第4-1章 复杂过程控制系统-串级控制系统

1、-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统过程控制过程控制-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统单回路系统：单回路系统：一个被控过程一个被控过程，采用，采用一个测量变送器一个测量变送器检测被控检测被控过程，采用过程，采用一个控制器一个控制器保持保持一个被控参数一个被控参数恒定，恒定，或在小范围内变化，其输出也只控制或在小范围内变化，其输出也只控制一个执行一个执行机构机构的系统。的系统。着眼点：着眼点：运用运用PIDPID控制，着眼于控制，着眼于一个物理量一个物理量的稳定工作，的稳定工作，控制方块图也是由控制方块图也是由一个闭环一个闭环完成的。完成

2、的。偏差偏差被控变量被控变量控制器控制器执行器执行器被控对象被控对象测量变送环节测量变送环节干扰干扰设定值设定值-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 适用于被控对象的纯滞后时间短、容量滞后小、适用于被控对象的纯滞后时间短、容量滞后小、负荷变化比较平缓的简单的单输出生产过程。负荷变化比较平缓的简单的单输出生产过程。问问题题的的提提出出对象的特性并不复杂，但工艺对控制质量的要求很高或很对象的特性并不复杂，但工艺对控制质量的要求很高或很特殊特殊 对产品质量、产量、对生产效率等提出更高的要求。对产品质量、产量、对生产效率等提出更高的要求。用用复杂控制系统复杂控制系统解决上述

3、问题解决上述问题单回路控制系统单回路控制系统不能解决不能解决的问题：的问题： 调节对象特性决定它很难控制（滞后常数大或扰动很大）调节对象特性决定它很难控制（滞后常数大或扰动很大） 多输出控制系统多输出控制系统-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统模糊控制、预测控模糊控制、预测控制、推理控制、自制、推理控制、自适应控制、人工神适应控制、人工神经网络等等经网络等等系统由两个以上的回系统由两个以上的回路构成，用一个以上路构成，用一个以上的测量变送器，或调的测量变送器，或调节器或执行器节器或执行器复杂控制系统概念 当采用单回路系统不能满足工业生产的要求时采用或在当采用单回路系

4、统不能满足工业生产的要求时采用或在系统结构上复杂系统结构上复杂，或在，或在控制算法上复杂控制算法上复杂的控制系统，以的控制系统，以便完成复杂的或是特殊的控制任务。便完成复杂的或是特殊的控制任务。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统9种控制系统本章主要内容串级控制系统（系统的基本概念、串级控制系统（系统的基本概念、 特点、系统的设计、系特点、系统的设计、系统的应用场合及应用中的问题）统的应用场合及应用中的问题）比值控制系统（系统的基本概念、常用的比值控制方案及比值控制系统（系统的基本概念、常用的比值控制方案及系统的设计）系统的设计）前馈控制系统（前馈控制系统的基本概念

5、、系统的几种结构形式及前馈控制系统（前馈控制系统的基本概念、系统的几种结构形式及系统的应用场合）系统的应用场合）均匀控制系统（系统的概念、控制方案）均匀控制系统（系统的概念、控制方案）分程控制系统（系统的基本概念、系统的应用中的几个问题）分程控制系统（系统的基本概念、系统的应用中的几个问题）选择性控制系统（基本概念、系统的应用、积分饱和及其防止）选择性控制系统（基本概念、系统的应用、积分饱和及其防止）-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统系统的基本概念、系统的基本概念、 特点、特点、结构、系统的设计、系统结构、系统的设计、系统的应用场合及应用中的问题的应用场合及应用中

6、的问题系统的基本概念、方案系统的基本概念、方案及应用场合及应用场合串级控制系统串级控制系统前馈控制系统前馈控制系统补偿控制系统补偿控制系统比值控制系统比值控制系统均匀控制系统均匀控制系统分程控制系统分程控制系统选择性控制系统选择性控制系统-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统第一节第一节 串级控制系统串级控制系统一一. .串级控制系统的组成串级控制系统的组成二二. .串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程三三. .串级控制系统的特点串级控制系统的特点四四. .串级控制系统的工业串级控制系统的工业应用应用五五. .串级控制系统的设计串级控制系统的设计六六. .串级

