第三章串級(jí)控制系統(tǒng)

第三章串級(jí)控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)—簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)：在一般情況下能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)控制要求特殊情況：當(dāng)控制要求較高時(shí)，在如下情況下，單回路不能滿(mǎn)足要求。*過(guò)程可控程度較差，如對(duì)象有大滯后。*對(duì)象有較明顯的時(shí)變性或非線性特性。*擾動(dòng)劇烈，而且幅度大。*控制性能要求較高。*過(guò)程參數(shù)之間存在嚴(yán)重關(guān)聯(lián)。復(fù)雜系統(tǒng)--隨著控制理論與工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，包含的內(nèi)容也不同，例如 復(fù)雜大系統(tǒng)--人口系統(tǒng)，環(huán)境控制，能源控制，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)控制等?！駨?fù)雜控制系統(tǒng)

定義:通常復(fù)雜控制系統(tǒng)是多變量的，具有兩個(gè)以上變送器、兩個(gè)以上控制器或兩個(gè)以上控制閥所組成的多個(gè)回路的控制系統(tǒng)，所以又稱(chēng)為多回路控制系統(tǒng)。多回路系統(tǒng)特征：基于PID控制策略；由多個(gè)控制回路組成的系統(tǒng)。

常見(jiàn)的復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級(jí)、均勻、比值、分程、三沖量、前饋、選擇性等系統(tǒng)?！駨?fù)雜控制系統(tǒng)80-90%控制系統(tǒng)是基于PID控制的系統(tǒng)，包括多回路系統(tǒng)。多回路系統(tǒng)應(yīng)用狀況以乙烯生產(chǎn)廠為例，它共有421個(gè)控制回路其中：常規(guī)PID單回路 347個(gè) 串級(jí)、比值等 74個(gè)（串級(jí)24） 多回路系統(tǒng)占17.5%●多回路系統(tǒng)的發(fā)展主要內(nèi)容了解串級(jí)控制系統(tǒng)的概念與特點(diǎn)；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖表示法；結(jié)合控制原理，掌握串級(jí)系統(tǒng)的分析方法；了解串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法;掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)

;了解串級(jí)控制系統(tǒng)的防積分飽和措施。反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)控制目標(biāo):反應(yīng)釜溫度恒定操縱變量：冷卻劑流量被控變量：反應(yīng)溫度擾動(dòng)變量：D2冷卻劑溫度以及D1工藝介質(zhì)流量控制規(guī)律：PID?反應(yīng)釜溫度單回路控制響應(yīng)曲線單回路控制系統(tǒng)分析問(wèn)題：從擾動(dòng)開(kāi)始至調(diào)節(jié)器動(dòng)作，調(diào)節(jié)滯后較大，特別對(duì)于大容量的反應(yīng)槽，調(diào)節(jié)滯后更大。冷卻水入口溫度↑→夾套內(nèi)冷卻水溫度T2↑→（經(jīng)對(duì)流傳熱）槽壁溫度↑→反應(yīng)槽溫度T1↑→（經(jīng)反饋回路）冷卻水量↑系統(tǒng)控制與擾動(dòng)的分析干擾變量的影響：冷卻水入口溫度變化→夾套內(nèi)冷卻水溫度變化→槽壁溫度變化→反應(yīng)槽溫度變化控制變量的影響：冷卻水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度變化→冷卻水流量變化→夾套內(nèi)冷卻水溫度變化→槽壁溫度變化→反應(yīng)槽溫度變化解決方法夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到來(lái)自干擾（冷卻水入口溫度）以及來(lái)自控制的影響。因而可設(shè)計(jì)夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動(dòng)。但TC2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T1的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC1來(lái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)）。“串級(jí)控制”反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制方案特點(diǎn)：兩個(gè)調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器TC2通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動(dòng)；調(diào)節(jié)器TC1通過(guò)調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設(shè)定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值。反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度串級(jí)控制框圖討論:主副控制器的“正反作用”選擇。串級(jí)控制系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)

