第8章 提高控制品质的控制系统[共138页]

1、单回路控制系统回顾单回路控制系统回顾 图图 单回路控制系统框图单回路控制系统框图 调节器调节器执行器执行器 被控对象被控对象 检测变送器检测变送器 结构和特性结构和特性：单单回路回路、负、负反馈、应用较反馈、应用较广泛广泛。适用。适用 于于时间常数时间常数较小较小，负荷变化，负荷变化小小的对象。的对象。 但是但是，在某些被控对象的在某些被控对象的动态特性比较复杂动态特性比较复杂 或者或者控制任务比较特殊控制任务比较特殊的应用场合，的应用场合， 简单控制系统就显得简单控制系统就显得力不从心力不从心。 1 所谓所谓复杂复杂，乃是相对，乃是相对简单简单而言的。一般来说，凡是而言的。一般来说，凡是 结

2、构上结构上比单回路控制系统更为比单回路控制系统更为复杂复杂或或控制目的控制目的上较为上较为特特 殊殊的控制系统都可以称为的控制系统都可以称为复杂控制系统复杂控制系统。由于在这些系。由于在这些系 统中，通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行统中，通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行 器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又 称为称为多回路控制系统多回路控制系统。显然，这类系统的分析、设计、。显然，这类系统的分析、设计、 参数整定与投运比简单控制系统要参数整定与投运比简单控制系统要复杂复杂一些。一些。 常见的复杂控制系统有常见的复杂

3、控制系统有串级、前馈、大时延串级、前馈、大时延、比值、比值、 均匀、分程、选择均匀、分程、选择等控制系统。等控制系统。 复杂控制系统复杂控制系统 2 第第8章章 提高提高控制质量控制质量的的 控制系统控制系统 q8.1 串级 串级控制系统控制系统 q8.2 前馈前馈控制系统控制系统 q8.3 大时延 大时延控制系统控制系统 动态特性动态特性 比较复杂比较复杂 第第9章章 满足满足特定要求特定要求的的 过程控制系统过程控制系统 q9.1 比值比值控制系统控制系统 q9.2 均匀 均匀控制系统控制系统 q9.3 分程分程控制系统控制系统 q9.4 选择选择控制系统控制系统 控制任务控制任务 比较特

4、殊比较特殊 3 第第8章章 提高控制品质的控制系统提高控制品质的控制系统 4 第第8章章 提高控制提高控制品质品质的控制系统的控制系统 生产过程中有很多生产过程中有很多容量滞后比较大容量滞后比较大（T T0 0）的对象）的对象 ，由于，由于控制变量控制变量的的变化变化要经过一个要经过一个较长的时间较长的时间才能对才能对 被控变量被控变量起作用，这样明显造成控制作用起作用，这样明显造成控制作用不及时不及时，使，使 系统控制变差。当对象的系统控制变差。当对象的容量滞后较大，负荷或干扰容量滞后较大，负荷或干扰 变化比较剧烈、比较频繁，变化比较剧烈、比较频繁，或是工艺对产品质量提出或是工艺对产品质量提

5、出 的的要求很高，要求很高，此时，采用简单控制系统无法满足要求此时，采用简单控制系统无法满足要求 ，可以采用，可以采用串级串级控制系统。控制系统。 5 8.1.1 基本概念基本概念 1. 串级控制系统结构串级控制系统结构 炼油厂常用的设备中有一种叫炼油厂常用的设备中有一种叫管式加热炉管式加热炉, 工艺要求工艺要求 被加热原料在炉的被加热原料在炉的出口温度出口温度保持恒定。保持恒定。 第第8章章 提高控制提高控制品质品质的控制系统的控制系统 q 8.1 串级控制系统串级控制系统 冷物料 加热炉 热物料 燃料 影响物料影响物料出口温度出口温度的干扰的干扰： （1）原料油流量与初温）原料油流量与初温

6、f1(t) （2）燃油压力、流量、热值）燃油压力、流量、热值f2(t) （3）烟囱抽力变化）烟囱抽力变化f3(t) （4）环境温度等）环境温度等f4(t) 空气空气 6 单回路单回路设计方案设计方案1： 出口温度出口温度为被控参数，为被控参数， 燃料量燃料量为控制参数。为控制参数。 T1CT1T 冷物料 加热炉 热物料 燃料 第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统 q 8.1 串级控制系统串级控制系统 8.1.1 基本概念基本概念 1. 串级控制系统结构串级控制系统结构 9分钟分钟 45分钟分钟 结论结论：1.结构上结构上合理合理； 2.实际控制质量实际控制质量 很差很差。