7、控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统串级控制思想的提出串级控制思想的提出以以加热炉加热炉控制为例控制为例工艺要求被加热工艺要求被加热物料的温度物料的温度为某一定值为某一定值目的：目的：可延长炉子寿命可延长炉子寿命，防止炉管烧坏防止炉管烧坏；可保证后面精可保证后面精馏馏分分离的质量。离的质量。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统（1 1）被加热物料的流量和初温）被加热物料的流量和初温f f1 1(t)(t)（3 3）烟囱档板位置的改变、抽力的变化烟囱档板位置的改变、抽力的变化f f3 3(t)(t)（

8、2 2）燃料热值的变化、压力的波动、流量的变化燃料热值的变化、压力的波动、流量的变化f f2 2(t)(t)加热炉的干扰因素：加热炉的干扰因素：-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统单回路系统（单回路系统（控制炉出口温度控制炉出口温度） 优点优点 ：所有对被控所有对被控参数的干扰都包括在参数的干扰都包括在控制回路之中。控制回路之中。 缺点缺点 ：控制通道时间常控制通道时间常数和容量数和容量 滞后较大，控滞后较大，控制作用不及时，克服扰动制作用不及时，克服扰动能力较差。能力较差。冷物料冷物料燃料燃料热物料

9、热物料加热炉加热炉T1CT1Tr r1 1-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统燃料燃料冷物料冷物料加热炉加热炉热物料热物料单回路系统（单回路系统（控制炉膛温度控制炉膛温度） 优点：优点：能及时而有效地克服来能及时而有效地克服来自燃料油压力和烟囱抽自燃料油压力和烟囱抽力方面的干扰。力方面的干扰。缺点：缺点：放弃炉出口温度控制将放弃炉出口温度控制将无法克服来自原料流量无法克服来自原料流量和温度和温度f f1 1(t)(t)方面的干扰方面的干扰T2CT2Tr r2 2 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统串级串级控制系统控制系统串级控制方案串级

10、控制方案：选取炉出口温度为选取炉出口温度为主被控参数主被控参数，选取炉膛温度，选取炉膛温度为为副被控参数副被控参数，把，把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值调节器的给定值。控制框图如下图。控制框图如下图。T1CT1T燃料燃料冷物料冷物料热物料热物料加热炉加热炉T2CT2Tr r-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统串级系统框图 特征：两台控制器串联在一起，控制一个调节阀特征：两台控制器串联在一起，控制一个调节阀-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 在多回路控制系统中，采用不止一个控制器，而且控

11、制在多回路控制系统中，采用不止一个控制器，而且控制器间相串联，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值器间相串联，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。的系统，称为串级控制系统。串级控制系统组成串级控制系统组成串级控制系统方块图-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统t t 主被控参数主被控参数起主导作用的被控参数。起主导作用的被控参数。 t t 副被控参数副被控参数为稳定主参数而引入的中间辅助参数。为稳定主参数而引入的中间辅助参数。 t t 主被控过程主被控过程由主被控参数表征其特性的生产过程。其输入量为副被由主被控参数表征其特性的生产过程

12、。其输入量为副被控参数，输出量为主被控参数。控参数，输出量为主被控参数。 t t 副被控过程副被控过程由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参数。数。 t t主调节器主调节器按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。，其输出作为副调节器的给定值。t t副调节器副调节器按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制调节阀动作。调节器，其输出控制调节阀动作。 t t副回路副回路由副调节

