串級控制系統與比值控制系統

串級控制系統與比值控制系統第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日本章基本要求了解串級控制系統的概念與特點；掌握串級控制系統的方框圖表示法；結合控制原理，掌握串級系統的分析方法；了解串級控制系統的設計原則；掌握串級控制系統的參數整定方法;了解串級控制系統的抗積分飽和措施。了解比值控制系統的幾種控制方案掌握比值系數的計算第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日組成：一個調節(jié)器，一個控制閥，一個被控制對象，一個測量變送器Gc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)R(s)—Y(s)

單回路控制系統方框圖第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日定義:就是采用兩個控制器串聯工作，主控制器的輸出作為副控制器的設定值，由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果。在多回路控制系統中,有兩個被控過程,兩套測量變送裝置,兩臺控制器和一個調節(jié)閥構成的系統．§5-1串級控制系統的概念第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日

圖5.1反應器溫度控制系統夾套槽壁例5-1連續(xù)槽反應器溫度控制1)采用單回路控制分析：當冷卻水方面發(fā)生擾動，需相繼通過3個容積后，θ1才升高，調節(jié)器才動作。物料方面擾動D1:流量,入口溫度,化學成分冷卻水擾動D2:入口溫度,閥前壓力圖5.2反應器單回路控制系統調節(jié)器調節(jié)閥夾套槽壁反應槽溫度測量D2D1θ1rθ1θ2－對象有三個熱容積：夾套、槽壁、槽中的物料。第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日2）采用串級控制特點：兩個調節(jié)器串在一起工作，調節(jié)器θC2通過調節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調節(jié)器θC1

通過調節(jié)夾套內水溫的設定值以保證反應溫度維持在工藝所希望的某一給定值。第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日θ1溫度測量主調節(jié)器調節(jié)閥夾套槽壁反應槽D2D1θ1rθ2副調節(jié)器溫度測量反應器的溫度串級控制方框圖第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日例5-2精餾塔提餾段的溫度控制1、簡單控制系統方案調節(jié)器調節(jié)閥蒸汽管路再沸器塔底溫度測量D2(蒸汽壓力)θrθD1Q被調量：提餾段溫度θ擾動D2：加熱蒸汽壓力擾動D1：加料方面的擾動，如溫度、流量、組分等缺點：從調節(jié)閥動作到溫度變化，需通過很多熱容積。調節(jié)滯后。第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日2、兩種改進方案：(1)附加蒸汽壓力控制方案圖5.6附加蒸汽壓力控制方案把蒸汽壓力的干擾克服在入塔前，提高了溫度調節(jié)品質，但需增加一個調節(jié)閥，且增加了蒸汽管路的壓力損失，經濟上不合理。第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日(2)串級控制方案（好）主調節(jié)器調節(jié)閥蒸汽管路系統再沸器塔底溫度測量D2θrθD1副調節(jié)器流量測量QrQ－－圖5.8提餾段溫度串級控制系統QC2QC1優(yōu)點：有效地克服蒸汽壓力波動對溫度θ的影響。θC2控制流量穩(wěn)定，θC1控制溫度穩(wěn)定。第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日通用的串級控制系統主調節(jié)器調節(jié)閥副對象主對象主變送器二次擾動一次擾動副調節(jié)器副變送器－－主參數設定主參數副參數副回路1)在結構上，串級控制系統由兩個閉環(huán)組成．副回路起“粗調”作用，主回路起“細調”作用。2)每個閉環(huán)都有各自的調節(jié)對象，調節(jié)器和變送器3)調節(jié)閥由副調節(jié)器直接控制隨動控制系統定值控制系統

