串级控制系统

串级控制系统为了提高效率减少成本，采用传统的PID控制往往不能达到控制要求，为此采用一些改进的策略，采用更多的测量值或操纵变量，如串级控制、均匀控制、选择控制、分程控制以及非线性增益补偿控制。反馈控制是被控变量和设定值之间产生偏差后起作用；前馈控制是克服干扰的影响；但是若干扰不可测，则用另外一种方案：串级控制来克服干扰，是用第二个测量点构成第二个反馈回路克服干扰，第二个测量点比被控变量更快感知干扰的影响。定义：一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称作串级控制。两个控制器都有各自的测量输入，但是只有主控制器具有独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给执行器，这样组成的系统称为串级控制系统。一﹑串级控制系统的组成炼油厂常用的设备中有一种叫管式加热炉，工艺要求被加热原料在炉的出口温度保持恒定。单回路控制系统的方案如下图。控制阀出口温度燃料油原料油设定值测量值变送器控制量一﹑串级控制系统的组成1、此方案的实际控制效果并不理想，原因是影响燃料油流量除阀门开度外，油压也对流量产生影响。2、此影响使被控量即出口温度发生变化后，控制器才改变阀的开度，使流量产生相应的变化以克服油压变化这一干扰因素。3、由于燃料油要经过管道传输、燃烧传热等一系列环节，总滞后较大，导致控制作用不及时，尤其当燃料油压力变化较大且频繁时，将使系统偏差增大，控制质量显著降到低。

一﹑串级控制系统的组成既然燃料油压力变化是主要干扰，且其对出口温度影响滞后较大，则是否能通过控制燃料油流量来间接达到控制出口温度的目的？给出下图控制方案。控制阀出口温度燃料油原料油设定值测量值变送器控制量此方案的优点在于能及时有效地克服燃料油压力的干扰，使流量的波动对出口温度的影响降到最低程度。此方案的缺点是出口温度不是被控量，燃料油流量是间接被控量，这就要求燃料油流量对出口温度有足够的灵敏度，且两者间有一一对应的关系。另外影响出口温度的还有燃料油的热值、炉膛的压力(影响燃烧所需的空气含氧量)﹑原料油入口温度及入口流量等诸多因素，且当上述因素引起出口温度变化时,由于出口温度未反馈到系统的输入端，故此方案无法克服上述因素的干扰将温度调节到理想状态。上面两种方案各有优缺点，下图是把两种方案结合起来的一种控制方案。控制阀出口温度燃料油原料油控制量流量测量值流量变送器温度设定值温度测量值温度变送器气开反作用反作用在此方案中，用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制器的输出去调燃料油的流量。从结构看，其特点是两个控制器串接使用，故此案可叫热炉出口温度燃料油流量的串级控制系统。由结构示意图可画出其方框图。温度对象流量对象控制阀流量控制器温度控制器流量检测变送器温度检测变送器为便于对串级控制系统的工作原理进行定性分析，先给出串级控制系统的一些常用词术语。主变量：起主导作用,关系到产品产量、质量和操作安全的被控量，如炉出口温度主变送器：检测和变送主变量的变送器。副变量：为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量如燃料油流量。副变送器：检测和变送副变量的变送器.主控制器：按主变量的测量值与设定值的偏差进行工作的控制器,如温度控制器。副控制器：按副变量的测量值与主控制器的输出值即副控制器的设定值之间的偏差进行工作的控制器，如流量控制器。主对象：主变量所处的那部分工艺设备,其输入信号为副变量，输出信号为主变量,如温度对象。副对象：副变量所处的那部分工艺设备,其输入信号为操纵量，输出信号为副变量,如流量对象。主回路：在串级控制系统方框图中,处于外环(也叫主环)的整个闭合回路。副回路：串级控制系统方框图中的内环(也叫副环),有时也称随动回路。一次干扰：作用在主对象上的干扰,如D1

