第四章 串级控制系统

化工仪表及自动化第四章复杂控制系统

结构：复杂“多变量”

具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控制阀所组成的多回路控制系统。“多回路控制系统”控制目的：特殊分析、设计、参数整定、投运：复杂复杂控制系统：相对于简单而言

8概述概述3根据根据系统的结构和所担负的任务复杂控制系统串级控制系统

均匀控制系统比值控制系统分程控制系统

前馈控制系统选择控制系统

三冲量控制系统内容提要串级控制系统串级控制系统概述串级控制系统的特点及应用主、副控制器控制规律的选择主、副控制器正反作用的选择控制器参数工程整定与系统投运其他复杂控制系统均匀控制系统1内容提要比值控制系统前馈控制系统取代控制系统分程控制系统多冲量控制系统2第一节串级控制系统一、串级控制系统概述4

当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级控制系统。举例说明串级控制系统的结构及其工作原理

可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；可保证后面精馏分离的质量。控制好温度图13-1管式加热炉出口温度控制系统第一节串级控制系统

在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。

根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度

5第一节串级控制系统6

当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺作进一步分析。原因第一节串级控制系统7以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统

图13-3管式加热炉出口温度串级控制系统的方框图图13-2管式加热炉出口温度串级控制系统第一节串级控制系统

在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来自对象不同部位的测量信号θ1和θ2。T1C的输出作为T2C的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。几个串级控制系统中常用的名词

主变量工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。8第一节串级控制系统9主对象为主变量表征其特性的生产设备。副对象为副变量表征其特性的工艺生产设备。主控制器按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。副变量串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。第一节串级控制系统主回路由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。副回路由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。副控制器10第一节串级控制系统11图4-4串级控制系统典型方块图第一节串级控制系统二、串级控制系统的特点及应用121.系统的结构

串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制系统,副回路是个随动系统。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。第一节串级控制系统

选择串级控制系统的副变量一般有两类情况：

一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;

另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减小对主变量的影响。13第一节串级控制系统(1)干扰作用于副回路F2引起θ2变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定下来；如果干扰量小，经过副回路控制后，F2一般影响不到温度θ1；如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度θ1再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。162.系统的特性图13-2管式加热炉出口温度串级控制系统第一节串级控制系统在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。212.系统的特性第一节串级控制系统

3.自适应能力

由于增加了副回路,使串级控制系统具有一定的自适应能力,可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。当对象的滞后和时间常数很大,干扰作用强而频繁,负荷变化大,简单控制系统满足不了要求时,使用串级控制系统是合适的,尤其是当主要干扰来自控制阀方面时,选择控制介质的流量或压力作为副变量来构成串级控制系统是很适宜的。22第一节串级控制系统三、主、副控制器控制规律的选择23目的为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控制。副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。第一节串级控制系统选择方法序号对变量的要求应选控制规律备注主变量副变量主控副控1234重要指标,要求很高主要指标,要求较高允许变化,要求不高要求不高,互相协调允许变化,要求不严主要指标,要求较高要求较高,变化较快要求不高,互相协调PIPIPPPPIPIP主控必要时引入微分工程上很少采用表13-1主、副变量不同时应选用的控制规律24第一节串级控制系统25

四、主、副控制器正反作用的选择

串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关1.副控制器作用方向的选择第一节串级控制系统7图13-2管式加热炉出口温度串级控制系统气源中断，停止供给燃料油时，执行器选气开阀，“正”方向。燃料量加大时，炉膛温度θ2（副变量）增加，副对象“正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统，副控制器T2C选择“反”方向。第一节串级控制系统

当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。262.主控制器作用方向的选择串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关第一节串级控制系统7图13-2管式加热炉出口温度串级控制系统

主变量θ1或副变量θ2增加时，都要求关小控制阀，减少供给的燃料量，才能使θ1或θ2降下来，所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。第一节串级控制系统五、控制器参数整定与系统投运27串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。1.两步整定法

按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。第一节串级控制系统（1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如4∶1）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用δ2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于δ2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。整定过程28第一节串级控制系统29（3）根据上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按表12-3（或表12-4）的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。（5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。第一节串级控制系统共振问题