7、炉 7 第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统 8.1.1 基本概念基本概念 1. 单回路单回路设计方案设计方案2： 炉膛温度炉膛温度为被控参数，为被控参数， 燃料量燃料量为控制参数。为控制参数。 T1CT1T 冷物料 加热炉 热物料 燃料 结论结论：1.能及时克服能及时克服 f2(t)、f3(t) ； 2.不能克服不能克服f1(t) 、 f4(t) 。 炉 8 第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统 q 8.1 串级控制系统串级控制系统 8.1.1 基本概念基本概念 1. 复杂复杂设计方案设计方案3： 出口温度出口温度Y1(s)为主被控参数，为主被控参数，

8、 炉膛温度炉膛温度Y2(s)为副被控参数，为副被控参数， 燃料量燃料量为控制参数。为控制参数。 串级串级控控 制系统制系统 9 第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统 q 8.1 串级控制系统串级控制系统 8.1.1 基本概念基本概念 1. 主被控参数主被控参数Y1(s) ：主要：主要控制目标控制目标，工艺要求，工艺要求 副被控参数副被控参数Y2(s) ：被控对象引出的：被控对象引出的中间变量中间变量 副对象：副被控参数与控制参数之间的副对象：副被控参数与控制参数之间的通道特性通道特性 主对象：主被控参数与副被控参数之间的主对象：主被控参数与副被控参数之间的通道特性通道特性

9、副控制器：接受副控制器：接受副变量副变量的偏差，其输出控制的偏差，其输出控制阀门阀门 主控制器：接受主控制器：接受主变量主变量的偏差，其输出是副控制器的的偏差，其输出是副控制器的给定值给定值 所以，主回路所以，主回路 是一个是一个定值控定值控 制系统制系统，副回，副回 路则是一个路则是一个随随 动控制系统动控制系统。 10 第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统 8.1.1 基本概念基本概念 1. 副回路（副环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对象组成副回路（副环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、副对象组成 的回路。处在串级控制系统的回路。处在串级控制系统内

10、部内部的，在控制过程中起着的，在控制过程中起着 “粗调粗调”的作用。的作用。 主回路（主环）：由主回路（主环）：由副回路副回路、主控制器、主对象、主变量检测变送器组成、主控制器、主对象、主变量检测变送器组成 的回路，在控制系统中起着的回路，在控制系统中起着“细调细调”的作用。的作用。 一次干扰：进入一次干扰：进入主回路主回路的干扰的干扰 二次干扰：进入二次干扰：进入副回路副回路的干扰的干扰 11 12 控制阀控制阀 出口温度出口温度 燃料油燃料油 原料油原料油 温度测量值温度测量值 温度变送器温度变送器 TC 温度设定值温度设定值 流量测量值流量测量值 流量变送器流量变送器 QC 控制量控制量

11、 第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统 8.1.1 基本概念基本概念 1. 另一种方案另一种方案 13 第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统 8.1.1 基本概念基本概念 2.串级控制系统的串级控制系统的工作过程工作过程 +-+ + + - 1）只有二次扰动）只有二次扰动 2）只有一次扰动）只有一次扰动 3）一、二次扰动均有）一、二次扰动均有 使主副参数使主副参数同向同向变化变化 使主副参数使主副参数异向异向变化变化 14 加热炉串级控制系统工作过程加热炉串级控制系统工作过程 器校正。作用：主回路、主调节 路进一步调节。度，如果扰动大，主回 影响炉出口温

12、节，如果扰动不大，不 作用：副调节器开始调、）（ 节过程如下：当系统受到扰动，其调 )()2( )()(1 1 32 tf tftf 15 能满足要求。 开度变化较小就节阀的方向相反，阀的 副调节器控制调变大，一个变小，主、 数、副参数一个）一、二次扰动使主参 调节速度很快； 幅度开大或关小，变大或变小，调节阀大 数、副参数同时）一、二次扰动使主参 作用：、 2 1 )()()() 3( 321 tftftf 16 第第8章章 提高控制质量的控制系统提高控制质量的控制系统 8.1.2 串级控制系统的串级控制系统的特点特点 1. 改善改善过程动态特性过程动态特性 17 222 2 2222 (

13、)( )( )( ) ( ) ( )1( )( )( )( ) cvo o cvom Gs G s Gss Gs XsGs G s Gs Gs 22 2 222 1 1 cvo o cvom K K K K K K K K 2 2 222 1 o o cvom T T K K K K 静态放大系数静态放大系数时间常数时间常数 改善过程动态特性改善过程动态特性 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 22 ( ) mm GsK( ) vv G sK 22 ( ) cc GsK 2 2 2 ( ) 1 o o o K Gs T s 222 2 22222 2 22 2 22 2222 1

14、1 ( ) 1 11 11 ocvo cv ocvomo o oo o cvm ocvom KK K K K K T sK K K KK Gs KT T s K KK T sK K K K 式中：式中： 设上式中：设上式中： 代入，得：代入，得： 18 2 2 222 1 o o cvom T T s K K KK 其等效系统与其等效系统与单回路系统单回路系统相比：相比： 取代取代 2 222 2 2 1 o moVC o o T KKKK T T 改善过程动态特性改善过程动态特性 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 从理论上可以证明，由于副回路从理论上可以证明，由于副回路 的存