13、器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。 t t一次扰动一次扰动不包括在副回路内的扰动。不包括在副回路内的扰动。 t t二次扰动二次扰动包括在副回路内的扰动。包括在副回路内的扰动。 串级控制系统中常用的名词串级控制系统中常用的名词 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统串级控制原理串级控制原理-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统温度检测温度检测变送器变送器温度控温度控制器制器期望期望温度温度-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统期望期望流量流量流量检测流量检测

14、变送器变送器流量控流量控制器制器-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统期望炉膛期望炉膛温度温度-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统执行阀流量对象流量检测变送器）（SE1）（SR2）（SR1）（SE2温度调节器流量调节器温度对象温度检测变送器流量原料出口温度）（SD2）（SD1-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统执行阀副对象副检测变送器主调节器主对象主检测变送器副参数主参数副调节器二次扰动一次扰动设定值串级控制系统的通用方框图：串级控制系统的通用方框图

15、：-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统情况一：情况一：干扰来自燃料油流量的变化干扰来自燃料油流量的变化先副回路，先副回路， 后主回路后主回路情况二：情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统情况三：情况三：一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰和二次干扰同时存在 主、副变量同向变化主、副变量同向变化 主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化，主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化，使得炉出口温度很快恢复到设定值。使得炉出口温度很快恢复到设定值。 主、副变量反向

16、变化主、副变量反向变化 两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。调整。 通过分析可知通过分析可知：副控制器具有：副控制器具有“粗调粗调”的作用，的作用，而主控制器具有而主控制器具有“细调细调”的作用，两者互相配合，的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回路控制系统。控制质量必然高于单回路控制系统。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统串级控制系统工作过程串级控制系统工作过程F 2 23 3F 1 1F 2 23 3-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 干扰作用于副对象干扰作用于副对象

17、由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回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路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用 干扰作用于主对象干扰作用于主对象 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。主变量的目的。 设定值设定值 调节阀调节阀炉膛炉膛温度温度控制器控制器测量变送测量变送炉出口炉出口温度温度控制器控制器炉管内炉管内物料物料测量变送测量变送温度温度炉膛炉膛扰动作用副回路二次扰动二次扰动扰动作用主回路一次扰动一次扰动扰动作用副回路二次扰

18、动扰动作用主回路一次扰动气开气开反反反反-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统扰动作用副回路二次扰动扰动作用主回路一次扰动设定值设定值 调节阀调节阀炉膛炉膛温度温度控制器控制器测量变送测量变送炉出口炉出口温度温度控制器控制器炉管内炉管内物料物料测量变送测量变送温度温度炉膛炉膛气开气开反反反反l一、二次干扰同时出现一、二次干扰同时出现t t 使主、副变量同向变化使主、副变量同向变化t t 使主、副变量反向变化使主、副变量反向变化分析可知：分析可知：副控制器具有副控制器具有“粗调粗调”作用，主控制器具有作用，主控制器具有“细细调调”作用；两者配合，控制质量必高于单回路控制

19、系统。作用；两者配合，控制质量必高于单回路控制系统。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，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。副回路具有于主对象上的干扰也能加速克服。副回路具有先调、先调、粗调、快调粗调、快调的特点；的特点；主回路具有主回路具有后调、细调、慢调后调、细调、慢调的特点，并对于副的特点，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。回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，

20、在串级控制系统中，由于主、副回路相互因此，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，大大提高配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。了控制质量。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统设定值控制阀温度控制器干扰测量变送温 度控制器温度对象干扰测量变送温度温度对象 1 1、在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：、在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路： 主回路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控主回路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控 制器；有两个测量变送器。制器；有两个测量变送器。串级控制系统的特点串级控制系统

21、的特点定值控制系统随动控制系统-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统串级控制系统的结构框图串级控制系统的结构框图2 2、在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引、在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引 入，改善了对象动态特性，使控制过程加快，具入，改善了对象动态特性，使控制过程加快，具 有超前控制的作用。有超前控制的作用。Wc1(S)Wc2(S)Wv(S)W02(S)Wm2(S)Wm1(S)X1(S)E1(S)E2(S)+X2(S)+W01(S)F2(S)F1(S)+Y2(S)Y1(S)Z1(S)Z2(S)-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制

