《过程控制工程》3-串级控制系统课件

3.串级控制系统主要内容3.1串级控制系统基本概念和构成3.2串级控制系统特性3.3串级控制系统设计3.4串级控制系统的投运2021/8/1713.串级控制系统主要内容2021/8/1713.1串级控制系统构成及动作分析3.1.1构成例1：管式加热炉例：主要扰动：1)原料方面的扰动（物料的流量和温度的变化）；2)燃料方面的扰动（燃料流量、压力及热值波动）；3)燃烧条件方面的扰动（供风量、引风量、燃料雾化状态等）。操作及控制目的：保证原料出口温度及其稳定性（±2℃）。2021/8/1723.1串级控制系统构成及动作分析主要扰动：操作及被控变量：炉出口温度操作变量：燃料流量特点：各种干扰对出口温度的影响本回路均具有抑制作用。问题：调节通道的时间常数过大(15min左右)，控制作用不及时,超调量过大，不能满足控制要求。

单回路控制方案及问题方案1：方案2：设定：主要干扰来自燃料热值波动被控变量：炉膛温度操作变量：燃料流量特点：增强了控制灵敏度（T≈3min），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。问题：对工艺要求的被控变量无监测。2021/8/173被控变量：炉出口温度单回路控制方案及问题方案1：方案2：串级控制方案方案特点：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

串级控制系统2021/8/174串级控制方案方案特点：选取主、副两个被控变量，主变量是要求严存在问题：

a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例2：精馏塔釜温度控制

(主要干扰：蒸汽压力波动)单回路控制方案

2021/8/175存在问题：例2：精馏塔釜温度控制2021/8/175串级控制——精馏塔釜温度控制2021/8/176串级控制——精馏塔釜温度控制2021/8/1761）串级控制基本构成构成及方案特点：具有主、副两个或多个被控变量。主变量是要求严格监控的工艺变量（出口温度、塔釜温度）；副变量是为保证主变量的稳定而选择的辅助变量（炉膛温度、蒸汽压力）。每个被控变量分别由不同的控制器负责监控；各控制器串联连接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。具有多层回路的控制系统由最内环回路的副变量控制器的输出操纵执行器。最常用的复杂控制系统2021/8/1771）串级控制基本构成构成及方案特点：2021/8/1772）串级控制系统方框图①加热炉串级控制系统方框图2021/8/1782）串级控制系统方框图2021/8/178系统控制图方框图②串级控制系统一般方框图2021/8/179系统控制图方框图②串级控制系统一般方框图2021/8/1793）串级控制主要参数及环节主要变量主被控变量（主参数）工艺要求严格控制的系统变量。例如：例中精馏塔塔釜温度副被控变量（副参数）为稳定主参数而设定的中间（辅助）被控变量。例如：例中精馏塔再沸器加热蒸汽压力。2021/8/17103）串级控制主要参数及环节主要变量主被控变量（主参数）20构成单元环节被控对象主：反映主被控变量与副被控变量的通道关系特性，生产中所控制的由主变量表征其特性的工艺设备。如例中的精馏塔釜副：反映副被控变量与操作变量的通道关系特性，由副变量表征其特性的工艺设备。如例中的蒸气管道2021/8/1711构成单元环节被控对象2021/8/1711控制器：主控制器：接受主测量变送器来的主被控变量的信号，输出作为副控制器的给定。如例中的温度控制器副控制器：接受副测量变送器来的副被控变量的信号，输出作为执行器的控制信号。如例中的压力控制器2021/8/1712控制器：2021/8/1712测量变送：主测量变送：检测主参数状态，并将其变成标准信号送给主控制器。例中的温度变送器副测量变送：检测副参数状态，并将其变为标准信号送给副控制器。例中的压力变送器

2021/8/1713测量变送：2021/8/1713回路：副回路：由副控制器、执行器、副对象构成的闭环系统如图中的蒸汽压力控制回路主回路：由主控制器、副回路、主对象构成的闭环系统如例中的温度控制回路2021/8/1714回路：2021/8/1714回路动作特性主回路：定值控制给定值为常数R1(s)=count副回路：随动控制给定值是主控制器输出R2(s)=u1(s)