15、在，可以使等效对象的时间的存在，可以使等效对象的时间 常数常数大大减小（中间大小的时间，大大减小（中间大小的时间， 相当于在系统中增加了一个起超相当于在系统中增加了一个起超 前作用的前作用的微分环节微分环节）因而使得系）因而使得系 统的统的动态响应加快动态响应加快，控制更加，控制更加及及 时时，最大动态偏差得到，最大动态偏差得到减小减小；与；与 此同时，等效对象时间常数的缩此同时，等效对象时间常数的缩 短，还使系统的短，还使系统的工作频率工作频率得到提得到提 高，这就缩短了高，这就缩短了振荡周期振荡周期，减少，减少 了过渡过程的时间。即便是干扰了过渡过程的时间。即便是干扰 作用于主对象，串级控

16、制系统的作用于主对象，串级控制系统的 控制质量也将比单回路控制系统控制质量也将比单回路控制系统 有所改善。有所改善。 19 副回路的引入，使副回路的引入，使整个系统的工作频率有提高整个系统的工作频率有提高 代入（代入（8.5） 图图8.7可得串级系统的特征方程为：可得串级系统的特征方程为： 1211 1( )( )( )( )0 coom Gs Gs Gs Gs（8.5） 1 1 1 ( ) 1 o o o K Gs T s 11 ( ) cc GsK 11mm GK 2 121211 1212 1 0 oocoom oooo TTK K K K ss T TT T （8.7） 12 12 2

17、 oo o oo TT T T 2 1211 12 1 coom o oo K K K K T T 令令：特征方程式（特征方程式（8.7）可写成标准形式：）可写成标准形式： 22 20 oo ss （8.8） 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 2.系统系统工作频率工作频率提高提高 20 22 20 oo ss （8.9） 特征根为：特征根为： 22 2 1,2 244 1 2 oo oo s 01系统出现振荡，振荡频率为：系统出现振荡，振荡频率为： 2 2 12 12 1 1 2 oo co oo TT T T （8.10） 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 2

18、.系统系统工作频率工作频率提高提高 21 单回路特征方程：单回路特征方程： （8.11） * 1211 1( )( )( )( )( )0 cvoom Gs G s Gs Gs Gs * 11 ( ) cc GsK 22 20 ddodo ss 特征方程标准形式：特征方程标准形式： 12 12 2 oo ddo oo TT T T * 2 121 1 02 1 cvom do o K K K K T T 同理可得单回路系统振荡频率为：同理可得单回路系统振荡频率为： （8.15） 21 021 2 2 2 1 1 oo o d d ddod TT TT 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统

19、的特点 2.系统系统工作频率工作频率提高提高 22 21 021 2 2 2 1 1 oo o d d ddod TT TT 若使串级控制系统与单回路控制系统具有相同的衰减率，即：若使串级控制系统与单回路控制系统具有相同的衰减率，即： 2 2 12 12 1 1 2 oo co oo TT T T d 2 121 122 2 1 102 2 2 1 02 1 1 2 1 1 2 ooo oooo o d d o o do TTT T TT T TT T T T （8.16） oc o2 o1 o2 o1 o2o2 T T 1 T T 1TT 所以： ，则有：由于 工作频率提高，控制品质改善。工

20、作频率提高，控制品质改善。 串级系统：串级系统： 单回路系统：单回路系统： 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 2.系统系统工作频率工作频率提高提高 23 （8.17） 进入副回路的干扰进入副回路的干扰F3(s)与副回路输出与副回路输出2(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为G*o2(s) : * 22 2 3222 ( )( ) ( ) ( )1( )( )( )( ) o o ovom Gss Gs F sGs Gs Gs Gs 系统输入系统输入X1(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为: 1211 11211 ( )( )( )( ) (

21、 )1( )( )( )( ) coo coom Gs Gs Gss X sGs Gs Gs Gs 干扰干扰F3(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为: * 211 31211 ( )( )( ) ( )1( )( )( )( ) oo coom Gs Gss F sGs Gs Gs Gs （8.19） （8.18） 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 3.对对二次扰动二次扰动有有很强很强的克服能力的克服能力 24 系统输入系统输入X1(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为: 1211 11211 ( )( )( )

22、( ) ( )1( )( )( )( ) coo coom Gs Gs Gss X sGs Gs Gs Gs 干扰干扰F3(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为: * 211 31211 ( )( )( ) ( )1( )( )( )( ) oo coom Gs Gss F sGs Gs Gs Gs （8.19） （8.18） 串级控制系统对串级控制系统对F3(s)抗干扰能力抗干扰能力Jc3表示为表示为: 1211211 3 * 13212 ( )( )( )( )( )( )/( ) ( )/( )( )( )( ) cooco c ooo Gs Gs GsG