如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振”现象。

可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。

如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。30第一节串级控制系统2.一步整定法

副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。实践证明

这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。31第一节串级控制系统32副变量放大倍数Kc2比例度δ2s／％温度压力流量液位5.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80表4-2采用一步整定法时副变量的选择范围第一节串级控制系统33一步整定法的整定步骤：

（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表13-2所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。（2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。串级控制系统的投运为了保证串级控制系统顺利地投入运行，并已能达到预期的控制效果，必须做好投运前的准备工作，具体准备工作与简单控制系统相同。选用不同类型的仪表组成的串级控制系统，投运方法也有所不同，但是所遵循的原则基本上都是相同的。①其一是投运顺序，串级控制系统有两种投运方式：一种是先投副回路后投主回路；另一种是先投主回路后投副回路。目前一般都采用“先投副回路，后投主回路”的投运顺序；②其二是和简单控制系统的投运要求一样，在投运过程中必须保证无扰动切换。这里以DDZ-III型仪表组成的串级控制系统的投运方法为例，介绍其投运顺序。具体投运步骤如下所述。(1)将主、副控制器的切换开关部置于手动位置，主控制器设置为“内给（定）”，并设置好主设定值，副控制器设置为“外给（定）”，并将主、副控制器的正、反作用开关置于正确的位置；(2)在副控制器处于软手动状态下进行遥控操作，使生产处于要求的工况，即使主变量逐步在主设定值附近稳定下来；(3)调整副控制器手动输出至偏差为零时，将副控制器切换到“自动”位置；(4)调整主控制器的手动输出至偏差为零时，将主控制器切入“自动”。而且投运过程是无扰动的。1.利用换热器对冷物料进行加热。进人换热器的蒸汽压力有波动,将会影响调节质量,可以采用()控制系统。

A、温度B、温度-压力串级C、压力

答案：2.串级控制系统的主回路的特点是()。

A、先调,细调,快调B、先调,粗调,快调C、后调,细调,慢调

答案：3.在选择副变量时,为减少主、副回路的动态联系,避免“共振”应使主、副对象的时间常数之比为()。

A、4:1B、10:1C、3:1-10:1

答案：4.下面关于串级控制系统副变量的描述错误的是()。

A、在主变量确定后,选择的副变量应与主变量间有一定的内在联系B、在串级系统中,副变量的变化应尽量不影响主变量的变化C、选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量

答案：

BCCB5.下面关于串级控制回路方块图描述错误的是()。

A、一个变送器B、两个控制阀C、两个控制器

答案：

6.下面关于串级控制系统特点的描述中正确的是()。

A、在系统结构上是由两个串接工作的控制器构成的双闭环负反馈控制系统B、系统的目的是通过设置主变量来提高对副变量的控制质量C、由于副回路的存在,对于进入主回路的干扰有超前控制作用,因而减少了干扰对主变量的影响

答案：7.可适用串级控制系统的场合有()。

A、对象的滞后和时间常数很小B、干扰作用弱C、负荷变化大

答案：

BAC8.在串级控制系统中,工艺的控制指标是()。

A、主对象B、副对象C、主变量

答案：

9.先整定副控制器,后整定主控制器的方法,是串级控制回路控制器的参数整定的()。

A、一步整定法B、两步整定法C、三步整定法

答案：

10.串级控制系统中,主控制器的正反作用取决于()。

A、主对象B、副控制器C、副对象

答案：

11.串级控制系统的目的在于提高主变量的控制质量,为实现这一目的需要设置()。

A、副变量B、副对象C、副控制器

答案：

CBAA12.串级控制系统中,副控制器的正反作用取决于工艺要求和()。

A、调节阀B、副控制器C、副对象

答案：

13.在串级控制系统中,为副变量表征其特性的工艺生产设备是()。

A、副回路B、副对象C、副控制器

答案：

14.串级控制中,主变量是()。

A、工艺控制指标B、工艺随动指标C、主干扰量

答案：15.可适用串级控制系统的场合有()

A、对象的滞后和时间常数很大B、干扰作用弱C、负荷变化小

答案：

CBAA16.凡用两个控制器串联工作,主控制器的输出作为副控制器的给定值,由副控制器输出去操纵阀门(为了稳定一个工艺指标),结构上形成了两个闭合回路,这样的控制系统称为()。

