宋彤過(guò)程控制工程3串級(jí)控制系統(tǒng)

1、3. 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)主要內(nèi)容主要內(nèi)容l3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)基本概念和構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)基本概念和構(gòu)成l3.2 串級(jí)控制系統(tǒng)特性串級(jí)控制系統(tǒng)特性l3.3 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)l3.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)3.1 串級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)成及動(dòng)作分析串級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)成及動(dòng)作分析 操作及控制目的：操作及控制目的： 保證原料出口溫度及其穩(wěn)定性保證原料出口溫度及其穩(wěn)定性（2）。）。被控變量：爐出口溫度被控變量：爐出口溫度操作變量：燃料流量操作變量：燃料流量特點(diǎn)：特點(diǎn)：各種干擾對(duì)出口溫度的影響本回各種干擾對(duì)出口溫度的影響本回路均具有抑制作用。路均具有抑制作用。問(wèn)題：調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常

2、數(shù)過(guò)大問(wèn)題：調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)過(guò)大(15min(15min左右左右) )，控制作用不及時(shí)，控制作用不及時(shí), ,超調(diào)量過(guò)大，超調(diào)量過(guò)大，不能滿足控制要求。不能滿足控制要求。 單回路控制方案及問(wèn)題單回路控制方案及問(wèn)題方案方案1：方案方案2：設(shè)定：主要干擾來(lái)自燃料熱值波動(dòng)設(shè)定：主要干擾來(lái)自燃料熱值波動(dòng)被控變量：爐膛溫度被控變量：爐膛溫度操作變量：燃料流量操作變量：燃料流量特點(diǎn)：增強(qiáng)了控制靈敏度（特點(diǎn)：增強(qiáng)了控制靈敏度（t3mint3min），），對(duì)爐膛溫度有較好的控制能力；可間對(duì)爐膛溫度有較好的控制能力；可間接保證出口溫度的穩(wěn)定性。接保證出口溫度的穩(wěn)定性。問(wèn)題：對(duì)工藝要求的被控變量無(wú)監(jiān)測(cè)。問(wèn)題：對(duì)工

3、藝要求的被控變量無(wú)監(jiān)測(cè)。 串級(jí)控制方案串級(jí)控制方案方案特點(diǎn)：方案特點(diǎn)：選取主、副兩個(gè)被控變量，主變量是要求嚴(yán)選取主、副兩個(gè)被控變量，主變量是要求嚴(yán)格監(jiān)控的工藝變量（出口溫度），副變量為爐膛溫度為格監(jiān)控的工藝變量（出口溫度），副變量為爐膛溫度為輔助變量，由爐膛溫度控制器的輸出操縱燃料量輔助變量，由爐膛溫度控制器的輸出操縱燃料量.爐出口溫度與爐膛溫度爐出口溫度與爐膛溫度 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)存在問(wèn)題：存在問(wèn)題： a方案：能克服各種干擾，但是干擾控制滯后大方案：能克服各種干擾，但是干擾控制滯后大 b方案：對(duì)于除加熱蒸氣之外的干擾無(wú)克服能力方案：對(duì)于除加熱蒸氣之外的干擾無(wú)克服能力例例2：精餾塔釜溫

4、度控制：精餾塔釜溫度控制 (主要干擾：蒸汽壓力波動(dòng)主要干擾：蒸汽壓力波動(dòng)) 單回路控制方案單回路控制方案 串級(jí)控制串級(jí)控制精餾塔釜溫度控制精餾塔釜溫度控制1）串級(jí)控制基本構(gòu)成）串級(jí)控制基本構(gòu)成構(gòu)成及方案特點(diǎn)：構(gòu)成及方案特點(diǎn)： 具有主、副兩個(gè)或多個(gè)被控變具有主、副兩個(gè)或多個(gè)被控變量。主變量是要求嚴(yán)格監(jiān)控的量。主變量是要求嚴(yán)格監(jiān)控的工藝變量（出口溫度、塔釜溫工藝變量（出口溫度、塔釜溫度）；副變量是為保證主變量度）；副變量是為保證主變量的穩(wěn)定而選擇的輔助變量（爐的穩(wěn)定而選擇的輔助變量（爐膛溫度、蒸汽壓力）。膛溫度、蒸汽壓力）。 每個(gè)被控變量分別由不同的控每個(gè)被控變量分別由不同的控制器負(fù)責(zé)監(jiān)控；各制器