23、s GssX s J sF sGs GsGs 312 ( )( )( ) cccv JGs Gs Gs （8.21） 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 3.对对二次扰动二次扰动有有很强很强的克服能力的克服能力 25 系统输入系统输入X1(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为: 干扰干扰F3(s)与被控参数与被控参数1(s)之间的传递函数记为之间的传递函数记为: （8.25） 单回路控制系统对单回路控制系统对F3(s)抗干扰能力抗干扰能力Jk3表示为表示为: 图图8.12中单回路系统中单回路系统： * 1211 * 11211 ( )( )( )(

24、 )( ) ( )1( )( )( )( )( ) cvoo cvoom Gs G s Gs Gss X sGs G s Gs Gs Gs 211 * 31211 ( )( )( ) ( )1( )( )( )( )( ) oo cvoom Gs Gss F sGs G s Gs Gs Gs * * 12111 31 1321 ( )( )( )( )( )/( ) ( )( ) ( )/( )( )( ) cvoo kcv oo Gs G s Gs GssX s JGs G s sF sGs Gs 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 3.对对二次扰动二次扰动有有很强很强的克服能

25、力的克服能力 26 （8.25） 由式（由式（8.21）、（）、（8.25）可得串级系统与单回路系统对进入副回路）可得串级系统与单回路系统对进入副回路 干扰干扰F3(s)的抗干扰能力之比的抗干扰能力之比: * * 12111 31 1321 ( )( )( )( )( )/( ) ( )( ) ( )/( )( )( ) cvoo kcv oo Gs G s Gs GssX s JGs G s sF sGs Gs 312 ( )( )( ) cccv JGs Gs Gs （8.21） 31212 * 311 ( )( )( )( )( ) ( )( )( ) cccvcc kcvc JGs G

26、s GsGs Gs JGs GsGs 11 ( ) cc GsK 22 ( ) cc GsK * 11 ( ) cc GsK 31212 * 311 ( )( ) ccccc kcc JGs GsK K JGK 一般情况下，总有：一般情况下，总有： Kc1Kc2K*c1 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 3.对对二次扰动二次扰动有有很强很强的克服能力的克服能力 27 8.1.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 4.对负荷变化对负荷变化有一定的有一定的自适应自适应能力能力 （1）单回路控制系统中控制器参数是在一定的负荷和操作条件单回路控制系统中控制器参数是在一定的负荷和操作

27、条件 下，按某种质量指标整定得到的，固定不变。而下，按某种质量指标整定得到的，固定不变。而过程控制中的过程控制中的 对象对象特性会特性会随着生产负荷和操作条件的改变而发生变化。控制随着生产负荷和操作条件的改变而发生变化。控制 器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果器参数只能在一个较小的工作范围内与对象特性相匹配，如果 负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，控制质量就 很难保证。串级控制系统就不同。虽然主回路是一个定值控制很难保证。串级控制系统就不同。虽然主回路是一个定值控制 系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随

28、着主调节器系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器 的输出而变化的。的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变 化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作 点上点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有 较好的控制质量。较好的控制质量。 （2） 22 2 222 1 1 cvo o cvom K K K K K K K K 28 1 1、改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。、改善了控制系统的动态特性

29、，提高了工作频率。 由于副环起了改善过程的动态特性的作用，可以加大主调节 器的增益，提高系统的工作频率。 串级控制系统中副回路的引入，相当于将单回路控制系统中 包括执行器在内的广义象分为两部分，一部分由副回路代替，另 一部分就是主对象。所以可以把副回路看成是主回路中的一个环 节，或者把副回路理解为一部分等效对象。此时，串级控制系统 的方块图可简化成如图所示。 二、串级控制系统的效果分析 29 从理论上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时 间常数大大减小（和副对象相比），意味着对象总的时间滞后 要有所缩短，（相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分 环节）因而使得系统的动态响应加快，控

30、制更加及时，最大动 态偏差得到减小；与此同时，等效对象时间常数的缩短，还使 系统的工作频率得到提高，这就缩短了振荡周期，减少了过渡 过程的时间。即便是干扰作用于主对象，串级控制系统的控制 质量也将比单回路控制系统有所改善。 一般来说，副对象的时间常数比主对象的时间常数要小， 而比测量变送环节及控制阀的时间常数要大。也就是说，副对 象的时间常数在系统中是属于中间大小的时间常数。可以证明， 在一个系统中，中间大小的时间常数的减小，有利于提高控制 质量，提高系统的可控性。 30 2 2、串级控制系统对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。、串级控制系统对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。 副环具

