宋彤过程控制工程3串级控制系统

1、3. 串级控制系统串级控制系统主要内容主要内容l3.1 串级控制系统基本概念和构成串级控制系统基本概念和构成l3.2 串级控制系统特性串级控制系统特性l3.3 串级控制系统设计串级控制系统设计l3.4 串级控制系统的投运串级控制系统的投运3.1 串级控制系统构成及动作分析串级控制系统构成及动作分析 操作及控制目的：操作及控制目的： 保证原料出口温度及其稳定性保证原料出口温度及其稳定性（2）。）。被控变量：炉出口温度被控变量：炉出口温度操作变量：燃料流量操作变量：燃料流量特点：特点：各种干扰对出口温度的影响本回各种干扰对出口温度的影响本回路均具有抑制作用。路均具有抑制作用。问题：调节通道的时间常

2、数过大问题：调节通道的时间常数过大(15min(15min左右左右) )，控制作用不及时，控制作用不及时, ,超调量过大，超调量过大，不能满足控制要求。不能满足控制要求。 单回路控制方案及问题单回路控制方案及问题方案方案1：方案方案2：设定：主要干扰来自燃料热值波动设定：主要干扰来自燃料热值波动被控变量：炉膛温度被控变量：炉膛温度操作变量：燃料流量操作变量：燃料流量特点：增强了控制灵敏度（特点：增强了控制灵敏度（t3mint3min），），对炉膛温度有较好的控制能力；可间对炉膛温度有较好的控制能力；可间接保证出口温度的稳定性。接保证出口温度的稳定性。问题：对工艺要求的被控变量无监测。问题：对工

3、艺要求的被控变量无监测。 串级控制方案串级控制方案方案特点：方案特点：选取主、副两个被控变量，主变量是要求严选取主、副两个被控变量，主变量是要求严格监控的工艺变量（出口温度），副变量为炉膛温度为格监控的工艺变量（出口温度），副变量为炉膛温度为辅助变量，由炉膛温度控制器的输出操纵燃料量辅助变量，由炉膛温度控制器的输出操纵燃料量.炉出口温度与炉膛温度炉出口温度与炉膛温度 串级控制系统串级控制系统存在问题：存在问题： a方案：能克服各种干扰，但是干扰控制滞后大方案：能克服各种干扰，但是干扰控制滞后大 b方案：对于除加热蒸气之外的干扰无克服能力方案：对于除加热蒸气之外的干扰无克服能力例例2：精馏塔釜温

4、度控制：精馏塔釜温度控制 (主要干扰：蒸汽压力波动主要干扰：蒸汽压力波动) 单回路控制方案单回路控制方案 串级控制串级控制精馏塔釜温度控制精馏塔釜温度控制1）串级控制基本构成）串级控制基本构成构成及方案特点：构成及方案特点： 具有主、副两个或多个被控变具有主、副两个或多个被控变量。主变量是要求严格监控的量。主变量是要求严格监控的工艺变量（出口温度、塔釜温工艺变量（出口温度、塔釜温度）；副变量是为保证主变量度）；副变量是为保证主变量的稳定而选择的辅助变量（炉的稳定而选择的辅助变量（炉膛温度、蒸汽压力）。膛温度、蒸汽压力）。 每个被控变量分别由不同的控每个被控变量分别由不同的控制器负责监控；各制器

5、负责监控；各控制器串联控制器串联连接，一个控制器的输出作为连接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。另一个控制器的设定值。 具有多层回路的控制系统具有多层回路的控制系统 由最内环回路的副变量控制器由最内环回路的副变量控制器的输出操纵执行器。的输出操纵执行器。 最常用的复杂控制系统最常用的复杂控制系统2）串级控制系统方框图）串级控制系统方框图 加热炉串级控制系统方框图加热炉串级控制系统方框图系统控制图系统控制图方框图方框图串级控制系统一般方框图串级控制系统一般方框图3）串级控制主要参数及环节）串级控制主要参数及环节 r1(s)r2(s)3.1.2 精馏塔塔釜温度串级控制动作分析精馏塔塔釜温

6、度串级控制动作分析设定元件作用方式：设定元件作用方式： 温度对象：正作用（）温度对象：正作用（）压力对象：正作用（）压力对象：正作用（）调节阀门：气关阀（）调节阀门：气关阀（）(-)(+)(-)(+)(+)(+)(+)测量变送器：正作用（）测量变送器：正作用（）压力控制器：正作用（）压力控制器：正作用（）温度控制器：副作用（）温度控制器：副作用（）2）动作分析）动作分析cptttptggggezupteuept1( )( )( )( )221112主： cvtpppggggpeuqp2( )( )( )( )22副： a. 干扰进入副回路干扰进入副回路 f2 p t cttptggggteup

