串级控制系统

串级控制系统的结构与工作过程基本思路：以加热炉控制为例，介绍串级控制思想的提出、串级控制系统的基本构成、基本术语与工作过程加热炉温度控制系统冷物料加热炉热物料燃料温度为定值控制要求：被加热物料方案1：出口温度为被控参数燃料量为控制参数T1CT1T冷物料加热炉热物料燃料影响出口温度的因素：).(3);()2();(1321tftftf变化、抽力的）烟窗挡板位置的改变（流量的变化波动、燃料热值的变化、压力初温）被加热物料的流量和（方案1的分析调节器调节阀炉膛管壁物料测量变送器)(3tf)(1tf)(2tf)(tr)(ty系统的框图如下：方案1的分析所有的扰动都包含在环内，理论上都可以由温度控制器予以克服；控制通道的时间常数和容量滞后比较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力比较差。方案2：选择炉膛温度为被控参数T1CT1T冷物料加热炉热物料燃料方案2的分析：调节器调节阀炉膛管壁物料测量变送器)(3tf)(1tf)(2tf)(rt)(ty系统的框图如下：方案2的分析能及时有效地克服扰动f2(t)、f3(t)的影响；f1(t)未包含在环内，系统不能克服扰动f1(t)对出口温度的影响。总之，两种方案各有不同的优点，因此，可以综合考虑二者的优点。串级控制系统的构成综合考虑两种方案的优点：选取炉出口温度为主被控变量，选取炉膛温度为副被控变量，把炉出口温度控制器的输出作为炉膛控制器的给定值。串级控制系统流程图T1CT1T冷物料加热炉热物料燃料T2CT2T串级控制系统的框图)(2sGC控制阀炉膛管壁物料主测量变送器)(3tf)(1tf)(2tf1r1y)(1sGC副测量变送器2r2y1z2z串级控制系统的基本术语主参数（主变量）：对象的主控参数副参数（副变量）：为了稳定主参数而引入的辅助参数主对象：由主参数表征其特性的生产过程副对象：由副参数为输出的生产过程，副回路所包含的对象。串级控制系统的基本术语主调节器（主控制器）：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器。副调节器（副控制器）：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器。主回路与副回路串级控制系统的基本术语一次扰动：不包括在副回路内的扰动。二次扰动：包括在副回路内的扰动。加热炉串级控制系统流程图T1CT1T冷物料加热炉热物料燃料T2CT2T加热炉串级控制系统工作过程器校正。作用：主回路、主调节路进一步调节。度，如果扰动大，主回影响炉出口温节，如果扰动不大，不作用：副调节器开始调、）（节过程如下：当系统受到扰动，其调)()2()()(1132tftftf能满足要求。开度变化较小就节阀的方向相反，阀的副调节器控制调变大，一个变小，主、数、副参数一个）一、二次扰动使主参调节速度很快；幅度开大或关小，变大或变小，调节阀大数、副参数同时）一、二次扰动使主参作用：、、21)()()()3(321tftftf串级控制系统的实施方案一般的串级方案主控制器副控制器电气转换器控制阀副对象主对象副变送器主变送器双笔记录仪RY--通过双笔记录仪对主、副变量记录。电气转换器是阀门定位器。串级控制系统的实施方案能实现主控-串级切换的串级方案主控制器副控制器电气转换器控制阀副对象主对象副变送器主变送器双笔记录仪RY--T串级控制系统的实施主、副控制器控制规律的选择；主、副控制器正、反作用形式的选择；串级与主控直接切换条件。主、副控制器控制规律选择主控制器控制规律：主控制器起定值控制作用，主变量是主要指标，允许波动小，一般要求无余差，因此一般要选择PI或PID。主、副控制器控制规律选择副控制器起随动控制作用，副变量的设置是为了保证主变量的控制质量，对快速性要求较高，可以在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器一般选P控制规律即可。副调节器一般不引入I或D引入I：会延长控制作用，减弱副回路的快速作用。引入D：因为副回路本身起快速作用，再引入D会使控制阀动作过大，对控制不利。