如图中压力控制器的给定值是温度控制器输出值，副参数跟随给定值(主控制器输出)变动而变动。R1(s)R2(s)2021/8/1715回路动作特性主回路：定值控制R1(s)R2(s)2021/83.1.2精馏塔塔釜温度串级控制动作分析1）系统设定方块图设定元件作用方式：温度对象：正作用（＋）压力对象：正作用（＋）调节阀门：气关阀（－）(-)(+)(-)(+)(+)(+)(+)测量变送器：正作用（＋）压力控制器：正作用（＋）温度控制器：副作用（－）2021/8/17163.1.2精馏塔塔釜温度串级控制动作分析1）系统设定设定2）动作分析副环动作过程：干扰进入副回路f2→P↑→T↑

主环动作过程：2021/8/17172）动作分析副环动作过程：干扰进入副回路f2→P干扰进入主回路设定：f1→T↓

动作过程：

f1副回路：依据主回路控制要求动作（随动控制）。2021/8/1718干扰进入主回路设定：f1→T↓动作过程：f干扰同时进入主、副回路设：同向干扰，

f1→T↓;f2→P↓→T↓动作过程：f1f22021/8/1719干扰同时进入主、副回路设：同向干扰，f1→T↓;设：反向干扰，f1→T↓;f2→P↑

动作过程f2f12021/8/1720设：反向干扰，f1→T↓;f2→P↑f2f123.2串级控制系统特性分析3.2.1应用例氨氧化工艺1）基本状况：氧化反应式：

4NH3+5O2

=4NO+6H2O+Q控制要求：反应塔内温度误差为

840±5℃。氨气流量的影响：氨气变化1%

温度变化△T=64℃2021/8/17213.2串级控制系统特性分析3.2.1应用例1）基本状2）控制方案3）控制效果对比单回路控制：控制通道过长，引起控制滞后，不能满足控制要求（±10℃）串级控制：作为副环，引入氨气压力控制，缩短了控制通道（时间常数减小），减小了氨气压力对主参数温度的影响。可以满足控制要求。2021/8/17222）控制方案3）控制效果对比2021/8/1722方框图等效变换3.2.2串级控制特性分析1）对干扰的抑制力度串级控制方框图2021/8/1723方框图等效变换3.2.2串级控制特性分析2021/8/1与单回路控制的干扰影响之比为结论：在串级控制中，由于副环的存在，使进入副环的干扰对被控变量的影响大大降低。单回路系统方框图串级控制等效方框图2021/8/1724与单回路控制的干扰影响之比为结论：在串级控制中，由于副环的存串级控制系统等效方框图2）提高系统的工作频率

等效副对象传递函数：2021/8/1725串级控制系统等效方框图2）提高系统的工作频率等效副对象传令：GC2=KC2,GV=KV,Gm2=Km2，代入前式：串级控制系统等效副对象的时间常数缩小了倍。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----时间常数2021/8/1726令：GC2=KC2,GV=KV,Gm2=由等效方框图，得串级控制系统传递函数为②工作频率a.串级控制系统工作频率特征方程：2021/8/1727由等效方框图，得串级控制系统传递函数为②工作频率特征方程：代入特征方程得：2021/8/1728代入特征方程得：2021/8/1728b.单回路控制系统工作频率单回路控制系统方框图传递函数特征方程2021/8/1729b.单回路控制系统工作频率传递函数特征方程2021/8/1根据特征方程有：根据标准二阶函数有工作频率：2021/8/1730根据特征方程有：根据标准二阶函数有工作频率：2021/8/1结论：副回路的存在可以提高控制系统的工作频率，改善控制质量。c.串级控制与单回路控制系统工作频率比较2021/8/1731结论：副回路的存在可以提高控制系统的工作频率，c.串级控制鲁棒性：控制系统对于被控对象特性改变的不灵敏度的描述。不灵敏度高则鲁棒性好。控制仪表参数是依据对象特性整定的。对象特性的变化将影响整定的仪表参数的适应性。串级控制主环是定值控制，副环是随动控制。主控制器能根据主变量控制要求改变副控制器的给定值，如此可以适应操作条件、负荷变化，克服副回路中广义对象（副对象、调节阀）特性变化的影响。3）自适应能力（鲁棒性）2021/8/1732鲁棒性：控制系统对于被控对象特性改变的不灵敏3）自适应能力（自适应能力分析副回路传递函数：若KC2KV乘积较大时，副对象参数KP2对副环等效增益影响不大。有：即：允许副回路内各环节特性在一定范围内变动而不影响整个系统的控制质量，亦可以减小控制阀流量特性不合适带来的影响。结论：串级控制系统对于副环的广义对象特性变化有一定的自适应性。注意：副环本身对于副被控变量无此性质。2021/8/1733自适应能力分析副回路传递函数：若KC2KV乘积较大时，副对象串级控制系统基本特性：在串级控制中，由于副环的存在，使得进入副环的干扰对被控变量的影响大大降低。由于副回路的存在，对象容量滞后减小。副回路的存在可以提高控制系统的工作频，改善控制质量。串级控制系统对于副环的广义对象特性变化有一定的自适应性。注意：副回路的加入是为了很好地保证主变量的控制。由于副回路是随动控制系统，可以根据主变量的控制要求，随时、快速、有效地调整副变量状态，保证主变量的稳定性。控制演示2021/8/1734串级控制系统基本特性：在串级控制中，由于副环的存在，使得进入1)选择原则主要干扰包含在副环内将更多的干扰纳入副环纯滞后不要包含在副环内保证副环的灵敏度注意主副环时间常数匹配注意工艺合理性3.3串级控制系统设计3.3.1副被控变量选择注意：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。2021/8/17351)选择原则3.3串级控制系统设计注意：上述原则之间的例1精馏塔釜温度串级控制设计（主要干扰处理）副变量候补：1)蒸汽流量F