主回路第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日①主、副回路在外面的閉合回路稱為主回路(主環(huán))，在里面的閉合回路稱為副回路(副環(huán))。②主、副控制器處于主回路中的控制器稱為主控制器；于副回路中的控制器稱為副控制器。③主、副變量主回路的被控變量稱為主被控變量，也稱為主變量或主參數；副回路的被控變量稱為副被控變量，也稱為副變量或副參數串級控制系統中的名詞：第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日④主、副對象主回路所包括的對象稱為主對象；副回路所包括的對象稱為副對象。⑤主、副變送器檢測和變送主變量的稱為主檢測變送器；檢測和變送副變量的稱為副檢測變送器。⑥一、二次干擾進入主回路的干擾稱為一次干擾；進入副回路的干擾稱為二次干擾。串級控制系統中的名詞：第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日串級控制系統方塊圖Gp2’(s)第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日串級系統副環(huán)的等效性Gp2’(s)第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日§5-2串級控制系統的分析及特點串級控制系統方框圖Gc1(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm1(s)Gc2(s)Gm2(s)－－R1(S)Y1(s)R2(S)Y2(s)Gd2(s)D2(s)Gp2’(s)第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日串級系統副環(huán)的等效性Gp2’(s)第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日串級控制系統的特點（1）副回路（內環(huán)）具有快速調節(jié)作用，它能有效地克服二次擾動的影響；由于而對于動態(tài)滯后較小的副回路，有第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日（2）由于內環(huán)起了改善對象動態(tài)特性的作用，因此可以加大主調節(jié)器的增益，提高系統的工作頻率。設副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數為1＋KC2KVKP2Km2>1TP2’<TP2等效對象的時間常數縮小了，加快了副環(huán)的響應速度，提高了系統的工作頻率。第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日（3）對負荷或操作條件的變化具有一定的自適應能力對于內環(huán)等效對象的增益當結論：當副回路增益足夠大時，使主回路的特性基本上和副對象、調節(jié)閥的增益無關（系統的“魯棒性”強）。第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日串級控制特點總結：1)在系統結構上,它是由兩個串接工作的控制器構成的雙閉環(huán)控制系統.其中主回路是定值控制，副回路是隨動控制．2)副回路的引入，大大克服了二次擾動對系統被調量的影響3)副回路的引入,提高了整個系統的響應速度,使其快速性得到了提高．4)串級控制系統對負荷或操作條件的變化有一定的自適應能力．串級控制系統主要應用于：對象的滯后和時間常數很大、干擾作用強而頻繁、負荷變化大、對控制質量要求較高的場合。第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日§5-3串級控制系統設計和實施中的幾個問題考慮的問題:副回路的設計,副參數的選擇.主副回路之間的關系,兩個調節(jié)器可能產生的問題.一副回路的設計副回路的設計主要是如何選擇副參數．其設計原則為：副參數的選擇應使副對象的時間常數比主對象的時間常數小，調節(jié)通道短，反應靈敏；副回路應包含被控對象所受到的主要干擾；盡可能將帶有非線性或時變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日選擇夾套溫度作為副參數,可迅速反映冷水側的干擾，然后加以克服。主調節(jié)器調節(jié)閥夾套槽壁反應槽溫度測量D2D1θ1r副調節(jié)器溫度測量θ2rθ2θ1－－1、反應器溫度控制系統串級系統副參數的選擇舉例第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日精餾塔提餾段溫度控制的不同串級方案串級系統副參數的選擇舉例2、副回路的快速性與副回路所能包括的擾動范圍之間的矛盾第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日（1）副參數為加熱蒸汽（作用線1）主調節(jié)器調節(jié)閥蒸汽管路系統再沸器塔底溫度測量D2θrθD1副調節(jié)器流量測量QrQ－－控制方案1方框圖分析：可保持加熱量穩(wěn)定，它只能快速消除因蒸汽汽源壓力或冷凝壓力變化引起的擾動。由于蒸汽流量對象的滯后非常小，當用流量作副變量時，并不能使串級系統的頻率有多少提高，對克服其它擾動不明顯。第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日主調節(jié)器調節(jié)閥蒸汽管路系統再沸器塔底溫度測量D2θrθD1副調節(jié)器流量測量QrQ－－控制方案2方框圖P（2）副參數為調節(jié)閥后的蒸汽壓力（作用線2）：分析：把加熱蒸汽側的擾動完全包括在副環(huán)之內，與1相比，副環(huán)中包括了更大的時間常數，有助于改善主環(huán)的調節(jié)性能。第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日（3）副參數為再沸器的蒸發(fā)量（作用線3）：把再沸器側的擾動包括在副環(huán)內（再沸器液位、塔釜溫度等），有助于改善主環(huán)的調節(jié)性能，但副環(huán)克服蒸汽方面的擾動要慢些。第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、主,副回路工作頻率的選擇目的：避免副環(huán)進入高增益區(qū)，避免產生串級共振現象.共振現象：如果主回路的工作頻率接近副回路的諧振頻率，則副回路將呈現出很高的增益和較大的相位滯后，這時反過來將嚴重影響主回路的穩(wěn)定性，從而使主副參數長時間地大幅度地波動的現象。結論：一般?。篢d1為主回路時間常數，Td2為副回路時間常數第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日三、防止調節(jié)器積分飽和的措施1、若副調節(jié)器是P作用，主調節(jié)器是PI或PID作用時，抗積分飽和措施與單回路系統相同。2、若主副調節(jié)器均有積分作用，積分飽和比單回路系統更嚴重。措施：根據副回路的偏差來防止主調節(jié)器積分飽和的方案。第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日串級系統中調節(jié)器正反作用方式的選擇1)根據工藝安全要求，選擇調節(jié)閥的氣開，氣關形式2)將副回路當作一個獨立的閉回路，按照使副環(huán)形成一個負反饋的原則確定副調節(jié)器的正反作用方式3)將整個副回路當作主回路的一個環(huán)節(jié),其作用方式總為正.再來確定主調節(jié)器的作用方式.y主調節(jié)器調節(jié)閥副對象主對象主變送器r副調節(jié)器副變送器－－總為第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日§5-4調節(jié)器的選型和整定方法副調節(jié)器：副調節(jié)器常選擇P或PI控制律