二次干扰：作用在副对象上的干扰,如D2应用上述名称和术语，可得一般串级控制系统的如下方框图。主对象副对象控制阀副控制器主控制器副变送器主变送器副回路主回路二﹑串级控制系统的工作过程以管式加热炉出口温度与燃料油流量串级控制系统为例，定性分析此类系统克服干扰的过程。首先应按工艺机理和保证生产的安全性确定系统中各固有对象和装置的正反作用，然后选择主﹑副控制器的正反作用，使主、副回路均为负反馈。温度对象流量对象控制阀流量控制器温度控制器流量检测变送器温度检测变送器“+”“+”“+”“+”“+”“-”“-”由于燃料油，温度对象为正作用；阀门开度增大，导致流经阀门的燃料油，流量对象为正作用；考虑到一旦发生故障,不致使加热炉烧坏,控制阀采用气开式,则控制阀为正作用；流量和温度检测变送器均为正作用；先选择副回路中流量控制器正反作用,根据控制器正反作用选择规则,流量控制器选择反作用,则，由于副回路为负反馈,所以副回路为正作用，最后可选温度控制器为反作用。温度对象流量对象控制阀流量控制器温度控制器流量检测变送器温度检测变送器“+”“+”“+”“+”“+”“-”“-”下面分析串级控制系统的工作过程第一种情况：假设仅有作用于流量对象的二次干扰，由的变化需经一段时间才会引的变化,故认暂时不变,也暂时不变,是给定值,所以也不变,从而有:从而有:阀门开。可见一有二次干扰,副回路即对副变量进行调节,使其回到受干扰前的数值上。但初始的上升经一段时间后仍会引起的上升,则有:第二种情况:

假设仅有作用于温度对象的一次干扰

与第一种情况分析过程类似有:

第三种情况:假设同时作用,又非两种情形,第一种情形使同向变化,则有：第二种情形使反向变化，则有：使变化很小。假设稍有上升,稍有上升,致使稍有下降,由于，所以变化不大,稍作调整即可让上升恢复到干扰前的数值上。可见,在这种情形下,串级控制系统本身主、副变量的反向变化即具有互补作用。通过以上分析结果可认为,副控制器具有粗调作用,主控制器有细调作用，两者相互配合，其控制质量必高于单回路控制系统。串级控制系统特点从总体上看是定值控制系统1、副回路具有快速调节作用，能有效地克服发生于副回路的扰动影响。2、串级系统对副对象和控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。但需要注意问题：1、主回路对副对象及控制阀的特性变化具有鲁棒性，但副回路本身却并没有这种特性。副对象或控制阀特性的变化仍然会较敏感地影响副回路的稳定性。2、主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。串级控制系统的设计要发挥串级控制系统的优势，需根据工程实际，合理设计串级控制系统，设计内容有主、副回路的选择，主、副控制器的选型及正、反作用方式的确定等。

一、主回路的选择主回路的选择主要是确定主变量，其原则与确定单回路控制系统的被控量基本一致。

二、副回路的设计副回路设计是发挥串级控制系统优势的一个关键，其设计合理，串级控制系统的特点得到充分发挥，串级系统的控制质量比单回路有明显提高。副回路的设计应遵守以下一些原则。(1)使系统中的主要干扰被包含在副环内。由于副环动作速度快、抗干扰能力强，应把对主变量影响最严重、变化最剧烈、最频繁的干扰包含在副环内，将干扰的影响抑制到最低限度。