5、負(fù)責(zé)監(jiān)控；各控制器串聯(lián)控制器串聯(lián)連接，一個(gè)控制器的輸出作為連接，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值。另一個(gè)控制器的設(shè)定值。 具有多層回路的控制系統(tǒng)具有多層回路的控制系統(tǒng) 由最內(nèi)環(huán)回路的副變量控制器由最內(nèi)環(huán)回路的副變量控制器的輸出操縱執(zhí)行器。的輸出操縱執(zhí)行器。 最常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)最常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)2）串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖）串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)控制圖系統(tǒng)控制圖方框圖方框圖串級(jí)控制系統(tǒng)一般方框圖串級(jí)控制系統(tǒng)一般方框圖3）串級(jí)控制主要參數(shù)及環(huán)節(jié)）串級(jí)控制主要參數(shù)及環(huán)節(jié) r1(s)r2(s)3.1.2 精餾塔塔釜溫度串級(jí)控制動(dòng)作分析精餾塔塔釜溫

6、度串級(jí)控制動(dòng)作分析設(shè)定元件作用方式：設(shè)定元件作用方式： 溫度對(duì)象：正作用（）溫度對(duì)象：正作用（）壓力對(duì)象：正作用（）壓力對(duì)象：正作用（）調(diào)節(jié)閥門：氣關(guān)閥（）調(diào)節(jié)閥門：氣關(guān)閥（）(-)(+)(-)(+)(+)(+)(+)測(cè)量變送器：正作用（）測(cè)量變送器：正作用（）壓力控制器：正作用（）壓力控制器：正作用（）溫度控制器：副作用（）溫度控制器：副作用（）2）動(dòng)作分析）動(dòng)作分析cptttptggggezupteuept1( )( )( )( )221112主： cvtpppggggpeuqp2( )( )( )( )22副： a. 干擾進(jìn)入副回路干擾進(jìn)入副回路 f2 p t cttptggggteup

7、t1( )( )( )( )11副主： 設(shè)定：設(shè)定： f1 t f1副回路：依據(jù)主回路控制要求動(dòng)作（隨動(dòng)控制）。副回路：依據(jù)主回路控制要求動(dòng)作（隨動(dòng)控制）。c. 干擾同時(shí)進(jìn)入主、副回路干擾同時(shí)進(jìn)入主、副回路cvtpcttppptgggggggpeuqteueqpt21( )( )( )( )( )( )( )22112副：主： f1f2222112cvtpcttgggggpeuqptteueq( )( )( )( )( )副：主： f2f13.2 串級(jí)控制系統(tǒng)特性分析串級(jí)控制系統(tǒng)特性分析11( )( )( )( )pcvpptpgs gs gs gs單回路系統(tǒng)方框圖單回路系統(tǒng)方框圖串級(jí)控制等效

8、方框圖串級(jí)控制等效方框圖2）提高系統(tǒng)的工作頻率）提高系統(tǒng)的工作頻率n 等效副對(duì)象傳遞函數(shù)：等效副對(duì)象傳遞函數(shù)：gspgspgs gs gs gsptcv( )2( )21( )( )( )( )222222222222222222221111cvptppcvptppppcvptppkk kkttkk kkttkkkk kkkk/()/()222222222222222222222211111111pppcvtpppcvtpppcvtpppcvtppkt sgskkkkt skkkkkt skkkkkkt skkkkt()( )()()()串級(jí)控制系統(tǒng)等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)縮小了串級(jí)控制系統(tǒng)等效副

9、對(duì)象的時(shí)間常數(shù)縮小了 倍。倍。 結(jié)論：由于副回路的存在，對(duì)象系統(tǒng)容量滯后減小。結(jié)論：由于副回路的存在，對(duì)象系統(tǒng)容量滯后減小。提高系統(tǒng)的工作頻率提高系統(tǒng)的工作頻率-時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)2221cvptkk kk()ppvccppvcctgs gs gs gs gsg sgs gs gs gs gs g122112211( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( ) 工作頻率工作頻率a.串級(jí)控制系統(tǒng)工作頻率串級(jí)控制系統(tǒng)工作頻率ccvpptgs gs gs gs gs gs122111( )( )( )( )( )( )0 ccccvvttppppppgskgskgskgskkkg

10、sgst st s112211121212( ),( ),( ),( )( ),( )11令：ccvpptppppppppoppppppkkkkkkttsstttttttttttt212121121212212012212cascade12102112 ccvpptgs gs gs gs gs gs122111( )( )( )( )( )( )0 b. 單回路控制系統(tǒng)工作頻率單回路控制系統(tǒng)工作頻率l單回路控制系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)方框圖12121ppvcppvctgs gs gs gsg sgs gs gs gs gs( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) 1210p

11、pvctgs gs gs gs gs( )( )( )( )( )l根據(jù)特征方程有：根據(jù)特征方程有：l根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)二階函數(shù)有工作頻率：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)二階函數(shù)有工作頻率：1121212121010cvptppppcvpptgs gs ggs gst t sttsk k k kkp2( )( )(s)( )( )() 120122ppppttt t 2212single012112ppppttt t ccvvttppppppgskgskgskkkgsgst st s121212( ),( ),( )( ),( )11令： 212cascade1212pppptttt 121212121212111casca

