串級控制系統(tǒng).doc

串級控制系統(tǒng)-兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作,其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng).例:加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)1. 基本概念即組成結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器,前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定,后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥.前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器,它所檢測和控制的變量稱主變量(主被控參數(shù)),即工藝控制指標(biāo);后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器,它所檢測和控制的變量稱副變量(副被控參數(shù)),是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量.整個系統(tǒng)包括兩個控制回路,主回路和副回路.副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成;主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成.一次擾動:作用在主被控過程上的,而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動.二次擾動:作用在副被控過程上的,即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動.2. 串級控制系統(tǒng)的工作過程當(dāng)擾動發(fā)生時,破壞了穩(wěn)定狀態(tài),調(diào)節(jié)器進行工作.根據(jù)擾動施加點的位置不同,分種情況進行分析:* 1)擾動作用于副回路* 2)擾動作用于主過程* 3)擾動同時作用于副回路和主過程分析可以看到:在串級控制系統(tǒng)中,由于引入了一個副回路,不僅能及早克服進入副回路的擾動,而且又能改善過程特性.副調(diào)節(jié)器具有粗調(diào)的作用,主調(diào)節(jié)器具有細(xì)調(diào)的作用,從而使其控制品質(zhì)得到進一步提高.3. 系統(tǒng)特點及分析* 改善了過程的動態(tài)特性,提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量.* 能迅速克服進入副回路的二次擾動.* 提高了系統(tǒng)的工作頻率.* 對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強4. 工程應(yīng)用場合* 應(yīng)用于容量滯后較大的過程* 應(yīng)用于純時延較大的過程* 應(yīng)用于擾動變化激烈而且幅度大的過程* 應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程* 應(yīng)用于非線性過程5. 系統(tǒng)設(shè)計* 主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計* 副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計* 控制系統(tǒng)控制參數(shù)的選擇* 串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇* 串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定串級控制系統(tǒng)的設(shè)計1. 主回路的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制,其設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計類似,設(shè)計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計原則進行.這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回路的協(xié)調(diào)工作問題.主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題.2. 副回路的設(shè)計由于副回路是隨動系統(tǒng), 對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應(yīng)能力,二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小,因此在選擇副回路時應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中,此外要盡可能包含較多的擾動.歸納如下.(1) 在設(shè)計中要將主要擾動包括在副回路中.(2) 將更多的擾動包括在副回路中.(3) 副被控過程的滯后不能太大,以保持副回路的快速相應(yīng)特性.(4) 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中.(5) 在需要以流量實現(xiàn)精確跟蹤時,可選流量為副被控量.在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾,將更多的擾動包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過大,這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮,因此,在實際系統(tǒng)的設(shè)計中要兼顧(2)和(3)的綜合.例如,圖1所示的以物料出口溫度為主被控參數(shù)、爐膛溫度為副被控參數(shù),燃料流量為控制參數(shù)的串級控制系統(tǒng),假定燃料流量和氣熱值變化是主要擾動,系統(tǒng)把該擾動設(shè)計在副回路內(nèi)是合理的.3. 主、副回路的匹配1) 主、副回路中包含的擾動數(shù)量、時間常數(shù)的匹配設(shè)計中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動,同時也要注意主、副回路擾動數(shù)量的匹配問題.副回路中如果包括的擾動越多,其通道就越長,時間常數(shù)就越大,副回路控制作用就不明顯了,其快速控制的效果就會降低.如果所有的擾動都包括在副回路中,主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用.原則上,在設(shè)計中要保證主、副回路擾動數(shù)量、時間常數(shù)之比值在310之間.比值過高,即副回路的時間常數(shù)較主回路的時間常數(shù)小得太多,副回路反應(yīng)靈敏,控制作用快,但副回路中包含的擾動數(shù)量過少,對于改善系統(tǒng)的控制性能不利;比值過低,副回路的時間常數(shù)接近主回路的時間常數(shù),甚至大于主回路的時間常數(shù),副回路雖然對改善被控過程的動態(tài)特性有益,但是副回路的控制作用缺乏快速性,不能及時有效地克服擾動對被控量的影響.嚴(yán)重時會出現(xiàn)主、副回路共振現(xiàn)象,系統(tǒng)不能正常工作.2) 主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇在串級控制系統(tǒng)中,主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的.主調(diào)節(jié)器是定值控制,副調(diào)節(jié)器是隨動控制.系統(tǒng)對二個回路的要求有所不同.主回路一般要求無差,主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取PI或PID控制規(guī)律;副回路要求起控制的快速性,可以有余差,一般情況選取P控制規(guī)律而不引入 I 或D控制.如果引入 I 控制,會延長控制過程,減弱副回路的快速控制作用;也沒有必要引入 D控制,因為副回路采用 P控制已經(jīng)起到了快速控制作用,引入D控制會使調(diào)節(jié)閥的動作過大,不利于整個系統(tǒng)的控制.3) 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋.串級控制系統(tǒng)有兩個回路,主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負(fù)反饋.確定過程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式,然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式.以圖1所示物料出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)為例,說明主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定.副調(diào)節(jié)器作用方式的確定:首先確定調(diào)節(jié)閥,出于生產(chǎn)工藝安全考慮,燃料調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣開式,這樣保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于全關(guān)狀態(tài),防止燃料進入加熱爐,確保設(shè)備安全,調(diào)節(jié)閥的 Kv >0 .然后確定副被控過程的Ko2,當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大,燃料量增大,爐膛溫度上升,所以 Ko2 >0 .最后確定副調(diào)節(jié)器,為保證副回路是負(fù)反饋,各環(huán)節(jié)放大系數(shù)(即增益)乘積必須為正,所以副調(diào)節(jié)器 K 2>0 ,副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式.主調(diào)節(jié)器作用方式的確定:爐膛溫度升高,物料出口溫度也升高,主被控過程 Ko1 > 0.為保證主回路為負(fù)反饋,各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正,所以副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) K 1> 0,主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式.例如圖1所示串級控制系統(tǒng)示意圖,從加熱爐安全角度考慮,調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開閥,即如果調(diào)節(jié)閥的控制信號中斷,閥門應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài),控制信號上升,閥門開度增大,流量增加,是正作用方式.反之,為負(fù)作用方式.副對象的輸入信號是燃料流量,輸出信號是閥后燃料壓力,流量上升,壓力亦增加是正作用方式.測量變送單元作用方式均為正.在圖2的串級控制系統(tǒng)框圖中可以看到,由于副回路可以簡化成一個正作用方式環(huán)節(jié),主對象作用方式為正,主測量變送環(huán)節(jié)為正.根據(jù)單回路控制系統(tǒng)設(shè)計中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計原則,即閉環(huán)各環(huán)節(jié)比例度乘積必須為正,故主調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器,副調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器.串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用1. 用于克服被控過程較大的容量滯后在過程控制系統(tǒng)中,被控過程的容量滯后較大,特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時,控制要求較高,如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求.利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動態(tài)特性,提高系統(tǒng)工作頻率,合理構(gòu)造二次回路,減小容量滯后對過程的影響,加快響應(yīng)速度.在構(gòu)造二次回路時,應(yīng)該選擇一個滯后較小的副回路,保證快速動作的副回路.2. 用于克服被控過程的純滯后被控過程中存在純滯后會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)特性,使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求.使用串級控制系統(tǒng),在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路,把主要擾動包含在副回路中,提高副回路對系統(tǒng)的控制能力,可以減小純滯后對主被控量的影響.改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量.3. 用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動串級控制系統(tǒng)的副回路對于回路內(nèi)的擾動具有很強的抑制能力.只要在設(shè)計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在