22、系统简化得到简化得到串级控制系统的等效框图串级控制系统的等效框图分析过程：分析过程：20220222022( )( )( )( ) ( )( )1( )( )( )( )cvcvmWs W s WsY sWsXsWs W s Ws Ws1( )X sc1W (s)02W (s)*02W(s)01W (s)m1W (s)1( )F s1( )Y s2( )Y s+F F2 2( (S S) )-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统20220222022( )( )( )( ) ( )( )1( )( )( )( )cvcvmWs W s WsY sWsXsWs W s

23、Ws Ws假设假设 0202222202( ),( ),( ),( )1cCvvmmKWsWsKW sK WsKT s经整理后可得：经整理后可得： 1)(020202sTKsW-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统结论：串级控制系统中，由于增加了一个副回路，使等结论：串级控制系统中，由于增加了一个副回路，使等 效的被控过程的时间常数减小，从而改善了系统效的被控过程的时间常数减小，从而改善了系统 的动态特性。的动态特性。2022022021mvcvcKKKKKKKK202202021mvcKKKKTTT02c2Kc, Kc1c1*Kc2c2越大越大，抗干扰能力越强。，抗

24、干扰能力越强。结论：单回路比串级抗干扰能力差。结论：单回路比串级抗干扰能力差。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统4 4、具有一定的自适应能力、具有一定的自适应能力 设定值控制阀副控制器干扰副测量变送主控制器 主对象干扰主测量变送主变量 副对象 主控制器的输出能按照负荷或操作条件的变化而变化，主控制器的输出能按照负荷或操作条件的变化而变化，使副控制器的设定值能随负荷及操作条件的变化而变化，使副控制器的设定值能随负荷及操作条件的变化而变化，使得串级控制系统能对负荷和操作条件的改变具有一定的使得串级控制系统能对负荷和操作条件的改变具有一定的自适应能力。自适应能力。-过程

25、控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统无串级时，开环传函：无串级时，开环传函：)()()()(0102SWSWSWSGc)(1SX)(1SY）（SWc）（SW02）（SW01)(SH有串级时，开环传函：有串级时，开环传函：)()()(1)()()(010202SWSHSWSWSWSGc时当1)()(02SHSW)()(1)()(01SWSHSWSGc所以，串级控制可以减小或消除副对象的非线性。所以，串级控制可以减小或消除副对象的非线性。某控制系统方框图如下：某控制系统方框图如下：-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 (1) (1) 从系统结构来看

26、，串级控制系统有主、副两个闭合回从系统结构来看，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。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。随动控制系统。 (2) (2) 在串级控制系统中，有主、副两个变量。主变量是反在串级控制系统中，有主、副两个变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。在于使

27、这一变量等于工艺规定的给定值。 (3) (3) 从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，从系统特性来看，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。从而有效地克服滞后，提高了控制质量。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足 质量指标质量指标 控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰 被控对象具有较大的非线性，而

28、负荷变化又较大被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大 被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控 制系统不能满足质量指标制系统不能满足质量指标-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统过程控制过程控制 第四章第四章 v 滞后较小的副变量滞后较小的副变量 例例 管式加热炉温度控制系统管式加热炉温度控制系统v 容量滞后容量滞后v 温度温度v 串级控制串级控制-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统过程控制过程控制 第四章第四章 例例 反应器温度控制系统反应器温度控制系统D D2 2D D1 1q1 1q

29、2 2q1r1r主调节器主调节器副调节器副调节器调节阀调节阀夹夹套套反应反应槽槽温度变送温度变送1 1q q2r2r槽槽壁壁温度变送温度变送2 2-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统v v v -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统过程控制过程控制 第四章第四章v v v -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统过程控制过程控制 第四章第四章v v -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统正确合理地设计，才能使串级控正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其特点。设计包括制系统发挥其特点。设计包