；2)阀后蒸汽压力P

；3)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控制目标：保证精馏塔底温度及其稳定性主要干扰:塔底蒸汽量2021/8/1736例1精馏塔釜温度串级控制设计（主要干扰处理）副变量候补：串级控制系统设计方案1：塔釜温度-蒸汽流量串级特点：包含干扰：蒸汽流量，换热器压力变化调节速度：时间常数较小，能快速克服上述干扰的影响对其他干扰无克服能力2021/8/1737串级控制系统设计方案1：塔釜温度-蒸汽流量串级特点：2021串级控制系统设计2：塔釜温度-蒸汽阀后压力串级特点：包含干扰：蒸汽源压力、换热器压力及壁温的影响调节速度：壁温变化时间常数(几秒)纳入副环，提高整体系统工作频率不足：副参数对主参数间接影响时间常数较大。塔釜温度控制要求较严格时，不能保证工艺侧蒸汽流的恒定完全保证控制要求指标2021/8/1738串级控制系统设计2：塔釜温度-蒸汽阀后压力串级特点：202串级控制系统设计3：塔釜温度-工艺蒸汽流量串级特点：包含干扰：增加了再沸器液位、温度，以及传热系数干扰不足：副环时间常数较大，对蒸汽气源压力的波动的克服能力减弱。2021/8/1739串级控制系统设计3：塔釜温度-工艺蒸汽流量串级特点：202例2造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）TSTC2工艺过程纯滞后时间：90秒单回路控制：纸浆波动：35kg/min或者蒸汽波动：0.12MPa/cm2

最大偏差：±8.5℃过渡时间：450s

设计串级控制，将纯滞后环节置于副环之外。串级控制效果：纸浆波动：35kg/min或者蒸汽波动：0.12MPa/cm2

最大偏差：±1℃过渡时间：200s2021/8/1740例2造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）TSTC2工艺过程例3：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：换热器非线性环节影响：整个对象特性随负荷、温度变化而变化，控制质量不高处理方法设计串级控制系统，将非线性环节包含在副环内利用串级控制系统的自适应能力克服非线性影响控制要求：保证反应温度的稳定性，（要求严格）2021/8/1741例3：合成反应器温度串级控制系统（非线性环节处理）非线性环控制要求：保证出口温度防止液态丙烯随气态丙烯被吸出方案a：*灵敏度较低，比较迟钝，*日常操作：经济性较好*不能确保气态丙烯不带液方案b：

