第四章 串级控制系统

串级控制系统 第4章 4 1概述 4 1 1串级控制系统组成4 1 2串级控制系统的工作过程 4 1 1串级控制系统组成 复杂控制系统 控制系统中采用两个以上的检测元件和变送器 或控制器 或执行器 完成一些复杂或特殊的控制任务 4 1 1串级控制系统的组成 例1 炼油厂管式加热炉温度控制系统要求 被加热物料的出口温度为定值 控制方案一被控参数 出口温度控制参数 燃料油流量影响因素 1 被加热物料的流量和初温f1 t 2 燃料油压力的波动 流量的变化 燃料值的变化f2 t 3 烟囱抽力变化f3 t 4 配用 炉膛漏风和环境温度的影响f4 t 缺陷 由于对象内部燃料油要经管道传输 燃烧 传热等一系列环节 总滞后较大 15min 导致控制作用不及时 另燃料油压力变化较大且频繁 致使偏差较大 4 1 1串级控制系统组成 控制方案二被控参数 炉膛温度 方案优点 调节通道的时间常数缩短3min 对f2和f3具有很强的抑制作用 当燃料量和热值出现波动时 不等到出口温度发生变化就能提早发现并及时地进行控制 将干扰对出口温度的影响降低 缺陷 由于方案中没有把炉出口温度作为被控变量 当被加热物料的流量或入口温度产生波动使炉出口温度发生变化时 系统将无法使炉出口温度再调回到给定值上 控制方案三串级控制主变量 出口温度副变量 炉膛温度优点 扰动f2 f3对炉口温度的影响由T2C控制器构成的回路来克服 扰动f1 f4对炉出口温度控制器T1C构成的控制回路来消除 T1C和T2C两个控制串联工作 炉出口温度由控制器T1C输出作为炉膛温度控制器T2C的给定值 系统构成串级控制 4 1 1串级控制系统组成 图管式加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统方块图 主变量 在串级控制系统中起主导作用的那个被控变量 是生产过程中主要控制的工艺指标 如上例中的炉出口温度 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 如上例的炉膛温度 主对象 由主变量表征其主要特征的工艺生产设备或过程 其输入量为副变量 输出量为主变量 如上例中从炉膛温度控制点到炉出口温度检测点之间的工艺生产设备及管道 4 1 1串级控制系统组成 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 如上例中由执行器至炉膛温度检测点之间的生产过程及工艺设备 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 如上例中的炉出口温度控制器T1C 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 如上例中的炉膛温度控制器T2C 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 4 1 1串级控制系统组成 串级系统和单回路系统有一个显著的区别 即其在结构上形成了两个闭环 一个闭环在里面 被称为副环或者副回路 在控制过程中起着 粗调 的作用 一个环在外面 被称为主环或主回路 用来完成 细调 任务 以最终保证被控量满足工艺要求 一次扰动 作用在主被控过程下的 而不包括在副回路范围内的扰动 二次扰动 作用在副被控过程上的 即包括在副回路范围内的扰动 4 1 2串级控制系统的工作过程 初始状态 两个控制器输出不变 控制阀稳定在某一开度 第一种情况 燃料油流量变化 二次干扰f2 4 1 2串级控制系统的工作过程 第二种情况 被加热料流量和初温变化 一次干扰f1 第三种情况 一次干扰f1和二次干扰f2同时出现 课堂作业 画出加热炉温度与流量串级控制系统方框图 用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值 由流量控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀 可以抑制燃料油流量的扰动 4 1 3串级控制系统的特点 1 对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力 以管式加热炉出口温度控制为例 当燃烧条件发生改变使炉膛温度发生变化后 如果没有副回路的存在 则一定要等到炉出口温度的测量值发生变化后 控制器才能产生新的动作 