《生产过程自动化》-4

4.1串级控制系统的基本原理与结构1.串级控制系统的基本概念采用两个控制器串接，一个控制器输出作为另一个控制器设定值的系统，称为串级控制系统(CascadeControlSvstem)出级榨制系统旱柠其系统结构命名的

【例1】某化肥厂二段转化炉内温度高达804-1003℃。生产尿素的原料是大港、陕甘宁、中原来的天然气。工艺流程上是先将其过滤，再分离，之后送转化炉加热，制成原料气(其成分为H2,N2,CO,CO2,CH4,Ar,H2S,O2)。工艺要求控制加热炉出口温度在(士1～士2)℃范围内波动。根据工艺要求控制系统的被控变量选择加热炉出日温度，操纵变量选择燃料油流量。进一步分析影响炉出日温度的扰动因素有原料油的处理量(负荷量)和其温度、燃料油压力和其成分、燃料的雾化状况、烟囱抽力等。根据工艺要求可以设计的控制方案有以下几种。下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构(1)设计以炉出日原料气温度为被控制变量，燃料油流量为控制变量的简单控制系统当主要干扰是原料气流量、温度或烟囱抽力，可以设计一个如图4-1所示的简单控制系统来完成任务。图中被控变量是加热炉出日温度，控制变量是燃料油流量，对象呈现的特点:一是炉管等热容比较大;二是燃料油至出日的通道相当长，即加热炉控制通道的时滞较大，经测试有15min;三是系统中扰动频繁。可见这个简单控制系统不能满足较高的控制质量要求。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构(2)设计燃料油流量为被控变量，同时一也是控制变量的简单控制系统当主要干扰是燃料油压力、燃料油成分、燃油雾化等因素时，可以设计如图4-2所示的简单控制系统。该方案中被控变量选择的是燃料油流量，控制变量选择的一也是燃料油流量。该系统对工艺要求的加热炉出日温度只采用检测、指示、记录功能，所以温度变量属于开环状态。此系统对燃油阀前压力等扰动可以迅速克服，对进料(原料气)负荷变化、原料气温度变化、燃料油热值变化等扰动因素却无能为力。可见此方案一也有它的局限性。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构(3)设计炉膛温度为被控变量，燃料油流量为控制变量的简单控制系统控制系统如图4-3所示。该系统特点是燃料油热值、压力变化等扰动能直接影响炉膛温度，而对原料气处理量或其温度扰动反应迟钝，因此炉膛温度不能代表炉出日温度。控制好炉膛温度不等于出日温度就能符合工艺要求，对原料气处理量或其温度也经常变化的工况不能用炉膛温度代替炉出日温度作为被控变量。为了解决被控对象特性的时滞大和工艺对控制的要求高之间的矛盾，可以根据炉膛温度的变化，预先控制燃料量，迅速实现“粗调”功能，然后再根据炉出日温度来控制燃料量，实现“细调”功能，以使加热炉出日温度恒定。这样的思路可以组成图4-4所示的方案。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构实践证明这个方案可以满足工艺要求。该方案的特点是采用两个被控制变量，炉出日温度与炉膛温度，将两台温度调节器串联起来构成双回路的串级控制系统。工业生产中对于加热炉的出日温度控制，常用的串级方案有以下几种。

1)加热炉出日温度对炉膛温度串级控制系统图4-4中主被控变量选择炉出口温度T1，副被控变量选择炉膛温度T2。控制变量选择燃料油流量。图中主控制器T1C的输出信号是副控制器T2C的设定值。

2)加热炉出日温度对燃料油阀后压力串级控制系统

图4-5所示为这种控制方案。当生产中使用的燃料油钻度大时，将会造成燃料油流量测量的困难，此时可以采用控制阀后的压力作为副被控变量，使控制系统更易于实施。

3)加热炉出日温度对燃料气阀后压力串级控制系统上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构

图4-6所示方案是采用燃料气为操作变量，当加热炉的火嘴不出现阻塞现象，则火嘴前的燃料气(亦即控制阀的阀后压力)与燃料流量之间将存在一定的函数关系。如果阀后压力在2～10Pa，可以采用浮筒阀，这类阀的阀体内部与膜头相通，膜头另一端接收控制器的输出信号，属于外部取压的自力式阀后压力控制装置，它相当于串级控制系统副回路。

