串级控制系统

串级控制系统的结构与工作过程,基本思路：以加热炉控制为例，介绍串级控制思想的提出、串级控制系统的基本构成、基本术语与工作过程,加热炉温度控制系统,方案1：出口温度为被控参数燃料量为控制参数,影响出口温度的因素：,方案1的分析,方案1的分析,所有的扰动都包含在环内，理论上都可以由温度控制器予以克服；控制通道的时间常数和容量滞后比较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力比较差。,方案2：选择炉膛温度为被控参数,方案2的分析：,方案2的分析,能及时有效地克服扰动f2(t)、f3(t)的影响；f1(t)未包含在环内，系统不能克服扰动f1(t)对出口温度的影响。,总之，两种方案各有不同的优点，因此，可以综合考虑二者的优点。,串级控制系统的构成,综合考虑两种方案的优点：选取炉出口温度为主被控变量，选取炉膛温度为副被控变量，把炉出口温度控制器的输出作为炉膛控制器的给定值。,串级控制系统流程图,T1C,T1T,T2C,T2T,串级控制系统的框图,串级控制系统的基本术语,主参数（主变量）：对象的主控参数副参数（副变量）：为了稳定主参数而引入的辅助参数主对象：由主参数表征其特性的生产过程副对象：由副参数为输出的生产过程，副回路所包含的对象。,串级控制系统的基本术语,主调节器（主控制器）：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器。副调节器（副控制器）：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器。主回路与副回路,串级控制系统的基本术语,一次扰动：不包括在副回路内的扰动。二次扰动：包括在副回路内的扰动。,加热炉串级控制系统流程图,加热炉串级控制系统工作过程,串级控制系统的实施方案,一般的串级方案,主控制器,副控制器,电气转换器,控制阀,副对象,主对象,副变送器,主变送器,双笔记录仪,R,Y,-,-,通过双笔记录仪对主、副变量记录。电气转换器是阀门定位器。,串级控制系统的实施方案,能实现主控-串级切换的串级方案,主控制器,副控制器,电气转换器,控制阀,副对象,主对象,副变送器,主变送器,双笔记录仪,R,Y,-,-,T,串级控制系统的实施,主、副控制器控制规律的选择；主、副控制器正、反作用形式的选择；串级与主控直接切换条件。,主、副控制器控制规律选择,主控制器控制规律：主控制器起定值控制作用，主变量是主要指标，允许波动小，一般要求无余差，因此一般要选择PI或PID。,主、副控制器控制规律选择,副控制器起随动控制作用，副变量的设置是为了保证主变量的控制质量，对快速性要求较高，可以在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器一般选P控制规律即可。,副调节器一般不引入I或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。,主副控制器正、反作用方式的选择,基本原则：整个控制系统构成负反馈系统具体做法：主通道各环节放大系数极性乘积必须为正极性规定：与单回路系统相同,应用举例1：加热炉温度控制系统,T1C,T1T,T2C,T2T,主变量：出口温度；副变量：炉膛温度,燃料控制阀的选择：从安全角度出发，一旦调节阀损坏，保证控制阀处于全关状态，切断燃料进入加热炉，确保设备安全，所以要选择气开式调节阀。,副回路的分析,主回路的分析,调节过程,出口温度升高,主控制器输出减小,副控制器给定减小,控制阀开度减小,加热炉燃料减少,炉膛温度下降,出口温度下降,反作用形式,随动系统,副控制器输出减小,气开式,形成闭环控制,相当于测量值增加,应用举例2：精馏塔提馏段温度控制系统,精馏过程：将混合物料中各组分分离，达到规定的纯度。分离的机理：利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同）使液相中的轻组分（低沸物）和液相中的重组分（高沸物）互相转移，从而实现分离。