串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖串級(jí)控制系統(tǒng)定義:由兩個(gè)測(cè)量變送器、兩個(gè)控制器其中一個(gè)控制器的輸出是另一個(gè)控制器的給定、一個(gè)控制閥組成的雙閉環(huán)定值系統(tǒng).串級(jí)控制系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)主被控變量（Yl)：是工藝控制指標(biāo)或與工藝控制指標(biāo)有直接關(guān)系，在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。

副被控變量（Y2）：大多為影響主被控變量的重要參數(shù)。

主控制器：在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，按主被控變量和其設(shè)定值之差進(jìn)行控制運(yùn)算，并將其輸出作為副控制器給定值。

副控制器：在系統(tǒng)中起輔助作用，按所測(cè)得的副被控變量和主控輸出之差來(lái)進(jìn)行控制運(yùn)算，其輸出直接作用于控制閥的控制器，簡(jiǎn)稱(chēng)為“副控”。串級(jí)控制系統(tǒng)常用術(shù)語(yǔ)主變送器：測(cè)量并轉(zhuǎn)換主被控變量的變送器。副變送器：測(cè)量并轉(zhuǎn)換副被控變量的變送器。主對(duì)象：大多為工業(yè)過(guò)程中所要控制的、由主被控變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程。副對(duì)象：大多為工業(yè)過(guò)程中影響主被控變量的、由副被控變量表征其特性的輔助生產(chǎn)設(shè)備或輔助過(guò)程。副回路:由副變送器、副控制器、控制閥和副對(duì)象所構(gòu)成的閉環(huán)回路,又稱(chēng)為“副環(huán)”或“內(nèi)環(huán)”。主回路：由主變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)、主對(duì)象所構(gòu)成的閉環(huán)回路，又稱(chēng)為“主環(huán)”或“外環(huán)”。 形成兩個(gè)環(huán):副環(huán)或副回路－－“粗調(diào)”作用主環(huán)或主回路－－“細(xì)調(diào)”作用串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖注：D1、D2綜合反映了一次擾動(dòng)、二次擾動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)副參數(shù)與主參數(shù)的動(dòng)態(tài)影響；

主回路是指：副回路閉合狀態(tài)下等效的單回路（將副回路看成是一個(gè)等效的控制閥）。串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的等效性串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）副回路（有時(shí)稱(chēng)內(nèi)環(huán)）具有快速調(diào)節(jié)作用，它能有效地克服二次擾動(dòng)的影響；由于假設(shè)副回路的動(dòng)態(tài)滯后較小，對(duì)于低頻干擾，有串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（2）能自動(dòng)地克服副對(duì)象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線性對(duì)控制性能的影響（系統(tǒng)的“魯棒性”增強(qiáng)）。對(duì)于內(nèi)環(huán)等效對(duì)象的穩(wěn)態(tài)增益：串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。在相同的衰減比下，主調(diào)節(jié)器的增益可顯著加大。副回路等效對(duì)象為：若：串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（3）結(jié)論：由于副回路的存在，使主控制通道的動(dòng)態(tài)特性得到改善（時(shí)間常數(shù)顯著減少）P44提高了系統(tǒng)的工作頻率反應(yīng)器溫度的串級(jí)控制響應(yīng)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則單回路控制不能滿(mǎn)足性能要求；有反映系統(tǒng)主要干擾的可測(cè)副參數(shù)；調(diào)節(jié)閥與副參數(shù)之間具有因果關(guān)系；副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；盡可能將帶有非線性或時(shí)變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。常用的串級(jí)控制系統(tǒng)：溫度+流量、溫度+壓力、液位+流量、溫度+溫度等。串級(jí)系統(tǒng)副參數(shù)的選擇分析分析問(wèn)題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾動(dòng)范圍之間的矛盾。串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例加熱爐出口溫度控制TC-FC串級(jí)控制：用于克服燃油上游側(cè)壓力干擾的影響燃油黏度大，易堵，不常采用