30、括主、副主、副回路选择回路选择，主、副控制器控制规律选型主、副控制器控制规律选型和和正、反作用正、反作用的确定的确定。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行。设计原则进行。与单回路控制时被控变量的选择原则是一样与单回路控制时被控变量的选择原则是一样的，能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控的，能直接或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。制系统的被控变量。 主变量主变量( (操纵量操纵量) )的选择原则的选择原则主要有：主要有：(

31、1) (1) 条件允许时选质量指标作为主变量条件允许时选质量指标作为主变量(2) (2) 其次考虑选择与质量有单值关系的参数作为主变量。其次考虑选择与质量有单值关系的参数作为主变量。 (3) (3) 所选主变量应有足够的灵敏度，且工艺合理、易实现。所选主变量应有足够的灵敏度，且工艺合理、易实现。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统2. 2. 副回路应考虑工艺上的合理性且包括尽可能多的扰动副回路应考虑工艺上的合理性且包括尽可能多的扰动应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在副应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在副回路中。应将生产过程中的主要干扰包围在内，

32、应使副环回路中。应将生产过程中的主要干扰包围在内，应使副环包围更多的次要干扰包围更多的次要干扰 。研究系统的干扰来源是十分重要。研究系统的干扰来源是十分重要的。如前述的管式加热炉，主扰动为燃油流量和热值变化，的。如前述的管式加热炉，主扰动为燃油流量和热值变化，则方案合理。则方案合理。并非包括的干扰越大越好并非包括的干扰越大越好。干扰包括得越大，副变量。干扰包括得越大，副变量的位置会越靠近主变量，灵敏度会降低。的位置会越靠近主变量，灵敏度会降低。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统3. 3. 主、副对象的时间常数要匹配主、副对象的时间常数要匹配(1) (1) 当当T

33、 T0101/T/T02021010时，则时，则T T0202很小，副回路包括的干扰很很小，副回路包括的干扰很 少，作用未发挥。少，作用未发挥。(3) (3) 当当T T0101/T/T0202 1 1时，主、副回路易出现时，主、副回路易出现“共振效应共振效应”。 一般认为：一般认为：T T0101/T/T0202=3=3 10 10 较合适。较合适。 究竟究竟T T0202取多大为好，应按具体情况确定。若欲快速取多大为好，应按具体情况确定。若欲快速克服主干扰，则小一点为好；若欲克服对象的大滞后，可克服主干扰，则小一点为好；若欲克服对象的大滞后，可取大点；若欲克服对象的非线性，则取大点；若欲克

34、服对象的非线性，则T T0101/T/T0202宜取大一些。宜取大一些。(2) (2) 当当T T0101/T/T0202310T01/T0210时，则时，则T02T02很小，副回路包括的干扰很少，很小，副回路包括的干扰很少，作用未发挥。作用未发挥。(2)(2)、当、当T01/T023T01/T023时，说明时，说明T02T02过大，副回路的控制作用不及时。过大，副回路的控制作用不及时。(3)(3)、当、当T01/T02T01/T02 1 1时，主、副回路易出现时，主、副回路易出现“共振效应共振效应”。 一般认为：一般认为：T01/T02=3T01/T02=3 1010 较合适。较合适。-过程

35、控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统3 3、选副回路应考虑工艺上的合理性、选副回路应考虑工艺上的合理性只有满足工艺要求，才具有实用性。只有满足工艺要求，才具有实用性。先考虑工艺要求，再考虑其他要求。先考虑工艺要求，再考虑其他要求。副变量选择原则副变量选择原则包括系统主包括系统主要干扰要干扰 主副时间常主副时间常数匹配数匹配 合理性与可合理性与可能性能性 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统（二）控制器的选择（二）控制器的选择 1 1、控制规律的选择、控制规律的选择对主变量控制质量要求高对主变量控制质量要求高主变量宜采用主变量宜采用PIPI规律规

