串级控制系统学习教案

1、会计学1串级控制系统串级控制系统(kn zh x tn)第一页，共57页。第1页/共57页第二页，共57页。第2页/共57页第三页，共57页。第3页/共57页第四页，共57页。第4页/共57页第五页，共57页。第5页/共57页第六页，共57页。出料进料冷却剂TC调节器调节阀夹套槽壁反应槽温度测量变送D2D1T1spT2T1操纵变量：操纵变量：被控被控(bi kn)变量：变量：控制规律：控制规律：冷却剂流量冷却剂流量(liling)反应温度反应温度PID夹夹套套槽槽壁壁第6页/共57页第七页，共57页。出料进料冷却剂TC问题：从扰动开始至调节器动作问题：从扰动开始至调节器动作(dngzu)，滞后

2、，滞后较大，较大，特别对于大容量的反应槽，滞后更大。特别对于大容量的反应槽，滞后更大。第7页/共57页第八页，共57页。夹套冷却水温度夹套冷却水温度T2比反应槽温度比反应槽温度T1能更快地感能更快地感受到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控受到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控制制(kngzh)的影响。因而可设计夹套水温单回的影响。因而可设计夹套水温单回路控制路控制(kngzh)系统系统TC2以尽快地克服冷却水以尽快地克服冷却水方面的扰动。但方面的扰动。但TC2的设定值应根据的设定值应根据T1的控制的控制(kngzh)要求作相应的变化（这一要求可用反要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节

3、器应温度调节器TC1来自动实现）。来自动实现）。“串级控制(kngzh)” 出料进料冷却剂TC第8页/共57页第九页，共57页。特点：两个调节器串在一特点：两个调节器串在一起工作，调节器起工作，调节器TC2通过通过(tnggu)调节冷却剂量以调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；克服冷却水方面的扰动；调节器调节器TC1通过通过(tnggu)调节夹套内水温的设定值调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。艺所希望的某一给定值。 出料进料冷却剂TC2TC1T2T1第9页/共57页第十页，共57页。出料进料冷却剂TC2TC1T2T1第10页/共57页第十一

4、页，共57页。通用通用(tngyng)的串级控制系统的串级控制系统主控主控制器制器调节调节(tioji)阀阀副对象副对象主对象主对象主测量主测量变送变送二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动副控副控制器制器副测量副测量变送变送主设定值主设定值主被控主被控变量变量副被控副被控变量变量副回路副回路随动控随动控制系统制系统定值控制定值控制系统系统 主回路主回路副设定值副设定值第11页/共57页第十二页，共57页。定义定义:两个控制两个控制(kngzh)器串联，两个被控对象，两个测量变送装置，一个执行器，两个回路器串联，两个被控对象，两个测量变送装置，一个执行器，两个回路主控制主控制(kngzh)器的输出作

5、为副控制器的输出作为副控制(kngzh)器的设定值器的设定值由副控制由副控制(kngzh)器的输出去操纵控制器的输出去操纵控制(kngzh)阀，从而对主被控变量具有更好的控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制(kngzh)效果效果第12页/共57页第十三页，共57页。反应反应(fnyng)槽内的温度槽内的温度夹套内的温度夹套内的温度反应槽反应槽夹套夹套第13页/共57页第十四页，共57页。TC1TC2第14页/共57页第十五页，共57页。第15页/共57页第十六页，共57页。第16页/共57页第十七页，共57页。出料进料冷却剂TC2TC1T2T1一次扰动一次扰动(rodng)二次扰动二次扰动(

6、rodng)第17页/共57页第十八页，共57页。第18页/共57页第十九页，共57页。调节调节(tioji)时间时间180 60余差余差 0 0第19页/共57页第二十页，共57页。二次扰动二次扰动(rodng)最大偏差最大偏差0.27 0.013第20页/共57页第二十一页，共57页。1、两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统、两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统(xtng)， 其中主回路是定值控制，副回路是随动控制其中主回路是定值控制，副回路是随动控制2、副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统、副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统(xtng)被调量的影响被调量的影响3、迅速克服进

