过程控制及仪表(8)2_dlh

1、第八章第八章 串级控制系统串级控制系统过程控制及仪表过程控制及仪表（过程控制系统篇过程控制系统篇）本节重点：本节重点： 用于克服对象的纯滞后用于克服对象的纯滞后 用于克服对象的容量滞后用于克服对象的容量滞后 用于克服幅值大、变化剧烈的干扰用于克服幅值大、变化剧烈的干扰 用于克服对象的非线性。用于克服对象的非线性。第三节第三节 串级控制系统的应用范围串级控制系统的应用范围串级控制系统副回路对一次干扰无能为力。在离阀较近，纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰纳入副回路，在干扰未到达主变量之前，经过副变量时，由副环检测并及时克服掉。由于副回路通道短，滞后时间相对较小，控制作用及时，使超调量（最

2、大偏差）减小，过渡过程周期时间减短，从而提高控制质量。纯滞后时间较长时，单回路不能满足要求，可用串级系统。一、用于克服对象的纯滞后串级系统用于下列场合： 应用原则：用单回路能满足控制质量要求时，就不用串级。应用原则：用单回路能满足控制质量要求时，就不用串级。 炉的燃烧情况。锅炉的液位，锅、流量、温度二次干扰：减温水压力变化。一次干扰：汽轮机负荷效果满足要求。点蒸汽温度为副变量，串级，能满足要求。不点通道长，纯滞后大，至方案选择：单回路，阀点温度恒定后设计要求：过热器制系统。过热蒸汽温度串级控例：图, B A AII 134- -，利用副回路的特的辅助变量组成副回路选择一个滞后时间较小佳的缺陷。

3、统对大容量滞后效果不克服单回路系，可用串级系统来象，如温度或质量对象对于容量滞后较大的对量滞后二、用于克服对象的容 充分发挥串级系统的作用，过多时可能使系统发生共振。使其包含的干扰多少适中。过少时不时间常数，来。但要选择好副环的下，串级效果可更好发挥出情况频繁、复杂的情况容量滞后大，干扰。对象统。图度炉膛温度串级控制系例：管式加热炉出口温好的控制质量。缩短调整时间，获得较工作频率提高，加快响应速度，对象的时间常数减小，点，使等效副154-克服容量滞后克服容量滞后时间常数时间常数3分钟分钟时间常数时间常数15分钟分钟定的比较大，就会使系统抗干扰副控制器的放大倍数整回路中，并把大的干扰包含在副点，

4、把变化剧烈和幅值根据串级系统的第三特和幅值大的干扰三、用于克服变化剧烈 。压力控制系统。图例：中间脱气槽液位与变量的影响减小到最小程度。大大提高，把干扰对主能力164-主要干扰主要干扰 P干扰：含干扰：含CO2量波动量波动干扰：负荷变化干扰：负荷变化性影响较小。性影响较小。统的稳定统的稳定有所影响，但对整个系有所影响，但对整个系这样对副回路的衰减比这样对副回路的衰减比的开度。的开度。设定副控制器的设定值，由副控制器来改变阀设定副控制器的设定值，由副控制器来改变阀控制器的输出自动重新控制器的输出自动重新由主由主荷变化引工作点变化时，荷变化引工作点变化时，包含在副回路中，当负包含在副回路中，当负将

5、具有非线性的对象部分将具有非线性的对象部分串级系统。串级系统。负荷变化较大且频繁时负荷变化较大且频繁时，但是有限的。，但是有限的。可选择阀的特性来补偿可选择阀的特性来补偿负荷变化较大负荷变化较大可用单回路控制系统。可用单回路控制系统。大大负荷比较稳定，变化不负荷比较稳定，变化不对象有非线性时：对象有非线性时：线性线性四、用于克服对象的非四、用于克服对象的非 1222moco2KKKK1K+ += =u u选择换热器出选择换热器出口温度为副变口温度为副变量，反应器中量，反应器中部温度为主变部温度为主变量量. .例：合成反应器温度与例：合成反应器温度与温度串级控制系统。图温度串级控制系统。图4-1