原因：消除副回路內的二次擾動，快速性，不要求無差一般選P調節(jié)器，當主副環(huán)頻率相差很大，可選PI調節(jié)器。一、主副控制器的控制規(guī)律選擇主調節(jié)器：一般采用PI或PID控制規(guī)律原因：主回路的任務是滿足主參數的定值控制要求。因而對于主參數為溫度的串級系統，主調節(jié)器必須加入較強的積分作用（除主參數為液位的串級均勻控制系統以外）。當主對象的調節(jié)滯后較大，而主參數變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、串級控制系統的整定1、逐步逼近法(比較費時)它是一種依次整定主環(huán)，副環(huán)，然后循環(huán)進行，逐步接近主，副環(huán)的最佳整定的一種方法．其步驟為：①首先整定副環(huán).

斷開主環(huán),按單回路整定副環(huán),求取副調節(jié)器的整定參數.②整定主環(huán)．整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，按單回路方法整定主環(huán)，得到主調節(jié)器整定參數．③再次整定副環(huán)。在主調節(jié)器已經整定一次的條件下,按單回路整定方法,重新求取副調節(jié)器的整定參數.此時主副回路都已經閉合．④重新整定主環(huán)．在兩個環(huán)都閉合，副調節(jié)器第二次整定情況下重新整定主調節(jié)器．⑤如果調節(jié)過程還未達到品質要求，按③④步繼續(xù)進行，直到控制效果滿意為止．如果在第③步甚至第②步就已經滿足品質要求，整定無需繼續(xù)進行．第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日2、兩步整定法先整定副環(huán)，再整定主環(huán)．具體步驟為：（1）先整定副環(huán)。主副環(huán)均閉合，得副調節(jié)器的衰減率為0.75時的比例帶δ2S和振蕩周期T20（2）整定主環(huán)。主副環(huán)仍閉合，副調節(jié)器置于δ2S，得主調節(jié)器在衰減率為0.75時的比例帶δ1S和振蕩周期T10（3）由衰減曲線法的計算公式，查表求出各調節(jié)器的整定參數。第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日§5-5比值控制系統定義:

用來實現兩個或以上物料之間保持一定比值關系的過程控制系統

.主物料-----處于主導地位的物料，表征該物料的參數為主動量F1(主流量)從物料-----隨主物料的變化呈比例變化的另一種物料表征該物料的參數從動量F2(副流量)流量比值副流量主流量流量比值----副流量與主流量的比值K主物料和從物料:第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日例5-6合成塔比值控制系統工藝要求：A,B兩種物料的流量保持一定比例，物料B的流量QB不可控．兩種流量的比值通過設定比值器R實現壓差變送器比值器決定流量比值調節(jié)器給定值IB*:主流量的K倍實現目標:副流量隨主流量而變化,其流量是主流量的K倍．第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日QB--主流量(不可控)

