复杂控制系统1串级.ppt

1,第7章 复杂控制系统,2,第7章 复杂控制系统 复杂控制系统 凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。 特点： 通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又称为多回路控制系统。,3,7-1 串级控制系统 一、串级控制系统的结构 管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热油料炉出口温度的波动范围应控制2内。,4,主要扰动的影响： （1）原料方面的扰动（包括原料的流量和入口温度的变化）； （2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）； （3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃料的雾化状态的影响等）。 该方案的优点：可以克服所有扰动。但是控制质量不高。,2,5,改进方案1：将炉膛温度作为被控变量，组成如图控制系统。 方案的优点:调节通道的时间常数缩短，克服了传热滞后的影响。 缺点：原料的流量或原料入口温度波动使炉出口温度变化时，系统无法使炉出口温度再调回到给定值上，所以该方案仍不能达到生产工艺要求。,传热滞后的影响：调节通道的时间常数过大，控制作用不及时。,6,改进方案2：构成炉出口温度为被控变量，炉膛温度为辅助变量，由炉膛温度控制器的输出去操纵燃料量的控制方案，即炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。,7,串级控制系统中常见的专用名词介绍： 主变量 串级控制系统中起主导作用的被控变量，是 过程中主要控制的工艺指标。 副变量 串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅 助变量。,炉出口温度,炉膛温度,8,主对象 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。 副对象 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。,炉出口温度对象,炉膛温度对象,9,主控制器 按主变量的测量值与给定值的偏差进行 工作的控制器，其输出作为副控制器的 给定值。 副控制器 按副变量的测量值与主控制器的输出信 号的偏差进行工作的控制器，其输出直 接控制执行器的动作。,炉出口温度控制器,炉膛温度控制器,10,主回路 由主测量变送器、主控制器、副回路等效 环节和主对象组成的闭合回路，又称外环 或主环。 副回路 由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。,11,方块图：,工艺控制流程图：,12,串级控制系统通用方块图:,13,串级控制系统结构特点： 在串级控制系统中，有两个闭环负反馈回路，每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器。 两个控制器采用串联控制方式，主控制器的输出作为副控制器的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作。 主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。,14,二、主、副控制器正、反作用的确定 主、副控制器确定顺序： “先副后主”的原则 副控制器的选择原则： 各环节规定符号“乘积为负”的判别准则 （副控制器）（执行器）（副对象）（副变送器）=（一） 主控制器的选择原则： “乘积为负”的判别准则 副回路是一个随动系统，为“+”，因此准则的简化:主控制器的符号与主对象相反。,15,分析： 副回路是一个随动系统，它的最终控制结果总是要使副变量（副回路的输出）跟随主控制器的输出（副回路的输入）而变化，也就是说，当副同路的输入增加时，副回路的输出也要增加，由此可见，副回路也是一个“ + ”环节。 主测量变送是一个“ + ”环节。 为了保证回路中各环节总的符号乘积为负，主控制器的正、反作用就只取决于主对象的符号。当主对象的符号为 “+”时，主控制器必须是“”号，即选择反作用；而当主对象的符号为“”时，主控制器必须是“+”号，选择正作用。,16,【例题】 如图所示的精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串级控制系统中，执行器选为气关式，试确定主、副控制器的正、反作用。,17,副回路： 执行器 气关式，符号为“-”； 副对象 执行器的阀门开度增大时，副变量蒸汽 流量也增大，故副对象的符号为“+”。 副变送器 符号也为“ + ”。 根据回路各环节符号“乘积为负”的判别公式，副控制器的符号必须取“ + “ ，即应选择正作用。,“先副后主”的原则,18,主回路： 当蒸汽流量增大时，主变量提馏段的温度将上升，故主对象的符号为“+”。 所以，主控制器应选择“-”，反作用。,19,【练习题】如图的串级控制系统，执行器选为气开阀，试确定主、副控制器的正、反作用。,-,+,+,+,+,-,20,三、串级控制系统的工作过程 工艺要求执行器选为气开式，炉出口温度控制器TC和炉膛温度控制器 TC 均采用反作用工作方式，分析系统的工作过程。,21,当燃料管网压力增大，干扰作用于副回路，,-,+,+,+,+,-,炉膛T2，,炉膛T2 ,阀门开度，,T2C，,T2T ，,导致燃料量,22,当原料流量增加，干扰作用于主回路，,-,+,+,+,+,-,导致出料温度T1 ，,T1 ,副环随动+，T2，,T1C，,T1T ，,23,干扰同时作用于主、副回路：,当原料温度升高，导致出料温度T1 ； 当燃料管网压力增大，炉膛T2；,副回路：T2T，偏差 ， T2C ，阀开度，T1 ,T1C ，,主回路：T1T ，,24,四、串级控制系统的特点及应用场合 串级控制系统与简单控制系统相比，由于在结构上多了一个副回路，因而，在相同的干扰作用下，其控制质量是单回路控制系统无法比拟的。 串级控制系统在工作性能上的主要优点： 1对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。 2改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。 3. 对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。 串级控制系统的适应场合： 1. 被控对象的容量滞后或纯滞后时间较大； 2. 干扰作用强而且频繁或者生产负荷经常大范围波动。,25,五、串级控制系统设计中的几个问题 1副回路的确定 （1）应将生产中的主要干扰纳入到副回路中。 （2）在可能前提下，应将尽可能多的干扰纳入副回路中。 （3）应使主、副回路的时间常数适当匹配 。 选择使副回路时间常数小。 主、副对象时间常数相近，可能发生“共振”现象。通常，主、副对象时间常数之比在 3 10 倍之间。,26,2主、副控制器控制规律的选择 (1)主变量是生产工艺的重要指标，副回路不要求 为了保证过渡过程没有余差，主控制器至少应选择比例积分（Pl）控制规律。主对象的容量滞后较大，必要时也可引入微分作用，即 PID 控制规律。 若副控制器要求不高，可选用比例（P）作用。 (2)工艺对主变量要求较高，对副变量也有一定的要求。 保证主变量的控制精度，主控制器需选择PI作用。 副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量，副控制器也应该选择PI作用。,27,练习题,锅炉供水控制系统如图所示，1，从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧坏，选择气开，气关阀？选择控制器+-，构成负反馈系统。 2，若锅炉给水流量波动频繁且为主要干扰，原来的液位控制系统很难满足控制要求，试问应采取何种措施来提高控制精度？设计控制方案？画出系统方块图？,28,执行器从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧坏，应选择气关式，“-”。 对象当流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。 变送器输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。 控制器必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。,答： 问题1：,29,答： 问题2：,采用锅炉液位与给水流量串级控制系统来提高控制精度。 串级控制设计方案如图所示。 串级控制系统方块图如图：,30,液位控制器,流量控制器,流量变送,液位变送,液位对象,流量对象,锅炉液位,给水流量,答：串级控制系统方块图如图：,31,两步整定法（先整定副回路，再整定主回路）,工况稳定,主副回路均闭合, 衰减曲线法求得,d）按先副后主，先比例，后积分，再微分的次序投入运行，观察修