过程控制-41-串级控制系统

1、第四章复杂控制系统复杂调节系统类型：1、串级调节系统2、比值调节系统3、均匀调节系统4、前馈调节系统5、选择调节系统6、解耦调节系统7、分程调节系统8、 简单的单回路调节系统：简单、应用广泛复杂调节系统： 1、对象特性比较复杂或难以控制 2、调节任务比较特殊或要求较高复杂控制系统4.1 串级控制系统串级控制系统的工作原理及分析工艺要求工艺要求：氧化率达到：氧化率达到97%97%以上，为此要将氧化炉温度控制以上，为此要将氧化炉温度控制在在。8405 C 氨氧化过程的温度控制氨氧化过程的温度控制串级调节系统方块图： 概念：主回路、副回路、主调节器、副调节器、主参数、副参数。 核心：主调节器输出作为

2、副调节器给定值，副调节器用于调节阀。串级控制系统的组成干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）串级控制系统的工作过程图图4-6 4-6 干扰进入副回路时串级调节系统方框干扰进入副回路时串级调节系统方框图图串级控制系统的工作过程干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）开始：开始：假设副回路给定值不变，氨气流量干扰假设副回路给定值不变，氨气流量干扰 使氨气使氨气流量流量的调节，最终使氨气流量的调节，最终使氨气流量恢复到给定值。恢复到给定值。增加，增加， 流量调节器（反作用）输出减小，流量调节器（反作用）输出减小，从而使调节阀开度（气开阀）减小，通过副回路从而使调节阀开度（气开阀）减小，通过副回路继而：

3、由于氨气流量增加进入主回路后，使氧化炉的温度增加，温度调节器（反作用）输出减小，也就是流量调节器给定值减小，由于流量调节器为反作用，因此输出到调节阀膜头信号减小，这样引起调节阀开度减小，使氨气流量减小，减小，通过主回路的调节，最终使氧化炉的温度恢复到给定值。通过主回路的调节，最终使氧化炉的温度恢复到给定值。串级控制系统的工作过程结论：结论：当干扰进入副回路，由于主、副回路的共同作用当干扰进入副回路，由于主、副回路的共同作用（作用方向相同，都是使氨气流量调节阀开度减小），使副（作用方向相同，都是使氨气流量调节阀开度减小），使副调节器的给定与测量两方面变化加在一起，加速了克服干扰调节器的给定与测量

4、两方面变化加在一起，加速了克服干扰的能力。的能力。串级控制系统的工作过程干扰作用于主回路（设空气流量干扰作用于主回路（设空气流量 干扰增加）时干扰增加）时结论：结论：该调节方式从工作频率来说要比单回路高得多，所以调节时间大该调节方式从工作频率来说要比单回路高得多，所以调节时间大大缩短，并且最大超调量也大大减小。大缩短，并且最大超调量也大大减小。工作过程：工作过程：当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化炉温度增加，温度当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化炉温度增加，温度调节器（反作用）输出减小，也就是流量调节器（反作用）的给定值减小，调节器（反作用）输出减小，也就是流量调节器（反作用）的给定值减小

5、，这样流量调节器输出到氨气流量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉的这样流量调节器输出到氨气流量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉的氨气量减小，使氧化炉的温度减小、回复到设定值。氨气量减小，使氧化炉的温度减小、回复到设定值。串级控制系统的工作过程干扰作用于主回路（设空气流量干扰作用于主回路（设空气流量 干扰增加）时干扰增加）时假设：串级调节系统串级控制系统分析11)(ccKsG1)(111sTKsGoo1)(222sTKsGoo22)(ccKsG 2y1x2x1f2f)(1sGc)(1sGo)(2sGo)(2sGc1yu)(2sGo可得闭环特征方程：其中：把闭环的副回路看作等效对象 ：1)()(