12、deppppppsingleppppppttt tttttt ttt c.串級(jí)控制與單回路控制系統(tǒng)工作頻率比較串級(jí)控制與單回路控制系統(tǒng)工作頻率比較212single1212ppppttt t 3）自適應(yīng)能力（魯棒性）自適應(yīng)能力（魯棒性）自適應(yīng)能力分析自適應(yīng)能力分析cvpcvptgs gs gsgsgs gs gs gs222222( )( )( )( )1( )( )( )( ) 2222221cvpcvptkk kkkk kk 22222221cvpcvptkkdkdkkk kk() 221tkk 串級(jí)控制系統(tǒng)基本特性：串級(jí)控制系統(tǒng)基本特性：控制演示控制演示3.3 串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系

13、統(tǒng)設(shè)計(jì)3.3.1副被控變量選擇副被控變量選擇l注意：上述原則之間的矛盾性，應(yīng)根據(jù)過(guò)程及注意：上述原則之間的矛盾性，應(yīng)根據(jù)過(guò)程及控制的實(shí)際進(jìn)行選擇?？刂频膶?shí)際進(jìn)行選擇。例例1 精餾塔釜溫度串級(jí)控制設(shè)計(jì)（主要干擾處理）精餾塔釜溫度串級(jí)控制設(shè)計(jì)（主要干擾處理）副變量候補(bǔ)：副變量候補(bǔ)：1)蒸汽流量蒸汽流量 f ； 2)閥后蒸汽壓力閥后蒸汽壓力 p ； 3)釜液循環(huán)流量釜液循環(huán)流量f2) 副被控變量選擇及串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例副被控變量選擇及串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例控制目標(biāo)：控制目標(biāo)：保證精餾塔底溫保證精餾塔底溫度及其穩(wěn)定性度及其穩(wěn)定性主要干擾主要干擾:塔底蒸汽量塔底蒸汽量串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

14、方案1：塔釜溫度：塔釜溫度-蒸汽流量串級(jí)蒸汽流量串級(jí)特點(diǎn)：特點(diǎn)：l 包含干擾：蒸汽流量，換熱器壓力變化包含干擾：蒸汽流量，換熱器壓力變化l調(diào)節(jié)速度：調(diào)節(jié)速度： 時(shí)間常數(shù)較小，時(shí)間常數(shù)較小， 能快速克服上述干擾的影響能快速克服上述干擾的影響l對(duì)其他干擾無(wú)克服能力對(duì)其他干擾無(wú)克服能力特點(diǎn)：特點(diǎn)：l包含干擾：包含干擾： 蒸汽源壓力、換熱器壓力及壁蒸汽源壓力、換熱器壓力及壁 溫的影響溫的影響l調(diào)節(jié)速度：調(diào)節(jié)速度： 壁溫變化時(shí)間常數(shù)壁溫變化時(shí)間常數(shù)(幾秒幾秒)納入納入副環(huán)，提高整體系統(tǒng)工作頻率副環(huán)，提高整體系統(tǒng)工作頻率l不足：不足： 副參數(shù)對(duì)主參數(shù)間接影響時(shí)間副參數(shù)對(duì)主參數(shù)間接影響時(shí)間常數(shù)較大。塔釜溫度

15、控制要求較常數(shù)較大。塔釜溫度控制要求較嚴(yán)格時(shí)，不能保證工藝側(cè)蒸汽流嚴(yán)格時(shí)，不能保證工藝側(cè)蒸汽流的恒定完全保證控制要求指標(biāo)的恒定完全保證控制要求指標(biāo)串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3： 塔釜溫度塔釜溫度-工藝蒸汽流量串級(jí)工藝蒸汽流量串級(jí)特點(diǎn)：特點(diǎn)：l包含干擾：包含干擾： 增加了再沸器液位、溫度，增加了再沸器液位、溫度， 以及傳熱系數(shù)干擾以及傳熱系數(shù)干擾l不足：不足： 副環(huán)時(shí)間常數(shù)較大，對(duì)蒸副環(huán)時(shí)間常數(shù)較大，對(duì)蒸汽氣源壓力的波動(dòng)的克汽氣源壓力的波動(dòng)的克 服能服能力減弱。力減弱。例例2 造紙工藝網(wǎng)前箱溫度控制（純滯后處理）造紙工藝網(wǎng)前箱溫度控制（純滯后處理）tstc2n工藝過(guò)程純滯后時(shí)間：工藝過(guò)程純