,精馏塔示意图,进料,热蒸汽,采出,冷凝冷却器,F,zf,B,xB,D,xD,LB,LD,L,回流罐,回流泵,再沸器,精馏塔,提馏段温度控制系统,进料,热蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精馏塔,TC,TT,如果蒸汽压力波动比较大、比较频繁，而塔釜容量比较大，控制将很不及时，控制效果会很差。,控制阀的蒸汽流量不仅与阀的开度有关，而且与阀前后的压力有关。,增设一个流量控制系统,两个系统相互关联，无法工作。,进料,蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精馏塔,TC,TT,FC,FT,V1,V2,关联情况分析,当进料量增大，提馏段温度下降，TC开始调节，V1开度增大，蒸汽流量增大。由于流量是个闭环系统，当检测到流量增加，FC开始调节，使流量等于设定值，即将V2关小。上述两种情况发生矛盾，无法实现控制。,构成串级控制系统,进料,蒸汽,采出,F,zf,B,xB,LB,再沸器,精馏塔,TC,TT,FC,FT,串级控制系统方框图,温度控制器,流量控制器,控制阀,流量对象,温度对象,副变送器,主变送器,R,Y,-,-,控制阀气开、气关形式的选择,依据安全要求，当出现故障无信号输入时，应将阀关闭，防止将塔釜烧干损坏设备，因此，选择气开式控制阀。KV0,副控制器正、反作用形式选择,副对象：当阀门开大，流量增加，所以副对象为正过程，K020。根据KC2K02KV0，得出KC20。根据KC1K010，得出KC10，即主控制器应选反作用形式。,系统工作过程,假设系统处于稳定的平衡状态，即:温度控制器和流量控制器都处于稳定数值，控制阀处于某一开度不变。系统受到干扰，平衡被破坏，温度控制器和流量控制器分三种情况进行调节。,温度控制器,流量控制器,控制阀,流量对象,温度对象,副变送器,主变送器,R,Y,-,-,f2(t),f1(t),第一种情况：干扰来自副环,假设某一时刻，蒸汽流量突然增大。由于再沸器和塔釜具有一定的容量滞后，干扰响应滞后，提馏段温度暂时不变。蒸汽流量增加，副变送器输出增加，副控制器输出减小（反作用），控制阀开度减小（气开式），蒸汽流量变小。随着时间的推移，提馏段温度上升，主控制器输出减小，副控制器给定减小，进一步减小蒸汽流量。,第二种情况：干扰来自主环,假设某一时刻进料量突增，塔釜液位上升，提馏段温度下降，温度控制器输出增大（反作用形式），流量控制器给定增大，流量控制器输出增大（随动系统），控制阀开度增大，进入再沸器的蒸汽量增多，提馏段温度回升。,第三种情况：主、副环同时干扰,副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰使提馏段温度降低。,温度主控制器输出流量控制器给定阀开度蒸汽流量流量测量值流量控制器输出阀开度二者相互抵消,副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰使提馏段温度升高。,温度主控制器输出流量控制器给定阀开度蒸汽流量流量测量值流量控制器输出阀开度二者综合起来，能加速调节过程,串级与主控直接切换条件,从串级切到主控时，用主控器输出代替原先副控制器的输出去控制控制阀；从主控切到串级时，用副控制器的输出代替主控制器的输出去控制控制阀。,主控制器,副控制器,电气转换器,控制阀,副对象,主对象,副变送器,主变送器,双笔记录仪,R,Y,-,-,T,直接切换条件：保证去控制阀的控制信号方向一致,当副控制器为反作用时：假设副变量不变，当主控制器输出增大，相当于副变量测量值减小，副控制器输出增大；当主控制器输出减小，相当于副变量测量值增大，副控制器输出减小。主、副控制器输出信号方向一致，可以直接切换。,当副控制器为正作用时：假设副变量不变，当主控制器输出增大，相当于副变量测量值减小，副控制器输出减小；当主控制器输出减小，相当于副变量测量值增大，副控制器输出增大。主、副控制器输出信号方向不一致，不能直接切换。在串级向主控切换的同时改变主控制的正、反作用；由主控切换到串级时，将主控器恢复到原来的作用。,串级控制系统的特点与分析,改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；具有很强的抗干扰能力；具有一定的自适应能力。,改善被控过程的动态特性分析,等效变换,分析,结论,1.