4)加热炉出日温度对燃料油流量串级控制系统

图4-7所示串级控制系统适用于燃料油钻度低，主要干扰是燃料油压力波动的场合上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构【例2」图4-8是氯乙烯聚合釜反应温度控制系统流程图。这是一个放热反应过程，当反应温度稍微偏离工艺指标时，将会造成产品质量明显下降或报废，若不及时移走反应热将会引起爆炸造成严重事故。图中被控变量是聚合釜内反应温度，控制变量选择为进入夹套的冷却水流量。通过冷却水带走聚合釜反应产生的热量，这里冷却水自身温度的变化以及自身水压的变化都会对反应釜温度造成影响。图4-8(a)所示为单回路控制方案，它是根据反应温度来控制冷却水流量，从而带走反应生成的热量，生产实际运行情况表明该控制系统不能达到控制要求，主要是因为控制通道的时滞太大。图4-8(b)是选择夹套出u水温为副被控变量和反应器内温度为主被控变量的串级控制系统。该系统对于冷却水温度或冷却水流量的波动引起的夹套出日水温变化，经检测元件实时迅速测量出来，由副控制器率先发出控制信号使控制阀动作，在这一扰动尚未改变反应器内温度时就将其克服掉或者使其对反应器内温度影响很小。串级控制系统能实现及时控制，从而保证了生产平稳运行与产品质量合格。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构2.串级控制系统的结构和方框图串级控制系统采用两套测量变送器和控制器，前一台控制器的输出作为后一台控制器的设定值，后一台控制器的输出送往控制阀，系统包含两个控制回路，含两个被控变量，串级控制系统的方框图如图4-9所示。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构

图中第一个控制器称为主控制器，它所检测和控制的变量称主变量或主参数，一般为工艺控制指标。第二个控制器称为副控制器，它所检测和控制的变量称副变量或副参数，是为稳定主变量而引入的辅助变量。串级系统包括两个控制回路，即主回路和副回路。副回路是由副变量检测变送器、副控制器、控制阀和副被控制过程构成。主回路是由主变量检测变送器、主控制器、副控制器、控制阀、副被控过程和主被控制过程构成。图4-4所示加热炉出口温度串级控制系统的主变量是炉出口温度;副变量是炉膛温度;主调节器是温度调节器;副调节器是温度调节器。副回路是由副对象(加热炉炉膛这部分设备)、炉膛温度检测变送器、副调节器和调节阀构成。主回路是由主对象(加热炉出日管道)、炉出日温度检测变送器、炉出日温度调节器、副回路组成。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构3.串级控制系统的工作过程图4-4所示加热炉出日温度串级控制系统在稳定工况下，进入加热炉的原料气的流量、组分和温度都稳定不变，燃料的流量和热值一也不变，原料气达到设定温度所需要的热量与燃料所供给的有效热量相平衡，炉膛温度稳定，调节阀保持一定开度，此时原料气出日温度稳定在设定值上。当扰动发生时，破坏了上述稳定状态，调节器将进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分三种情况进行分析。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构(1)扰动作用于副回路(2)扰动作用于主回路(3)扰动同时作用于副回路和主回路通过以上分析可以得出:在串级控制系统中，由于引入一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，且又能改善过程特性，因此能大大提高控制质量。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构4.串级控制系统的特点及适用场合串级控制系统和单回路控制系统都属于定值控制系统，但是串级控制系统在结构上增加了一个随动的副回路，因此与单回路控制系统相比在控制性能上具有以下特点。①能迅速克服进入副回路扰动的影响，对进入副环的扰动具有较强的抗干扰能力。串级控制系统的两个调节器串接在一起，二者放大倍数的乘积远远大于单回路控制系统一台调节器的放大倍数，因此对进入副环的干扰有较强的抑制能力。将图4-9用传递函数表示为图4-10②改善除主控制器以外的广义对象特性，使系统的工作频率提高。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构【例3】图4-12是某个精馏塔塔釜温度与再沸器蒸汽流量串级控制系统。工艺要求温度偏差为±1.5℃，而在生产过程中，蒸汽压力变化剧烈，有时从0.5MPa突然下降到0.3MPa，压力变化了40%。对于这么大的扰动，如果采用单回路控制，控制系统方框图如图4-13所示，调节器比例增益为1.3时，最大偏差在10℃左右，不能满足工艺要求。单回路被控过程包括两部分特性，对象时滞大、反应慢，当扰动出现后不能立即被系统克服。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构