*灵敏度较高，*气态丙烯出口压力不稳定。*冷量利用不足抽吸气态丙烯的压缩机入口压力相同情况下：方案b的蒸发压力高于方案a

*需要增加一套液位控制系统例4冷凝器温度控制（经济性）方案a方案b建议：温度控制质量要求不高时应用方案a2021/8/1742控制要求：例4冷凝器温度控制（经济性）方案a方案b建3.3.2控制器选择两方面的问题：

1)控制规律选择控制规律的选择应考虑两方面的问题一般要求主被控变量无余差。利用串级控制方法克服容量滞后问题。a.控制规律b.作用方式2021/8/17433.3.2控制器选择a.控制规律2021/8/174a.主控制器控制规律选择：

一般串级控制的场合对参数的控制要求较高，并且对象特性总是存在较大的容量滞后。主控制器一般选择PID作用注意：若对象的容量滞后较小，则应该选择PI作用的控制器

2021/8/1744a.主控制器控制规律选择：2021/8/1744b.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。但是：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目的：加强控制作用。温度的场合，可加入微分控制作用。2021/8/1745b.副控制器控制规律选择：2021/8/1745注意：由于副回路是随动系统，应采用具有微分先行的控制器2021/8/1746注意：2021/8/17462)控制器作用方式选择a.副控制器作用方式选择：选择的结果应使副环构成负反馈工作方式。方式选择同单回路系统控制器选择方法(控制器±)·(执行器±)·(对象特性±)·(测量变送±)=(－)2021/8/17472)控制器作用方式选择(控制器±)·(执行器±)·b.主控制器作用方式选择：原则：通过主控制器作用方式选择使主回路构成负反馈。选择方法：利用等效副环模块，将串级系统等效为一个单回路系统。根据等效副环的作用方式及主对象的作用方式，按照单回路系统控制器选择方法选择主控制器的作用方式2021/8/1748b.主控制器作用方式选择：2021/8/1748等效方框图注意：串级控制系统副环属于随动控制，其整体作用方式为正作用。选择方法：主控制器作用方式(±)=－主对象作用方式(±)(+)2021/8/1749等效方框图注意：(+)2021/8/17493.3.3串级控制系统的投运基本要求：无扰动切换投运顺序：先副环后主环操作主、副控制器置手动，主控制器为内给定，副控制器为外给定正确放置控制器的正、反作用方式，参数置于预定数值。副控制器手动操作，主变量接近给定值，副变量稳定时，手动调节主控制器输出，使副控制器的给定值等于其测量值（偏差等于0），副环切到自动。同方法，手操主控制器，使主变量处于给定值位置，调整主控制器的给定值等于测量值（偏差等于0），主环切到自动。2021/8/17503.3.3串级控制系统的投运基本要求：无扰动切换2021/3.4串级控制系统应用范围

根据串级控制系统的特点，串级控制适用于如下对象系统的控制需要：滞后较大的对象系统具有非线性环节的对象系统用于克服变化激烈和幅值大的干扰。2021/8/17513.4串级控制系统应用范围根据串级控制系统的特串级控制系统举例如图某连续反应器，通过向夹套内通冷却水的方式控制反应器内温度。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：a.在图中完成所设计的控制方案（绘出工艺控制流程图）。b.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、气关形式；主、副控制器正、反作用方式。c.若冷却水温度波动是主要干扰，上面所设计的控制回路能否满足控制要求？若不能满足应作如何改动？画出控制流程图。2021/8/1752串级控制系统举例如图某连续反应器，通过向夹套内通冷却水的方式a.在图中完成所设计的控制方案被控变量选择主：（尽可能选用直接参数）反应器内温度（T）副：（将主要干扰纳入副环）冷却水压力（P）

(取阀后压力)绘出工艺控制流程图TP2021/8/1753a.在图中完成所设计的控制方案TP2021/8/1753b.确定调节阀、控制器的工作方式调节阀开关形式：反应器内温度不允许超高，冷却水不能中断：

选调节阀为气(电)关式调节阀(-)控制器作用形式副控制器（PC）：副对象作用形式：

q↑→P↑正作用(+)

副测量变送环节默认为正作用(+)