而在串级控制系统中 由于副回路的存在 就可以提早发现炉膛温度的变化 并及时地通过副控制器去改变燃料量 以便把炉膛温度调回来 这样 即便是干扰对炉出口温度的影响不能完全被消除 也肯定比没有副回路时要小得多 因此 主要干扰作用于副回路时 串级控制的质量要比单回路控制好得多 通过理论可以证明 干扰落于副环时的抗干扰能力大于干扰落于主环时的抗干扰能力 由于副回路的时间常数大大减小 抗一次干扰的能力也高于同等条件下的单回路控制系统 2 改善了控制系统的动态特性 提高了工作频率 4 1 3串级控制系统的特点 等效 将副回路看成是主回路中的一个环节 或者把副回路理解为一部分等效对象 此时 串级控制系统的方块图可简化成上图 从以上可以证明 由于副回路的存在 可以使等效对象的时间常数大大减小 整个系统中对象总的时间滞后近似地等于主对象的时间滞后 单回路控制系统对象总的时间滞后要有所缩短 使得系统的动态响应加快 控制更加及时 最大动态偏差得到减小 由于Km2 1 有 求副回路的等效传递函数 从上述公式看出 串级控制系统由于副回路改善了对象的特性 使整个系统的工作频率得到提高 这就缩短了振荡周期 减少了过渡过程的时间 即便是干扰作用于主对象 串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统有所改善 有 当主 副对象都是一阶惯性环节 主 副控制器均采用比例作用时 串级回路与单回路的工作频率之比为 4 1 3串级控制系统的特点 3 对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力 对象非线性生产负荷和操作条件改变对象的特性发生变化 控制器参数却是在一定的负荷和操作条件下 按某种质量指标整定得到的 因此 这些控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配 如果负荷和操作条件变化过大 超出了这个适应范围 那么控制质量就很难保证 这个问题是单回路控制系统中的一个难题 但是 在串级控制系统中情况就不同了 虽然主回路是一个定值控制系统 副回路却是一个随动系统 它的给定值是随着主控制器的输出而变化的 主控制器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副控制器的给定值 使系统运行在新的工作点上 从而保证在新的负荷和操作条件下 控制系统仍然具有较好的控制质量 因此 串级控制系统的副回路能够自动地克服对象非线性特性的影响 从而显示出它对符合变化具有一定的自适应能力 4 2串级控制系统的应用范围 1 克服被控过程较大的容量滞后 与单回路系统相比 仪表用的较多 费用较高 有两个回路 控制器参数整定比较麻烦 坚持一个原则 凡是单回路系统能够满足控制要求的 就不要再用串级控制系统 在工业生产中 一些以温度或质量等作为被控参数的过程 往往其容量滞后较大 控制要求又较高 若采用单回路控制系统 因容量滞后较大 控制通道的时间常数较大 对控制作用反应迟钝而使超调量大 过度过程时间长 控制质量不能满足要求 采用串级控制系统 可选择一个滞后较小的辅助变量组成一个快速动作的副回路 使等效过程的时间常数减小 加快响应速度 从而取得较好的控制质量 对象容量滞后大 干扰情况复杂时 串级控制系统使用普遍 例如 加热炉出口温度控制系统 4 2串级控制系统的应用范围 2 克服被控过程的纯滞后 当工业过程纯滞后时间较长 应用串级控制系统来改善其控制质量 即在离调节阀较近 纯滞后较小的地方 选择一个副参数 构成一个纯滞后较小的副回路 把主要扰动包括在副回路中 在其影响主参数前 由副回路实现对主要扰动的及时控制 从而提高控制质量 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后是对二次干扰而言 当干扰从主回路进入时 这一优越性就不存在了 因为一次干扰不直接影响副变量 只有当主变量改变以后 控制作用通过较大的纯滞后才能对主变量起控制作用 例如 网前箱温度串级控制系统 工艺过程 纸浆混合器立筛圆筛网前箱 72 61 除杂质 偏差不允许超过1 4 2串级控制系统的应用范围 单回路控制系统 从混合器到网前箱纯滞后达90s 当纸浆流量波动35kg min 温度最大偏差达8 5 过渡过程时间达450s 控制质量差 不能满足工艺要求 串级控制系统设计 为了克服这个90S的纯滞后 