A、均匀控制系统B、分程控制系统C、串级控制系统

答案：

17.下面关于串级控制回路的描述中正确的是()。

A、主、副控制器串接工作B、副控制器的输出作为主控制器的给定值C、主控制器的输出直接操纵控制阀

答案：18.串级控制系统具有一定的自适应能力可用于负荷和操作条件有较大变化的场合,是由于增加了()。

A、主对象B、副回路C、主回路

答案：

CAB19.在串级控制系统中,为主变量表征其特性的工艺生产设备是()。

A、主回路B、主对象C、主控制器

答案：20.根据经验先确定副控制器的参数,再按简单控制系统的参数整定法对主控制器的参数进行整定的方法,是串级控制回路控制器的参数整定的()。

A、一步整定法B、两步整定法C、三步整定法

答案：21.串级控制系统中对进入其中的干扰有较强的克服力的是()。

A、主控制器B、副控制器C、主回路

答案：22.串级控制系统利用主、副两个控制器串起来在一起来稳定()。

A、主参数B、副参数C、主对象

答案：

BABA23.串级控制系统主控制器的输出作为副控制器的()。

A、测量值B、给定值C、输出值

答案：24.下面关于串级控制系统的工作过程的描述中错误的是()。

A、干扰进入副回路时,由于副回路控制通道短,时间常数小,可以获得比单回路控制系统更超前的控制作用B、干扰作用于主对象时,由于副回路的存在,可以及时改变副变量的给定值,以达到稳定主变量的目的C、干扰同时作用于副回路和主对象时,如果主、副变量的变化方向相反,主、副控制器的输出信号叠加后,可以使调节阀变化很大,使系统恢复稳定

答案：25.串级控制系统中,副控制器的作用方式与以下哪个无关()。

A、主对象特性B、副对象特性C、执行器的气开、气关形式

答案：BCA26.串级控制系统中,主控制器的作用方式与()有关。

A、主对象特性B、副对象特性C、执行器的气开、气关形式

答案：27.串级控制系统对副变量的要求不严,在控制过程中,副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的,所以副控制器一般采用()控制规律;必要时引入适当的()作用。

A、P，IB、P，DC、PI，D

答案：AA1.串级控制系统的目的是高精度地稳定主变量,对副变量要求不高,一般允许有余差,所以副控制器一般选择P控制规律。

答案：2.串级控制系统由于副回路的存在,对于进入副回路的干扰有超前控制作用,因而减少了干扰对副变量的影响。

答案：3.串级控制系统中的副回路是一个随动控制系统。

答案：4.串级控制系统中,主回路是一个定值控制系统,而副回路是一个随动控制系统。

答案：

对错对对5.串级控制系统可以应用在对象滞后和时间常数大、干扰作用强且频繁的场合。

答案：6.串级控制系统的投运时,当主参数接近给定值,副参数也比较平稳后,调节主控制器的手操拨盘,使副控制器的偏差为零,将副调节器由手动切到自动,副调节器实行外给定的定值调节

答案：7.串级控制系统对副变量的要求不严,在控制过程中,副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的,所以副控制器一般采用比例控制规律;必要时可引入适当的积分作用。

答案：对对对8.串级调节时,应该将主调节器设定为串级。

答案：9.串级控制只用一个控制回路就可克服多个干扰;一种前馈作用只能克服一种干扰。

答案：10.串级控制系统由于增加了副回路,因此具有一定的自适应能力,可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。

答案：11.串级控制系统能够消除调节阀非线性特性的影响。

答案：12.串级控制系统从整体上看是定值控制系统,要求主变量有较高的控制精度;但从副回路来看是随动系统,要求副变量能准确、快速地跟随主控制器输出的变化而变化。

答案：错对对对对13.串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量,对主变量要求较高,一般不允许有余差,所以主控制器一般选择PI控制规律;当对象滞后较大时,也可引入适当的D作用。

答案：14.在串级控制系统中,当把调节阀由气开改为气关或由气关改为气开时,需要同时修改主、副控制器的正反作用。

答案：15.串级控制系统由于引入一个闭和的副回路,不仅能迅速克服作用于副回路的干扰,而且对作用于副对象上的干扰也能加速克服过程。

答案：

16.串级控制系统投运的最后一步是将副