7、t1( )( )( )( )11副主： 设定：设定： f1 t f1副回路：依据主回路控制要求动作（随动控制）。副回路：依据主回路控制要求动作（随动控制）。c. 干扰同时进入主、副回路干扰同时进入主、副回路cvtpcttppptgggggggpeuqteueqpt21( )( )( )( )( )( )( )22112副：主： f1f2222112cvtpcttgggggpeuqptteueq( )( )( )( )( )副：主： f2f13.2 串级控制系统特性分析串级控制系统特性分析11( )( )( )( )pcvpptpgs gs gs gs单回路系统方框图单回路系统方框图串级控制等效

8、方框图串级控制等效方框图2）提高系统的工作频率）提高系统的工作频率n 等效副对象传递函数：等效副对象传递函数：gspgspgs gs gs gsptcv( )2( )21( )( )( )( )222222222222222222221111cvptppcvptppppcvptppkk kkttkk kkttkkkk kkkk/()/()222222222222222222222211111111pppcvtpppcvtpppcvtpppcvtppkt sgskkkkt skkkkkt skkkkkkt skkkkt()( )()()()串级控制系统等效副对象的时间常数缩小了串级控制系统等效副

9、对象的时间常数缩小了 倍。倍。 结论：由于副回路的存在，对象系统容量滞后减小。结论：由于副回路的存在，对象系统容量滞后减小。提高系统的工作频率提高系统的工作频率-时间常数时间常数2221cvptkk kk()ppvccppvcctgs gs gs gs gsg sgs gs gs gs gs g122112211( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( ) 工作频率工作频率a.串级控制系统工作频率串级控制系统工作频率ccvpptgs gs gs gs gs gs122111( )( )( )( )( )( )0 ccccvvttppppppgskgskgskgskkkg

10、sgst st s112211121212( ),( ),( ),( )( ),( )11令：ccvpptppppppppoppppppkkkkkkttsstttttttttttt212121121212212012212cascade12102112 ccvpptgs gs gs gs gs gs122111( )( )( )( )( )( )0 b. 单回路控制系统工作频率单回路控制系统工作频率l单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图12121ppvcppvctgs gs gs gsg sgs gs gs gs gs( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) 1210p

11、pvctgs gs gs gs gs( )( )( )( )( )l根据特征方程有：根据特征方程有：l根据标准二阶函数有工作频率：根据标准二阶函数有工作频率：1121212121010cvptppppcvpptgs gs ggs gst t sttsk k k kkp2( )( )(s)( )( )() 120122ppppttt t 2212single012112ppppttt t ccvvttppppppgskgskgskkkgsgst st s121212( ),( ),( )( ),( )11令： 212cascade1212pppptttt 121212121212111casca

12、deppppppsingleppppppttt tttttt ttt c.串级控制与单回路控制系统工作频率比较串级控制与单回路控制系统工作频率比较212single1212ppppttt t 3）自适应能力（鲁棒性）自适应能力（鲁棒性）自适应能力分析自适应能力分析cvpcvptgs gs gsgsgs gs gs gs222222( )( )( )( )1( )( )( )( ) 2222221cvpcvptkk kkkk kk 22222221cvpcvptkkdkdkkk kk() 221tkk 串级控制系统基本特性：串级控制系统基本特性：控制演示控制演示3.3 串级控制系统设计串级控制系

13、统设计3.3.1副被控变量选择副被控变量选择l注意：上述原则之间的矛盾性，应根据过程及注意：上述原则之间的矛盾性，应根据过程及控制的实际进行选择。控制的实际进行选择。例例1 精馏塔釜温度串级控制设计（主要干扰处理）精馏塔釜温度串级控制设计（主要干扰处理）副变量候补：副变量候补：1)蒸汽流量蒸汽流量 f ； 2)阀后蒸汽压力阀后蒸汽压力 p ； 3)釜液循环流量釜液循环流量f2) 副被控变量选择及串级控制系统设计举例副被控变量选择及串级控制系统设计举例控制目标：控制目标：保证精馏塔底温保证精馏塔底温度及其稳定性度及其稳定性主要干扰主要干扰:塔底蒸汽量塔底蒸汽量串级控制系统设计方案串级控制系统设计

