第二章(1)串級(jí)控制

第

二

章

復(fù)

雜

控

制

系

統(tǒng)第一章內(nèi)容:單回路控制系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)控制規(guī)律:簡(jiǎn)單PID控制特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛，占控制系統(tǒng)總數(shù)近90%在絕大多數(shù)情況下，可以滿足要求，實(shí)際應(yīng)用比較廣泛過(guò)程特點(diǎn)：

大型化、裝置復(fù)雜、擾動(dòng)頻繁且劇烈系統(tǒng)本身時(shí)變非線性系統(tǒng)各參數(shù)之間耦合嚴(yán)重存在有滯后控制性能要求高存在問(wèn)題：?jiǎn)位芈稰ID控制，已不能滿足系統(tǒng)的要求解決方法：本章的研究?jī)?nèi)容改進(jìn)控制方案的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)適合生產(chǎn)過(guò)程特點(diǎn)的控制方案2023/2/31

復(fù)雜控制系統(tǒng)可分為兩大類：⑴提高響應(yīng)曲線性能指標(biāo)為目的的控制系統(tǒng)，包括：①串級(jí)控制系統(tǒng)②前饋控制系統(tǒng)

⑵按某些特定要求而開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)，包括：①比值控制系統(tǒng)②均勻控制系統(tǒng)③分程控制系統(tǒng)和閥位控制系統(tǒng)④選擇性控制（取代控制）系統(tǒng)2023/2/32加熱爐溫度控制2.1串級(jí)控制系統(tǒng)TC101可設(shè)計(jì)TO與GC的單回路PID控制2.1.1基本原理和結(jié)構(gòu)

1、什么是串級(jí)控制系統(tǒng)操縱變量：燃料氣流量受控變量:進(jìn)料出口溫度

分析對(duì)象的特性：加熱爐內(nèi)管有數(shù)百米長(zhǎng)，熱容很大，是典型的一階加純滯后過(guò)程。當(dāng)輸入變化時(shí)，輸出要延遲一段時(shí)間，且變化緩慢若溫度不變，T0

→Gc的PID控制，則閥的開(kāi)度不變?nèi)剂蠚忾y上游壓力波動(dòng)時(shí)，雖閥的開(kāi)度不變，但流量變化，將影響溫度，溫度→燃料量的單回路PID對(duì)此特定的過(guò)程控制不及時(shí)，不能滿足工藝要求。2023/2/33

采用燃料氣流量的單回路控制，雖可以保證燃料氣的流量恒定，克服了閥前壓力擾動(dòng)的影響，但控制系統(tǒng)對(duì)溫度是開(kāi)環(huán)的，當(dāng)負(fù)荷變化、燃料氣燃燒值變化時(shí)，進(jìn)料出口溫度變化，流量控制系統(tǒng)不能保證溫度恒定。因此以上兩種控制方案都不能滿足工藝要求。

將溫度和流量控制結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一種新型的控制方案：

流量控制時(shí)，若溫度增加，將流量控制器給定值降低，讓燃料氣的流量減小，以維持溫度恒定，流量控制器的設(shè)定值隨溫度變化。由此產(chǎn)生了一種新的控制方案FC101TR101FC101TC101

由溫度控制器去設(shè)定流量控制器的設(shè)定值→串級(jí)控制2023/2/34Gc2(S)Gv(S)主控制器+-串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖Gp2(S)Gp1(S)Gm2(S)Gc1(S)Gm1(S)+-副控制器控制閥副對(duì)象主對(duì)象u1u2r1y1y2c1c2f1f2內(nèi)回路為副回路：包括副控制器、控制閥、副受控對(duì)象、副變量測(cè)量變送器。串級(jí)控制系統(tǒng)是由兩個(gè)控制器的串接組成，一個(gè)控制器的輸出做為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，兩個(gè)控制器有各自獨(dú)立的測(cè)量輸入，只有一個(gè)控制器的給定由外部設(shè)定。

2、串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)框圖如下系統(tǒng)由內(nèi)外兩個(gè)回路組成：2023/2/35外回路稱為主回路：主控制器、副回路、主變量測(cè)量變送器、主受控對(duì)象