6、7。本节重点：本节重点： 主回路的选择主回路的选择 副回路的选择副回路的选择 主、副控制器的选择主、副控制器的选择 串级系统的实施串级系统的实施第四节：串级控制系统的设计：第四节：串级控制系统的设计：。数都可以被选为主变量数都可以被选为主变量性能的参性能的参生产过程质量或者安全生产过程质量或者安全凡能直接或间接的反映凡能直接或间接的反映致。即致。即路被控量的选择原则一路被控量的选择原则一即确定主变量。与单回即确定主变量。与单回一、主回路的选择一、主回路的选择。小到小到一次干扰，最大偏差减一次干扰，最大偏差减；小到小到二次干扰，最大偏差减二次干扰，最大偏差减做到：做到：理，与单回路相比可以理，与

7、单回路相比可以如串级控制系统设计合如串级控制系统设计合用方式的确定。用方式的确定。反作反作副控制器的选型，正、副控制器的选型，正、主、副回路选择，主、主、副回路选择，主、串级系统的设计包括：串级系统的设计包括： 31 101 511001小。主变量受其影响大大减最低程度，使由副回路把他们克服到干扰包括在副回路内，繁的主要变化剧烈、幅值大、频研究干扰来源，把那些尽可能多的主要干扰（一）、副回路应包含几个原则：变量的选择应遵循下面级系统成败的关键。副设计是串源于副回路，副回路的串级系统的特点主要来二、副回路的选择可能性。和实践上的，应考虑工艺上合理性数必须考虑足够灵敏度量；所有参应关系的参数作为主

8、变个与产品质量有单值对，应选择一择质量指标做主变量时它做主变量；当不能选可时可选最直接有效，在条件许用质量指标作为被控量具体的选择原则有： 确的。燃油流量串级方案是正与主要干扰时，出口温度。当燃油压力、流量是图度控制系统例：管式加热炉出口温3-4 2o1o2o1o2o1o2m2o2cT/T16-4 T/T1T/TKKKK1116-4 15-4 数比与主、副对象的时间常上式说明，频率的提高）（）（）：由式（间常数应匹配（二）、主、副对象时。克服干扰的灵敏度下降，使副回路，副变量就靠近主变量副回路包括的干扰太多好。如含干扰，但并非越多越副回路应尽可能多的包为合理。二方案更是主要干扰时，上述第当燃油

9、压力和原料油都副回路中。扰也包含在的粘度、成分等次要干合理。同时还将原料油串级方案更，出口温度与炉膛温度时，上面方案就不合适原料油处理量经常变动。当燃料油经常变换或图单串+=wwu较大时增长慢下来。较快，而在增长较小时，。可见，在有关。见图单串2o1o2o1oT/T/T/T184w ww w- -易共振。联系十分紧密，极时，主、副对象的动态反应慢，控制不及时。扰太多，过大，副回路包含的干时，表明不好。的稳定性也能发挥出来，并且系统少，副回路的特点就不扰已太太小，副回路包含的干时，表明之间比较合适。般数比例应选择适当，一路的时间常择副回路时，主、副回而不稳定。因此，在选敏过小将使副回路过于灵大。

10、统的工作频率意义已不便增大，此时对提高系过小，作用快一点。但些，控制小些，以使副回路灵敏系统设计时，希望1T/T T3T/T T10T/T 103T/T TT/TTT 2o1o2o2o1o2o2o1o2o1o2o2o1o2o2o = =。、制系统。图制系统。图例：冷却器出口温度控例：冷却器出口温度控控制质量要求的方案。控制质量要求的方案。选用即省投资，又满足选用即省投资，又满足的经济性的经济性（四）、要注意生产上（四）、要注意生产上器温度的控制。器温度的控制。流化床催化裂化反应。流化床催化裂化反应例：图例：图的合理性与可能性的合理性与可能性（三）、应考虑工艺上（三）、应考虑工艺上拉开一些好。拉

