温度串级控制系统的集成与安装调试

1、电力电容器生产的一个环节真空干燥与浸渍，工艺要求真空干燥的加热不能直接用电热管对真空状态下的电容器直接加热，而是通过电热管对导热油加热，然后再通过导热油对真空室内的电容器加热，其系统结构图如图6-1所示。这种加热机构温度容量滞后及时间常数比较大。为保证产品的质量，在在真空干燥与浸渍中，电容器的温度控制精度要求比较高(温度偏差不超过1），某某系统电加热功率为90kw，导热油循环泵电机功率11kw，电容器温度在3090间可调。请设计电容器温度控制系统。主控制器副控制器主变量测量 副变送给定值执行器副对象主对象副变量干扰F2干扰F1测量 主变送+-+-A 当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作

2、。根据扰动施加点的位置不同，以管式加热炉为例，分几种情况进行分析：* 1）扰动作用于副回路* 2）扰动作用于主过程* 3）扰动同时作用于副回路和主过程扰动作用于主过程一次扰动直接作用于主回路，使得炉膛温度变化，副回路无法及时校正，主控制器作用，通过主控器输出变化改变副回路的设定值，再通过副回路控制作用及时改变燃烧量以克服扰动f1对炉膛温度的影响。此时，副回路的存在可加快主回路的控制速度，使得扰动量对炉膛出口温度的影响比简单控制（无副回路）时要小。扰动作用于副回路扰动量f1和f2先影响炉膛温度，使得副控制器产生偏差，于是副控制器输出变化，去调整控制阀的开度以改变燃料流量，克服上述扰动对炉膛温度的

3、影响。当扰动较大时，经过副回路的及时调整可以使其对加热炉出口温度的影响比无副回路时大大减弱，在经过主回路进一步控制使得炉膛温度回到设定值。此时两者对主-副作用的影响又可分为同向和异向两种情况。（1）一-二次扰动同向作用时，即扰动作用均使得主-副变量同时增大或同时减小，则主-副控制器对控制阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使得炉膛温度很快回到设定值上。（2）一-二次扰动反向作用时，即一个增大而另一个减小。此时主-副控制器对控制阀的控制方向是相反的，控制阀的开度只需做较小的调整即可满足控制要求。分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路

4、的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。串级控制的特点1-改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。2-能迅速克服进入副回路的二次扰动。3-提高了系统的工作频率。4-对负荷变化的适应性较强主要应用场合1-应用于容量滞后较大的过程2-应用于纯时延较大的过程3-应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程4-应用于参数互相关联的过程5-应用于非线性过程在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要

5、被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律。控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv0。主调节器作用方式确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko10。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K10，主调节器作用方式为反作用。又为保

6、证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。副回路的设计由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。归纳如下。(1) 在设计中

7、要将主要扰动包括在副回路中。(2) 将更多的扰动包括在副回路中。(3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。(4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。(5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。在这里要注意(2)和(3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾(2)和(3)的综合。1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多

8、，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在310之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。2)

9、主、副调节器的控制规律的匹配、选择 在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 D控制，因为副回路采用 P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。3) 主、副调节器正反作用方式的确定 一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系统有两个

10、回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。主调节器作用方式的确定： 炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以主调节器的放大系数 K 10 。然后确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为负，所以副调节器 K 20 ，副调节器作用方式为反作用方式。由于要求加热功率为90kw，所以我们采取使用1

11、0个DN40加热管所谓一次整定法就是根据经验先将副调节器参数一次放好，不再变动，然后按一般单回路调节系统的整定方法直接整定主调节器参数。一步整定法的依据是：在串级调节系统中，主参数是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，对它要求比较严格。而副参数的设立主要是为了提高主参数的调节质量，对副参数本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化。因此，在整定时不必把过多的精力花在副环上。只要把副调节器的参数置于一定数值后，集中精力整定主环，使主参数达到规定的质量指标就行了。虽然按照经验一次放上的副调节器参数不一定合适，但是，这没有关系，因为副调节器的放大倍数不合适，可以通过调整主调节器的放大倍数来进行

12、补偿，结果仍然可以使主参数呈现4：1衰减振荡过程。一次整定法的整定步骤如下：（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，把副调节器比例度调到某一适当的数值。（2）利用简单调节系统任一种参数整定方法整定主调节器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主调节器或减小副调节器的整定参数值，一般即能消除。 两步整定法是按主副回路分别整定，第一步先整定副回路，第二步整定主回路。步骤如下。 （1）工艺稳定，主副回路均在纯比例调节规律运行的条件下，将主调节器比例度置于100%，逐渐减小副调节器的比例度，当副回路达到41的衰减震荡过程时，记下副调节器的比例度2S 和过渡周 期T2S。 （2）将副调节器比例度固定在2S，逐渐减小主调节器的比例度，当主回路达到41衰减振荡过程时，记下主调节器的比例度1S 和过 渡周期T1S。 （3）根据求出的2S、T2S、1S、T1S，按表计算出主副调节器的比例度、积分时间和微分时间。 （4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分“的原则，将计算得出的调节器参数加到调节器上。 （5）观察记录曲线，进行适当的调整。一般电解电容器的使用温度范围为-25至+85,特定高温用或低漏电流量用者为-40至+105.塑料薄膜电容器为-40至+85陶瓷电容器T/Ctype为-40至+85,Hi-Ktype及S/Ctype为-25至+85. 串级控制系统主、副控制器的参