TC-PC串級(jí)控制：取壓點(diǎn)在控制閥后，用于克服壓力影響噴嘴易堵，使用時(shí)要增加報(bào)警系統(tǒng)串級(jí)方案設(shè)計(jì)舉例（續(xù)）討論：副回路所能包括的擾動(dòng)越多，副對(duì)象與主對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的差別越小，越容易引起內(nèi)外回路之間的“共振”（系統(tǒng)穩(wěn)定性越差）。TC-TC串級(jí)控制：爐內(nèi)溫度作為副被控變量，常用于克服燃料影響，例如，成份、熱值等。溫度點(diǎn)不易找準(zhǔn)串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.副變量的選擇

從對(duì)象中能引出中間變量是設(shè)計(jì)串級(jí)系統(tǒng)的前提條件。當(dāng)對(duì)象有多個(gè)中間變量可引出時(shí),就有一個(gè)副變量如何選擇的問(wèn)題。副變量的選擇原則是要充分發(fā)揮串級(jí)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),

為此,我們總是希望:

(1)將主要干擾包括在副回路內(nèi)。

(2)將更多的干擾包括在副回路內(nèi)(3)

副對(duì)象的滯后不能太大,以保持副回路的快速響應(yīng)性能。

(4)

將副對(duì)象中具有顯著非線性或時(shí)變特性的一部分歸于副對(duì)象中。

(5)

需要流量實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤時(shí),可選流量為副變量。

(6)

主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)相差3倍以上,以防主、副回路產(chǎn)生共振。

應(yīng)該指出,以上幾條都是從某個(gè)局部角度來(lái)考慮的,如(2)與(3)就相互矛盾,在具體選擇時(shí)需要兼顧各種因素進(jìn)行權(quán)衡。2.主、副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律選擇

主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID控制律凡是設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的場(chǎng)合,對(duì)象特性總有較大的滯后,主調(diào)節(jié)器采用三作用PID控制規(guī)律是必要的。而副回路是隨動(dòng)回路,允許存在余差。從這個(gè)角度來(lái)講,副調(diào)節(jié)器不需要積分作用,一般只采用P作用。如當(dāng)溫度作副變量時(shí),副調(diào)節(jié)器不宜加積分,這樣可以將副回路的開(kāi)環(huán)靜態(tài)增益調(diào)整得較大,以提高克服干擾的能力。如果要加入微分作用,一定要采用“微分先行”方式,因?yàn)楦被芈肥莻€(gè)隨動(dòng)系統(tǒng),設(shè)定值是經(jīng)常變化的,調(diào)節(jié)器的微分作用會(huì)引起調(diào)節(jié)閥的大幅跳動(dòng),并引起很大的超調(diào)。但是當(dāng)副回路是流量(或液體壓力)系統(tǒng)時(shí),它們的開(kāi)環(huán)靜態(tài)增益、時(shí)間常數(shù)都較小,并且系統(tǒng)存在高噪聲。因此在實(shí)際生產(chǎn)中,流量(或液體壓力)副調(diào)節(jié)器常采用PI作用,以減少系統(tǒng)的波動(dòng)。3.主副調(diào)節(jié)器正、反作用選擇

調(diào)節(jié)器的正、反作用選擇原則是要使系統(tǒng)成為一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)。一般有兩種選擇方法,即邏輯推理法和方框圖法。

用測(cè)量值與調(diào)節(jié)器的輸出關(guān)系來(lái)定義調(diào)節(jié)器的正反作用。具體定義為:當(dāng)測(cè)量信號(hào)增加(隱含的假定是設(shè)定值不變)時(shí),調(diào)節(jié)器比例作用的輸出也增加的,稱(chēng)為正作用;否則，稱(chēng)為反作用（1）