31、有快速作用，能有效的克服二次扰动的影响。 这是因为当干扰作用于副环时，在它还没影响到主变量之 前副调节器首先对干扰作用采取抑制措施，进行“粗调”，合 适与否最后视主变量是否受影响来判断，如果主变量还会受影 响(不过这种影响比没有副调节器采取抑制措施要小得多)，那 么将再由主控制器进行“细调”。由于这里对副环干扰有两级 控制措施，显然控制质量要比单回路控制系统一个调节器的控 制质量要好得多。即使干扰作用于主环，副环的超前作用虽然 得不到体现，但是由于副回路的存在，使等效副对象的时间常 数缩小了，因而系统的工作频率得以提高，能比单回路系统较 为及时地对干扰采取控制措施，因而控制质量也会比单回路控

32、制系统高。 31 由上分析可以看出，串级控制系统由于有主、副两个调节 器合力对干扰采取控制措施，因而抗干扰能力大为增强。 实践证明，单回路控制系统控制质量相比，当干扰作用于 副环时，串级系统的质量要高10到100倍；当干扰作用于主环 时，串级系统的质量也要高2到5倍。 32 过程控制中的对象经常表现出非线性，随着生产负荷和操作 条件的改变，对象的特性就会发生变化。而控制系统投运时所设 定的控制器参数却是在一定的负荷和操作条件下，按某种质量指 标整定得到的。因此，这些控制器参数只能在一个较小的工作范 围内与对象特性相匹配，如果负荷和操作条件变化过大，超出了 这个适应范围，控制质量就很难保证。这个

33、问题是单回路控制系 统中的一个难题。但是，串级控制系统就不同。虽然主回路是一 个定值控制系统，副回路副回路却是一个随动随动系统，它的给定值给定值是随着随着 主调节器的输出而变化主调节器的输出而变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条主调节器可以按照生产负荷和操作条 件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的件的变化情况相应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的 工作点上工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具 有较好的控制质量。 3 3、由于副环的存在，使系统对负荷或操作的变化具有一定的适、由于副环的存在，使系统对负荷或操作的变化具有一定的适 应能力。应能力。

34、33 在串级控制系统中，虽然主回路是一个定值控制系统，副 回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主调节器的输出而 变化的。主调节器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相 应地调整副调节器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从 而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控 制质量。 如果对象有非线性特性存在，那么可以把它设计处于副回 路之中，当操作条件或负荷发生变化时，虽然副回路的衰减比 会发生一些变化，稳定裕度会降低一些，但是，它对主回路的 稳定性影响却很小。 34 串级控制系统的应用范围： 根据串级控制系统的特点和结构，它主要适合于被控对象 的容量滞后或纯滞后时间较大，干扰作用强而

35、且频繁，或者生 产负荷经常大范围波动，简单控制系统无法满足生产工艺要求 的场合。此外，当一个生产变量需要跟随另一个变量而变化或 需要互相兼顾时，也可采用这种结构的控制系统。 但串级控制系统比单回路控制系统所需的仪表多，投运和 整定相应也复杂一些。所以，如果单回路控制系统能够解决问 题时，就不一定采用串级控制方案。 综上所述，串级控制系统良好的控制性能归因于： （1）对二次干扰有很强的克服能力 （2）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率 （3）对负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。 35 8.1.3 串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用 应用于应用于容量滞后较大容量滞后较大的过程

36、的过程 应用于应用于纯时延较大纯时延较大的过程的过程 应用于应用于扰动变化激烈扰动变化激烈的过程的过程 应用于应用于参数互相关联参数互相关联的过程的过程 应用于应用于非线性非线性的过程的过程 4.有一定的有一定的自适应自适应能力能力 36 增设一个增设一个流量控制流量控制系统系统 两个系统相两个系统相 互关联，无互关联，无 法工作。法工作。 进料进料 蒸汽蒸汽 采出采出 F,zf B,xB LB 再沸器再沸器 精馏塔精馏塔 TCTT FCFT V1V2 37 应用举例应用举例2：精馏塔提馏段温度控制系统：精馏塔提馏段温度控制系统 精馏过程：将混合物料中各组分分离，精馏过程：将混合物料中各组分分

37、离， 达到规定的纯度。达到规定的纯度。 分离的机理：利用混合物中各组分的挥分离的机理：利用混合物中各组分的挥 发度不同（沸点不同）使液相中的轻组发度不同（沸点不同）使液相中的轻组 分（低沸物）和液相中的重组分（高沸分（低沸物）和液相中的重组分（高沸 物）互相转移，从而实现分离。物）互相转移，从而实现分离。 38 精馏塔示意图精馏塔示意图 进料进料 热蒸汽热蒸汽 采出采出 冷凝冷却器冷凝冷却器 F,zf B,xB D,xD LB LD L 回流罐回流罐 回流泵回流泵 再沸器再沸器 精馏塔精馏塔 39 提馏段温度控制系统提馏段温度控制系统 进料进料 热蒸汽热蒸汽 采出采出 F,zf B,xB LB

