《串级控制系统》PPT课件.ppt

1,第3章 串级控制系统,串级控制系统的基本概念 串级控制系统的特点 串级控制系统的设计 串级控制系统的参数整定,2,例如 精馏过程的控制 目标：控制塔釜温度稳定 方案1 优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。 缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。,3-1 概 述,一、单回路控制的局限性,单回路适用于蒸汽压力恒定的情况,3,方案2 优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响 缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。,4,增设一个蒸汽流量控制，如上图所示，是否可以稳定蒸汽流量呢？回答是否定的。 这是因为：当进料增大时，提馏段温度下降，为了保持这一温度稳定，TC使V1开度增大，以增大蒸汽的供给量，随着蒸汽的增大，流量控制器FC开始动作，它要将V2关小，力图使流量回到给定值。这样两套系统就会打架，结果哪套系统度不能正常运行；我们的目的是维持提馏段温度稳定，从而保证塔底产品的质量，二维持蒸汽流量恒定不是目的，流量的大小是允许改变的，何时改变与温度控制的需要而定。,5,6,常用的名词 主变量与副变量；主对象与副对象；主控制器与副控制器；主回路与副回路。,串级控制系统方块图,7,二、串级控制系统的工作过程,f2引起F变化，控制器FC及时进行控制，使其很快稳定下来. 如果干扰量小，经过副回路控制后，f2一般影响不到温度T； 如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服,波及到被控变量温度T再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，从而大大提高了控制质量。,干扰作用于副对象,8,f1变化TTC输出FC设定值 FC输出 F 所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。,干扰作用于主对象,9,干扰同时作用于副回路和主对象,加强了控制作用，加快了控制过程。,FC输出（部分）互相抵消，阀稍稍动一点，即可使系统稳定。,10,在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。,11,3-2 串级控制系统的特点,从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。 在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。,一、系统结构的特点,12,二、控制系统性能的特点,1.能迅速克服进入副回路的干扰,13,串级系统副环的等效性,14,15,2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率,比较点后移,1）等效时间常数减小，响应速度加快,16,令,17,因为在任何条件下 1+Kc2KvK02Km21 ,因此可得：,等效幅对象时间常数缩小，意味着对象的容量滞后减小，这就会使系统的反应速度加快，控制更为及时。 在时间常数缩小的同时，放大倍数也缩小了，但这一缺陷可通过增大主控制器的放大倍数的办法加以弥补。,18,2）提高了系统的工作频率,串级系统的特征方程为：,19,串级控制系统的工作频率为：,对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：,若两种方案的阻尼系数相同，则有：,20,结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。,21,3）串控制系统具有一定的自适应能力,等效副对象的放大系数为：,副回路的等效放大系数为：,这就是说当副控制器的放大倍数整定得足够大时，等效副回路的放大倍数只取决于测量变送环节的放大倍数Km2 ,与幅对象的放大倍数无关。,22,综上所述，串级控制系统的主要特点有：,1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力； 2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力； 3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。,23,3-2 串级控制系统的设计,适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。,1、主变量选择 主变量选择原则：同单回路受控变量选择原则 2、副变量选择原则 副变量的选择与副回路的设计是串级控制的关键,一、主副变量选择,24,由于串级系统的副环具有动作迅速、抗干扰能力强的特点。如果在设计中把对主变量影响最严重，变化最激烈，最频繁的干扰包含在副环内，就可以利用副环的特点将干扰抑制在最低程度，确保主变量的控制质量。 例如，对于一个加热炉出口温度控制问题，由于产品质量主要取决于出口温度，而且工艺上对她要求也比较严格，为此采用砖机控制系统。现有两种方案可供选择，所下图所示。,1）副回路必须包括主要干扰，而且应包括更多一些干扰,25,当原油的成分和处理量比较稳定，燃料的组份也比较固定，然而燃料的压力却经常波动时，采用左图的方案比较合适。它把燃料压力波动这一干扰包含在副回路中。 如果燃料压力比较稳定，而燃料的组份是经常变化的，或者原油的组成和处理量经常变化时，采用这个方案就不能解决问题了。因为这些干扰量的影响度不会在燃料压力上表现出来，也就是说这些干扰量没有被包含在副回路中。因此改用右图的方案。,26,2）对象中的非线性，或时变特性的部分包括在副回路中,串级系统具有一定的自适应能力。当操作条件或负荷变化时，主控制器可以使当地修改副控制器的给定值，使副环在一个新的工作点上运行，以适应变化了的情况。例如，某厂醋酸乙烯合成反应器中温度控制问题如图所示。,27,这样做的原因就是尽量将纯滞后部分放到主对象中去，以提高副回路的快速抗干扰功能。例如某化纤厂纺丝胶液压力控制问题，其工艺流程如图所示。,3）当对象具有较大纯滞后时，副回路中尽量少包括或 不包括 纯滞后,28,4）副回路设计应考虑主、副时间常数的匹配，以防共振发生,当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有：,29,图示说明 主、副被控过程时常不能太大也不能太小？,频率的比值大于3，时常的比值在310范围内选择,30,5）应综合考虑控制质量和经济性要求,图a)冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高； 图b)冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。,31,二、主副控制器控制规律的选择,串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量。 主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无余差控制 在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。 副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采用比例控制规律。 原则：副回路粗调、快调 主回路细调、满调,32,三、主副控制器正、反作用的选择,选择副回路控制器的正反作用 与简单控制系统中控制器“正”、“反”作用的选择方式相同，先判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的“正”、“反”作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。,33,选择主回路控制器的正反作用 确定原则：当主、副变量在增加(或减小)时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小(或增加)，要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选“反”作用，反之，则应选“正”作用。,34,主副控制器参数的工程整定,两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器,(1) 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比(如4：1)过渡过程下的副控制器比例度2S和操作周期2S。 (2) 在副控制器比例度等于2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至主回路得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1S。和操作周期1S 。 (3) 根据上面得到的1S、1S、2S、2S按表7-2(或表7-3)的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。 (4) 按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的控制器参数加到控制器上。 (5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。,35,一步整定法：即根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。,采用一步整定法副控制器参数选择范围,一步整定法的整定步骤如下。 (1)在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。 (2)利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。 (3)如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。,36,共振问题,如果主、副