会越靠近主变量，灵敏度会降低。精馏塔提馏段温度控制———副回路的选择E-3V-1θCθQQCQCPCPQ•保持传级控制系统的性能，应避免副环进入高增益区，即主回路周期Td1为（1~3）Td2的区域。即Td13Td2•根据二阶系统的共振条件可知，共振区域为：•由于•使得在按4：1衰减时，ξ=0.216,123rww2212,1rndndrww二、主、副回路工作频率的选择wdwrwn分别为工作频率，共振平率，自然频率分析可知(1)、当Td1/Td210时，则Td2很小，副回路包括的干扰很少，作用未发挥。(2)、当Td1/Td23时，说明Td2过大，副回路的控制作用不及时。(3)、当Td1/Td21时，主、副回路易出现“共振效应”。一般认为：Td1/Td2=310较合适。究竟Td2取多大为好，应按具体情况确定。若欲快速克服主干扰，则小一点为好；若欲克服对象的大滞后，可取大点；若欲克服对象的非线性，则Td1/Td2宜取大一些。1、对主变量控制质量要求高主变量宜采用PI规律；欲克服容量滞后，应引进微分作用，采用PID规律。副变量一般采用P规律就可以了。2、对副变量控制要求也较高主、副变量均采用PI控制规律。3、对主变量控制要求不高，甚至允许小波动主变量采用P规律，副回路对主回路的跟随要求快而准时采用PI控制规律。三、主、副控制器的选择(一)、控制规律的选择（二）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气开、气关形式；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，确定主调节器的正、反作用。§5-4调节器的选型控制器参数的整定所谓投运，就是通过适当的步骤，使主、副控制器从手动工作状态转到自动工作状态。两种投运方法：①、先投副环后投主环(常用)；②、先投主环后投副环(很少用)。一、串级控制系统的投运二、串级控制系统控制器参数的整定串级控制系统的方案正确设计后，为了使系统运行在最佳状态，按照自控理论，必须对系统进行校正，这在过程控制中称为参数整定。在工程实践中，串级控制系统中常用的整定方法有：逐步逼近法、两步整定法。(一)、逐步逼近法逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。该方法较繁琐。具体步骤为：先断开主回路，整定副控制器。后闭合主回路，整定主控制器。重新调整副控制器参数。若未达到控制要求，再调整主控制器参数。以上步骤循环进行，直到满足(逼近)控制指标为止。对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。(二)、两步整定法(应用最广泛)第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。先整定副环，主、副环均闭合，主副调节器都置于纯比例控制，主调节器比例带置于100%，按单回路方法整定副环，应用衰减振荡法得到。整定主环，主、副环均闭合，副调节器置于，同样方法得到主调节器的查表得到整定值。不满足要求，继续修正调整直到满意。220Ts和2s110Ts和0.75ψ1、与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？2、为什么说串级控制系统具有改善过程动态特性的特点？T’02和K’02减小与提高控制质量有何关系？3、为什么提高系统工作频率也算是串级控制系统的一大特点？思考题§5-5比值控制系统在现代工业生产过程中，要求两种或多种物料流量成一定比例关系；一旦比例失调，会影响生产的正常进行，影响产品质量，浪费动力，造成环境污染，甚至产生生产事故。如：燃烧过程中，往往要求燃料量与空气量需按一定比例混合后送入炉膛。制药生产中要求药物和注入剂按比例混合。1、方法的产生2、比值控制的含义凡是两个或多个变量自动维持一定比值关系的过程控制系统，统称为比值控制系统。3、变量及关系主动量---起主导作用而又不可控的物料流量；从动量---跟随主动量而变化的物料流量；比值系数:K=Q1/Q2造纸过程中为保证纸浆浓度，要求自动控制纸浆量和水量比例。水泥配料系统……1、系统组成:如下图所示。一、比值系数的计算(一)、开环比值控制(二)、单闭环比值控制简单、成本低；只有当Q1变化时才起控制作用；Q2变化时Q1不会响应，比例关系被破坏。3、适用场合副流量没有干扰的情况。2、系统组成：如下图所示。1、特点:能克服开环比值方案的不足。2、特点RQ2C单闭环比值控制系统Q1Q2给定反应器物料A物料BDTDTRQACIBIAIB*QAQB例5.6合成炉比值控制系统优点：不但能实现流量的副量跟主量变化，而且能克服流量干扰等。缺点：主流量不受控。4、应用场合在负荷变化不太大的场合得到广泛应用。3、优缺点沈阳理工大学（四）比值系数的计算•1、流量与测量信号之间是非线性关系–节流元件，压差与流量平方成正比，采用Ⅲ型表。–压差变送器DT将压差信号转换成电信号22AAABBBpKQpKQmaxmax*(204)4(204)4(4)4,AAABBBBBPIPPIPIαIα是比值系数沈阳理