14、方案1：塔釜温度：塔釜温度-蒸汽流量串级蒸汽流量串级特点：特点：l 包含干扰：蒸汽流量，换热器压力变化包含干扰：蒸汽流量，换热器压力变化l调节速度：调节速度： 时间常数较小，时间常数较小， 能快速克服上述干扰的影响能快速克服上述干扰的影响l对其他干扰无克服能力对其他干扰无克服能力特点：特点：l包含干扰：包含干扰： 蒸汽源压力、换热器压力及壁蒸汽源压力、换热器压力及壁 温的影响温的影响l调节速度：调节速度： 壁温变化时间常数壁温变化时间常数(几秒几秒)纳入纳入副环，提高整体系统工作频率副环，提高整体系统工作频率l不足：不足： 副参数对主参数间接影响时间副参数对主参数间接影响时间常数较大。塔釜温度

15、控制要求较常数较大。塔釜温度控制要求较严格时，不能保证工艺侧蒸汽流严格时，不能保证工艺侧蒸汽流的恒定完全保证控制要求指标的恒定完全保证控制要求指标串级控制系统设计串级控制系统设计3： 塔釜温度塔釜温度-工艺蒸汽流量串级工艺蒸汽流量串级特点：特点：l包含干扰：包含干扰： 增加了再沸器液位、温度，增加了再沸器液位、温度， 以及传热系数干扰以及传热系数干扰l不足：不足： 副环时间常数较大，对蒸副环时间常数较大，对蒸汽气源压力的波动的克汽气源压力的波动的克 服能服能力减弱。力减弱。例例2 造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）tstc2n工艺过程纯滞后时间：工艺过程纯

16、滞后时间：90秒秒n 单回路控制：单回路控制： 纸浆波动：纸浆波动：35kg/min 或者或者 蒸汽波动：蒸汽波动：0.12mpa/cm2 最大偏差：最大偏差：8.5 过渡时间：过渡时间：450sn 设计串级控制，将纯滞后环节置于副环之外。设计串级控制，将纯滞后环节置于副环之外。 串级控制效果：串级控制效果： 纸浆波动：纸浆波动：35kg/min 或者或者 蒸汽波动：蒸汽波动：0.12mpa/cm2 最大偏差：最大偏差：1 过渡时间：过渡时间：200s例例3：合成反应器温度串级控制系统：合成反应器温度串级控制系统 （非线性环节处理）（非线性环节处理）n控制要求：控制要求：保证出口温度保证出口温

17、度防止液态丙烯随气态丙烯被吸出防止液态丙烯随气态丙烯被吸出n方案方案a： * 灵敏度较低，比较迟钝，灵敏度较低，比较迟钝， * 日常操作：经济性较好日常操作：经济性较好 * 不能确保气态丙烯不带液不能确保气态丙烯不带液n方案方案b： * 灵敏度较高，灵敏度较高， * 气态丙烯出口压力不稳定。气态丙烯出口压力不稳定。 * 冷量利用不足冷量利用不足 抽吸气态丙烯的压缩机入口压抽吸气态丙烯的压缩机入口压力相同情况下：方案力相同情况下：方案b的蒸发压力的蒸发压力高于方案高于方案a * 需要增加一套液位控制系统需要增加一套液位控制系统例例4 冷凝器温度控制冷凝器温度控制 （经济性）（经济性）方案方案a方

18、案方案b建议：温度控制质量要求不高时应用方案建议：温度控制质量要求不高时应用方案a3.3.2 控制器选择控制器选择a. 控制规律控制规律b. 作用方式作用方式b. 副控制器控制规律选择：副控制器控制规律选择： 副回路允许存在余差，可采用纯比例控制器。副回路允许存在余差，可采用纯比例控制器。但是：但是：l流量和液体压力作为副变量时，由于其开环静态流量和液体压力作为副变量时，由于其开环静态增益较小，应适当加入积分作用增益较小，应适当加入积分作用 目的：加强控制作用目的：加强控制作用。l温度的场合，可加入微分控制作用。温度的场合，可加入微分控制作用。 v注意：注意： 由于副回路是随动系统，应采用具有

19、微分先行由于副回路是随动系统，应采用具有微分先行的控制器的控制器(+)3.3.3 串级控制系统的投运串级控制系统的投运3.4 串级控制系统应用范围串级控制系统应用范围串级控制系统举例串级控制系统举例如图某连续反应器，通过向夹套内如图某连续反应器，通过向夹套内通冷却水的方式控制反应器内温度。通冷却水的方式控制反应器内温度。已知冷却水压力波动频繁，请为此已知冷却水压力波动频繁，请为此过程设计一串级控制系统。要求：过程设计一串级控制系统。要求：a. 在图中完成所设计的控制方案在图中完成所设计的控制方案（绘出工艺控制流程图）。（绘出工艺控制流程图）。b. 为保证反应器内温度在任何时刻为保证反应器内温度在任何时刻都不超高。试选定调节阀的气开、都不超高。试选定调节阀的气开、气关形式；主、副控制器正、反作气关形式；主、副控制器正、反作用方式。用方式。c.若冷却