若采用塔釜温度与再沸器蒸汽流量串级控制，方框图如图4-14所示，图中副调节器的比例增益是5，因此整个控制系统的比例增益得到提高，控制作用加强，最大偏差不超过1.5℃,满足了工艺要求。因此当变化剧烈或幅值较大的扰动作用于系统时，可以采用串级控制，不过要把这些扰动都纳入副回路。而串级控制系统在结构上区别于单回路控制系统的主要标志是用一个副回路分割了广义对象，所以可以把副回路看做是主回路的一个环节，称为等效过程，由图4-14可知它的传递函数为上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构式中，为等效过程放大系数，为等效过程时间常数。因为(1+Ke2KvKD2Km2)>1，所以。可见等效过程时间常数TD2小于副过程时间常数TD2,，为TD2的1/(1+Ke2KvKD2Km2)，这种效果随着副调节器比例增益的增大而更加显著。若匹配得当在主调节器投入工作时，副回路能很好随动，可近似为1:1的比例环节。这时仅剩下不包括副回路在内的一部分过程，因此容量滞后减小，过程特性有所改善。在同等条件下主调节器的比例增益可比单回路系统整定得大一些，从而提高控制质量。所以串级控制系统适用于时滞较大的过程。前面介绍的加热炉和聚合釜都是时滞较大的过程，采用串级控制后，分别引入时滞较小的加热炉炉膛和聚合釜夹套作为副过程，改善了过程特性，提高了控制质量。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构【例4】图4-15是某造纸厂网前箱温度串级控制系统的工艺流程控制图。图中的原料纸浆是由泵自贮槽抽出送到混合器的，再通过蒸汽加热至72℃左右，经过立筛、圆筛除去杂质后到达网前箱，再经铜网脱水。工艺要求网前箱温度控制在61℃左右，为保证纸张质量，偏差不得超过±1℃。经过现场实际测试，从混合器到网前箱的纯滞后τ为90s，时间常数一也很大。若采用温度简单控制系统，则当纸浆流量波动为35kg/min时，被控变量网前箱温度的最大偏差将达8.5℃，过渡过程时间是450s，控制质量差，不符合工艺要求。若改用网前箱温度对混合器出日温度的串级控制(选择混合器出日温度作为副变量)，则网前箱温度的最大偏差不超过规定的1℃范围，而且过渡过程时间是200s，完全满足工艺要求。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构【例5】图4-16为某化纤厂纺丝胶液压力串级控制。从混合器流出的纺丝胶液通过计量泵送到冷却器中进行冷却，随后再被送到过滤器以除去杂质。工艺要求过滤前胶液压力稳定在250kPa，以保证后面的喷头抽丝工序正常工作。采用单回路控制时，由于胶液钻度较大，从计量泵到过滤器前的距离很长，纯滞后严重，因此不能满足控制要求。现在以计量泵出口处压力为副变量，以过滤器前压力为主变量构成P一P串级控制系统。当纺丝胶液钻度发生变化或因计量泵前的混合器有污染而引起胶液压力变化时，就可以通过副回路及时检测和控制，改变连接计量泵的变频器频率，从而调节计量泵转速克服扰动影响，满足了工艺要求。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构③串级系统可以消除副过程的非线性特性和由于调节阀流量特性不适合而造成的对控制质量的影响。

