2.1 串级控制系统(1).ppt

目录 绪论简单控制系统复杂控制系统流体输送设备传热设备控制精馏塔的控制 第二章目录 第二章复杂控制系统 一般情况下 单回路控制系统都能满足大部分生产控制要求 但当被控对象的容量滞后比较大 负荷变化比较剧烈 频繁 或工艺对产品质量要求很高时 需要设计复杂控制系统对生产流程加以控制 第二章复杂控制系统 常见的复杂控制系统分为两大类 提高响应曲线性能指标的控制系统 串级 前馈 纯滞后补偿等 按某些特定要求开发的系统 比值 均匀 分程 选择 推断等 2 1串级控制系统 2 1串级控制系统 串级控制系统 主要内容 串级控制系统分析 串级控制系统基本概念 串级控制系统设计 串级控制系统参数整定 2 1 1串级控制系统基本概念 串级控制系统工作过程分析 串级控制系统基本概念 串级控制系统的工程设计 2 1 1串级控制系统基本概念 串级控制系统的基本原理 串级控制系统 CascadeControlSystem 是一种常用的复杂控制系统 它由两个或两个以上的控制器串联组成 一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值 2 1 1串级控制系统基本概念 为了认识串级控制系统 先详细地介绍一下氧化炉温度调节系统 见图2 1 1 图2 1 1氨氧化过程的温度控制 2 1 1串级控制系统基本概念 在硝酸生产中 氧化炉是关键设备之一 氨气和空气在铂触媒的作用下 在氧化炉内进行氧化反应 4NH3 5O2 4NO 6H2O Q反应结果得到NO气体 工艺要求 氧化率达到97 以上 为此要将氧化炉温度控制在840 5 几种控制方案 2 1 1串级控制系统基本概念 温度单回路调节系统最大偏差为10 手动时最大偏差20 30 偏差较大的原因是 温度单回路调节系统虽包括了全部扰动 但调节通道滞后大 对于氨气总管压力和流量的频繁变化 不能及时克服 2 1 1串级控制系统基本概念 氨气流量调节系统工艺提供氨气流量变化1 氧化炉温度变化64 设计氨气流量调节系统能迅速克服氨气流量的干扰 这样把氨气流量变化克服在影响反应温度前 偏差仍达8 这是因为氧化炉还存在其他干扰 如空气量 触煤老化等问题 2 1 1串级控制系统基本概念 串级调节系统 温度为主参数 由温度调节器决定氨气的需要量 氨气的需要量是由流量调节系统来决定的 即流量调节器的给定值由温度调节器的需要来决定 变还是不变 变化多少 朝哪个方向变 因此出现了反应温度信号自动地校正流量调节器给定值的方案 即串级调节系统 如图2 1 2所示 2 1 1串级控制系统基本概念 串级调节系统原理图 图2 1 2串级调节系统原理图 2 1 1串级控制系统基本概念 串级控制系统的结构特点 两个调节器 两个变送器 一个调节阀 主调节器的输出作为副调节器的给定 副调节器输出到调节阀 2 1 1串级控制系统基本概念 1 方块图及常用名词串级调节系统的方块图如图2 1 3所示 图2 1 3串级调节系统的方块图 2 1 1串级控制系统基本概念 主参数 主被控变量y1 生产工艺过程中主要控制的工艺指标 在串级控制系统中起主导作用的那个被调参数即为主参数 如氧化炉反应温度 副参数 副被控变量y2 影响主参数的主要变量和中间变量 如上述系统的氨气流量 串级控制系统中常用的几个术语 2 1 1串级控制系统基本概念 主被控对象 Gp1 s 为生产中所要控制的 由主参数表征其主要特性的工艺生产设备 如氧化炉 一般指副参数检测点到主参数检测点的全部工艺设备 副被控对象 Gp2 s 调节阀到副参数测量点之间的工艺设备 2 1 1串级控制系统基本概念 主调节器 Gc1 s 在系统中起主导作用 为恒定主参数设置的控制器 主调节器 按主参数与给定值的偏差而动作 其输出作为副参数的给定值 副调节器 Gc2 s 给定值由主调节器的输出所决定 输出直接控制阀门 2 1 1串级控制系统基本概念 主回路 把副回路等效起来看的整个回路 副回路 