3、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)主變量：工藝要求的主要控制變量副變量：維持主變量平穩(wěn)引出的中間變量副對(duì)象：反映副變量與操縱變量之間的關(guān)系主對(duì)象：反映主變量與副變量之間的關(guān)系主控制器：接受主變量的偏差，去改變副控制器的設(shè)定值副控制器：接受副變量的偏差，去輸出給控制閥。FC101TC101系統(tǒng)的特點(diǎn)：主控制器輸出改變副控制器的設(shè)定值，故副回路構(gòu)成的是隨動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定值是變化的。2023/2/36cTCTC溫度對(duì)爐膛溫度串級(jí)2023/2/37Gc2(S)Gv(S)+-Gp2(S)Gp1(S)Gm2(S)Gc1(S)Gm1(S)+-u1u2r1y1y2c1c2f1f22023/2/38

設(shè)對(duì)象的特性分別為：Gc2(S)Gp2(S)Gp1(S)Gc1(S)-+y1r1-+2.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)分析

1、舉例2023/2/39

副回路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：

臨界頻率可由下式求得：2023/2/310

上例說(shuō)明設(shè)計(jì)串級(jí)控制具有如下優(yōu)點(diǎn)：

臨界比例度法：

副對(duì)象的動(dòng)態(tài)滯后總比整個(gè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)滯后小，因此副回路的臨界頻率高于單回路的臨界頻率。

主回路的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)：同理可求得主回路臨界越頻率：

若采用單回路

(1)副回路單回路2023/2/311

副回路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比單回路快得多，對(duì)進(jìn)入副回路的干擾具有較快的抑制作用。

(2)主回路

單回路

提高主回路的臨界頻率，加快了對(duì)干擾的響應(yīng)，提高了控制品質(zhì)。

(3)主回路單回路

在相同的穩(wěn)定性下，主調(diào)節(jié)器的比例度比單回路調(diào)節(jié)器的比例度小，控制作用增強(qiáng)，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

2、串級(jí)控制的主要優(yōu)點(diǎn)

①副回路的快速作用，對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾快速地克服，減小了干擾對(duì)主變量的影響。

②引入副回路，改善了副對(duì)象的特性(減小副對(duì)象的相位滯后)，提高了主回路的響應(yīng)速度，提高了干擾的抑制能力。

③副回路可以按照主回路的要求對(duì)副變量進(jìn)行精確控制。

④串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象及控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。2023/2/312魯棒性：控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)對(duì)特性變化的敏感程度，越不敏感，魯棒性越好。注意：

①主回路對(duì)副對(duì)象及控制閥特性變化具有魯棒性，但副回路本身并沒(méi)有此功能，副對(duì)象和閥的特性仍影響副回路的穩(wěn)定性；

②主回路對(duì)副回路反饋通道特性的變化沒(méi)有魯棒性。為描述控制品質(zhì)對(duì)對(duì)象特性的敏感程度，引入“魯棒性”的概念。由實(shí)際對(duì)象的非線性、時(shí)變性，當(dāng)工藝狀況變化時(shí)，對(duì)象特性變化，從而使原控制器的參數(shù)不再是“最佳”，系統(tǒng)的控制品質(zhì)下降，性能變差。G(s)H(s)x+-y當(dāng)負(fù)反饋控制系統(tǒng)的環(huán)路增益足夠大，其等效環(huán)節(jié)特性主要取決于反饋通道特性，而與前向通道特性無(wú)關(guān)。2023/2/3132.1.3

串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

⑤需要對(duì)流量實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤時(shí)，將流量選為副對(duì)象

主變量由工藝要求提出的主要操作參數(shù)

1、副變量的選擇

③為保證副回路的快速響應(yīng)，副對(duì)象的滯后不能太長(zhǎng)

④為提高系統(tǒng)的魯棒性，將具有非線性及時(shí)變部分包含于副對(duì)象中

使干擾在副回路內(nèi)克服減小對(duì)主變量的影響

①將主要干擾包括在副回路

②副回路盡量包含多的干擾}2023/2/314主變量：提餾段溫度中間變量：加熱蒸汽流量加熱蒸汽壓力再沸器氣相回流量蒸汽流量副變量有利于克服蒸汽氣源壓力或冷凝壓力變化引起的干擾；對(duì)克服其它干擾作用不明顯。蒸汽壓力副變量包含了再沸器熱交換時(shí)間常數(shù)，有利于提高系統(tǒng)的工作頻率；不能保證蒸汽流量恒定。工藝介質(zhì)氣相流量將再沸器液位、再沸器溫度及傳熱系數(shù)等變化包含于副回路中；對(duì)蒸汽氣源壓力波動(dòng)克服較慢。串級(jí)控制副變量的選擇實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要考慮工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性。例：精餾塔底質(zhì)量指標(biāo)控制FT101FC1011PT101PC1012FT102FC1023TC101TT101控制方案如圖2023/2/315主要變量：物料出口溫度操作手段：燃料流量控制方案分析：aTCFC溫度對(duì)燃料流量串級(jí)bPCTC溫度對(duì)燃料壓力串級(jí)cTCTC溫度對(duì)爐膛溫度串級(jí)