主副控制器正、反作用方式的选择基本原则：整个控制系统构成负反馈系统具体做法：主通道各环节放大系数极性乘积必须为正极性规定：与单回路系统相同应用举例1：加热炉温度控制系统T1CT1T冷物料加热炉热物料燃料T2CT2T主变量：出口温度；副变量：炉膛温度燃料控制阀的选择：从安全角度出发，一旦调节阀损坏，保证控制阀处于全关状态，切断燃料进入加热炉，确保设备安全，所以要选择气开式调节阀。0VK副回路的分析用形式所以，副控制器为反作的原则，按照正过程副过程为炉膛温度升高增大燃料流量当调节阀的开度增大000202202CCVKKKKK主回路的分析主调节器为反作用形式，即：，所以要求：由于主过程为正过程炉出口温度升高当炉膛温度升高00001102201KKKKKKCCV调节过程出口温度升高主控制器输出减小副控制器给定减小控制阀开度减小加热炉燃料减少炉膛温度下降出口温度下降反作用形式随动系统副控制器输出减小气开式形成闭环控制相当于测量值增加应用举例2：精馏塔提馏段温度控制系统精馏过程：将混合物料中各组分分离，达到规定的纯度。分离的机理：利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同）使液相中的轻组分（低沸物）和液相中的重组分（高沸物）互相转移，从而实现分离。精馏塔示意图进料热蒸汽采出冷凝冷却器F,zfB,xBD,xDLBLDL回流罐回流泵再沸器精馏塔提馏段温度控制系统进料热蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精馏塔TCTT如果蒸汽压力波动比较大、比较频繁，而塔釜容量比较大，控制将很不及时，控制效果会很差。控制阀的蒸汽流量不仅与阀的开度有关，而且与阀前后的压力有关。增设一个流量控制系统两个系统相互关联，无法工作。进料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精馏塔TCTTFCFTV1V2关联情况分析当进料量增大，提馏段温度下降，TC开始调节，V1开度增大，蒸汽流量增大。由于流量是个闭环系统，当检测到流量增加，FC开始调节，使流量等于设定值，即将V2关小。上述两种情况发生矛盾，无法实现控制。构成串级控制系统进料蒸汽采出F,zfB,xBLB再沸器精馏塔TCTTFCFT串级控制系统方框图温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象副变送器主变送器RY--控制阀气开、气关形式的选择依据安全要求，当出现故障无信号输入时，应将阀关闭，防止将塔釜烧干损坏设备，因此，选择气开式控制阀。KV0副控制器正、反作用形式选择副对象：当阀门开大，流量增加，所以副对象为正过程，K020。根据KC2K02KV0，得出KC20，即副控制器为反作用形式。主控制器正、反作用形式选择主对象：主对象的输入为燃料流量（副变量），输出信号为温度。当副变量增大，温度上升，所以主对象为正过程，K010。根据KC1K010，得出KC10，即主控制器应选反作用形式。系统工作过程假设系统处于稳定的平衡状态，即:温度控制器和流量控制器都处于稳定数值，控制阀处于某一开度不变。系统受到干扰，平衡被破坏，温度控制器和流量控制器分三种情况进行调节。温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象副变送器主变送器RY--f2(t)f1(t)第一种情况：干扰来自副环假设某一时刻，蒸汽流量突然增大。由于再沸器和塔釜具有一定的容量滞后，干扰响应滞后，提馏段温度暂时不变。蒸汽流量增加，副变送器输出增加，副控制器输出减小（反作用），控制阀开度减小（气开式），蒸汽流量变小。随着时间的推移，提馏段温度上升，主控制器输出减小，副控制器给定减小，进一步减小蒸汽流量。第二种情况：干扰来自主环假设某一时刻进料量突增，塔釜液位上升，提馏段温度下降，温度控制器输出增大（反作用形式），流量控制器给定增大，流量控制器输出增大（随动系统），控制阀开度增大，进入再沸器的蒸汽量增多，提馏段温度回升。第三种情况：主、副环同时干扰副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰使提馏段温度降低。