復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)

復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)第1頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2第7章復(fù)雜控制系統(tǒng)

復(fù)雜控制系統(tǒng)凡是結(jié)構(gòu)上比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜或控制目的較特殊的控制系統(tǒng)，都稱為復(fù)雜控制系統(tǒng)。特點(diǎn)：通常包含有兩個(gè)以上的變送器、控制器或者執(zhí)行器，構(gòu)成的回路數(shù)也多于一個(gè)，所以，復(fù)雜控制系統(tǒng)又稱為多回路控制系統(tǒng)。第2頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3§7-1串級(jí)控制系統(tǒng)一、串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)管式加熱爐是石化工業(yè)中的重要裝置之一，工藝上要求被加熱油料爐出口溫度的波動(dòng)范圍應(yīng)控制±2℃內(nèi)。第3頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四4主要擾動(dòng)：（1）原料方面的擾動(dòng)（包括物料的流量和入口溫度的變化）；（2）燃料方面的擾動(dòng)（包括燃料的流量、熱值及壓力的波動(dòng)）；（3）燃燒條件方面的擾動(dòng)（包括供風(fēng)量和爐膛漏風(fēng)量的變化、燃料的霧化狀態(tài)的影響等）。傳熱的滯后性，以及調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)過(guò)大（15min左右），控制作用不及時(shí)。第4頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四5方案：將爐膛溫度作為被控變量，組成如圖7-2所示的控制系統(tǒng)。方案的優(yōu)點(diǎn):調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)縮短為3分鐘左右。缺點(diǎn)：原料的流量或原料入口溫度波動(dòng)使?fàn)t出口溫度變化時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法使?fàn)t出口溫度再調(diào)回到給定值上，所以該方案仍不能達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。第5頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四6方案：構(gòu)成爐出口溫度為被控變量，爐膛溫度為輔助變量，由爐膛溫度控制器的輸出去操縱燃料量的控制方案.這就是爐出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)。第6頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四7串級(jí)控制系統(tǒng)中常見(jiàn)的專用名詞介紹：主變量

—串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量，是過(guò)程中主要控制的工藝指標(biāo)。

副變量—串級(jí)控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。爐出口溫度爐膛溫度第7頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四8主對(duì)象

—由主變量表征其主要特征的工藝設(shè)備或過(guò)程，其輸入量為副變量，輸出量為主變量。副對(duì)象

—由副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設(shè)備或過(guò)程，其輸入量為系統(tǒng)的操縱變量，輸出量為副變量。爐出口溫度對(duì)象爐膛溫度對(duì)象第8頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四9主控制器

—按主變量的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的控制器，其輸出作為副控制器的給定值。副控制器—按副變量的測(cè)量值與主控制器的輸出信號(hào)的偏差進(jìn)行工作的控制器，其輸出直接控制執(zhí)行器的動(dòng)作。爐出口溫度控制器爐膛溫度控制器第9頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四10主回路

—由主測(cè)量變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)和主對(duì)象組成的閉合回路，又稱外環(huán)或主環(huán)。副回路

—由副測(cè)量變送器、副控制器、執(zhí)行器和副對(duì)象所組成的閉合回路，又稱內(nèi)環(huán)或副環(huán)。第10頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四11

方塊圖：工藝控制流程圖：第11頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四12串級(jí)控制系統(tǒng)通用方塊圖:第12頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四13串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有如下特點(diǎn)：在串級(jí)控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋回路，每個(gè)回路都有自己的控制器、測(cè)量變送器和對(duì)象，但只有一個(gè)執(zhí)行器。兩個(gè)控制器采用串聯(lián)控制方式，主控制器的輸出作為副控制器的給定值，而由副控制器的輸出來(lái)控制執(zhí)行器的動(dòng)作。主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路則是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。第13頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四14二、主、副控制器正、反作用的確定主、副控制器確定順序：“先副后主”的原則副控制器的選擇原則：

副控制器的正、反作用只與副回路中的各個(gè)環(huán)節(jié)有關(guān)，而與主回路無(wú)關(guān)。在簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中介紹的各環(huán)節(jié)規(guī)定符號(hào)“乘積為負(fù)”的判別準(zhǔn)則，同樣適用于串級(jí)控制系統(tǒng)副控制器正、反作用的選擇。（副控制器±）（執(zhí)行器±）（副對(duì)象±）（副變送器±）=（一）

第14頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四15主控制器的選擇原則：

主控制器的正、反作用只與主對(duì)象有關(guān)，而與副回路無(wú)關(guān)。分析：

副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的最終控制結(jié)果總是要使副變量（副回路的輸出）跟隨主控制器的輸出（副回路的輸入）而變化，也就是說(shuō)，當(dāng)副同路的輸入增加時(shí)，副回路的輸出也要增加，由此可見(jiàn)，副回路也是一個(gè)“+”環(huán)節(jié)。主測(cè)量變送是一個(gè)“+”環(huán)節(jié)。所以，主控制器的正、反作用就只取決于主對(duì)象的符號(hào)。為了保證回路中各環(huán)節(jié)總的符號(hào)乘積為負(fù)，當(dāng)主對(duì)象的符號(hào)為

“+”時(shí)，主控制器必須是“－”號(hào)，即選擇反作用；而當(dāng)主對(duì)象的符號(hào)為“－”時(shí)，主控制器必須是“+”號(hào)，選擇正作用。

第15頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四16【例題】如圖所示的精餾塔提餾段溫度與加熱蒸汽流量串級(jí)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器選為氣關(guān)式，試確定主、副控制器的正、反作用。