11、开一些好。、的，的，以克服对象非线性为目以克服对象非线性为目大一些好。大一些好。环环和较大滞后为目的，副和较大滞后为目的，副以克服对象大时间常数以克服对象大时间常数小一些好；小一些好；目的，副环目的，副环以克服对象主要干扰为以克服对象主要干扰为一般：一般：21-420-4 19194 4T TT TT T T T 2 2o o1 1o o2 2o o2 2o o- -循环风循环风加热加热设计方案：反应设计方案：反应器温度增压风流器温度增压风流量串级控制系统量串级控制系统存在问题：催化存在问题：催化剂循环量不稳定剂循环量不稳定实用控制方案：实用控制方案： 1. 增压风流量单回增压风流量单回路控制

12、系统。用路控制系统。用以稳定催化剂循以稳定催化剂循环量。环量。 2. 进料预热控制进料预热控制系统。稳定反应系统。稳定反应器温度。器温度。反应温度反应温度480480530,530,压压力力0.14MPa0.14MPa再生温度为再生温度为600600730730副变量灵敏度高副变量灵敏度高副变量灵敏度低副变量灵敏度低多一套液位控制系多一套液位控制系统，使成本增加统，使成本增加择（一）、控制作用的选择三、主、副控制器的选较大时，可引入积分。较小，作用。当副控制器：提高控制质量。克服容量滞后，进一步或主控制器：类型。这是串级系统的基本保证主变量的控制精度是用来提高和故，副变量的引入主要定范围就要出

13、次品或事高，超出规要指标，控制质量要求主变量是生产工艺的重种情况：，有下列四器的控制作用也就不同不同，因而主、副控制控制要求产工艺对主、副变量的在串级系统中，由于生TP PIDPI . 1 o2d d。副控制器：主控制器：较高。高，对副变量要求也比工艺对主变量要求比较PI PI; . 2PIPI P;P; . .3 3。副控制器：主控制器：而变化。控制器的输出能快速、准确地跟随主内波动，但要求副变量一定的范围求不高，甚至允许它在对主变量的控制质量要P PI;P 4.。副控制器：或主控制器：的仅是互相兼顾。都不高，采用串级的目对主、副变量控制要求)()()( - -= =主对象主控制器主控制器：

14、积为“负”。副回路：同单回路，乘式的选择（二）、正、反作用方当=Xi-Xs 时 ，必须满足：KpKvK0KM0控制器正反作用判别依据控制器正反作用判别依据:。、实例：图入手动。故障时，应能立即切系统维修方便，投资少、报警；各种数据的显示、记录是否有积分饱和现象；，或选择遥控方案；主、副环是否单独运行仪表选型；的具体构成方案。考虑串级系统制器选型确定之后，可主、副变量，主、副控案四、串级系统的实施方234224 - - -本节重点：本节重点： 串级系统的投运串级系统的投运 串级系统的参数整定：串级系统的参数整定： 逐步逼近法、两步法、一步法逐步逼近法、两步法、一步法第五节：串级控制系统的运行第五

15、节：串级控制系统的运行各功能及刻度检查。控制器：正、反作用，检查。场校验，精度、灵敏度一次仪表、变送器：现死等。，断、短路，漏气，堵气线路的检查：查错接电投运前的准备工作：少用。先主后副普遍采用；先副后主种方法：串级控制系统投运有两手动无扰切换。自动、自动动系统投运主要是保证手一、串级控制系统的投运PID - 2. 1. 转换开关投向上方时，系统呈串级运行状态，投向下方时，则呈主控工作状态。 。型表为例：见图以电动、报警值设定等。它部件：精度，灵敏度指示、报警、记录及其杆位移线性等。，变差，呆滞现象，阀阀：气开、气关，行程244I-II 1投主控的步骤投主控的步骤 （1）主控制器主控制器置于置

16、于“手动手动”位置，转换开关打到位置，转换开关打到“主控主控”位置，通位置，通过主控制器的手操作器进行遥控。过主控制器的手操作器进行遥控。 （2）当遥控使主变量等于工艺规定的设定值并且稳定后，在偏差表）当遥控使主变量等于工艺规定的设定值并且稳定后，在偏差表指示为零的时刻，将指示为零的时刻，将主控制器主控制器切换开关打到切换开关打到“自动自动”位置，系统即呈现位置，系统即呈现主控工作状态。电动主控工作状态。电动型控制器型控制器“手动手动”切换到切换到“自动自动”时是无扰切换。时是无扰切换。2主控转串级的投运步骤主控转串级的投运步骤（1）先做平衡，将）先做平衡，将副控制器副控制器切换开关打到切换开