36、律；欲克服容量滞后，应引进微分作；欲克服容量滞后，应引进微分作用，采用用，采用PIDPID规律规律。副变量一般采用副变量一般采用P P规律规律就可以了。一般不引入积分控制就可以了。一般不引入积分控制规律（会延长控制过程）也不引入微分控制规律（微分规律（会延长控制过程）也不引入微分控制规律（微分规律会使调节阀动作过大。）规律会使调节阀动作过大。） 满足控制精度满足控制精度快速抗干扰快速抗干扰 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统u串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量。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

37、质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，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。以实现主变量的无余差控制。u 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。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，在控副变量的给定值是随主控制器

38、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。此，副控制器一般采用比例控制规律。因为因为: -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统执行阀流量对象流量检测变送器）（SE1）（SR2）（SR1）（SE2温度调节器流量调节器温度对象温度检测变送器流量原料出口温度）（SD2）（SD1返回-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是

39、构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出输入就是主控制器的输出( (即副即副回路的给定回路的给定) )，而其，而其输出就是副变量输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增主控制器输出增加时，副变量总是增加的，加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正正”作用作用方向的。方向的。在主回

40、路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。向仅取决于主对象的特性。主对象具有主对象具有“正正”作用特性作用特性( (即副变即副变量增加时，主变量亦增加量增加时，主变量亦增加) )时，主控制器应选时，主控制器应选“反反”作用方向，作用方向，反之，当主对象具有反之，当主对象具有“反反”作用特性时，主控制器应选作用特性时，主控制器应选“正正”作作用方向。用方向。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制

41、系统复杂过程控制系统 选择副回路控制器的正反作用选择副回路控制器的正反作用与简单控制系统中控制器与简单控制系统中控制器“正正”、“反反”作用的选择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，选定执行器的安全等要求，选定执行器的“正正”、“反反”作用方式作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来，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。确定副回路控制器的正反作用。 选择主回路控制器的正反作用选择主回路控制器的正反作用-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统例如

42、：加热炉系统例如：加热炉系统 (1) (1) 从生产工艺出发，燃料油调节阀选用从生产工艺出发，燃料油调节阀选用气开阀，气开阀，KKV V为正为正；当燃料；当燃料油油增加增加，炉膛温度，炉膛温度升高升高，副回路的，副回路的KK0202为正为正；副；副调节器的放大系数应取调节器的放大系数应取正正，即，即反作用反作用调节器。调节器。 （2 2）由于炉膛温度）由于炉膛温度升高升高，则炉出口温度，则炉出口温度升高升高，故主过程的，故主过程的KK0101为为正正，则主调节器的放大系数，则主调节器的放大系数KK1 1应为正应为正。即。即反作用反作用调节器。调节器。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制

43、系统复杂过程控制系统四、串级控制系统控制器参数的整定四、串级控制系统控制器参数的整定 u串级控制系统的方案正确设计后，为了使系统运行串级控制系统的方案正确设计后，为了使系统运行在最佳状态，必须对系统进行校正，这在过程控制中在最佳状态，必须对系统进行校正，这在过程控制中称为称为参数整定参数整定。u在工程实践中，串级控制系统中常用的在工程实践中，串级控制系统中常用的整定方法整定方法有：有：l两步整定法、两步整定法、l逐步逼近法、逐步逼近法、l一步整定法等。一步整定法等。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统

44、两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器(4) (4) 按按“先副后主先副后主”、“先比例次积分后微分先比例次积分后微分”的整定方法，的整定方法，将计算出的控制器参数加到控制器上。将计算出的控制器参数加到控制器上。(5)(5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。(1) (1) 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将在工况稳定，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主控制器的比例度先固定在100100的刻度上，然后逐渐减小副的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比