判定：选择正作用式副控制器TP2021/8/1754b.确定调节阀、控制器的工作方式调节阀开关形式：TP202主控制器（TC）：等效副环作用形式为正作用形式

主对象作用形式：

P↑→T↓反作用形式

判定：选择正作用式主控制器TP2021/8/1755主控制器（TC）：TP2021/8/1755冷却水温度是主要干扰，上述控制方案能否满足控制要求不能满足方案改动：

a.取加套温度作为副被控变量2021/8/1756冷却水温度是主要干扰，上述控制方案能否满足控制要求2021/b.在温度控制器与压力控制器之间加一级夹套温度控制回路，构成三级串级控制系统。2021/8/1757b.在温度控制器与压力控制器之间加一级夹套2021/考虑的问题：若冷却液是液氨，在夹套内蒸发吸热，应如何选择副被控变量2021/8/1758考虑的问题：若冷却液是液氨，在夹套内蒸发吸热，应如何选择副被设计例2：某原油加热炉如图要求控制原油出口温度，已知该工艺过程的主要干扰是燃料压力的波动，请为此工艺过程设计一串级控制系统保证原油出口温度的稳定。选：主被控变量：出口温度副被控变量：燃料流量调节阀的阀后压力2021/8/1759设计例2：选：2021/8/1759由于对象时间常数过大，上述控制系统不能满足控制要求，现修改为如下串级控制系统，请分析二串级控制系统的特点。分析要点：副环包含的干扰时间常数变化2021/8/1760由于对象时间常数过大，上述控制系统不能满足控制要求，现修改为本章主要知识点：串级控制系统构成特点（系统图、方框图）内环的作用控制过程动作分析，区别干扰进入点主、副控制器作用方式选择串级控制系统设计串级控制系统投运2021/8/1761本章主要知识点：2021/8/1761串级控制系统设计练习某换热器利用饱和蒸汽对物料加热（如图），工艺要求对换热器出口物料温度进行严格控制。问:1.若物料波动是主要干扰时应采用何种控制方案?2.若蒸汽压力波动是主要干扰时应采用何种控制方案?3.若物料流量允许调节，并且无聊流量波动和蒸汽压力的波动影响均不可忽视时应采用何种控制方案?2021/8/1762串级控制系统设计练习某换热器利用饱和蒸汽对物料加热（如图），3.串级控制系统主要内容3.1串级控制系统基本概念和构成3.2串级控制系统特性3.3串级控制系统设计3.4串级控制系统的投运2021/8/17633.串级控制系统主要内容2021/8/1713.1串级控制系统构成及动作分析3.1.1构成例1：管式加热炉例：主要扰动：1)原料方面的扰动（物料的流量和温度的变化）；2)燃料方面的扰动（燃料流量、压力及热值波动）；3)燃烧条件方面的扰动（供风量、引风量、燃料雾化状态等）。操作及控制目的：保证原料出口温度及其稳定性（±2℃）。2021/8/17643.1串级控制系统构成及动作分析主要扰动：操作及被控变量：炉出口温度操作变量：燃料流量特点：各种干扰对出口温度的影响本回路均具有抑制作用。问题：调节通道的时间常数过大(15min左右)，控制作用不及时,超调量过大，不能满足控制要求。

单回路控制方案及问题方案1：方案2：设定：主要干扰来自燃料热值波动被控变量：炉膛温度操作变量：燃料流量特点：增强了控制灵敏度（T≈3min），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。问题：对工艺要求的被控变量无监测。2021/8/1765被控变量：炉出口温度单回路控制方案及问题方案1：方案2：串级控制方案方案特点：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