17、关打到“硬硬手动手动”或或“软手动软手动”位置，并调节副控制器的手动输出等于主控制器的自动输出。位置，并调节副控制器的手动输出等于主控制器的自动输出。然后将转换开关由然后将转换开关由主控打到串级位置主控打到串级位置，副环遥控工作状态。，副环遥控工作状态。 （2）将）将主控制器主控制器切换开关打到切换开关打到“硬硬手动手动”或或“软手动软手动”位置，并调位置，并调节其手动操作器，使副控制器的偏差表指示为零。节其手动操作器，使副控制器的偏差表指示为零。然后将然后将副控制器副控制器的切换开关打到的切换开关打到“自动自动”位置，副环自控工作状态。位置，副环自控工作状态。（3）主环遥控使主控制器偏差等于

18、零的时刻，将）主环遥控使主控制器偏差等于零的时刻，将主控制器主控制器投入投入自动自动状态，此时系统串级自动运行。状态，此时系统串级自动运行。3串级转主控的投运步骤串级转主控的投运步骤 （1）先做平衡，调节副控制器的）先做平衡，调节副控制器的“硬手动硬手动”操作器，使副控制器的手操作器，使副控制器的手动输出等于副控制器的自动输出。然后立即将副控制器的切换开关由动输出等于副控制器的自动输出。然后立即将副控制器的切换开关由“自自动动”打到打到“硬手动硬手动”位置，系统则成位置，系统则成副环副环硬硬手操手操遥控工作状态。遥控工作状态。也可直接将副控制器切换到也可直接将副控制器切换到“软手动软手动”位置

19、，系统则成副环软手操遥控工位置，系统则成副环软手操遥控工作状态。电动作状态。电动型控制器型控制器“自动自动”切换到切换到“软手动软手动”时无扰切换，无需事时无扰切换，无需事先平衡。先平衡。（2）将）将主控制器主控制器切换开关打到切换开关打到“硬硬手动手动”或或“软手动软手动”位置，并调节主位置，并调节主控制器的手操作器，使主控制器的手动输出等于副控制器的手动输出，然控制器的手操作器，使主控制器的手动输出等于副控制器的手动输出，然后将转换开关从后将转换开关从“串级串级”打到打到“主控主控”位置位置，于是控制系统呈主环遥控工，于是控制系统呈主环遥控工作状态。作状态。（3）主环遥控稳定，并且主变量偏

20、差等于零的时刻，迅速将）主环遥控稳定，并且主变量偏差等于零的时刻，迅速将主控制器主控制器的的切换开关由切换开关由“手动手动”打到打到“自动自动”位置，于是系统又回复成主控工作状态。位置，于是系统又回复成主控工作状态。器变化即可。速跟随主控制制质量要求不高，能快副回路：随动系统，控。，控制质量指标要求高主回路：定值控制系统些。参数整定较单回路复杂串级系统有两个回路，定二、串级系统的参数整 。器整定参数整定方法求取主控制系统，按单回路样，系统可视为单回路路视为一等效对象。这副回值上，将主环闭合，把副控制器整定参数置于。求取副控制器整定参数路整定方法是一个单回路，按单回主环断开，把副环看成整定步骤：

21、（一）、逐步逼近法一 步法。逐步逼近法、两步法、常用方法：11c12c12cWW. 2W1. 束，主、副控制器参数分。如达到要求，整定结完成一次逼近循环，至此器整定参数，再求取更好的副控制器整定参数，副控制控制器整定参数置于系统处于串级状态，主22c12c11cWWW. 3控制器。节，整定主再把副回路视为一个环先整定副控制器参数，（二）、两步法时。副控制器采用此法特点：费时，特别质量要求为止。，直到达到控制，依次循环，逐步逼近提高数，再求主控制器整定参于副控制参数置，则继续整定下去，将如控制质量不满足要求。、别为PIWW. 4WW21c22c22c11c此法特点：简单省时。此法特点：简单省时。