38、 再沸器再沸器 精馏塔精馏塔 TCTT 如果蒸汽压力如果蒸汽压力 波动比较大、波动比较大、 比较频繁，而比较频繁，而 塔釜容量比较塔釜容量比较 大，控制将很大，控制将很 不及时，控制不及时，控制 效果会很差。效果会很差。 控制阀的蒸汽控制阀的蒸汽 流量不仅与阀流量不仅与阀 的开度有关，的开度有关， 而且与阀前后而且与阀前后 的压力有关。的压力有关。 40 增设一个流量控制系统增设一个流量控制系统 两个系统相两个系统相 互关联，无互关联，无 法工作。法工作。 进料进料 蒸汽蒸汽 采出采出 F,zf B,xB LB 再沸器再沸器 精馏塔精馏塔 TCTT FCFT V1V2 41 关联情况分析关联情

39、况分析 当进料量增大，提馏段温度下降，当进料量增大，提馏段温度下降，TC开始开始 调节，调节，V1开度增大，蒸汽流量增大。开度增大，蒸汽流量增大。 由于流量是个闭环系统，当检测到流量增由于流量是个闭环系统，当检测到流量增 加，加，FC开始调节，使流量等于设定值，即开始调节，使流量等于设定值，即 将将V2关小。关小。 上述两种情况发生矛盾，无法实现控制。上述两种情况发生矛盾，无法实现控制。 42 构成串级控制系统构成串级控制系统 进料进料 蒸汽蒸汽 采出采出 F,zf B,xB LB 再沸器再沸器 精馏塔精馏塔 TCTT FCFT 43 8.1.4 串级控制系统方案设计串级控制系统方案设计 1主

40、参数主参数的选择和的选择和主回路主回路的设计的设计 串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个 定值控制系统定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，。对于主参数的选择和主回路的设计，基本基本 上按照单回路控制系统的设计原则进行。上按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与凡直接或间接与 生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数，均生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数，均 可选作主参数。若条件许可，可以选用可选作主参数。若条件许可，可以选用质量指标质量指标作为主参作为主参 数，因为它最直接也最有效。否则，应选一个与产品

41、质量数，因为它最直接也最有效。否则，应选一个与产品质量 指标有指标有单值函数关系的参数作为主参数单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用。另外，对于选用 的主参数必须具有足够的的主参数必须具有足够的变化灵敏度变化灵敏度，并须符合工艺过程，并须符合工艺过程 的合理性。的合理性。 44 2副参数副参数的选择和的选择和副回路副回路的设计的设计 （1）副参数的选择原则）副参数的选择原则 8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 1）副参数的变化应反映主参数的变换趋势、并在很大程度）副参数的变化应反映主参数的变换趋势、并在很大程度 上上影响影响主参数；主参数； 2）选择的副参数必须是物理上）

42、选择的副参数必须是物理上可测可测的；的； 3）由副参数所构成的副回路，调节通道尽可能短，调节过）由副参数所构成的副回路，调节通道尽可能短，调节过 程时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常程时间常数不能太大，时间滞后小，以便使等效过程时间常 数显著减小，提高整个系统的数显著减小，提高整个系统的工作频率工作频率，加快控制过程反映，加快控制过程反映 速度，改善系统控制品质。速度，改善系统控制品质。 45 （2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰主要干扰， 并尽可能并尽可能多包含一些干扰。多包含一些干扰。尽可能将带有尽可能将带有非线性或时

43、变特性非线性或时变特性 的环节包含于的环节包含于副回路副回路中。中。 8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 2副参数副参数的选择和的选择和副回路副回路的设计的设计 常用的串级控制系统：温度常用的串级控制系统：温度+流量、温度流量、温度+压力、液位压力、液位+流量、流量、 温度温度+温度等。温度等。 46 （3）主、副回路时间常数的适当）主、副回路时间常数的适当匹配匹配 在选择副变量时，应注意使主、副回路中控制过程的时在选择副变量时，应注意使主、副回路中控制过程的时 间常数之比为间常数之比为310，以减少主、副回路的动态联系，避免，以减少主、副回路的动态联系，避免 “共振共振”。 在

44、副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则 应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比 较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。 （5）副回路设计时应同时考虑）副回路设计时应同时考虑经济性经济性原则原则 （4）副回路设计应考虑生产工艺的）副回路设计应考虑生产工艺的合理性合理性 应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响 到工艺过程的正常运行。到工艺过程的正常运行。 （4）副回路设计应考

45、虑生产工艺的）副回路设计应考虑生产工艺的合理性合理性 应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响 到工艺过程的正常运行。到工艺过程的正常运行。 在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则在副回路设计时，如果有几种可供选择的控制方案，则 应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比应同时把经济性原则和控制品质要求结合起来，进行分析比 较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。 8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 2副参数副参数的选择和的选择和副回路副回路的设计的设计 47