在串级控制系统中，由于增加了一个副回路，使等效被控过程的时间常数减小了，从而改善了系统的动态特性。2.等效副对象放大系数减小可以通过增大主控制器放大倍数的办法加以补偿。,系统工作频率提高分析,串级控制系统工作频率,串级控制系统工作频率,单回路系统工作频率,串级控制系统具有较强的抗干扰能力,由于串级控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次扰动，从而大大减小了二次扰动的影响，提高了控制质量。干扰作用于主环，由于副环的存在，等效对象时间常数减小了，工作频率提高，比单回路更为及时地对干扰进行控制。,串级控制系统具有一定的自适应能力,如果系统为非线性（放大倍数与工作点有关），或具有时变性（放大倍数随时间变化），当控制器参数整定好不变时，在工作过程中，控制质量与预期的希望会发生变化。对单回路系统，上述问题难以克服，而串级控制系统则具有一定的适应能力。,串级控制系统具有一定的自适应能力,主回路是一个定值系统，副回路是一个随动系统。当操作条件和负荷发生变化，主变量发生变化，主调节器输出发生变化，相当于副调节器的给定值发生变化，主调节器能按照负荷和操作条件的变化不断改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值适应负荷和操作条件的变化，即具有一定的自适应能力。,对于包含在副回路内的非线性、参数变化、负荷变化具有一定的自适应能力。,小结：,改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；具有很强的抗干扰能力；具有一定的自适应能力。,副回路的设计,串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，主参数的选择和主回路的设计可以按照单回路控制系统的设计原则进行，因此，串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。,副回路应包括尽可能多的扰动,对于包含在副回路内的非线性、参数变化、负荷变化具有很强的抑制能力和一定的自适应能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁且幅度大的扰动。并不是副回路包括的扰动愈多愈好，应该是合理的，因为扰动愈多，通道愈长，副回路将失去快速克服扰动的能力。,应使主、副过程的时间常数适当匹配,目的：保证安全生产、防止共振匹配原则：主、副过程时间常数之比应在310之间。,如果副过程的时间常数比主过程小得太多，即副过程时间常数小，副回路反应灵敏，控制作用快，但这种情况一般副回路包含的扰动少，对过程特性的改善减小了。,如果副过程的时间常数大于主过程的时间常数，此时，副回路对过程特性的改善效果显著，但反映迟钝，不能及时有效地克服扰动。,如果副过程的时间常数与主过程的时间常数接近，此时，主、副过程的动态联系密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，即“共振”，它不利于生产的正常运行。,将非线性环节处于副环之中,当操作条件或负荷发生变化时，主控制器可以适当修改副控制器的给定值，使副环在一个新的工作点上运行，以适应由于非线性导致的工作点变化。（对于非线性特性，当工作点发生变化时，放大系数就发生了变化）,合成反应器温度串级控制,T1T,T1C,T2T,T2C,合成反应器,换热器,醋酸和乙炔混合器,反应气体,中部温度是保证合成器质量的重要参数，工艺要求对其进行严格控制。,控制通道中包含两个换热器和一个合成反应器，具有明显的非线性，使整个过程特性随着负荷的变化而变化。选取反应器温度为主参数，换热器出口温度为副参数，构成串级控制系统，把随负荷变化的那一部分非线性过程特性包含在副回路中，提高了控制质量。,用于克服被控过程的纯滞后,工程做法：在离调节阀比较近、纯滞后比较小的地方，选择一个副参数，构成一个纯滞后比较小的副回路，把主要扰动包括在副回路中，在扰动影响主参数前，由副回路实现对主要扰动的及时控制，提高控制质量。,应用实例：造纸厂网前箱温度串级控制,纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72度，经过立筛、圆