【例6】图4-17是醋酸装置中乙炔合成反应器温度串级控制流程。为保证合成气质量，必须对反应器的中部温度严格控制。但在控制通道中包含了两个换热器和一个合成反应器，而换热器有明显的非线性，所以整个控制通道特性随着生产负荷的变化而变化，具有较大的非线性。若采用单回路控制，当负荷变化时，为保持系统衰减比不变，就得不断相应地改变调节器的比例增益，在实际生产中这是不可能操作的。如果采用以反应器中部温度为主变量，以换热器出日温度为副变量的串级控制，使副回路包含过程特性随负荷变化的非线性部分，它将对负荷变化具有一定的自适应能力。虽然负荷变化会引起副过程特性变化，导致副回路衰减比发生变化，副变量波动大一些，但是主调节器的输出会重新调整副调节器的设定值，再改变调节阀开度，所以对整个系统的衰减比影响不大，主变量基本保持平稳。本例中，副调节器的输出控制着醋酸与乙炔混合气的两个阀门，副回路是后面将介绍的分程控制系统。上一页下一页返回4.1串级控制系统的基本原理与结构④串级控制系统可以兼顾两个变量，更精确控制操作变量。⑤串级控制系统可以实现灵活的控制方式，必要时可切除副调节器。上一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用1.串级控制系统的设计准则①串级系统的副环应该包含主要扰动和尽量多的扰动。②应合理选择副对象和检测变送环节的特性，使副环可近似为1:1比例环节。③根据副环频率特性，当副控制器参数整定不合适或副对象时间常数或时滞与主对象时间常数或时滞不匹配时，会出现“共振”现象。当串级控制系统某回路工作频率处于谐振频率。时，其相位接近180°，其增益为负，即成为正反馈，造成另一个被控变量也产生振荡，这种现象称为“共振”，对系统运行是很不利的。所以副对象的时间常数和滞后的选取应当比主对象小，一般选择为宜。下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用2.主、副被控变量的选择主、副被控变量的选择原则:①根据工艺过程的控制要求，主被控变量应能反映工艺指标。②副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽可能多的扰动。③主、副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率错开，以防止共振。④主、副被控变量之间应有一一对应关系。⑤主被控变量的选择应使主对象有较大增益和足够灵敏度。⑥应考虑经济性和工艺合理性上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用【例7】图4-18是四种加热炉出口温度控制方案。当系统的主要扰动是燃料油压力波动，则可采用图4-18（a）所示的被加热物料出u温度与燃料油流量T-F的串级和图4-18(b)所示的被加热物料出口温度与燃料油压力T-P的串级控制方案。这二者的区别是图4-18（a）T-F方案适用于主要扰动是燃料油上游压力波动工况，图4-18(b)适用于燃料油上游压力波动与燃料油钻度大、喷嘴、导压管宜堵塞的场合。当燃料油压力波动是主要扰动，如果采用炉膛温度作为副变量，则由于控制通道太长，副过程滞后较大，不能起到及时克服主要扰动的作用。这时应该选择调节阀后燃料油压力作为副变量，即图4-18(b)T-P方案。当燃料油压力比较稳定，主要扰动是燃料油热值、成分变化、烟囱抽力变化时，应采用炉膛温度作为副变量，即图4-18(c)T-T方案。这时副回路包括的扰动比较多，这些扰动变化都会反映在炉膛温度上，可以充分发挥副回路克服扰动的作用。对要求不高的场合可以采用简单控制方案，如图4-18(d)所示。上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用

图4-18所示系统在燃料方面扰动因素有燃料油压力、流量、成分、热值等。原料方面的扰动有进料流量、进料温度，注意这二者均是不可控的。串级与简单控制过渡过程曲线如图4-19所示。串级控制系统能及时克服进入副环的扰动，主被控变量变化幅值明显减小。上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用【例8】图4-20与图4-21所示为氯乙烯聚合反应温度控制方案。图4-20是聚合反应温度和夹套水温组成的T一T串级控制方案，当冷却水温度变化是主要扰动，则采用夹套水温作为副变量，这样可以包括水温变化、水量变化等更多的扰动。图4-21是聚合反应温度和冷却水流量组成的T一F串级控制方案，若冷却水压力波动是主要扰动，则采用冷却水流量作为副变量。值得一提的是，并不是副回路中包含的扰动越多越好，包含的扰动越多，副回路的通道越长，时滞就越大，将不能迅速克服扰动，因此应该根据实际工况合理处理上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用3.主、副调节器控制规律的选择串级控制有两个控制器，采用计算机控制时，两个控制器由功能模块组态实现;采用常规仪表控制时，两个控制器串联连接组成。控制规律的选择应根据系统要求确定。

(1)主调节器起定值控制作用(日的是消除余差)(2)副调节器起随动和定值控制作用上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用4.串级控制系的积分饱和及防止措施串级控制系统中有主、副两个调节器，不论哪个调节器具有积分作用，只要其偏差长期存在，就会出现积分饱和现象。假如副调节器出现积分饱和，这时主调节器输出变化将不能迅速地改变阀门位置，系统接近于开路，反而丧失了串级控制的优越性。主调节器的输出是副调节器的设定，因此一旦主调节器出现积分饱和后，会涉及副调节器也进入饱和区域，这样退出积分饱和的时间将更长。所以串级控制系统产生积分饱和的情况比简单控制系统严重。防止串级控制系统积分饱和，可以采用积分外反馈的方法。对主调节器引入用副变量γ2测量值作为积分正反馈信号来防止积分饱和，接线图如图4-22所示。上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用