6、)(22222sTKsxsysGoo2221KKKo2221KTT222ocKKK 0)( 1)(121soocGsGG)(2sGo 求解可得串级调节系统的过渡过程频率 为：其中：022002ss211222102TTTKKTToc21212122201TTKKKKKKooccoc1z21122212021211TTTKKTTocz串级控制系统分析上图中：单回路调节系统1)()(2222sTKsGsGooo 2y1x2x1f2f)(1sGc)(1sGo)(2sGo1y)(2sGo1e串级控制系统分析可得闭环特征方程：0)( 1)(121soocGsGG022002ss其中：212102TTTT

7、 21211201TTKKKooc 求解可得单回路系统的过渡过程频率 为2z211212022211TTTTz串级控制系统分析2、若使串级调节系统和单回路调节系统具有同样的衰减系数值，即 则它们的过渡过程频率之比为 两种调节系统性能比较212122211)1 (1TTTTKKoczz即串级调节系统由于副回路改善了对象的动特性，使整个系统的过渡过程比单回路调节系统的过渡过程频率有所提高，即加快了调节速度，减小了被调量的动态偏差。 0)1 (22ocKK21zz 1、T2 比 T2 减小 (1+K2 ) 倍，且由于 G02 是一阶惯性环节，所以 K2 可以 取得很大，即副环等效对象时间常数可以减到

8、很小，改善了对象动特性。3、尽可能可以将一些主要干扰包括在副环，利用副环的快速调节进行抑 制，利于提高主环的调节品质和减轻主环的负担。串级控制系统分析串级控制系统的特点在系统特性上，在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象特征，使控制过程加快，具有超前控制的作用。象特征，使控制过程加快，具有超前控制的作用。在系统结构上，在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器；有两个测量回路；有两个控制器：主控制器和副控制器；有两个测量变送器。变送器。串级控制系统的特点设

9、定值控制阀流 量控制器干扰测量变送温 度控制器温度对象干扰测量变送流量对象定值控制系统随动控制系统串级控制系统的特点n串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定的自适应能力。串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定的自适应能力。n发生于副回路的内部干扰通常在它影响主被控变量之前，就发生于副回路的内部干扰通常在它影响主被控变量之前，就由副控制器消除其影响了，因而对这类干扰具有较强的稳定由副控制器消除其影响了，因而对这类干扰具有较强的稳定作用；作用； n过程的相位滞后由于有了副回路而显著减小，这就改善了主过程的相位滞后由于有了副回路而显著减小，这就改善了主回路的响应速度，相当于缩小了主对象的时间常数

10、；回路的响应速度，相当于缩小了主对象的时间常数； n副过程增益变化的影响在副回路内部被克服；副过程增益变化的影响在副回路内部被克服；n副回路可按主回路的需要对质量流向或能量流向实施精确的副回路可按主回路的需要对质量流向或能量流向实施精确的控制。控制。串级控制系统的设计p串级控制系统副参数的选择及副回路的设计主副变量间应有一定的内在联系系统的主要干扰应包围在副回路中在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生。即主副时间常数不能太接近当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应使副环 尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后串级控制系统的设

11、计p 防积分饱和防积分饱和图图4-104-10串级控制主回路的防积分饱和串级控制主回路的防积分饱和串级控制系统的设计p 主副控制器正反作用的选择实例 当主、副变量在增加（或减小）时，为使主、副变量减小（或增加），当主、副变量在增加（或减小）时，为使主、副变量减小（或增加），要求控制阀的作用方向是一致的时候，主控制器应选择反作用；反之选正要求控制阀的作用方向是一致的时候，主控制器应选择反作用；反之选正作用。作用。设定值控制阀流 量控制器干扰测量变送温 度控制器温度对象干扰测量变送流量对象反反气开 1、调节算法选型： （1）、串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率）（321z