在调节阀较近处选择混合器温度为副参数 网前箱出口温度为主参数 构成串级控制系统 把纸浆流量波动35kg min的主要扰动包括在副回路中 当其波动时 网前箱温度最大偏差未超过1 过渡过程时间为200s 完全满足工艺要求 3 克服变化剧烈和幅值大的干扰 串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的抑制能力 所以 在工业应用中只要将变化剧烈 而且幅度大的扰动包括在串级系统副回路中 就可以大大减少其对主参数的影响 例 某精馏塔塔釜温度的串级控制系统 工艺过程 精馏塔塔釜温度由于塔釜温度是保证产品分离纯度的重要工艺指标 要求恒定 对控制质量要求较高 要求 塔釜温度控制在 1 5 范围 蒸汽压力变化剧烈 而且幅度大 有时从0 5MPa突然降至0 3MPa 压力变化40 大扰动 单回路存在问题 控制方案一 简单的温度控制系统 4 2串级控制系统的应用范围 塔釜的温度 被控参数再沸器加热蒸汽 控制参数 缺点 蒸汽流量频繁波动 温度变化以后再克服扰动 对产品质量产生较大影响 控制方案二 蒸汽流量控制系统 缺点 塔釜的温度不仅仅是受蒸汽流量影响 其他影响因素 进料流量 温度 成分等的干扰 控制方案三 串级控制系统 以蒸汽流量为副参数 塔釜温度为主参数的串级级控制系统 把蒸汽压力变化这个主要扰动包括在副回路中 充分运用对于进入串级副回路的扰动具有较强抑制能力的特点 满足了生产工艺要求 工业过程存在非线性 负荷变化引起工作点的移动 通过调节阀的特性补偿 由于受调节阀等各种条件的限制 仍存在较大非线性 采用串级控制系统 能适应负荷和操作条件的变化 自动调节副调节器的给定值 改变调节阀未知 使系统运行在新的工作点 4 2串级控制系统的应用范围 4 克服对象的非线性 例 醋酸乙炔合成反应 中部温度是保证合成气质量的重要参数 工艺要求对其进行严格控制 工艺过程 控制通道中包括了两个热交换器和一个合成反应器 当混合流量发生变化时 换热器的出口温度随负荷的减小而明显增加 并呈明显的非线性变化 串级控制 主变量 中部温度 副变量 换热器出口温度 将具有非线性的换热器包括在副回路中 提高控制质量 4 3串级控制系统的设计 与单回路控制系统比 干扰进入副回路 最大偏差是单回路控制系统的1 10 1 100 干扰进入主回路 最大偏差仍能缩小到1 3 1 5 一 主回路选择即确定主变量 选择原则 1 用质量指标最有效最直接 在条件许可时 可选为主变量 2 不能选用质量指标时 应选择一个与产品质量有单值对应关系的参数作为主变量 3 选择的主变量必须有足够的变化灵敏渡 4 考虑工艺过程合理性和实现的可能性 二 副回路的选择副环设计的好坏决定串级控制系统设计的成败 设计原则 副回路应包括尽可能多的主要干扰副回路特点 动作速度快 抗干扰能力强 应把主要扰动包括在副回路中 并尽可能把其他多一些扰动包括在副回路中 以提供主参数的控制精度 副回路的扰动也不是越多越好 应该合理 因为包括的扰动愈多 其通道越长 时间常数也愈大 副回路就不能起到迅速克服扰动的作用 在实际工业生产中 副回路的范围大小 取决于整个过程的特性及各种扰动影响 一般应使副回路的频率比主回路高得多 如果副回路的时间常数加在一起大于或者等于主回路时间常数 系统的控制效果将受到很大的影响 甚至没有控制效果 4 3串级控制系统的设计 4 3串级控制系统的设计 方案一 是原料油出口温度与燃料油阀后压力串级控制方案 只适用于燃料油压力是主要干扰的场合 方案二 是原料油出门温度与炉膛温度串级控制方案 它适用于燃料油压力比较稳定 燃料油的粘度 成份和燃料油热值等经常波动的场合 4 3串级控制系统的设计 2 副参数的选择应使副回路的时间常数小 时延小 控制通道短 这样可使等效过程的时间常数大大减小 从而加快系统的工作频率 提高响应速度 缩短过度过程时间 改善系统的控制品质 为了充分发挥副回路的超前 快速作用 在扰动影响主参数之前就能予以克服 必须设计选择一个可测的 反应灵敏的参数作为副参数 3 主 副回路的时间常数适当匹配原因 共振在一定条件下 如果受到某种干扰的作用 主参数的变化进入副回路时会引起副回路副参数的幅度变化增加 而副参数的变化传送到主回路后 又迫使主参数的变化幅度增加 如此循环往复 就会使主 副参数长时间大幅度地波动 这就是所谓串级系统的共振现象 一旦发生了共振 系统就失去控制作用 不仅使控制品质恶化 如不及时处理 其至可能导致生产事故 