温度↓→主控制器输出↑→流量控制器给定↑→阀开度↑蒸汽流量↑→流量测量值↑→流量控制器输出↓→阀开度↓二者相互抵消副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰使提馏段温度升高。温度↑→主控制器输出↓→流量控制器给定↓→阀开度↓蒸汽流量↑→流量测量值↑→流量控制器输出↓→阀开度↓二者综合起来，能加速调节过程串级与主控直接切换条件从串级切到主控时，用主控器输出代替原先副控制器的输出去控制控制阀；从主控切到串级时，用副控制器的输出代替主控制器的输出去控制控制阀。主控制器副控制器电气转换器控制阀副对象主对象副变送器主变送器双笔记录仪RY--T直接切换条件：保证去控制阀的控制信号方向一致当副控制器为反作用时：假设副变量不变，当主控制器输出增大，相当于副变量测量值减小，副控制器输出增大；当主控制器输出减小，相当于副变量测量值增大，副控制器输出减小。主、副控制器输出信号方向一致，可以直接切换。当副控制器为正作用时：假设副变量不变，当主控制器输出增大，相当于副变量测量值减小，副控制器输出减小；当主控制器输出减小，相当于副变量测量值增大，副控制器输出增大。主、副控制器输出信号方向不一致，不能直接切换。在串级向主控切换的同时改变主控制的正、反作用；由主控切换到串级时，将主控器恢复到原来的作用。串级控制系统的特点与分析改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；具有很强的抗干扰能力；具有一定的自适应能力。改善被控过程的动态特性分析）为二次扰动（）为一次扰动，（构如下：串级控制系统的典型结sFsF21)(2sGC)(sGV)(02sG)(01sG)(1sGm)(1sR)(1sY)(1sGC)(2sGm)(2sY1z2z)(2sR等效变换)(2sGC)(sGV)(02sG)(01sG)(1sGm)(1sR)(1sY)(1sGC)(2sGm)(2sY)(sGV)(2sGC)(2sR)(2sGC)(sGV)(02sG)(01sG)(1sGm)(1sR)(1sY)(1sGC)(2sY)(2sGC)(sGV)(02sG)(01sG)(1sGm)(1sR)(1sY)(1sGC)(2sY。代替了原来的副对象等效副对象；回路系统的一只控制器控制器代替了单串级控制系统以主、副由图可见：0202.2.1GG)()()()(1)()()()(2022022202sGsGsGsGsGsRsYsGmVC)(2sGC)(sGV)(02sG)(01sG)(1sGm)(1sR)(1sY)(1sGC)(2sGm)(2sY)(sGV)(2sGC)(2sR分析sTKKKKKsGsGsGsGsGsGKsGKsGKsGsTKsGVmCVCmmmVVC022202022202020222220202021)()()()(1)()()(,)()(,1)(，则假设,11111)(02022202022202020222020202sTKsKKKKTKKKKKsTKKKKKsGVmCVmCVmC控制及时。减小了，响应加快所以容量滞后副回路近似为比例环节的增加，会使随着可见：,,,,1102022020202022022020220220202TTKTTKKKKKKTTKKKKKKCmVCmVC结论1.在串级控制系统中，由于增加了一个副回路，使等效被控过程的时间常数减小了，从而改善了系统的动态特性。2.等效副对象放大系数减小可以通过增大主控制器放大倍数的办法加以补偿。系统工作频率提高分析)(2sGC)(sGV)(02sG)(01sG)(1sGm)(1sR)(1sGC)(2sY0)()()()()()(10102121sGsGsGsGsGsGVmCC特征方程：由上图求出闭环系统的)(1sY串级控制系统工作频率01s)s)(,)()(,1)(01021210201202011111010101KKKKKKTTTTKsGKsGKsGsTKsGVmCCmmVVCC（，则假设串级控制系统工作频率2-1-1-1220201020120200020102010TTTTTTT