7、入副回路扰动的影响，提高系统、迅速克服进入副回路扰动的影响，提高系统(xtng)的抗扰动能力的抗扰动能力4、对负荷变化有一定的自适应能力（适应操作条件的变化）、对负荷变化有一定的自适应能力（适应操作条件的变化）副回路副回路具有具有先调先调、粗调粗调、快调快调的特点；的特点；主回路主回路具有具有后调后调、细调细调、慢调慢调的特点，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。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。第21页/共57页第二十二页，共57页。1、纯滞后大、纯滞后大2、容量滞后大、容量滞后大3、扰动变化、扰动变化(binhu)剧烈、幅值大剧烈、幅值大4、具有非

8、线性特性的过程、具有非线性特性的过程容量容量(rngling)滞后：物料或能量的传递需要通过一定阻力滞后：物料或能量的传递需要通过一定阻力 而引起的滞后。而引起的滞后。纯滞后：介质的输送由于有一段距离需要一段时间纯滞后：介质的输送由于有一段距离需要一段时间 而引起的滞后。而引起的滞后。第22页/共57页第二十三页，共57页。污水处理污水处理(w shu ch l)混凝加药单回路控制系统混凝加药单回路控制系统溶液池溶液池混合池混合池反应池反应池沉淀池沉淀池污水污水图图 混凝加药单回路控制方案混凝加药单回路控制方案浊度浊度(zhu d)控制器控制器浊度计浊度计第23页/共57页第二十四页，共57页

9、。污水处理污水处理(w shu ch l)混凝加混凝加药串级控制系统药串级控制系统溶液池溶液池混合池混合池反应池反应池沉淀池沉淀池污水污水图图 混凝加药串级控制方案混凝加药串级控制方案FTFC浊度浊度(zhu d)控制器控制器浊度计浊度计第24页/共57页第二十五页，共57页。第25页/共57页第二十六页，共57页。 被控变量应能代表一定的工艺被控变量应能代表一定的工艺(gngy)(gngy)操作指标或能操作指标或能反映工艺反映工艺(gngy)(gngy)操作状态，一般是工艺操作状态，一般是工艺(gngy)(gngy)过过程中较重要的变量。程中较重要的变量。 被控变量在工艺操作过程中经常要受到

10、一些干被控变量在工艺操作过程中经常要受到一些干扰影响而扰影响而变化变化。为维持其恒定，需要较频繁的调节。为维持其恒定，需要较频繁的调节。 第26页/共57页第二十七页，共57页。 尽量采用直接指标作为尽量采用直接指标作为(zuwi)(zuwi)被控变量。被控变量。当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间后很大时，可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为接指标作为(zuwi)(zuwi)被控变量。被控变量。 被控变量应能被测量出来被控变量应能被测量出来(ch li)(ch li)，并具有足够大，并具有

11、足够大的灵敏度。的灵敏度。 选择被控变量时，必须考虑选择被控变量时，必须考虑工艺合理性工艺合理性和和国内仪国内仪表产品现状表产品现状。 被控变量应是被控变量应是独立可控独立可控的。的。 第27页/共57页第二十八页，共57页。第28页/共57页第二十九页，共57页。 副变量越靠近主变量，副回路副变量越靠近主变量，副回路(hul)包含的扰动越多，包含的扰动越多， 同时通道变长，滞后增加，控制速度变慢；同时通道变长，滞后增加，控制速度变慢； 副变量越靠近操纵变量，副回路副变量越靠近操纵变量，副回路(hul)包含的扰动越少，包含的扰动越少， 通道越短，控制速度越快。通道越短，控制速度越快。第29页/