16、滯后時(shí)間：90秒秒n 單回路控制：?jiǎn)位芈房刂疲?紙漿波動(dòng)：紙漿波動(dòng)：35kg/min 或者或者 蒸汽波動(dòng)：蒸汽波動(dòng)：0.12mpa/cm2 最大偏差：最大偏差：8.5 過(guò)渡時(shí)間：過(guò)渡時(shí)間：450sn 設(shè)計(jì)串級(jí)控制，將純滯后環(huán)節(jié)置于副環(huán)之外。設(shè)計(jì)串級(jí)控制，將純滯后環(huán)節(jié)置于副環(huán)之外。 串級(jí)控制效果：串級(jí)控制效果： 紙漿波動(dòng)：紙漿波動(dòng)：35kg/min 或者或者 蒸汽波動(dòng)：蒸汽波動(dòng)：0.12mpa/cm2 最大偏差：最大偏差：1 過(guò)渡時(shí)間：過(guò)渡時(shí)間：200s例例3：合成反應(yīng)器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)：合成反應(yīng)器溫度串級(jí)控制系統(tǒng) （非線性環(huán)節(jié)處理）（非線性環(huán)節(jié)處理）n控制要求：控制要求：保證出口溫度保證出口溫

17、度防止液態(tài)丙烯隨氣態(tài)丙烯被吸出防止液態(tài)丙烯隨氣態(tài)丙烯被吸出n方案方案a： * 靈敏度較低，比較遲鈍，靈敏度較低，比較遲鈍， * 日常操作：經(jīng)濟(jì)性較好日常操作：經(jīng)濟(jì)性較好 * 不能確保氣態(tài)丙烯不帶液不能確保氣態(tài)丙烯不帶液n方案方案b： * 靈敏度較高，靈敏度較高， * 氣態(tài)丙烯出口壓力不穩(wěn)定。氣態(tài)丙烯出口壓力不穩(wěn)定。 * 冷量利用不足冷量利用不足 抽吸氣態(tài)丙烯的壓縮機(jī)入口壓抽吸氣態(tài)丙烯的壓縮機(jī)入口壓力相同情況下：方案力相同情況下：方案b的蒸發(fā)壓力的蒸發(fā)壓力高于方案高于方案a * 需要增加一套液位控制系統(tǒng)需要增加一套液位控制系統(tǒng)例例4 冷凝器溫度控制冷凝器溫度控制 （經(jīng)濟(jì)性）（經(jīng)濟(jì)性）方案方案a方

18、案方案b建議：溫度控制質(zhì)量要求不高時(shí)應(yīng)用方案建議：溫度控制質(zhì)量要求不高時(shí)應(yīng)用方案a3.3.2 控制器選擇控制器選擇a. 控制規(guī)律控制規(guī)律b. 作用方式作用方式b. 副控制器控制規(guī)律選擇：副控制器控制規(guī)律選擇： 副回路允許存在余差，可采用純比例控制器。副回路允許存在余差，可采用純比例控制器。但是：但是：l流量和液體壓力作為副變量時(shí)，由于其開環(huán)靜態(tài)流量和液體壓力作為副變量時(shí)，由于其開環(huán)靜態(tài)增益較小，應(yīng)適當(dāng)加入積分作用增益較小，應(yīng)適當(dāng)加入積分作用 目的：加強(qiáng)控制作用目的：加強(qiáng)控制作用。l溫度的場(chǎng)合，可加入微分控制作用。溫度的場(chǎng)合，可加入微分控制作用。 v注意：注意： 由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)采用具有

19、微分先行由于副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)采用具有微分先行的控制器的控制器(+)3.3.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)3.4 串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍串級(jí)控制系統(tǒng)舉例串級(jí)控制系統(tǒng)舉例如圖某連續(xù)反應(yīng)器，通過(guò)向夾套內(nèi)如圖某連續(xù)反應(yīng)器，通過(guò)向夾套內(nèi)通冷卻水的方式控制反應(yīng)器內(nèi)溫度。通冷卻水的方式控制反應(yīng)器內(nèi)溫度。已知冷卻水壓力波動(dòng)頻繁，請(qǐng)為此已知冷卻水壓力波動(dòng)頻繁，請(qǐng)為此過(guò)程設(shè)計(jì)一串級(jí)控制系統(tǒng)。要求：過(guò)程設(shè)計(jì)一串級(jí)控制系統(tǒng)。要求：a. 在圖中完成所設(shè)計(jì)的控制方案在圖中完成所設(shè)計(jì)的控制方案（繪出工藝控制流程圖）。（繪出工藝控制流程圖）。b. 為保證反應(yīng)器內(nèi)溫度在任何時(shí)刻為保證反應(yīng)器內(nèi)溫度在任何時(shí)刻都不超高。試選定調(diào)節(jié)閥的氣開、都不超高。試選定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式；主、副控制器正、反作氣關(guān)形式；主、副控制器正、反作用方式。用方式。c.若冷卻