12、z以免频率接近，发生共振。低。为了提高系统的调节性能，希望主副环的工作频率错开3倍以上 （2）、选择中间变量构成副环的原则是中间变量既能迅速反应干扰的作用，又能使副环包括更多的，特别是幅度大而频繁的主要扰动在内，利用副环快速抑制。但中间变量并不要求无差，故副调节器一般采用比例调节。（3）、主环主要是克服落在副环以外的扰动，并保证被调量的准确控制，凡是需要考虑串级调节的场合，工艺上对调节品质总是要求很高，所以一般主调节器采用PI调节。如果副环外面的对象容积数目较多，同时有主要扰动落在副环外面的情况，就可以考虑用PID调节。调节器选型及参数整定2、调节算法参数整定调节算法的选型即参数整定按单回路算

13、法参数整定 法整定 （2）、主副环两部分对象时间常数和滞后大致相等时采用“二步整定法” ）（9 . 075. 0）（sGc2整定参数投入）（sGc2对等效对象 ）（sGO1）（sGO2，）（sGc1参数。a、主环闭环用“衰减曲线法“整定参数副环在时的 。的比例度置于 ）（sGc1的%1001P）（sGc29 . 075. 0）（sGc2SP2b、）（sGc2等效对象 ，）（sGO1）（sGO）（sGO2为对）（sGO用”衰减曲线法“整定）（sGc1）（9 . 075. 0投运副调节器）（sGc2即副环投运主环即 。）（sGc1 （1）、主副环频率相差较大时的参数整定：)(1sGc切除主调节器

14、主环开环 按单回路算法参数整定法3 3、一步整定法：、一步整定法：p 先根据经验选一合适的副控参数放好。然后在副控自动状态下，按简单控制系统的方式整定主控。 p 适于对副控参数要求不严格的情况。适于对副控参数要求不严格的情况。调节算法的选型即参数整定生产工艺及控制要求示例1：火力发电厂过热器生产（蒸汽）温度控制被调量：出口蒸汽温度调节量：减温水流量主要干扰因素： ， ， 。调节要求： 稳定对象特性（减温器和过热器）：管道有较长纯滞后。q2f3f1f过热器管壁金属的热容量很大1出口蒸汽 (高温)减温水入口蒸汽(低温)烟气2f3f1入口蒸汽温度入口蒸汽流量减温器过热器减温水压力烟气温度烟气流量1f

15、减温水流量q蒸汽温度1串级控制系统的应用案例方案：问题：调节滞后太大，使 发生较大动态偏差。1出口蒸汽 (高温)减温水调节器入口蒸汽(低温)烟气1f2f3f1减温器过热器q：蒸汽温度：减温水流量串级控制系统的应用案例方案 ：问题：不够经济出口蒸汽 (高温)减温水调节器入口蒸汽(低温)烟气1f2f3f1减温器过热器：蒸汽温度调节器2：减温水流量q串级控制系统的应用案例方案 ：出口蒸汽 (高温)减温水调节器入口蒸汽(低温)烟气1f2f3f1减温器过热器：蒸汽温度调节器2：减温水流量q问题：最好。方框图？阀门？控制器？串级控制系统的应用案例示例2：石油工业中管式加热炉温度控制温出口燃料油原料油串级控

16、制系统的应用案例控制工艺：管式加热炉的任务是把原油或重油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。被加热的原料油流过炉膛四周的排管，由燃料油燃烧进行加热，原料油被加热到出口温度 ，工艺上要求该温度的波动不超过 。 C21串级控制系统的应用案例主要扰动：原料油的流量和入口温度的变化； 燃料油压力和喷油用的过热蒸汽的波动； 燃烧供风和大气温度的变化等温主调节器副调节器出口燃料油原料油串级控制系统的应用案例方案设计：由于工艺上对出口油温的要求很高，而对象的热惯性很大、纯滞后又长， 所以要采用串级调节系统，才能满足调节品质的要求。 用炉膛温度 作为中间变量通过副调节器去控制燃料油流量调节阀，再以 出口温度 通