45、例度，求取副回路在满足某种衰减比控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比( (如如4 4：1)1)过渡过渡过程下的副控制器比例度过程下的副控制器比例度2S2S和操作周期和操作周期2S2S。(2) (2) 在副控制器比例度等于在副控制器比例度等于2S2S，的条件下，逐步减小主控制，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时器的比例度，直至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主控制器的比例度1S1S。和操作周期。和操作周期1S1S 。(3) (3) 根据上面得到的根据上面得到的1S1S、1S1S、2S2S、2S2S按表的规定关按表的规定关系计算主

46、、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统应用举例应用举例 在硝酸生产过程中，有一个氧化炉温度与氨气流在硝酸生产过程中，有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统。温度为主参数，工艺要求较量的串级控制系统。温度为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过高，温度最大偏差不能超过 5 5，氨气流量为副，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。系统参数，允许在一定范围内变化，要求不高。系统控制器参数采用两步整定法，过程如下。控制器参数采用两步整定法，过程如下。 -过程控制过程控制第

47、四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统、在系统设计时，主控制器选用、在系统设计时，主控制器选用PIPI控制规律，副控制器控制规律，副控制器选用选用P P控制规律。在系统稳定允许条件下，主、副控制器均控制规律。在系统稳定允许条件下，主、副控制器均置于纯比例作用，主控制器的比例度置于纯比例作用，主控制器的比例度 置于置于100%100%，用，用4 4：1 1衰衰减曲线法整定副控制器的参数，得减曲线法整定副控制器的参数，得 2S2S=32%,T=32%,T2S2S=15s=15s。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 将副控制器的比例度置将副控制器的比例度置32%

48、32%上，用相同的方法整定，将主上，用相同的方法整定，将主控制器的比例度由大到小逐渐调节，取得主控制器的控制器的比例度由大到小逐渐调节，取得主控制器的 1S1S =50%,T=50%,T1S1S=7min=7min。 根据上述求得的各参数，运用根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公衰减曲线法整定计算公式式(见上表见上表)，计算主、副控制器的整定参数为：，计算主、副控制器的整定参数为： 主控制器主控制器(温度控制器温度控制器)：比例度：比例度 1 1=1.2 1S1S=60%，积分时间，积分时间T1 1=0.5 T1S1S=3.5min 副控制器副控制器(流量控制器流量控制器)：比

49、例度：比例度 2 2 = 2S2S =32% 把上述计算的参数，按先把上述计算的参数，按先P后后I的次序，分别设置在主、副的次序，分别设置在主、副控制器上，并使串级控制系统在该参数下运行。控制器上，并使串级控制系统在该参数下运行。 实际运行，氧化炉温度稳定，完全满足生产工艺的要求。实际运行，氧化炉温度稳定，完全满足生产工艺的要求。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统2 2 逐步逼近法逐步逼近法所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，

50、然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止满足质量指标要求为止-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统 逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。该方法较繁琐。逐步逼

51、近法是先副后主，逐步逼近。该方法较繁琐。 具体步骤为：具体步骤为： l先断开主回路，整定副控制器。先断开主回路，整定副控制器。l后闭合主回路，整定主控制器。后闭合主回路，整定主控制器。l重新调整副控制器参数。重新调整副控制器参数。l若未达到控制要求，再调整主控制器参数。若未达到控制要求，再调整主控制器参数。l以上步骤循环进行，直到满足以上步骤循环进行，直到满足( (逼近逼近) )控制指标为止。控制指标为止。l对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。 -

52、过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统一步速定一步速定一步整定法的整定步骤如下。一步整定法的整定步骤如下。(1)(1)在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列在生产正常，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。的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。(2)(2)利用简单控制系中参数整定方法整定主控制器的参数。利用简单控制系中参数整定方法整定主控制器的参数。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统五、串级控制系统的工业应用五、串级控制系统的工业应用 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间串级

