串級控制系統(tǒng)設計

1、串級控制系統(tǒng)設計第1頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日例：管式加熱爐是煉油廠經常采用的設備之一（如下所示）， 其工藝要求是：爐出口溫度保持恒定。一、串級控制系統(tǒng)的組成干擾：原料的流量、初始溫度；燃料的流量、燃料熱值。6.1 串級控制原理第2頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日方案一：管式加熱爐出口溫度的單回路控制溫度檢測變送器溫度控制器期望溫度由于原料、燃料的流量等擾動導致控制作用不及時；偏差大，控制質量差。存在的問題：第3頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日方案二：管式加熱爐出口溫度的間接控制（1）存在的問題： 在這個方案中，爐出

2、口溫度不是被控量，當來自原料入口溫度和初始溫度等干擾因素使出口溫度發(fā)生變化時，此間接控制系統(tǒng)無法將變化了的溫度調回來；期望流量流量檢測變送器流量控制器第4頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日管式加熱爐出口溫度的間接控制（2）期望爐膛溫度第5頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日 用溫度控制器的輸出作為流量控制器的設定值，由流量控制器的輸出去控制燃料油管線的控制閥，可以抑制燃料油流量的擾動方案三：加熱爐出口溫度與燃料流量的串級控制同樣：加熱爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制可以抑制燃料油 流量的擾動和熱值擾動。第6頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分

3、，星期日 串級控制系統(tǒng)：就是由兩個調節(jié)器串聯在一起，控制一個執(zhí) 行閥，實現定值控制的控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)中常見的名詞術語：溫度-流量串級控制系統(tǒng)的方框圖如下： 主、副變量，主、副控制器（調節(jié)器），主、副對象，主、副檢測變送器，主、副回路。作用在主、副對象上的干擾分別為一、二次干擾。第7頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日串級控制系統(tǒng)的通用方框圖：二、串級控制系統(tǒng)的工作過程（參見P198） 仍以管式加熱爐出口溫度控制為例，分析溫度-流量串級控制系統(tǒng)克服干擾的過程。調節(jié)閥：氣開式 溫度調節(jié)器、流量調節(jié)器：反作用內回路選取時應包含主要干擾，同時時間常數不宜過長。第8頁，共27頁

4、，2022年，5月20日，5點57分，星期日情況一：干擾來自燃料油流量的變化 初始階段，出口溫度不變，溫度控制器的輸出不變，流量控制器就按照變化了的測量值與沒變的設定值之差進行控制，改變執(zhí)行閥的原有開度，使燃料油向原來的設定值靠近。 當出口溫度發(fā)生變化時，溫度控制器不斷改變著流量控制器的設定值，流量控制器就按照測量值與變化了的設定值之差進行控制，直到爐出口溫度重新恢復到設定值 。先副回路， 后主回路情況二：干擾來自原料油方面，使爐出口溫度升高 出口溫度 溫度控制器輸出 流量控制器設定值 。 燃料油流量為適應溫度控制的需要而不斷變化。第9頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日情

5、況三：一次干擾和二次干擾同時存在主、副變量同向變化 主、副調節(jié)器共同作用，執(zhí)行閥的開度大幅度變化，使得爐出口溫度很快恢復到設定值。主、副變量反向變化 兩種干擾作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的調整。 通過分析可知：副控制器具有“粗調”的作用，而主控制器具有“細調”的作用，兩者互相配合，控制質量必然高于單回路控制系統(tǒng)。返回第10頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日1、能迅速克服進入副回路的二次干擾串級控制系統(tǒng)方框圖如下：6.2 串級控制系統(tǒng)的特點輸出對于輸入的傳遞函數：第11頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日輸出對于二次擾動的傳遞函數：第12頁，共27