邏輯推理法

對(duì)于單回路,確定調(diào)節(jié)器的正反作用的步驟為:①根據(jù)生產(chǎn)安全要求,確定調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)的形式;②確定當(dāng)被調(diào)參數(shù)變化時(shí),調(diào)節(jié)器輸出實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋的作用方向;③確定調(diào)節(jié)器的正、反作用(當(dāng)被測(cè)參數(shù)變化與調(diào)節(jié)器輸出變化同向時(shí)為正作用,否則,為反作用)。

對(duì)于串級(jí)系統(tǒng),因?yàn)橹?、副回路都可以看成是一個(gè)單回路,所以確定串級(jí)系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的正反作用的步驟為:①根據(jù)生產(chǎn)安全要求,確定調(diào)節(jié)閥氣開(kāi)、氣關(guān)的形式②確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用;③確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。下面以圖所示的氧化爐反應(yīng)溫度串級(jí)控制系統(tǒng)為例來(lái)討論。

(1)副回路調(diào)節(jié)器的選擇。

①為保證調(diào)節(jié)閥出故障時(shí),生產(chǎn)處于安全狀態(tài),調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇氣開(kāi)閥。

②設(shè)干擾使氨氣流量增加,即調(diào)節(jié)器測(cè)量值大于給定值,為保證系統(tǒng)的副反饋?zhàn)饔?調(diào)節(jié)器的輸出必須減小,才能使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小,最終使流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的氨氣流量減小,恢復(fù)到給定值。

③根據(jù)以上分析可知,為滿(mǎn)足調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)反饋?zhàn)饔?調(diào)節(jié)器的測(cè)量值增大,

而輸出值減小,與測(cè)量值成反比,因此調(diào)節(jié)器定為反作用。(2)主回路調(diào)節(jié)器的選擇。

①調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)形式保持副回路選擇形式,即選為氣開(kāi)閥。

②副調(diào)節(jié)器的正反作用保持不變。

③設(shè)主回路測(cè)量值氧化爐溫度增加,即主調(diào)節(jié)器測(cè)量值大于給定值,先假設(shè)主調(diào)節(jié)器為正作用,調(diào)節(jié)器輸出必然增大,也就是副調(diào)節(jié)器的給定值也增大。由于副調(diào)節(jié)器已選定為反作用,因此副調(diào)節(jié)器的輸出增大,使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大,最終使流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的氨氣流量增大,從而使氧化爐的溫度更高,整個(gè)系統(tǒng)成為正反饋,主參數(shù)恢復(fù)不到給定值。這說(shuō)明主調(diào)節(jié)器作用選錯(cuò)了,應(yīng)采用反方向作用,即反作用選擇順序：先副后主副控制器：副回路按單回路獨(dú)立考慮，與主回路沒(méi)有關(guān)系

即從穩(wěn)定性考慮，開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)必須為“負(fù)”要求，知道副對(duì)象的符號(hào)，以及控制閥的符號(hào)主控制器：考慮主環(huán)內(nèi)各個(gè)環(huán)節(jié)的符號(hào)情況主控制器、主對(duì)象，以及副回路。

副回路可以看作是一個(gè)符號(hào)為“正”的環(huán)節(jié)——隨動(dòng)系統(tǒng)，跟蹤主控制器的輸出。

（2）主、副控制器正反作用的選擇方框圖法因此，主控制器的符號(hào)主要取決于主對(duì)象的符號(hào)，即，主對(duì)象為“正”，則主控制器取“反”作用，主對(duì)象為“負(fù)”，則主控制器取“正”作用

例1

加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級(jí)控制系統(tǒng)PCTC副控制器：

控制閥選“氣開(kāi)”式——正副對(duì)象，壓力對(duì)象，閥門(mén)開(kāi)大，負(fù)，反作用壓力上升——正變送器一般均為正主控制器：

副環(huán)——正主對(duì)象，溫度對(duì)象，燃料壓力增大時(shí)，燃料量增加，負(fù)，反作用出口溫度上升——正例2精餾塔提餾段溫度與再沸器加熱蒸汽流量串級(jí)控制系統(tǒng)FCTC副控制器：