第16頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四17副回路：執(zhí)行器—?dú)怅P(guān)式，符號(hào)為“-”；副對(duì)象—執(zhí)行器的閥門開度增大時(shí)，副變量蒸汽流量也增大，故副對(duì)象的符號(hào)為“+”。副變送器—符號(hào)也為“+”。

根據(jù)回路各環(huán)節(jié)符號(hào)“乘積為負(fù)”的判別公式，副控制器的符號(hào)必須取“+"，即應(yīng)選擇正作用?！跋雀焙笾鳌钡脑瓌t第17頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四18主回路：當(dāng)蒸汽流量增大時(shí)，主變量提餾段的溫度將上升，故主對(duì)象的符號(hào)為“+”。

所以，主控制器應(yīng)選擇“-”，反作用。第18頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四19【練習(xí)題】如圖的串級(jí)控制系統(tǒng)，執(zhí)行器選為氣開閥，試確定主、副控制器的正、反作用。

-++++-第19頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四20三、串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程工藝要求執(zhí)行器選為氣開式，爐出口溫度控制器T１C和爐膛溫度控制器

T２C均采用反作用工作方式，分析系統(tǒng)的工作過(guò)程。第20頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四21干擾作用于副回路：當(dāng)燃料管網(wǎng)壓力增大，-++++-爐膛T2↑，爐膛T2↓閥門開度↓，T2C↓，T2T↑，導(dǎo)致燃料量↑第21頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四22干擾作用于主回路：當(dāng)原料流量增加，-++++-導(dǎo)致出料溫度T1↓

，T1↑副環(huán)隨動(dòng)+，T2↑，T1C↑，T1T↓

，副環(huán)為隨動(dòng)控制系統(tǒng)+第22頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四23干擾同時(shí)作用于主、副回路：-++++-當(dāng)原料溫度升高，導(dǎo)致出料溫度T1↑

；當(dāng)燃料管網(wǎng)壓力增大，爐膛T2↑；副回路：T2T↑，偏差↑↑，T2C↓

↓

，閥開度↓，T1↓T1C↓

，主回路：T1T↑

，第23頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四24四、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合串級(jí)控制系統(tǒng)與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相比，由于在結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路，因而，在相同的干擾作用下，其控制質(zhì)量是單回路控制系統(tǒng)無(wú)法比擬的。串級(jí)控制系統(tǒng)在工作性能上的主要特點(diǎn)：

1．對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾具有極強(qiáng)的克服能力。2．改善了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高了工作頻率。3.對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化具有一定的適應(yīng)能力。串級(jí)控制系統(tǒng)的適應(yīng)場(chǎng)合：

主要適合于被控對(duì)象的容量滯后或純滯后時(shí)間較大，干擾作用強(qiáng)而且頻繁，或者生產(chǎn)負(fù)荷經(jīng)常大范圍波動(dòng)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝要求的場(chǎng)合。第24頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四25五、串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題

1．副回路的確定（1）應(yīng)將生產(chǎn)中的主要干擾納入到副回路中。（2）在可能前提下，應(yīng)將盡可能多的干擾納入副回路中。（3）應(yīng)使主、副回路的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配。選擇使副回路時(shí)間常數(shù)小一些，有利加快控制。主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)相近，可能發(fā)生“共振”現(xiàn)象。通常，主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)之比在3～10倍之間。第25頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四262．主、副控制器控制規(guī)律的選擇(1)主變量是生產(chǎn)工藝的重要指標(biāo)，副回路不要求為了保證過(guò)渡過(guò)程沒(méi)有余差，主控制器至少應(yīng)選擇比例積分（Pl）控制規(guī)律。主對(duì)象的容量滯后較大，必要時(shí)也可引入微分作用，即PID控制規(guī)律。若副控制器要求不高，可選用比例（P）作用。(2)工藝對(duì)主變量要求較高，對(duì)副變量也有一定的要求。保證主變量的控制精度，主控制器需選擇PI作用。副變量在干擾作用下需達(dá)到一定的控制質(zhì)量，副控制器也應(yīng)該選擇PI作用。第26頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四27練習(xí)題鍋爐供水控制系統(tǒng)如圖所示，1，從鍋爐安全考慮，防止因斷水導(dǎo)致鍋爐燒爆，選擇氣開，氣關(guān)閥？選擇控制器+-，構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。2，若鍋爐給水流量波動(dòng)頻繁且為主要干擾，原來(lái)的液位控制系統(tǒng)很難滿足控制要求，試問(wèn)應(yīng)采取何種措施來(lái)提高控制精度？設(shè)計(jì)控制方案？畫出系統(tǒng)方塊圖？第27頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四28執(zhí)行器—從鍋爐安全考慮，防止因斷水導(dǎo)致鍋爐燒爆，應(yīng)選擇氣關(guān)式，“-”。對(duì)象—當(dāng)流入量增加，液位是增加的，符號(hào)取為“+”。變送器—輸出信號(hào)隨液位的升高增加，符號(hào)為“+”?？刂破鳌仨氝x擇正作用“+”，才能構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

答：?jiǎn)栴}1：第28頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四29答：

問(wèn)題2：采用鍋爐液位與給水流量串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)提高控制精度。串級(jí)控制設(shè)計(jì)方案如圖所示。串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖如圖：FCFT第29頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四30液位控制器流量控制器流量變送液位變送液位對(duì)象流量對(duì)象鍋爐液位給水流量答：

問(wèn)題2：第30頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期四311、兩步整定法工況穩(wěn)定,主副回路均閉合,

衰減曲線法求得d