引起严重后果 4 3串级控制系统的设计 T02小一些 可以使副回路灵敏些 控制作用快一点 T02过小 比值T01 T02加大 对提高串级系统的工作频率不大 而且T02过小将导致副环过于敏感而不稳定 T01 T02 3 10合适T01 T02 10 表明T02很小 副回路包括的干扰因素越来越少 强抗干扰能力未体现 且系统的稳定性受影响 T01 T02 3 表明T02过大 副回路包括的干扰多 控制作用不及时 T01 T02 1 产生共振现象 T01 T02取多大为好 4 3串级控制系统的设计 如果设置串级控制系统的目的主要是利用副环快速和抗干扰能力强的特点去克服对象的主要干扰的话 副环时间常数小一点为好 只要能够准确地把干扰纳入副回路就行了 如果设置串级控制系统的目的是由于对象时间常数过大和滞后严重 希望利用副环可以改变对象特性这一特点 那么副环时间常数可以取得长一些 如果想利用串级控制系统克服对象的非线性 那么主副对象的时间常数宜拉开一点 4 应考虑工艺上的合理性与可能性 在选择副参数时常会出现不止一个可供选择的方案 在这种情况下可根据对主参数控制质量的要求及经济性原则来决定 4 3串级控制系统的设计 方案一 是将冷剂液位作为副参数 该方案投资少 适用于对温度控制质量要求不太高的场合 方案二 是以冷剂蒸发压力作为副参数 该方案投资多 但副回路相当灵敏 温度控制质量比较高 上图是两个同样的冷却器 均以被冷却气体的出口温度作为主被控参数 但两个控制系统的副参数的选择却不相同 4 3串级控制系统的设计 三 主 副控制器的控制规律的选择 1 控制规律的选择根据控制要求进行主变量是生产工艺的主要操作指标 直接关系到产品的质量或生产的安全 工艺上要求比较严格 主变量不允许有余差 副变量要求不严格 允许有波动和有余差 设置副变量的目的在于保证和提高主变量的控制质量 2 主回路主控制器必须有积分作用 因此采用PI或PID 主回路是一个定值系统 主控制器起着定值控制作用 保持主变量的稳定是首要任务 3 副回路采用比例作用 副回路是一个随动系统 它的给定值随主控制器输出的变化而变化 为了能快速跟踪 副控制器一般不用积分作用 微分作用也不需要 关于主控制器 副控制器采用积分作用时 1 只有当主控制器采用具有积分作用的控制器时 不论干扰在副回路还是主回路 都能保证主变量无余差 2 当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时 只有干扰作用于副回路 主变量无余差 干扰作用于主回路 主变量仍然存在余差 选择流量作为副变量时 为保持系统的稳定 放大系数一般较小 比例作用较弱 引入积分作用 可以增强控制 但不是为消除余差 副回路本身有快速调节作用 引入微分会使调节阀动作过大 对控制不利 主控制器 PI PID副控制器 P PD 副对象的容量滞后T较大 4 3串级控制系统的设计 不同情况下 选用的控制规律 副调节器一般不引入I和D引入I 会延长控制作用 减弱副回路的快速作用 引入D 因为副回路本身起快速作用 再引入D会使控制阀动作过大 对控制不利 四 主 副控制器的正 反作用方式的选择 1 确定过程 第一步 根据工艺生产安全性 确定调节阀的气开 气关形式 第二步 根据生产工艺条件和调节阀形式 确定副调节器的正 反作用 第三步 根据主副参数的关系 确定主调节器的正 反作用 2 确定原则 使整个系统构成负反馈 即主通道各环节放大系数正 负极性相乘必须为负 3 各个环节放大系数极性规定 调节阀 调节阀为气开阀 Kv 0 输入气压信号p 0 02MPa时 打开 即有气时阀打开 调节阀为气闭阀 Kv0 02MPa时 关闭 即有气时阀关闭 4 3串级控制系统的设计 四 主 副控制器的正 反作用方式的选择 被控对象 对象正作用 对象的输入量增加 或减少 其输出量亦增加 或减少 KO 0 对象反作用 对象的输入量增加 或减少 其输出量减少 或增加 KO 0 调节器控制器正作用 控制器测量值增加 或减少 其输出量亦增加 或减少 Kc 0 控制器反作用 控制器测量值增加 或减少 其输出量减少 或增加 Kc 0 变送器变送器的静态放大系数通常为正 即Km 0 4 控制器作用形式的确定确定原则 过程内部各个环节的静态系数相乘为负 即KmK0KvKc 0 计算Kc正反作用形式 4 3串级控制系统的设计 调节阀选择 Kv 0从生产工艺安全出发 燃料油调节阀选用气开式 即一旦调节器损坏 