断开主环时 由副调节器 调节阀 副对象 副测量元件组成的内环 2 1 1串级控制系统基本概念 2 串级控制系统的工作过程以氨氧化炉反应温度与流量串级调节系统为例 图2 1 4干扰进入副回路串级调节系统方框图 1 干扰作用于副回路 设氨气流量干扰F2增加 2 1 1串级控制系统基本概念 开始 假设副回路给定值不变 氨气流量干扰F2使氨气流量y2增加 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 通过副回路的调节 最终使氨气流量y2恢复到给定值 继而 由于氨气流量y2增加进入主回路后 使氧化炉的温度y1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y2减小 通过 2 1 1串级控制系统基本概念 主回路的调节 最终使氧化炉的温度y1恢复到给定值 结论 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 加速了克服干扰的能力 2 1 1串级控制系统基本概念 图2 1 5干扰进入主回路串级调节系统方框图 2 干扰作用于主回路 设空气流量干扰F1增加 2 1 1串级控制系统基本概念 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 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 此调整过程是温度 主 调节器根据偏差进行调节输出 改变氨气流量 副 调节器给定值 副调节器随动改变其自身的输出值 使调节阀关小阀门开度 减小进入 2 1 1串级控制系统基本概念 氧化炉的氨气量 从而使氧化炉温度 回到给定值 氨流量调节不是干扰直接产生的 而是调节氧化炉温度的需要 这种调节方式虽然从工作频率来说要比单回路高得多 调节时间大大缩短 但最大偏差往往比较大 串级调节系统最适合的设计应是将主要干扰包含在副回路内 2 1 1串级控制系统基本概念 引入副回路的两种目的 取主要干扰为副参数 起镇定输入参数的作用 如氨氧化炉反应温度调节 取中间变量为副参数 起预报主参数变化的作用 如加热炉出口温度 炉膛温度串级 2 1 2串级控制系统分析 串级控制系统特点 改善副对象特性提高系统的工作频率 具有较强的抗干扰能力 系统的鲁棒性 2 1 2串级控制系统分析 串级控制系统方块图 图2 1 6串级控制系统方块图 2 1 2串级控制系统分析 1 改善副对象特性提高系统的工作频率 2 1 1 式中 2 1 2串级控制系统分析 又因为1 KC2KVKP2 1所以T P2 TP2 同时K P2略小于KP2 副回路等效放大系数K P2一般整定为1 整个副回路最佳整定为1 1随动系统 下面推导说明串级控制是如何提高系统的工作频率 2 1 2串级控制系统分析 1 串级系统 如图2 1 6所示方块图的闭环传递函数 2 1 2 对应的闭环特征方程 2 1 3 设 2 1 2串级控制系统分析 并代入 2 1 3 式 得 2 1 4 2 1 2串级控制系统分析 即 2 1 5 或 2 1 6 标准二阶震荡系统为 2 1 7 2 1 2串级控制系统分析 将式 2 1 6 化为标准型 2 1 8 比较 2 1 7 与 2 1 8 式 2 1 9 2 1 2串级控制系统分析 2 单回路 如图2 1 7所示方块图 图2 1 7单回路调节系统方块图 单回路闭环系统传递函数 2 1 10 2 1 2串级控制系统分析 对应的单回路闭环特征方程 2 1 11 代入各设定项 得 2 1 12 2 1 13 2 1 2串级控制系统分析 比较 2 1 9 与 2 1 13 式得 在相同的衰减比条件下 1 2 1 14 由上式可得 因为 所以 串级系统的工作频率要高于单回路系统 2 1 2串级控制系统分析 2 具有较强的抗干扰能力根据串级调节系统的方块图 如图2 1 6 干扰作用副回路的闭环传递