6、頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日單回路控制系統(tǒng)方框圖如下：第13頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日即：串級控制系統(tǒng)克服二次干擾的能力大于單回路控制系統(tǒng)（約10100倍）。 串級控制系統(tǒng)克服一次干擾的能力也比單回路控制系統(tǒng)強。2、提高了系統(tǒng)的工作頻率雙容對象的單回路控制系統(tǒng)如下圖所示：其特征方程式為：第14頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日阻尼振蕩頻率為：自然振蕩頻率阻尼比雙容對象的串級控制系統(tǒng)如下圖所示：第15頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日 串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，提高了系統(tǒng)的工作頻率，減小了振蕩周期，在

7、衰減系數相同的情況下，縮短了調節(jié)時間，提高了系統(tǒng)的快速性。同理可得：第16頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日3、減小了對象的時間常數由特點2可知副回路的傳遞函數：式中： 等效副對象的時間常數小于副對象本身的時間常數，意味著控制通道的縮短，從而使控制作用更加及時，響應速度更快。第17頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日4、對負荷變化有一定的適應能力無串級時，開環(huán)傳函：有串級時，開環(huán)傳函：所以，串級控制可以減小或消除副對象的非線性。返回某控制系統(tǒng)方框圖如下：第18頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日 與單回路控制系統(tǒng)的選擇原則一致，即選

8、擇直接或間接反映生產過程的產品產量、質量、節(jié)能、環(huán)保以及安全等控制要求的參數作為主變量。一、主變量的選擇二、副變量的選擇選擇原則：（1）在保證副回路時間常數較 小的前提下，使其納入主 要的和更多的干擾 副回路包含的干擾越多，其通道越長，克服干擾的靈敏度越低。6.3 串級控制系統(tǒng)的設計第19頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日（2）應使主、副對象的時間常數匹配副回路工作頻率為確保串聯系統(tǒng)不產生共振，一般取主回路工作頻率（3）應考慮工藝上的合理性、可能性和經濟性三、主、副控制器的選擇（1）控制規(guī)律的選擇主控制器：一般用 P精度要求較高 PI主對象滯后較大 PID副控制器：一般用

9、 P精度要求較高，副對象時間常數過小 PI第20頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日（2）控制器正反作用方式的選擇“先副后主” 將副回路看作是一個設定值不變的單回路，用與單回路中確定調節(jié)器正反作用同樣的方法進行確定； 將副回路當作一個正環(huán)節(jié)，對主回路進行考慮，方法同上。氣開式反作用反作用返回第21頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日副回路：是一個隨動系統(tǒng)，一般對其控制品質要求不高，對其快速性要求較高。主回路：是一個定值控制系統(tǒng)，其控制品質和單回路控制系統(tǒng)一樣。參數整定的方法：逐步逼近法兩步整定法一步整定法自學 P211-2166.4 串級控制系統(tǒng)的參數整

10、定返回第22頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日1、應用于容量滯后較大的過程設計指導思想：如果用單回路控制系統(tǒng)能夠滿足控制性能要 求，就不用串級控制等復雜控制系統(tǒng)。溫度、質量等容量滯后較大且控制質量要求較高的系統(tǒng)例：加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統(tǒng)原料油熱值變化引起爐膛溫度變化只需3分鐘6.5 串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應用第23頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日2、應用于純延時較大的過程 當對象純延時較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足控制性能指標時，可以采用串級控制系統(tǒng)：在離控制閥較近、純延時較小的地方選擇一個副參數，把干擾納入副回路中。例：網前箱溫度-溫度串級控制系統(tǒng)要求：單回路控制：串級控制：第24頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日3、應用于有變化劇烈和幅度較大擾動的過程例：精餾塔釜溫度與蒸汽流量串級控制系統(tǒng)要求：單回路控制：串級控制：第25頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日4、應用于非線性過程 對象的靜態(tài)特性都具有一定非線性，當負荷發(fā)生變化時，會引起工作點的移動，使被控對象的特性發(fā)生改變。例：合成反應爐中部溫度與進氣口溫度的串級控制系統(tǒng)非線性設備第26頁，共27頁，2022年，5月20日，5點57分，星期日5、自校正設定值 串級控制系統(tǒng)中，副控制器的設定值是由主控制器的輸出來決定的，而主