串级控制系统2021/8/1766串级控制方案方案特点：选取主、副两个被控变量，主变量是要求严存在问题：

a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例2：精馏塔釜温度控制

(主要干扰：蒸汽压力波动)单回路控制方案

2021/8/1767存在问题：例2：精馏塔釜温度控制2021/8/175串级控制——精馏塔釜温度控制2021/8/1768串级控制——精馏塔釜温度控制2021/8/1761）串级控制基本构成构成及方案特点：具有主、副两个或多个被控变量。主变量是要求严格监控的工艺变量（出口温度、塔釜温度）；副变量是为保证主变量的稳定而选择的辅助变量（炉膛温度、蒸汽压力）。每个被控变量分别由不同的控制器负责监控；各控制器串联连接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。具有多层回路的控制系统由最内环回路的副变量控制器的输出操纵执行器。最常用的复杂控制系统2021/8/17691）串级控制基本构成构成及方案特点：2021/8/1772）串级控制系统方框图①加热炉串级控制系统方框图2021/8/17702）串级控制系统方框图2021/8/178系统控制图方框图②串级控制系统一般方框图2021/8/1771系统控制图方框图②串级控制系统一般方框图2021/8/1793）串级控制主要参数及环节主要变量主被控变量（主参数）工艺要求严格控制的系统变量。例如：例中精馏塔塔釜温度副被控变量（副参数）为稳定主参数而设定的中间（辅助）被控变量。例如：例中精馏塔再沸器加热蒸汽压力。2021/8/17723）串级控制主要参数及环节主要变量主被控变量（主参数）20构成单元环节被控对象主：反映主被控变量与副被控变量的通道关系特性，生产中所控制的由主变量表征其特性的工艺设备。如例中的精馏塔釜副：反映副被控变量与操作变量的通道关系特性，由副变量表征其特性的工艺设备。如例中的蒸气管道2021/8/1773构成单元环节被控对象2021/8/1711控制器：主控制器：接受主测量变送器来的主被控变量的信号，输出作为副控制器的给定。如例中的温度控制器副控制器：接受副测量变送器来的副被控变量的信号，输出作为执行器的控制信号。如例中的压力控制器2021/8/1774控制器：2021/8/1712测量变送：主测量变送：检测主参数状态，并将其变成标准信号送给主控制器。例中的温度变送器副测量变送：检测副参数状态，并将其变为标准信号送给副控制器。例中的压力变送器

2021/8/1775测量变送：2021/8/1713回路：副回路：由副控制器、执行器、副对象构成的闭环系统如图中的蒸汽压力控制回路主回路：由主控制器、副回路、主对象构成的闭环系统如例中的温度控制回路2021/8/1776回路：2021/8/1714回路动作特性主回路：定值控制给定值为常数R1(s)=count副回路：随动控制给定值是主控制器输出R2(s)=u1(s)

如图中压力控制器的给定值是温度控制器输出值，副参数跟随给定值(主控制器输出)变动而变动。R1(s)R2(s)2021/8/1777回路动作特性主回路：定值控制R1(s)R2(s)2021/83.1.2精馏塔塔釜温度串级控制动作分析1）系统设定方块图设定元件作用方式：温度对象：正作用（＋）压力对象：正作用（＋）调节阀门：气关阀（－）(-)(+)(-)(+)(+)(+)(+)测量变送器：正作用（＋）压力控制器：正作用（＋）温度控制器：副作用（－）2021/8/17783.1.2精馏塔塔釜温度串级控制动作分析1）系统设定设定2）动作分析副环动作过程：干扰进入副回路f2→P↑→T↑

主环动作过程：2021/8/17792）动作分析副环动作过程：干扰进入副回路f2→P干扰进入主回路设定：f1→T↓

动作过程：

f1副回路：依据主回路控制要求动作（随动控制）。2021/8/1780干扰进入主回路设定：f1→T↓动作过程：f干扰同时进入主、副回路设：同向干扰，

f1→T↓;f2→P↓→T↓动作过程：f1f22021/8/1781干扰同时进入主、副回路设：同向干扰，f1→T↓;设：反向干扰，f1→T↓;f2→P↑

动作过程f2f12021/8/1782设：反向干扰，f1→T↓;f2→P↑f2f123.2串级控制系统特性分析3.2.1应用例氨氧化工艺1）基本状况：氧化反应式：

4NH3+5O2

=4NO+6H2O+Q控制要求：反应塔内温度误差为

840±5℃。氨气流量的影响：氨气变化1%

温度变化△T=64℃2021/8/17833.2串级控制系统特性分析3.2.1应用例1）基本状2）控制方案3）控制效果对比单回路控制：控制通道过长，引起控制滞后，不能满足控制要求（±10℃）串级控制：作为副环，引入氨气压力控制，缩短了控制通道（时间常数减小），减小了氨气压力对主参数温度的影响。可以满足控制要求。2021/8/17842）控制方案3）控制效果对比2021/8/1722方框图等效变换3.2.2串级控制特性分析1）对干扰的抑制力度串级控制方框图2021/8/1785方框图等效变换3.2.2串级控制特性分析2021/8/1与单回路控制的干扰影响之比为结论：在串级控制中，由于副环的存在，使进入副环的干扰对被控变量的影响大大降低。单回路系统方框图串级控制等效方框图2021/8/1786与单回路控制的干扰影响之比为结论：在串级控制中，由于副环的存串级控制系统等效方框图2）提高系统的工作频率

