过程控制原理第二章ppt课件

过程控制系统及工程,第二章 串级控制系统,串级控制系统,2.1 概述 2.2 串级控制系统 2.3 投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计,第2章,教学进程,2.1,概述,复杂系统-随着控制理论与工业应用的发展，包含的内容也不同，例如 复杂大系统-人口系统，环境控制，能源控制，企业生产经营控制等。 复杂系统-多回路系统 多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路组成的系统。,2.1,概述,复杂控制系统,80-90%控制系统是基于PID控制的系统，包括多回路系统。 多回路系统应用状况 以乙烯生产厂为例，它共有421个控制回路 其中：常规PID单回路 347个 串级、比值等 74个（串级24） 多回路系统占17.5%,多回路系统的发展,2.1,概述,串级控制系统原理,精馏控制过程： 提馏段温度控制 通过控制再沸器加热蒸汽量来维持提馏段温度恒定,2.1,概述,精馏塔提馏段温度控制：,结果：控制不及时，温度控制不稳定， 塔底产品得不到保证。,2.1,概述,分析干扰： 情况一：干扰仅来自精馏塔进料的波动，加热蒸汽压力 比较平稳，则通过此回路可控制温度,情况二：除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会有波动 （如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀 门开度情况下，加热蒸汽量不同，塔釜容量比较大。,解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定 ？,问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾 温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。,2.1,概述,2.1,概述,串级控制系统：两套控制系统的协调控制,2.1,概述,温度控制器,流量控制器,控制阀,流量变送器,形成两个环: 副环或副回路“ 粗调”作用 主环或主回路“ 细调”作用 主环：定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定 副环：随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀 副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀 主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀,2.1,概述,2.1,概述,串级控制系统工作过程, 情况1: 副环内出现干扰, 情况2:主环内出现干扰, 情况3:主环和副环同时出现干扰,蒸汽,进料, 情况1: 副环内出现干扰,流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调”,2.1,概述,蒸汽流量突然增大（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大（流量控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响） 提馏段温度缓慢上升（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小。, 情况2: 主环内出现干扰,进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降温度控制器负偏差，输出增大（流量控制器负偏差，流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加）提馏段温度回升,2.1,概述,2.1,概述,情况3: 主环和副环同时,（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度降低；,（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度升高。,sp,sp,2.1,概述,串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产过程中应用比较普遍。,温度控制器：“细调”,结论：,流量控制器：“粗调”,串级控制系统,2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计,第2章,教学进程,2.2.2,串级控制系统的实施,主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格， 一般不允许有余差 副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差； 主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服 对象滞后，也加入微分作用； 副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用， 只选择比例控制规律； 只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰 出现在什么位置。,（1）主、副控制器控制规律的选择,2.2.2,串级控制系统的实施,副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系 即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号 主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。 副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 随动系统，跟踪主 控制器的输出。,（2）主、副控制器正反作用的选择,2.2.2,串级控制系统的实施,副控制器： 控制阀选“气开”式正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升正 变送器一般均为正 主控制器： 副环正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升正,2.2.2,串级控制系统的实施,例2,精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统,2.2.2,串级控制系统的实施,副控制器： 控制阀选“气闭”式负 正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大正 变送器一般均为正 主控制器： 副环正 主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加， 提馏段温度上升正,2.2.2,串级控制系统的实施,结论,（1）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关；,（2）直接先确定主控的正反作用。,2.2,串级控制系统的实施,组成控制系统的设备不同，实施方法也有差异 目前主要是： 电动型仪表系统、 气动型仪表系统、 计算机控制系统（DCS、PLC）, 实施前要考虑的几个问题,（1）系统设备间的传输信号要匹配，电信号420mA, 15V，气信号0.020.1Mpa，混合时需要转换装置（电-气转换） （2）副控制器必须具有外给定功能 （3）是否需要切换开关，即切换成： a 主控制器直接控制控制阀； b 副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制，并且要考虑无扰动切换。 （4）实施方案力求简洁实用，便于操作。,2.2,串级控制系统的实施,2.2.1,串级控制系统控制方案,电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机,（1）一般的串级方案,（2）能实现主控 串级切换的串级方案,2.2.2,串级控制系统的实施,串级主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀 主控串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀 无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确直接切换条件,（3）串级与主控的切换条件,2.2.2,串级控制系统的实施,副控制器为反作用（负）：,副控制器为正作用（正）：,可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。,此时主、副控制器输出信号变化不一致,如副控是反作用，可执行切换；如副控是正作用，需先 改变主控的方向，再切换。,条件,结论,如对控制阀的开闭形式没有要求，应选择使副控为反作用 的开、闭形式。,2.2.2,串级控制系统的实施,串级控制系统,2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计,第2章,教学进程,2.3,串级控制系统的投运和整定,2.3.1,串级控制系统的投运,根据组成系统的仪表类型有所不同 基本原则：先投副环，后投主环，保证投运无扰动 （型以上仪表、计算机控制）,2.3.1,串级控制系统的投运, 投运步骤,4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零 5、分别将副、主控制器切入自动,1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器 外给定，正反作用正确，PID参数正确,2、副控制器手动操作,3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数 变化也比较平稳,2.3.2,串级控制系统的工程整定方法,逐步逼近法、两步法、一步法, 两步法,主环控制器比例度100%，积分时间最大，微分时间最小， 按 4：1整定方法直接整定副环，确定副环4：1振荡过程 时的比例度和振荡周期；,放好副控制器4：1的比例度，积分时间最大，微分时间最小， 同样方法整定主控制器，确定主变量4：1振荡过程时的比例度和 振荡周期；,分两步整定两个控制器,按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算PID参数；,先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。,2.3.2,串级控制系统的工程整定方法, 一步法,表2-1 副控制器参数经验设置值；,按单回路方法直接整定主控制器；,主要整定主控制器，比两步法简单、实用,观察控制过程，适当调整主控制器K值，或适当调整副控制器的参数,串级控制系统,2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计,第2章,教学进程,系统方块图的比较，串级系统和单回路系统，可见串级系统的特点: 多了一个副回路； 多了一个控制器。,2.4,串级控制系统的特点,2.4,串级控制系统的特点,（1）副回路的存在，改善了对象特性，提高了系统工作频率,2.4,串级控制系统的特点,比较可知，串级系统的等效副对象的放大倍数和时间常数都比原副对象的要小,结论,2.4,串级控制系统的特点,（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力,串级系统的内环具有快速作用，能有效地克服二次扰动的影响。,在二次干扰下，被控量受二次干扰的影响, 串级系统 比单回路系统要减小10100倍。,特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行 控制，副“粗调”，主“细调”，副环起到超前调节的作用 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10100倍， 干扰作用于主环时，也可提高25倍,例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰,2.4,串级控制系统的特点,（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力,2.4,串级控制系统的特点,（3）串级系统具有一定的自适应能力,自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象 设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性， 操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就 变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据 操作条件的变化，不断修改副控制器的给定值 以适应操作条件和负荷变化。,2.4,串级控制系统的特点,（3）串级系统具有一定的自适应能力,副回路具有一定的自适应能力，不受主回路系统负荷影响 副回路是个随动系统，快速跟踪的能力,串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂 工程上，宜简不宜繁,串级控制系统,2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计 实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究,第2章,教学进程,2.5,串级系统副回路的设计,串级系统的关键在于副环的设计 设计合理，能有效发挥串级系统的优势 设计不合理，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化 关键：对工艺进行细致的分析,包含有两方面的内容:,1) 主参数的确定,2) 副参数的确定,2.5,串级系统副回路的设计,设计原则,（1） 使副环包含系统的主要干扰,副环具有快速抗干扰的能力,（2） 使副环包含更多的干扰,系统干扰较多且难于分出主要干扰,2.5,串级系统副回路的设计,例1,加热炉出口温度控制系统,A）炉出口温度与燃料压力串级方案,燃料压力波动,2.5,串级系统副回路的设计,例1,加热炉出口温度控制系统,B）炉出口温度与炉膛温度串级方案,燃料组成波动,2.5,串级系统副回路的设计,另外，还要考虑副环离主变量的“远、近”问题,非线性使对象特性发生畸变，因此使系统“不适应” 副环是个随动系统，具有一定的自适应能力，因此，可以使控制系统在一定程度上克服非线性的影响,（3） 应使非线性环节尽量包含在副环中,2.5,串级系统副回路的设计,例 2,醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统,把换热器这个非线性干扰环节设计在副环中，对主参数的控制具有 一定的帮助。,热交换器,2.5,串级系统副回路的设计,化