(2)在可能情况下，应使副环包含更多一些干扰。

在某些情况下，系统的干扰较多而难于分出主要干扰，就应考虑使副环尽可能多包含些干扰。

例如对于一个加热炉出口温度控制问题，若产品质量主要取决于出口温度，而工艺上对它要求也较严格，为此需采用串级控制控制方案。当原料油的成分和处理量比较稳定，燃料油的组分也较稳定(即热值较稳定)，但燃料油的压力会经常波动，此时宜采用炉出口温度与燃料油压力串级控制控制方案。如燃料油压力由于工艺上的需要经过稳压，而燃料油的组分变化较大，或原料油的组成和处理量经常变化，则采用下图方案时，控制阀出口温度燃料油原料油控制量流量测量值流量变送器温度设定值温度测量值温度变送器此方案叫炉出口温度与炉膛温度串级控制。控制阀出口温度燃料油原料油温度变送器温度设定值控制量(3)当对象具有非线性环节时，应使非线性环节处于副环中。由于串级控制系统具有一定的自适应能力，可克服副对象的非线性因素，故非线性环节应被包含在副环中。下图是某醋酸、乙炔合成反应器装置。一路醋酸、乙炔混合气直接进入合成器，另一路经热交换器后进入合成器。为保证生成气的质量，工艺要求对反应器中温度进行控制，且要求很高，故以反应器内温度为主变量，经检测变送与主温度控制器构成主回路。由于热交换器具有非线性，因而使整个对象的特性随负荷的变化而变化，为此可以热交换器的出口温度作为副变量，经检测变送后，与副温度控制器构成副回路。从而非线性环节处于副环中，构成一反应器内温度与入口温度的串级控制系统。控制阀醋酸﹑乙炔混合气控制阀生成气温度设定值(4)当对象具有较大纯滞后时，应使副环尽量少包括或不包括纯滞后。当副对象具有较大纯滞后时，对主控制器输出的反应就很迟钝，不能快速克服干扰的影响，使副回路起不到随动系统的作用。因此应尽量将纯滞后部分放到主对象中，以提高副回路的快速抗干扰功能。(5)副回路设计应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防止发生“共振”。主、副回路之间在串级控制系统中是密切相关的。副变量的变化会影响到主变量，主变量的变化通过反馈回路又会影响到副变量，如主、副对象的时间常数比较接近，则主、副回路的工作频率也较接近，一旦系统受到干扰，就有可能产生“共振”，轻则使系统的控制质量下降，重则会导致系统发散而无法工作。(6)设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺上的合理性。举一个丙稀冷却器出口温度串级控制系统为例来说明方案设计时的经济性问题。控制阀气丙稀液丙稀进料出料通过液丙稀在冷却器内与高温的进料经热交换后，使出料达到工艺上规定的温度值，而液丙稀吸收热量后成气丙稀排出并返回冷冻压缩机冷凝后重复使用。主变量选出料温度，影响出料温度的因素为液丙稀在冷却器内的液面高度，液面越高，出料温度越低，故温度对象即主对象为反作用。当液丙稀的流入量与其挥发的气丙稀达动态平衡时，冷却器内的液面高度保持恒定，但液丙稀的流入量除受控制阀的开度影响外，与阀两端压差有关。故方案一以液面高度为副变量组成出料温度与液面高度的串级控制系统。方案二以冷却器内气丙稀的压力为副变量，构成出料温度与压力的串级控制系统，见下图。此方案以压力为副变量比方案一中以液位为副变量灵敏，反应速度快。但在这两种方案中，假如冷冻机入口压力相等，方案二中冷却器内丙稀蒸发压力需高于方案一，因在方案二中气丙稀管道上的控制阀有一定的压降，冷却温差就要减小，冷量利用不够充分，使生产耗能增加。另外方案二仍需再设置一套液位控制系统，以维持一定的蒸发空间，防止因液位过高使气丙稀带液进入冷冻机而危及后者的安全。控制阀气丙稀液丙稀进料出料控制阀三﹑主﹑副控制器的选择(1)串级控制系统中主、副控制器控制规律的选择工艺上对主变量要求比较严格，不允许有余差。主回路是定值系统，为了主变量的稳定，主控制器一般选用PI控制。但当对象控制通道容量滞后较大时，为克服容量滞后则可采用PID控制。当工艺上对副变量要求不很严格，由于副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为能使副变量快速跟踪给定值的变化，副控制器最好不带积分作用，因积分作用会使跟踪变得缓慢。

副控制器的微分作用一般也不需要，因当控制器有微分作用时，一旦主控制器的输出稍有变化，控制阀就将大幅度的变化，对控制不利。只有当副对象容量滞后较大时，才可适当加些微分作用。副控制器一般采用比例控制即可。只有当主控制器采用积分作用时,不论干扰作用在副回路还是作用在主回路,都能保证主变量无余差,然而副控制器有积分作用而主控制器无积分作用,只有干扰作用于副回路,主变量才无余差,如干扰作用干主回路,主变量仍然会有余差.(2)串级控制系统中主、副控制器正、反作用的选择主、副控制器正、反作用的选择应先副后主。副控制器的正、反作用视副回路的具体情况而定，与主回路无关。主回路中包括副回路，由于副回路是一随动系统，当主控制器输出增加时，副变量也增加，所以副回路必为正作用，再视主回路中其它环节定主控制器的正、反作用。主﹑副控制器正﹑反作用的选定均应满足“相乘为负”的判别式。主控制器的正﹑反作用还可根据主﹑副变量同方向变时，对控制阀动作方向是否一致来确定。当方向一致时，主控制器应选反作用；方向不一致时，主控制器应选正作用。(3)串级控制系统中串级与主控直接切换条件由于工艺上的需要，串级系统有时要副回路单独控制有时要遥控，有时要进行“主控”(即主控制器输出直接控制控制阀)，所有这些切换，除能方便实现、保证切换时无扰动外，还须满足一定的条件即无论朝哪个方向切换，都必须保证当主变量变化时，去控制阀的信号方向完全一致。四﹑串级控制系统的实施方案在选择具体的实施方案,一般应考虑以下几个问题:(1)所选用的仪表信号必须互相匹配.在选用不同信号仪表组成串级控制系统时,必须配备相应的信号转换器.(2)所选用的副控制器必须具有外给定输入接口,否则无法接受主控制器来的外给定信号.(3)在选择实施方案时,应考虑除串级和副回路单独控制外,是否还有“主控”要求,如有则需增加切换开关

(4)实施方案应力求实用,少化钱多办事.在满足要求的前提下,系统应尽量简单可靠,仪表少些为好,从而