22、为止。为止。，再作适当调整，满意，再作适当调整，满意观察过渡过程曲线观察过渡过程曲线数，做扰动试验，数，做扰动试验，的顺序，设置控制器参的顺序，设置控制器参后后次次按先副、后主，先按先副、后主，先数整定公式计算主、副控制器数整定公式计算主、副控制器的整定参数。的整定参数。结合控制器的选型，按结合控制器的选型，按单回路系统的衰减曲线法参单回路系统的衰减曲线法参、按按 DIP. 4TT. 3s2s1s2s1dd。和和达到同样的达到同样的递减比下的递减比下的，求主变量，求主变量例度例度逐步降低主控制器的比逐步降低主控制器的比副控制器的比例度副控制器的比例度。和和递减比时的递减比时的：，求副回路，求副

23、回路器的比例度器的比例度，然后逐步降低副控制，然后逐步降低副控制置于置于比例作用，主控制器比例作用，主控制器定，主、副控制器均为定，主、副控制器均为系统串级运行，工艺稳系统串级运行，工艺稳整定步骤如下：整定步骤如下：T,. 2T14%100. 1s1s11s22s2s22ddd=ddd整定主回路控制器。虑它对主控制器参数的影响，来中的一个环节，不再考视为主回路，副回路整定好之后，可很小，可以忽略。这样副回路的动态联系远大于副回路，主、较大，主回路工作周期作频率和操作周期差别主、副回路的工一般设计合理的串级系统，,103T/T. 12o1o= =差一些是允许的。，副变量控制质量。只要主变量满足要

24、求为进一步提高主变量质量回路的目的是制回路要求低，设置副主控制器要求高，副控. 2采用这种整定方法原因如下：%32min5 . 35 . 0TT%,602 . 1. 3min7T%5014T%32. 2S15T%3214T,T%100. 1,C5S22S1I1S11S1S1I2S2S2I2I11=d=d=d=d=d=d=d副控制器：副控制器：主控制器：主控制器：参数。参数。计算主副控制器的整定计算主副控制器的整定按表按表。，操作周期，操作周期振荡过程参数为振荡过程参数为：主变量主变量，调节主控制器比例度，得，调节主控制器比例度，得，置置将氨流量控制器比例度将氨流量控制器比例度。，操作周期，操作

25、周期器比例度为器比例度为振荡过程，此时副控制振荡过程，此时副控制：现现调比例度调比例度d2 ,使副变量呈使副变量呈，氨流量控制器氨流量控制器，串级运行，炉温控制器串级运行，炉温控制器变化，整定过程如下：变化，整定过程如下：高，允许在一定范围内高，允许在一定范围内氨流量要求不氨流量要求不大偏差不得超过大偏差不得超过量，对它要求较高，最量，对它要求较高，最，炉温为主变，炉温为主变氨气流量串级控制系统氨气流量串级控制系统中有一套氧化炉温度与中有一套氧化炉温度与某化肥厂硝酸生产过程某化肥厂硝酸生产过程例例 14-3 对副变量为常数要可变化，只、制器的衰减过程时，主、副控：当满足实验依据：定方法整定主控

26、制器。整置好，然后按单回路器的整定参数，将其设根据经验先确定副控制时、简单。得出一步整定法，更省对两步法进一步简化，（三）、一步整定法即可，见表即可，见表4-1。KKK14KKK s2c1c2c1cs= =来补偿。适，则由如不合来整定主控制器参数，再调即先确定c1c2c1c2KKKK）（时有：当）有：由式（可在一定范围内匹配与为一常数，衰减过程，：即满足的乘积：系数系数，等于副回路放大器的放大倍数其等效控制的单回路控制系统主、副控制器串在一起如果把串级系统看成是理论分析：44-4 KK1KKK 1KK KKKK1KKKKK 34KKK1443)-(4 KKKK KKK 2o2c2o2c22m2

27、m2o2c2o2c2o22c1ss2c1cc12c+ += = = =+ += = =- -= = =u uu uu u与主控制器放大2o2c2o2c2o2KK1KKKK+ += = =。，见表，或查表求得求出由，的线性范围，即时，利用图在估算衰减过程。：即可获得可任意匹配，只要与可见在线性范围内，）（），有代入（的范围也就确定了，将式（4-45）值确定，一经确定，。的线性变化范围将缩小，。红线以上为非线性。率，图中曲线直线部分的斜）（线性，即：与，的范围（红线以下）在的关系曲线，由图4-25：与得作为参变量，由上式可把24KKK5 . 0KK254 14KKkKKK46-4 KkKK KK