调节阀处于全关状态 以切断燃料油进人管式加热炉 确保其设备安全 故调节阀Kv 0 副过程确定 K02 0当调节阀开度增大 燃料油增加 炉膛温度升高 故副过程K02为正 副调节器放大系数 K2 0 为了保证副回路为负反馈 则副调节器的放大系数K2应取负 即为反作用调节器 主过程确定 K01 0由于炉膛温度升高 则炉出口温度也升高 故主过程K01 0 主调节器放大系数 K1 0为保证整个回路为负反馈 则主调节器的放大系数K1应为负 即为反作用调节器 例1 加热炉的温度控制系统 说明正 负作用方式的确定 校验主副调节器的作用方式 当炉出口温度升高时 主调节器减小 副调节器的给定值减小 因此 副调节器输出减小 调节阀开度减小 进入加热炉的燃料油减小 从而使炉膛温度和炉出口温度降低 4 3串级控制系统的设计 例2如图所示PVC精馏塔提馏段温度与再沸器蒸汽流量串级控制系统 确定主 副调节器的正 反作用 副调节器 根据安全要求 为了在气源中断时 停止供给蒸汽量 以保证塔底产品质量 调节阀应为气开阀 Kv 0 副对象是蒸汽管道 当阀门开大时 流量将上升 K02 0 为使副回路构成一个负反馈系统 调节器K2 0 主调节器 主对象的输入信号为蒸汽流量 即副变量 输出信号为提馏段温度 即主变量 当蒸汽流量增大时 提供的热量增加 提馏段温度上升 K01 0 为使回路构成一个负反馈系统 调节器K1 0 4 4串级控制系统的参数整定 逐步逼近法 两步整定法 一步整定法 逐步逼近法 在主环断开的情况下 求其副控制器的整定参数 然后将副控制器参数放在所求得的数值上 再使主回路闭合起来求取主控制器的整定参数 之后 将主控制器参数放在所求的参数值上 再行整定 求出第二次副控制器的整定参数 1 主回路断开 先整定副调节器参数 采用任意一种单回路调节器参数整定方法 求得副调节器参数WC2 2 副调节器参数放置在WC2上 闭合主回路 把副回路等效成一个环节 用同样的方法求得主调节器参数WC1 3 系统处于串级运行状态 主控制器参数置于WC1且主回路闭合的情况下 再求取副调节器参数WC2 至此完成了一个逼近循环 观察系统在WC1 WC2作用下的过程控制曲线 如满足工艺要求 则WC1 WC2即为所求调节器参数 否则 继续上述方法 直到获得控制过程质量指标的调节参数为止 该方法适用于主 副过程的时间常数相差不大 主 副回路的动态联系比较密切的情况 整定须反复进行 逐步逼近 因而往往费时较多 整定步骤 4 4串级控制系统的参数整定 2 两步整定法 根据串级控制系统分为主 副两个闭合回路的实际情况 分两步进行 第一步整定副控制器参数 第二步 把已整定好的副控制器视为串级控制系统的一个环节 对主控制器参数进行整定 整定的依据 第一 一个设计正确的串级控制系统 主 副对象的时间参数应该匹配 一般要求T01 T02 3 10 第二 对主变量的控制质量要求较高 对副变量的控制要求较低 牺牲一点副变量的控制质量也是允许的 整定步骤 1 在工况稳定 主副回路闭合的情况下 主调节器为纯比例运行 比例度固定在100 用4 1衰减曲线法整定副调节器参数 求得副调节器在4 I衰减过程下的比例度 2和操作周期T2s 4 4串级控制系统的参数整定 2 在副控制器比例度等于 2s的条件下 逐步降低主控制器的比例度 求取同样的递减比过程中主控制器的比例度 1s和操作周期T1s 3 按已求的的 1s 2s T2s T2s值 结合控制器的选型 按单回路控制系统衰减曲线法整定参数的经验公式 计算主 副控制器的整定参数值 4 按照先副后主 先P次I后D的顺序 将计算出的参数值设置到控制器上 作一些扰动实验 观察过度过程曲线 适当调整 直至过度过程质量最佳 举例1 某化肥厂硝酸生产过程中有一套氧化炉温度与氨气流量串级控制系统 炉温为主变量 对它的要求较高 最大偏差不得超过 5 对副变量氨流量要求不高 允许在一定范围内变化 整定过程 1 在串级运行条件下 将炉温控制器的比例度放在100 TI 氨气流量控制器TI 并将比例度由大至小逐步调整 使得副变量呈现4 1的振荡过程 此时副控制器的比例度 2s 32 操作周期T2s 15S 4 4串级控制系统的参数整定 2 将氨气流量控制器的比例度置32 上 TI 将主控制器的比例度由100 往小的方向逐步调整 得到主变量呈现4 1振荡过程的参数 1s 32 操作周期T1s 7min 3 按4 1衰减曲线法控制器整定参数的经验计算公式 计算主 副控制器的整定