12、共57页第三十页，共57页。4、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对主变量主变量(binling)影响小。影响小。5、副回路尽量少包含、副回路尽量少包含(bohn)或不包含或不包含(bohn)纯滞后。纯滞后。6、考虑工艺合理性和经济性。、考虑工艺合理性和经济性。第30页/共57页第三十一页，共57页。副回路的快速性与副回路所能包括副回路的快速性与副回路所能包括(boku)的扰动范围之间的矛盾的扰动范围之间的矛盾第31页/共57页第三十二页，共57页。主调主调节器节器调节调节阀阀蒸汽管蒸汽管路系统路系统再沸再沸器器塔底塔底温度测量温度测量D2rD1副调副

13、调节器节器流量流量测量测量QrQ控制方案控制方案1方框图方框图分析：可保持加热量稳定，它只能快速消除因蒸汽汽源压力变化引起的扰动。由于蒸汽流量对象的滞后非常小，当用流量作副变量时，并不能使串级系统分析：可保持加热量稳定，它只能快速消除因蒸汽汽源压力变化引起的扰动。由于蒸汽流量对象的滞后非常小，当用流量作副变量时，并不能使串级系统(xtng)的频率有多少提高，对克服其它扰动不明显。的频率有多少提高，对克服其它扰动不明显。第32页/共57页第三十三页，共57页。（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力）副参数为调节阀后的蒸汽压力(yl)（作用线（作用线2）主调主调节器节器调节调节阀阀蒸汽管蒸汽管路系统路系

14、统再沸再沸器器塔底塔底温度测量温度测量D2rD1副调副调节器节器流量测量流量测量Qr控制方案控制方案2方框图方框图P分析：把加热蒸汽侧的扰动完全包括在副环之内，与分析：把加热蒸汽侧的扰动完全包括在副环之内，与1相比，副环中包括了更大的时间常数，有助于改善相比，副环中包括了更大的时间常数，有助于改善(gishn)主环的调节性能。主环的调节性能。第33页/共57页第三十四页，共57页。（3）副参数）副参数(cnsh)为再沸器的蒸发量（作用线为再沸器的蒸发量（作用线3）分析：把再沸器侧的扰动包括在副环内（再沸器液位、塔釜温度分析：把再沸器侧的扰动包括在副环内（再沸器液位、塔釜温度(wnd)等），有助

15、于改善主环的调节性能，但副环克服蒸汽方面的扰动要慢些。等），有助于改善主环的调节性能，但副环克服蒸汽方面的扰动要慢些。主调主调节器节器调节调节阀阀蒸汽管蒸汽管路系统路系统再沸再沸器器塔底塔底温度测量温度测量D2rD1副调副调节器节器流量测量流量测量QrQ控制方案控制方案3方框图方框图第34页/共57页第三十五页，共57页。方案方案1、温度、温度(wnd)-压力串级控制压力串级控制出口温度出口温度(wnd)为主变量为主变量燃油压力为副变量燃油压力为副变量能克服燃油压力波动的影响能克服燃油压力波动的影响串级控制副变量串级控制副变量(binling)选择练习选择练习如果燃油波动较大，主要扰动就是燃油

16、压力的波动，如果燃油波动较大，主要扰动就是燃油压力的波动，可采用此串级控制系统，以快速可采用此串级控制系统，以快速(kui s)克服燃油压力波动带来的扰动。克服燃油压力波动带来的扰动。加热炉温度串级控制系统加热炉温度串级控制系统燃料油燃料油扰动：扰动：燃料油压力的波动燃料油压力的波动燃料油成分变化，导致燃油热值不同燃料油成分变化，导致燃油热值不同第35页/共57页第三十六页，共57页。方案方案2、温度、温度-温度串级控制温度串级控制出口温度为主变量出口温度为主变量(binling)炉膛温度为副变量炉膛温度为副变量(binling)能克服燃油热值等问题的影响能克服燃油热值等问题的影响燃油压力较稳