(1)溫度對(duì)燃料流量串級(jí)：有利克服燃料流量波動(dòng)，方案易于實(shí)現(xiàn)；采用燃料油時(shí)，流量測(cè)量困難，對(duì)燃料物性變化不能及時(shí)克服。

(2)溫度對(duì)燃料壓力串級(jí)：正常情況下,閥后壓力與燃料流量成正比，采用燃料油時(shí)，避免測(cè)量流量的困難,方案易于實(shí)現(xiàn)；對(duì)燃料物性變化不能及時(shí)克服。

(3)溫度對(duì)爐膛溫度串級(jí)：爐膛溫度能及時(shí)反映燃料熱值的變化，有利于克服燃料物性變化擾動(dòng)；溫度副回路不如壓力或流量響應(yīng)迅速。

加熱爐溫度控制2023/2/316

2、控制器類型的選擇

(1)副控制器選擇

①副對(duì)象的響應(yīng)較快，滯后較小或不存在，可以選擇P或PI控制器；

②副回路系隨動(dòng)系統(tǒng)，允許有余差，可不引入積分作用，以提高副回路的開(kāi)環(huán)增益，提高抑制干擾能力；

③流量(液體壓力)副對(duì)象增益小，不引入積分，余差很大。此外，串級(jí)系統(tǒng)有可能斷開(kāi)主回路，副回路單獨(dú)工作，要考慮余差的允許范圍；④溫度副對(duì)象，可引入微分作用，但要視隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定值的變化情況而定，亦可采用純比例作用。

(2)主控制器選擇

①根據(jù)對(duì)象的特點(diǎn)，參考單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制器的選擇；

②設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的場(chǎng)合，對(duì)象的滯后較大，可采用PID控制器。2023/2/317Gc2(S)Gv(S)+-Gp2(S)+Gp1(S)+Gm2(S)+Gc1(S)Gm1(S)++-u1u2r1y1y2c1c2f1f2

(2)方塊圖法

首先定義各環(huán)節(jié)的“＋”、“－”

凡輸入增加輸出增大為“＋”，反之為“－”

控制閥:輸入增大輸出也增大為“＋”，氣開(kāi)為“＋”、氣關(guān)為“－”

控制器:由于有比較環(huán)節(jié)正作用取“－”號(hào)；

反作用取“＋”號(hào)。先決定副控制器，后決定主控制器。

Gv為“＋”，Gc2為“＋”，反作用Gv為“－”，Gc2為“－”，正作用2023/2/318串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器正反作用的選擇應(yīng)滿足負(fù)反饋的控制要求。具體選擇步驟如下：1.從安全角度選擇控制閥的氣開(kāi)和氣關(guān)型式（氣開(kāi)型，Kv>0;氣關(guān)型，Kv<0);2.根據(jù)工藝條件確定副被控對(duì)象的特性；3.根據(jù)副控制回路為負(fù)反饋的準(zhǔn)則，確定副控制器的正反作用；4.根據(jù)工藝條件確定主被控對(duì)象的特性；5.根據(jù)主控制回路為負(fù)反饋的準(zhǔn)則，確定主控制器的正反作用。2023/2/319cTCTC溫度對(duì)爐膛溫度串級(jí)aTCFC溫度對(duì)燃料流量串級(jí)2023/2/3202.1.4系統(tǒng)投運(yùn)及參數(shù)整定

1、系統(tǒng)投運(yùn)

原則：保證無(wú)擾動(dòng)切換，先副后主

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法初步設(shè)置主、副控制器的參數(shù)

①將主、副控制器切換開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置

副調(diào)節(jié)器設(shè)外給定，主控制器為內(nèi)給定；

②在滿足工藝要求的情況下，工況較平穩(wěn)時(shí)，通過(guò)手動(dòng)，使副調(diào)節(jié)器的偏差接近于“0”，將副開(kāi)關(guān)由“手動(dòng)”“自動(dòng)”。

③在工況較平穩(wěn)的情況下,通過(guò)調(diào)整主控制器的設(shè)定值，使主控制器偏差為“0”，將主控制器開(kāi)關(guān)由“手動(dòng)”“自動(dòng)”。

2、參數(shù)整定

原則：先副后主

①由于副回路要求不高，