式(4-9)表明稳态时主控制器起PI控制作用。当γ2<μ1时，μ1的增长不会超过一定的极限，即不会发生积分饱和。在采用DCS或计算机控制装置时，用户可以按照制造厂商的规定进行组态防止积分饱和。在采用常规仪表或自行设计计算机控制软件时必须注意防止积分饱和问题，例如用软件进行防止积分饱和等。对电动组合仪表，通常采用PI-P切换的方法防止积分饱和。上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用

5.主、副调节器正、反作用的选择串级控制系统主、副调节器的正、反作用的选择应满足负反馈的控制要求。具体步骤如下。①从安全角度确定控制阀的气开(Kγ>0)、气关(Kγ<0)形式。②根据工艺条件确定副被控对象特性(若操作变量增加时，副被控变量增加，则KD2为正增益;反之KD2为负增益)。③根据副环为负反馈的准则确定副调节器的正、反作用。④根据工艺条件确定主被控对象特性(副被控对象输出信号是主对象输入信号，该信号增加时，主被控对象输出也增加，主对象增益KD1为正增益，副被控对象输出信号增加时，主被控对象输出信号减少，主对象增益KD1为负增益)。⑤根据主环为负反馈的准则，确定主控制器的正、反作用。将副环看成正环节，保证主环负反馈，即Ce1CD1<0上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用⑥主调节器处于主控方式时，调节器的正、反作用是否要更换，也根据负反馈准则决定。

【例9】试确定加热炉出日温度和炉膛温度串级控制系统的控制器正反作用，简述其下作过程。分析如下。主被控变量:加热炉出日温度副被控变量:炉膛温度。控制阀:从生产安全出发，燃料油阀宜选用气开式，即Kv>0。一旦气源中断，调节阀处于关闭状态，切断燃油，避免炉管因过热而损坏。副被控对象增益判断:控制阀打开，燃料油流量增加，炉膛温度升高，因此KD2>0

对副回路要保证负反馈，则KVKD2Ke2<0。副调节器选反作用，当测量信号Z2增加，则副调节器输出u2减小。实际要求是当炉膛温度测量值上升时，调节阀应该关小，即要求副调节器输出下降。反作用刚好满足此要求。上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用主被控对象增益判断:当炉膛温度升高时，炉出日温度上升，主对象增益KD1>o

主调节器选反作用:因为在炉出日温度上升时，必须降低炉膛温度，即控制器的测量值高时其输出信号低，因此主调节器应选反作用，即Ge1GD1<0

主控方式更换:由于副调节器是反作用，所以从串级向主控切换时，主调节器作用方式不必更换。该串级控制系统工作过程:当扰动f1或负荷变化使炉膛温度T2升高时，由于副调节器是反作用，它的输出减小，调节阀是气开式，阀的开度变小，燃料量减小，以使炉膛温度下降。同时当炉膛温度升高时，引起炉出日温度T1升高，因为主调节器是反作用，使副控制器给定值降低，两个回路的共同作用会使副调节器输出更小，加速减小燃料量，降低炉膛温度，保证炉出日温度恒定。上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用6.串级控制系统中副环检测变送环节的非线性串级控制系统中副环检测变送环节的非线性通常出现在两种场合:①当副被控变量是流量，采用孔板和差压变送器未经开方器的场合;②当采用阀门定位器凸轮改变控制阀流量特性的场合。上一页下一页返回4.2串级控制系统的设计和工程应用

根据稳定运行准则，当对象出现非线性时，可采用控制阀流量特性补偿。但在串级系统中，副环由于没采用开方器而造成的非线性却不能用控制阀流量特性补偿，因为控制阀已处于副环内部。处理办法有以下三种。①假如副环与主对象特性能互补，合成的特性为线性，则满足稳定运行准则。②若副环与主对象特性不能互补，必须用非线性控制规律来补偿，不能用控制阀流量特性补偿。③采用阀门定位器时，可以通过阀门定位器的凸轮来改变控制阀的流量特性。上