17、定的情况下，主要扰动是燃油热值的变化，燃油压力较稳定的情况下，主要扰动是燃油热值的变化，使用该串级控制系统使用该串级控制系统(kn zh x tn)可以得到更好的控制效果。可以得到更好的控制效果。加热炉温度加热炉温度(wnd)串级控制系统串级控制系统第36页/共57页第三十七页，共57页。精馏塔温度精馏塔温度(wnd)串级控制系统串级控制系统分析：分析：温度控制对象滞后较大，温度控制对象滞后较大，加热蒸汽压力波动大，加热蒸汽压力波动大，控制不及时，控制质量不够控制不及时，控制质量不够(bgu)理想。理想。解决方法：解决方法：温度温度-流量串级控制系统流量串级控制系统精馏塔塔釜温度为主变量精馏塔

18、塔釜温度为主变量(binling)蒸汽流量为副变量蒸汽流量为副变量(binling)使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响。使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响。第37页/共57页第三十八页，共57页。出发点：主回路出发点：主回路(hul)为定值控制系统为定值控制系统主控制器：主控制器：PI或或PID要求：主变量，工艺要求严格，允许波动的范围较小，要求：主变量，工艺要求严格，允许波动的范围较小， 一般一般(ybn)不允许有余差。不允许有余差。第38页/共57页第三十九页，共57页。出发点：副回路出发点：副回路(hul)为随动控制系统为随动控制系统副控制器：副控制器：P或或PI

19、要求：副变量无严格要求，副回路要具有快速性，要求：副变量无严格要求，副回路要具有快速性， 最好不带积分作用。但是，选流量最好不带积分作用。但是，选流量(liling)参数为副变量参数为副变量 时，加入较弱的积分作用，增强控制作用。时，加入较弱的积分作用，增强控制作用。第39页/共57页第四十页，共57页。加热炉温度加热炉温度-压力压力(yl)串级控制串级控制加热炉温度加热炉温度(wnd)-温度温度(wnd)串级控制串级控制主控制器：主控制器：副控制器：副控制器：PIDP主控制器：主控制器：副控制器：副控制器：PIDP如果换成流量，又该如何选择？如果换成流量，又该如何选择？主控制器：主控制器：副

20、控制器：副控制器：PIDPI第40页/共57页第四十一页，共57页。这时不考虑这时不考虑(kol)主控制器的作用方式。主控制器的作用方式。与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同。与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同。(副控制器副控制器) (执行器执行器) (副对象副对象) (副测量变送副测量变送)=第41页/共57页第四十二页，共57页。主控主控制器制器调节调节(tioji)阀阀副对象副对象(duxing)主对象主对象主测量主测量变送变送二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动副控副控制器制器副测量副测量变送变送主设定值主设定值主被控主被控变量变量副被控副被控变量变量副回路副回路主回

21、路主回路副设定值副设定值第42页/共57页第四十三页，共57页。主控主控制器制器副环副环主对象主对象(duxing)主测量主测量(cling)变送变送主设定值主设定值主被控主被控变量变量主回路主回路副环始终为正作用副环始终为正作用。主测量变送为正作用主测量变送为正作用。(主控制器主控制器) (主对象主对象)=第43页/共57页第四十四页，共57页。第44页/共57页第四十五页，共57页。控制阀：控制阀：副对象副对象(duxing)：副测量变送副测量变送:“”“”“”副控制器：副控制器：“”主对象：主对象：“”主控制器：主控制器：“”第45页/共57页第四十六页，共57页。n例例2.确定下图所示

22、加热炉出口温度与炉膛温度确定下图所示加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统串级控制系统(kn zh x tn)主、副控制主、副控制器的正反作用。器的正反作用。控制阀：控制阀：副对象副对象(duxing)：副测量变送副测量变送:“”“”“”副控制器：副控制器：“”主对象：主对象：“”主控制器：主控制器：“”第46页/共57页第四十七页，共57页。选择实施方案时，需考虑的问题：选择实施方案时，需考虑的问题：方案应满足操作要求。方案应满足操作要求。实施方案应力求实用，简单可靠，少花钱多办实施方案应力求实用，简单可靠，少花钱多办事。事。仪表信号必须仪表信号必须(bx)互相匹配。不同类型仪表互相匹配。不同类型仪表需配信号