等效副对象传递函数：2021/8/1787串级控制系统等效方框图2）提高系统的工作频率等效副对象传令：GC2=KC2,GV=KV,Gm2=Km2，代入前式：串级控制系统等效副对象的时间常数缩小了倍。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----时间常数2021/8/1788令：GC2=KC2,GV=KV,Gm2=由等效方框图，得串级控制系统传递函数为②工作频率a.串级控制系统工作频率特征方程：2021/8/1789由等效方框图，得串级控制系统传递函数为②工作频率特征方程：代入特征方程得：2021/8/1790代入特征方程得：2021/8/1728b.单回路控制系统工作频率单回路控制系统方框图传递函数特征方程2021/8/1791b.单回路控制系统工作频率传递函数特征方程2021/8/1根据特征方程有：根据标准二阶函数有工作频率：2021/8/1792根据特征方程有：根据标准二阶函数有工作频率：2021/8/1结论：副回路的存在可以提高控制系统的工作频率，改善控制质量。c.串级控制与单回路控制系统工作频率比较2021/8/1793结论：副回路的存在可以提高控制系统的工作频率，c.串级控制鲁棒性：控制系统对于被控对象特性改变的不灵敏度的描述。不灵敏度高则鲁棒性好。控制仪表参数是依据对象特性整定的。对象特性的变化将影响整定的仪表参数的适应性。串级控制主环是定值控制，副环是随动控制。主控制器能根据主变量控制要求改变副控制器的给定值，如此可以适应操作条件、负荷变化，克服副回路中广义对象（副对象、调节阀）特性变化的影响。3）自适应能力（鲁棒性）2021/8/1794鲁棒性：控制系统对于被控对象特性改变的不灵敏3）自适应能力（自适应能力分析副回路传递函数：若KC2KV乘积较大时，副对象参数KP2对副环等效增益影响不大。有：即：允许副回路内各环节特性在一定范围内变动而不影响整个系统的控制质量，亦可以减小控制阀流量特性不合适带来的影响。结论：串级控制系统对于副环的广义对象特性变化有一定的自适应性。注意：副环本身对于副被控变量无此性质。2021/8/1795自适应能力分析副回路传递函数：若KC2KV乘积较大时，副对象串级控制系统基本特性：在串级控制中，由于副环的存在，使得进入副环的干扰对被控变量的影响大大降低。由于副回路的存在，对象容量滞后减小。副回路的存在可以提高控制系统的工作频，改善控制质量。串级控制系统对于副环的广义对象特性变化有一定的自适应性。注意：副回路的加入是为了很好地保证主变量的控制。由于副回路是随动控制系统，可以根据主变量的控制要求，随时、快速、有效地调整副变量状态，保证主变量的稳定性。控制演示2021/8/1796串级控制系统基本特性：在串级控制中，由于副环的存在，使得进入1)选择原则主要干扰包含在副环内将更多的干扰纳入副环纯滞后不要包含在副环内保证副环的灵敏度注意主副环时间常数匹配注意工艺合理性3.3串级控制系统设计3.3.1副被控变量选择注意：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。2021/8/17971)选择原则3.3串级控制系统设计注意：上述原则之间的例1精馏塔釜温度串级控制设计（主要干扰处理）副变量候补：1)蒸汽流量F

