串级控制系统的原理及设计

1、串级控制系统的原理及设计中应注意的问题摘要：介绍了串级控制系统的基本原理，性能和设计中应注意的几个问题。关键词：内环；外环；增益；时间常数；对象；共振现象；积分饱和现象。1、 概述1.1串级控制系统介绍 单回路控制系统只用一个调节器,调节器只有一个输入信号,即只有一个闭环,在大多数情况下，这种简单系统能够满足工艺生产的要求。但是也有一些另外的情况,譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制,而工艺对调节质量的要求又很高;或者对调节对象的控制任务要求特殊,则单回路控制系统就无能为力了。另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功

2、能提出许多新的要求,为此,需要在单回路的基础上,采取其他措施,组成复杂控制系统。串级控制是改善调节过程的一种极为有效的方法,并且在实际中得到了广泛的应用。我厂的生产过程自动控制系统中，串级控制系统是应用最为广泛的复杂控制系统。1.2串级控制系统的引入先来看一个例子。 图1.1 精馏塔提馏段温度控制方案 （简单控制系统）图1.1是精馏塔底部示意图,在再沸器中,用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽,然后在塔釜中与下降物料流进行传质传热。为了保证生产过程顺利进行,需要把提馏段温度t保持恒定。为此，在蒸汽管路上装一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。从调节阀动作到温度t发生变化，需要相继通过很多热容积。实践证明，加

3、热蒸汽压力的波动对温度t的影响很大。此外，还有来自液相加料方面的各种扰动，包括他的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质传热过程，以及再沸器中的传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度t。当加热蒸汽压力较大时，如果采用图1.1所示的简单控制系统，调节质量一般都不能满足生产要求。如果采用一个附加的蒸汽压力控制系统，把蒸汽压力的干扰克服在入塔前，这样也提高了温度调节的品质，但这样就需要增加一只调节阀并增加了蒸汽管路的压力损失，在经济上很不合理。比较好的方法是采用串级控制，如图1.2所示。 Q 图1.2 提馏段温度串级控制方案副调节器QC2根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，这样就可以在加

4、热蒸汽压力波动的情况下，仍能保持蒸汽流量稳定。副调节器QC2的给定值则受主调节器tc1的控制，后者根据温度t改变流量给定值Qr，从而保证在发生进料方面的扰动的情况下，仍能保持温度t满足要求。用这种方法可以非常有效的克服蒸汽压力波动对于温度t的影响。因为流量自稳定系统的动作很快，蒸汽压力变化引起的流量波动在2至3秒内就消除了，而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度t的影响是很微小的。该串级控制系统方框图如图1.3所示。 图1.3 提馏段温度串级控制系统 由以上例子可看出，一个通用的串级控制系统框图如图1.4。图1.4 一般串级控制系统 从图中可以看出，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构

5、上形成可两个闭环。一个闭环在里面，称为副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，称为主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。主副调节器的作用各不相同。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。与简单控制系统相比，只是多了一个测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却有明显的提高。2、 串级控制系统的性能简析 2.1在串级控制系统中，由于加入了一个副回路，而二次扰动是先进副回路，经副回路的抑止作用再进主环，在此过程中，串级系

6、统的结构使二次干扰对主参数这一通道的动态增益明显减少，因此对主回路中的主参数的影响将较大的减弱。 2.2由于副回路的存在，使得对象的动态特性得到明显改善，即使得等效对象的时间常数减小了，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。因此副回路的比例增益可以取的很大，等效时间常数可减小到很小的数值，从而加快了副环的响应速度；因此可以加大主调节器的增益，而保证系统稳定，这都将提高系统的工作频率。 2.3在串级系统中，由于串级控制系统的结构，负荷的变化引起副回路内各环节参数的变化时，对等效对象的增益影响不大，因此在不改变调节器整定参数的情况下，系统的副回路能能自动的克服一些非线性因素的影响，保持或接近原有的

7、控制质量。另一方面，由于副回路通常是一个流量随动系统，当系统操作条件或负荷改变时，主调节器将改变其输出值，副回路能快速跟踪及时精确的控制流量，从而保证系统的控制品质。以上两方面都说明串级控制系统对负荷的变化有一定的自适应能力。3、 串级系统设计和实施中应注意的几个问题3.1副回路的设计副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在。其中的关键又是副参数的选择。一般应遵循以下几个原则：1. 副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏。2. 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。调节通道短与尽可能多的纳入干扰这两者间存在矛盾，应在设计中加以协调。3. 2主、副回路工作频率的选择 要注意串级系统的共振现象。一般取主回路的阻尼自然振荡周期为副回路的阻尼