QA—副流量(被控量)變送器比值器R調節(jié)器調節(jié)閥管路變送器QBIBIB*QAIA－合成爐比值控制系統方框圖主流量副流量實現K倍調節(jié)副流量合成爐比值控制系統方框圖第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日一比值系數的計算工藝要求兩個物料流量之比為K＝QA/QB,可通過設置比值器的輸出輸入信號之比來實現.即比值系數α．壓差變送器比值器實現流量比K第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日線性環(huán)節(jié)的增益:K=輸出范圍/輸入范圍=輸出增量／輸入增量溫度變送器量程為0~100℃,為DDZ-III型儀表，則其增益(轉換系數)為

K=(20-4)/(100-0)=0.16mA/℃比值系數α＝比值器R輸出增量／比值器R輸入增量輸入輸出儀表類型：DDZ-II:0~10mADDZ-III,DDZ-S:4~20mA第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日壓差變送器DT將壓差信號線性地轉換為電信號．采用DDZ-III型．有增量對于節(jié)流元件，壓差與流量的平方成正比，則KA,KB-----節(jié)流元件放大系數1.流量與測量信號之間是非線性關系第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日B物料的流量信號IB經比值器R后變?yōu)镮B*,為調節(jié)器的設定值，穩(wěn)定后與實際值IA相等，即IB*=IA,則比值系數α為雖然流量與其測量信號成非線性關系，但是比值系數卻是常數．壓差變送器比值器實現流量比K第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日2)流量與其測量信號之間呈線性關系在有些系統中,在變送器后加上開方器,使流量與測量信號間不再是非線性關系開方器比值器第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日結論：①流量比值K與比值系數α是兩個不同的概念．②比值系數α的大小與流量比K,最大流量有關．③線性測量與非線性測量情況下比值系數關系：α非=(α線)2

3)主流量與副流量的選擇①主要物料作為主流量,其他物料為副流量.以副流量的變化跟隨主流量的變化.如果兩種物料中,一種是可控的,另一種是不可控的,選不可控物料為主流量,可控物料為副流量．②如果兩種物料中一種供應不成問題,另一種可能出現供應不足,應選可能供應不足的物料為主流量.第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日二比值系統中的非線性特性非線性:系統的靜態(tài)增益不是一個定值而是隨負荷變化的.比值系數與負荷無關:

由比值系數的計算可得結論,在流量和其測量信號之間呈線性或非線性關系兩種情況下,比值系數均為常數,與負荷大小無關.

即負荷變化時有無開方器對系統靜態(tài)比值無影響.壓差變送器比值器流量測量中的非線性對系統的影響第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日為了保持系統的性能穩(wěn)定，需要使系統的總增益接近常數．在變送器后加入開方器后，其增益為：加入開方器后，使進入到比值器和調節(jié)器的表示流量的電流信號與流量的靜態(tài)增益為常數，消除了非線性影響．Kp對系統性能的影響：系統在較小負荷下整定好調節(jié)器參數,可以保證一定控制品質.當負荷增大時,由于測量變送部分的靜態(tài)增益增加很多,而調節(jié)器參數未變，使控制品質惡化．第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日三比值系統的整定按單回路系統整定,需滿足要求:①要求系統響應速度快,能對主流量的變化作出快速跟蹤②要求衰減率ψ較大,使被調量盡快穩(wěn)定,波動小.整定過程1)將調節(jié)器QAC的積分時間TI設為最大,從大到小逐漸減小比例帶δ,直到被調流量在主流量階躍擾動下的過渡過程處于振蕩與不振蕩的臨界情況．如右圖曲線b2)確定了比例帶后,逐步減小積分時間常數TI,直到被調量稍有一點過調．如曲線c第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日四常見比值控制系統變送器比值器調節(jié)器調節(jié)閥管路變送器QBIBIB*QAIA－

單環(huán)比值控制系統單環(huán)比值控制系統:用一個調節(jié)器控制副流量,使它按比例跟隨主流量.特點:控制系統簡單,能夠克服單環(huán)內的各種干擾對比值系統的影響.不足之處:一般只用于負荷變化不大的場合.

1、單閉環(huán)比值控制系統第四十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日2.雙閉環(huán)比值控制系統使用場合：在比值控制精度要求較高，主流量允許控制的情況下．特點:增加了主流量控制回路,實現了主流量的定值控制,使主流量變化平穩(wěn).從而使與主流量成比例的副流量也能夠平穩(wěn).可通過改變主流量的設定值實現負荷的變化．①控制系統由兩個閉環(huán)組成，主流量為定值控制，副流量為隨動控制②兩個回路之間由比值器聯系③比值器接受主回路流量信號，輸出