；2)阀后蒸汽压力P

；3)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控制目标：保证精馏塔底温度及其稳定性主要干扰:塔底蒸汽量2021/8/1798例1精馏塔釜温度串级控制设计（主要干扰处理）副变量候补：串级控制系统设计方案1：塔釜温度-蒸汽流量串级特点：包含干扰：蒸汽流量，换热器压力变化调节速度：时间常数较小，能快速克服上述干扰的影响对其他干扰无克服能力2021/8/1799串级控制系统设计方案1：塔釜温度-蒸汽流量串级特点：2021串级控制系统设计2：塔釜温度-蒸汽阀后压力串级特点：包含干扰：蒸汽源压力、换热器压力及壁温的影响调节速度：壁温变化时间常数(几秒)纳入副环，提高整体系统工作频率不足：副参数对主参数间接影响时间常数较大。塔釜温度控制要求较严格时，不能保证工艺侧蒸汽流的恒定完全保证控制要求指标2021/8/17100串级控制系统设计2：塔釜温度-蒸汽阀后压力串级特点：202串级控制系统设计3：塔釜温度-工艺蒸汽流量串级特点：包含干扰：增加了再沸器液位、温度，以及传热系数干扰不足：副环时间常数较大，对蒸汽气源压力的波动的克服能力减弱。2021/8/17101串级控制系统设计3：塔釜温度-工艺蒸汽流量串级特点：202例2造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）TSTC2工艺过程纯滞后时间：90秒单回路控制：纸浆波动：35kg/min或者蒸汽波动：0.12MPa/cm2

最大偏差：±8.5℃过渡时间：450s

设计串级控制，将纯滞后环节置于副环之外。串级控制效果：纸浆波动：35kg/min或者蒸汽波动：0.12MPa/cm2

最大偏差：±1℃过渡时间：200s2021/8/17102例2造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）TSTC2工艺过程例3：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：换热器非线性环节影响：整个对象特性随负荷、温度变化而变化，控制质量不高处理方法设计串级控制系统，将非线性环节包含在副环内利用串级控制系统的自适应能力克服非线性影响控制要求：保证反应温度的稳定性，（要求严格）2021/8/17103例3：合成反应器温度串级控制系统（非线性环节处理）非线性环控制要求：保证出口温度防止液态丙烯随气态丙烯被吸出方案a：*灵敏度较低，比较迟钝，*日常操作：经济性较好*不能确保气态丙烯不带液方案b：

*灵敏度较高，*气态丙烯出口压力不稳定。*冷量利用不足抽吸气态丙烯的压缩机入口压力相同情况下：方案b的蒸发压力高于方案a

*需要增加一套液位控制系统例4冷凝器温度控制（经济性）方案a方案b建议：温度控制质量要求不高时应用方案a2021/8/17104控制要求：例4冷凝器温度控制（经济性）方案a方案b建3.3.2控制器选择两方面的问题：

1)控制规律选择控制规律的选择应考虑两方面的问题一般要求主被控变量无余差。利用串级控制方法克服容量滞后问题。a.控制规律b.作用方式2021/8/171053.3.2控制器选择a.控制规律2021/8/174a.主控制器控制规律选择：

一般串级控制的场合对参数的控制要求较高，并且对象特性总是存在较大的容量滞后。主控制器一般选择PID作用注意：若对象的容量滞后较小，则应该选择PI作用的控制器

2021/8/17106a.主控制器控制规律选择：2021/8/1744b.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。但是：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目的：加强控制作用。温度的场合，可加入微分控制作用。2021/8/17107b.副控制器控制规律选择：2021/8/1745注意：由于副回路是随动系统，应采用具有微分先行的控制器2021/8/17108注意：2021/8/17462)控制器作用方式选择a.副控制器作用方式选择：选择的结果应使副环构成负反馈工作方式。方式选择同单回路系统控制器选择方法(控制器±)·(执行器±)·(对象特性±)·(测量变送±)=(－)2021/8/171092)控制器作用方式选择(控制器±)·(执行器±)·b.主控制器作用方式选择：原则：通过主控制器作用方式选择使主回路构成负反馈。选择方法：利用等效副环模块，将串级系统等效为一个单回路系统。根据等效副环的作用方式及主对象的作用方式，按照单回路系统控制器选择方法选择主控制器的作用方式2021/8/17110b.主控制器作用方式选择：2021/8/1748等效方框图注意：串级控制系统副环属于随动控制，其整体作用方式为正作用。选择方法：主控制器作用方式(±)=－主对象作用方式(±)(+)2021/8/17111等效方框图注意：(+)2021/8/17493.3.3串级控制系统的投运基本要求：无扰动切换投运顺序：先副环后主环操作主、副控制器置手动，主控制器为内给定，副控制器为外给定正确放置控制器的正、反作用方式，参数置于预定数值。副控制器手动操作，主变量接近给定值，副变量稳定时，手动调节主