46、3串级控制系统控制参数选择串级控制系统控制参数选择 （1）选择）选择可控性良好可控性良好的参数作为控制参数。的参数作为控制参数。 （2）所选择的控制参数必须使控制通道有）所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数足够大的放大系数， 并应保证并应保证大于大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要主要扰动通道的放大系数，以实现对主要 扰动进行有效控制并提高控制质量。扰动进行有效控制并提高控制质量。 （3）所选控制参数必须使）所选控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间控制通道有较高的灵敏度，即时间 常数适当小一些。常数适当小一些。 （4）选择控制参数应同时考虑）选择控制参数应同时考虑经济性

47、经济性与工艺上的与工艺上的合理性合理性 。 8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 48 4主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择 主控制器起主控制器起定值控制定值控制作用、副控制器起作用、副控制器起随动控制随动控制作用。作用。 8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 主调节器主调节器通常选用通常选用PI调节，以实现主变量的无差控制。调节，以实现主变量的无差控制。 当控制当控制通道容量滞后比较大通道容量滞后比较大时，主调节器应选用时，主调节器应选用PID调节。调节。 副调节器副调节器一般选用一般选用P调节。调节。 为了能够为了能够快速跟踪快速跟踪，一般不引入积

48、分调节。，一般不引入积分调节。 49 50 51 主、副调节器正、反作用方式的主、副调节器正、反作用方式的选择原则选择原则： 依然是依然是使整个系统构成使整个系统构成负反馈负反馈。 主、副调节器的正、反作用方式主、副调节器的正、反作用方式选择的顺序选择的顺序是：是： 首先首先根据工艺的要求确定调节阀的气开、气关形式；根据工艺的要求确定调节阀的气开、气关形式； 然后然后按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、 反作用；反作用； 最后最后再依据主、副参数的关系和主回路构成负反馈的原再依据主、副参数的关系和主回路构成负反馈的原 则，确定主调节器的正、反

49、作用。则，确定主调节器的正、反作用。 5主、副调节器正、反作用方式的确定主、副调节器正、反作用方式的确定 8.1.4 串级控制系统的设计串级控制系统的设计 52 8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定串级控制系统调节器参数的整定 常用的整定方法有：常用的整定方法有：逐步逼近法逐步逼近法、两步整定法两步整定法、一步整定法一步整定法 1逐步逼近法逐步逼近法 整定步骤：整定步骤： （1）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按单回）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按单回 路路 控制系统的参数整定法，求取副调节器的整定参数值控制系统的参数整定法，求取副调节器的整定参数值W2(s

50、)1。 （2）副调节器参数值置于）副调节器参数值置于W2(s)1数值上，把主回路闭合，把副回数值上，把主回路闭合，把副回 路作为一个等效环节，这样，主回路又成为一个单回路控制系统。再按路作为一个等效环节，这样，主回路又成为一个单回路控制系统。再按 单回路整定方法，求取主调节器的整定参数值单回路整定方法，求取主调节器的整定参数值W1(s)1。 （3）主调节器参数置于）主调节器参数置于W1(s)1上，主回路闭合，再按上述方法求上，主回路闭合，再按上述方法求 取副调节器的整定参数值取副调节器的整定参数值W2(s)2。至此，完成了一次逼近循环至此，完成了一次逼近循环。若控。若控 制制 质量已达到工艺要

51、求，整定即告结束。主、副调节器的整定参数值分别质量已达到工艺要求，整定即告结束。主、副调节器的整定参数值分别 为为W1(s)1和和W2(s)2。否则，将副调节器的参数置于。否则，将副调节器的参数置于W2(s)2上，再按上上，再按上 述方法求取主调节器整定参数值述方法求取主调节器整定参数值W1(s)2。 如此如此循环循环下去，逐步逼近，直到满足质量指标要求为止。下去，逐步逼近，直到满足质量指标要求为止。 53 2两步整定法两步整定法 两步整定法：第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。两步整定法：第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。 整定步骤：整定步骤： （1）在工况稳定、主

52、回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的）在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的 条件下，主调节器的比例度置于条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减（如，用单回路控制系统的衰减（如 4：1）曲线法整定，求取副调节器的比例度）曲线法整定，求取副调节器的比例度2s和操作周期和操作周期T2s。 （2）将副调节器的比例度置于所求得的数值）将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把副回路作上，把副回路作 为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比 例度例度1s和操作周期和操作周期T1s。 （

53、3）根据求得的）根据求得的1s、T1s，2s、T2s数值，按单回路系统衰减数值，按单回路系统衰减 曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间、积分时间T1和微分时和微分时 间间TD的数值。的数值。 （4）按先副后主、先比例后积分最后微分的整定程序，设置主、）按先副后主、先比例后积分最后微分的整定程序，设置主、 副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到 系统质量达到最佳为止。系统质量达到最佳为止。 8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定串级控制系统调节器参数的整定 54