28、434KkK).3KK).2kKk45-4 kKK KK5 . 0KK0 ).1KKK2c2c2o2o2c2s2c1c2c1c2c1c21cs2c2o2c2o2o2c22c2o2o2c2c2o2o- -= =- -d d= = = =- - = = 稳定之后重新整定。可先切入手动，待系统消除。如共振剧烈，个比例度即可主、副控制器的任何一如出现“共振”，加大；器参数，直到满意为止值匹配原则，调整控制由制器参数，按单回路方法整定主控将串级系统投入运行，并设置在副控制器上；求取一步法整定步骤：. 3K. 2K. 12c足工艺要求。，满，过渡过程时间为其超调量为衰减，：过程的设定值扰动下，控制在的顺序

29、，设置主控制器参后次按先计算主控制器参数：按表。，到整定主控制器参数，得衰减过程：在串级状态下，按，置副控制器。 这里取）（范围，滞后小，因此在经验副变量是压力，反应快骤为：用一步法整定，具体步系统，采丙烯蒸发压力串级控制，冷却系统出口温度与例：如图min2C5 . 1143% 数，数， DIP. 4min3 . 01 . 0TTmin9 . 03 . 0TT%248 . 0143. 3min3T%3014, 0T,T%40. 240%7030. 1214S11DS11IS11S1S1DI22= = = = = =d d= =d d- -= = =d d= = = = =d d= =d d-

30、- 本章小结本章小结 本章介绍了串级控制系统的构成及工作过程，还比较深入地分析了串本章介绍了串级控制系统的构成及工作过程，还比较深入地分析了串级控制系统的特点，由于副回路改善了对象的特性，使（级控制系统的特点，由于副回路改善了对象的特性，使（1）系统的时间）系统的时间常数减小了；（常数减小了；（2）工作频率提高了；（）工作频率提高了；（3）对二次干扰有很强的克服能力；）对二次干扰有很强的克服能力；（4）对负荷变化有一定的适应性。因此，串级控制系统的稳定性、快速）对负荷变化有一定的适应性。因此，串级控制系统的稳定性、快速性和准确性都比单回路控制系统好，使它在所有常规复杂控制系统中获得性和准确性都

31、比单回路控制系统好，使它在所有常规复杂控制系统中获得了最广泛的应用。了最广泛的应用。 由于串级控制系统比单回路控制系统多用一套检测和控制仪表，投资由于串级控制系统比单回路控制系统多用一套检测和控制仪表，投资费用有所提高，并且控制器的参数整定也麻烦一些，因此，凡是用单回路费用有所提高，并且控制器的参数整定也麻烦一些，因此，凡是用单回路控制系统能满足工艺提出的控制质量要求的，就不必用串级控制系统。只控制系统能满足工艺提出的控制质量要求的，就不必用串级控制系统。只有在对象的控制通道的时间常数较长，容量滞后较大，系统存在变化剧烈有在对象的控制通道的时间常数较长，容量滞后较大，系统存在变化剧烈和幅值很大

32、的干扰，负荷变化较大，而被控对象又有较大非线性的场合，和幅值很大的干扰，负荷变化较大，而被控对象又有较大非线性的场合，才选用串级控制系统。才选用串级控制系统。 为了使串级控制系统的特点得到充分的发挥，在系统设计时首先注为了使串级控制系统的特点得到充分的发挥，在系统设计时首先注意到副回路的选择，其原则是：意到副回路的选择，其原则是： 1、首先应将主要干扰尽量包含在副回路中；、首先应将主要干扰尽量包含在副回路中； 2、其次，应使主、副对象时间常数匹配合理，以防共振；、其次，应使主、副对象时间常数匹配合理，以防共振； 3、此外，还应保证工艺的合理性、实现的可能性和经济性等。、此外，还应保证工艺的合理性、实现的可能性和经济性等。 在串级控制系统中，一般对主变量的控制质量要求较