控制閥選“氣閉”式——負(fù)正對(duì)象，流量對(duì)象，閥門(mén)開(kāi)大，流量增大——正變送器一般均為正主控制器：

副環(huán)——正主對(duì)象，溫度對(duì)象，蒸汽流量增大時(shí)，加熱量增加，提餾段溫度上升——正結(jié)論（1）主控制器的正、反作用與閥的開(kāi)、閉形式無(wú)關(guān)；（2）直接先確定主控的正反作用。串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)施組成控制系統(tǒng)的設(shè)備不同，實(shí)施方法也有差異目前主要是：電動(dòng)Ⅲ型儀表系統(tǒng)、氣動(dòng)Ⅲ型儀表系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS、PLC）●實(shí)施前要考慮的幾個(gè)問(wèn)題

（1）系統(tǒng)設(shè)備間的傳輸信號(hào)要匹配，電信號(hào)4~20mA,1~5V，氣信號(hào)0.02~0.1Mpa，混合時(shí)需要轉(zhuǎn)換裝置（電-氣轉(zhuǎn)換）

（2）副控制器必須具有外給定功能

（3）是否需要切換開(kāi)關(guān)，即切換成：

a主控制器直接控制控制閥；

b副控制器不接受主控制器的外給定，實(shí)現(xiàn)其獨(dú)立控制，并且要考慮無(wú)擾動(dòng)切換。

（4）實(shí)施方案力求簡(jiǎn)潔實(shí)用，便于操作。串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)施串級(jí)控制系統(tǒng)控制方案

電動(dòng)儀表、氣動(dòng)儀表（很少用）、計(jì)算機(jī)

（1）一般的串級(jí)方案（2）能實(shí)現(xiàn)主控–串級(jí)切換的串級(jí)方案溫度控制器流量控制器控制閥流量對(duì)象溫度對(duì)象溫度變送器流量變送器串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)施

串級(jí)→主控：用主控制器代替原副控制器的輸出，直接控制控制閥主控→串級(jí)：用副控制器代替原主控制器的輸出，直接控制控制閥

無(wú)論哪種切換，必須保證閥的控制方向正確——直接切換條件

串級(jí)與主控的切換條件串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)施FCspconstFCspconst副控制器為反作用（負(fù)）：FCspconstFCspconst副控制器為正作用（正）：可見(jiàn)，此時(shí)主、副控制器輸出信號(hào)變化一致。此時(shí)主、副控制器輸出信號(hào)變化不一致如副控是反作用，可執(zhí)行切換；如副控是正作用，需先改變主控的方向，再切換。條件結(jié)論如對(duì)控制閥的開(kāi)閉形式?jīng)]有要求，應(yīng)選擇使副控為反作用的開(kāi)、閉形式。串級(jí)控制系統(tǒng)的實(shí)施主控制器的防積分飽和形式串級(jí)PID系統(tǒng)的積分飽和問(wèn)題情況1：副回路出現(xiàn)“積分飽和”，采用單回路抗積分飽和方法；情況2：當(dāng)主副控制器均采用單回路抗積分飽和方法時(shí)，可能出現(xiàn)限位參數(shù)不一致的情形，同樣存在發(fā)生“積分飽和”的可能性。為什么？如何克服？串級(jí)控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的連接法串級(jí)控制系統(tǒng)的防積分飽和串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)和整定串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)根據(jù)組成系統(tǒng)的儀表類(lèi)型有所不同基本原則：先投副環(huán)，后投主環(huán)，保證投運(yùn)無(wú)擾動(dòng)（Ⅲ型以上儀表、計(jì)算機(jī)控制）

串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)●投運(yùn)步驟4、調(diào)節(jié)主控制器手操輸出，使副控制器的偏差為零5、分別將副、主控制器切入自動(dòng)

1、主、副控制器手動(dòng)位置，主控制器內(nèi)給定、副控制器外給定，正反作用正確，PID參數(shù)正確2、副控制器手動(dòng)操作3、通過(guò)副參數(shù)的變化，使主參