53、控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。对控制质量要求较高的场合。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统燃料油热值变化后，炉膛反应滞后燃料油热值变化后，炉膛反应滞后3 3分钟，而出口温度则需分钟，而出口温度则需 1515分钟。分钟。选择时间常数和滞后较小的炉膛温度作为副参数，构成炉出口温度对选择时间常数和滞后较小的炉膛温度作为副参数，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，可以提高控制质量炉膛温度的串级控制系统，可以提高控制质量-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过

54、程控制系统复杂过程控制系统Co1最大偏差不超过Co72Co61s90滞后min/35kg如果纸浆流量波动sCo4508过渡过程时间最大偏差达sCo2001过渡过程时间最大偏差不超过纸浆用泵从贮槽送至混合器，在混合纸浆用泵从贮槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至器内用蒸汽加热至7272度左右，经过立度左右，经过立筛、圆筛出去杂质后送到网前箱，再筛、圆筛出去杂质后送到网前箱，再去铜网脱水。为了保证质量，工艺要去铜网脱水。为了保证质量，工艺要求网前箱温度保持在求网前箱温度保持在6161度左右，允许度左右，允许误差不超过误差不超过1 1度。度。-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控

55、制系统Co5 . 1最大偏差kPakPa300500下降至如果蒸汽压力从Co10最大偏差达Co5 . 1最大偏差不超过-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统将具有非线性特性的换热器包含在副回路将具有非线性特性的换热器包含在副回路-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统串级调节系统举例串级调节系统举例如图所示的氨冷器，用液氨冷却铜液，要求出口铜液温度恒定。如图所示的氨冷器，用液氨冷却铜液，要求出口铜液温度恒定。为保证氨冷器内有一定的汽化空间，避免造成事故，采用温度为保证氨冷器内有一定的汽化空间，避免造成事故，采用温度液位串级控制。液位串级控制。1

56、) 1) 此串级控制系统的主副被控变量各是什么？此串级控制系统的主副被控变量各是什么？2) 2) 试设计一温度试设计一温度液位串级控制系统完成该控制方案（即液位串级控制系统完成该控制方案（即将图示的氨冷器控制系统示意图补充完整）；将图示的氨冷器控制系统示意图补充完整）；3)3)试画出温度试画出温度液位串级控制系统的方块图；液位串级控制系统的方块图；TTTCLCLT铜液液氨气氨4)4)确定气动调节阀的气开气关形式，并说明原因；确定气动调节阀的气开气关形式，并说明原因；5)5)确定主副调节器的正反作用。确定主副调节器的正反作用。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统答：

57、答：（1）主被控变量为铜液出口温度，副被控变量为液位。）主被控变量为铜液出口温度，副被控变量为液位。 (2) 串级控制系统的示意图如下所示：串级控制系统的示意图如下所示：TTTCLCLT铜液液氨气氨-过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统（3）方块图如下所示：）方块图如下所示：TCLC调节阀液位对象温度对象液位测量变送温度测量变送E1R2E2PQZ2Z1R1干扰干扰(4)当气源中断时，为了确保氨冷器内有一定的汽化空间，应该当气源中断时，为了确保氨冷器内有一定的汽化空间，应该选择气开调节阀；选择气开调节阀； (5) 液位控制器作用方向的确定：当液位升高时，应该关小调节液位控制器作用方向的确定：当液位升高时，应该关小调节阀，调节阀为气开阀，故液位控制器为反作用；阀，调节阀为气开阀，故液位控制器为反作用；温度控制器作用方向的确定：温度对象为温度控制器作用方向的确定：温度对象为“”作用方向，依据作用方向，依据使系统称为负反馈的原则，温度控制器应该为正作用。使系统称为负反馈的原则，温度控制器应该为正作用。 -过程控制过程控制第四章第四章 复杂过程控制系统复杂过程控制系统串级调节系统举例串级调节系统举例 已知串级过程控制系统的主副对象的传递函数。设定控