54、3一步整定法一步整定法 一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后 按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。 1c K 02 K scc KKKK 021 s K 2 1 c K 5 . 0 022 KKc 02 K 2c K 理论根据：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等理论根据：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等 效调节器总的放大系数效调节器总的放大系数KC为主调节器放大系数为主调节器放大系数 与与 回路等效放大系数的乘积，即回路等效放大系数的乘积，即

55、 在确定副调节器的比例度在确定副调节器的比例度 时，根据时，根据 式中，式中， 为纯比例作用下，产生为纯比例作用下，产生4：1衰减比过程的总放大系数。衰减比过程的总放大系数。 这一关系式，这一关系式， 通过副过程放大系数通过副过程放大系数 ，求取副调节器比例放大系数，求取副调节器比例放大系数 ，或按经，或按经 验选取。验选取。 8.1.5 串级控制系统调节器参数的整定串级控制系统调节器参数的整定 55 56 整定步骤：整定步骤： 1c K 2c K （1）在生产稳定，系统为纯比例作用的情况下，由副过程）在生产稳定，系统为纯比例作用的情况下，由副过程K02确定副确定副 调节器的比例度，并将其设置

56、在副调节器上。调节器的比例度，并将其设置在副调节器上。 （2）按照单回路控制系统的整定方法，整定主调节器参数。）按照单回路控制系统的整定方法，整定主调节器参数。 （3）观察控制过程，根据）观察控制过程，根据 与与 互相匹配的原理，适当调整调互相匹配的原理，适当调整调 节器参数，使主参数品质指标最佳。节器参数，使主参数品质指标最佳。 （4）在调节器参数的整定过程中，若出现）在调节器参数的整定过程中，若出现“共振共振”，只要加大主、，只要加大主、 副调节器中任何一个调节器的参数，便可以消除副调节器中任何一个调节器的参数，便可以消除“共振共振”。若。若“共振共振”剧剧 烈，可以先切换至遥控，待生产稳

57、定后，将调节器参数置于比产生烈，可以先切换至遥控，待生产稳定后，将调节器参数置于比产生“共振共振” 时略大的数值上，重新整定调节器参数。时略大的数值上，重新整定调节器参数。 57 应用举例应用举例 例例 某工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来某工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来 吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。组成以出口温度为主吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。组成以出口温度为主 参数、气化压力为副参数的温度与压力串级控制系统。参数、气化压力为副参数的温度与压力串级控制系统。 采用一步整定法：采用一步整定法： （1）在本系统中，副参数为压力，该参数反应快，滞

58、后小，比）在本系统中，副参数为压力，该参数反应快，滞后小，比 例度可选小一些，根据本例具体情况，选取副调节器比例度为例度可选小一些，根据本例具体情况，选取副调节器比例度为40%。 （2）将副调节器的比例度）将副调节器的比例度2置于置于40%的刻度上，按的刻度上，按4：1衰减曲衰减曲 线法整定主调节器参数，得到线法整定主调节器参数，得到1s30%，TI13min。 （3）按）按4：1衰减曲线法的经验公式计算主调节器参数，即衰减曲线法的经验公式计算主调节器参数，即 20.81s0.830%24% TI10.3 TI1s=0.33=0.9min Td10.1 TI1s=0.13=0.3min 副调节

59、器的比例度副调节器的比例度240%。 （4）按照）按照“先比例后积分再微分先比例后积分再微分”的程序，将主调节器的参数置于的程序，将主调节器的参数置于 计算求得的数值上，使系统投入运行，实践证明，系统主参数稳定，计算求得的数值上，使系统投入运行，实践证明，系统主参数稳定， 完全满足工程要求。完全满足工程要求。 58 例例 在硝酸生产过程中，有一个氧化炉与氨气流量的串级控制在硝酸生产过程中，有一个氧化炉与氨气流量的串级控制 系统，炉温为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过系统，炉温为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过 50C，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。，氨气

60、流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。 采用两步整定法：采用两步整定法： （1）在系统设计时，主调节器选用）在系统设计时，主调节器选用PI控制规律，副调节器选用控制规律，副调节器选用P 控制规律，在系统稳定运行条件下，主、副调节器均置于纯比例作用，控制规律，在系统稳定运行条件下，主、副调节器均置于纯比例作用， 主调节器的比例度主调节器的比例度置于置于100%上，用上，用4：1衰减曲线法整定副调节器参衰减曲线法整定副调节器参 数，得数，得2s32%，T2s15s。 （2）将副调节器的比例度置于）将副调节器的比例度置于32%上，用相同的整定方法，将主调上，用相同的整定方法，将主调 节器的比