4串级控制系统

1、过程控制过程控制Process Control 上篇上篇 过程控制系统过程控制系统 第第4章章 串级控制系统串级控制系统本章要点本章要点 串级控制系统的概念串级控制系统的概念 串级控制系统的串级控制系统的结构及特点结构及特点 串级控制系统的串级控制系统的设计与应用设计与应用 串级控制系统的整定串级控制系统的整定本章学习目标本章学习目标 掌握串级控制系统的基本概念掌握串级控制系统的基本概念 掌握串级控制系统结构、工作原理及特点掌握串级控制系统结构、工作原理及特点 掌握串级控制系统的设计方法及适用场合掌握串级控制系统的设计方法及适用场合 理解理解串级控制系统的整定串级控制系统的整定方法方法第第4章

2、章 串级控制系统串级控制系统4.1 串级控制系统的基本概念串级控制系统的基本概念4.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点4.3 串级控制系统的适用场合串级控制系统的适用场合4.4 串级控制系统的设计与应用串级控制系统的设计与应用4.5 串级控制系统的整定串级控制系统的整定4.1 串级控制系统的基本概念串级控制系统的基本概念4.1.1 串级控制系统的结构串级控制系统的结构连续反应釜温度控制示意图连续反应釜温度控制示意图 物料自顶部连续进入釜中，物料自顶部连续进入釜中，经反应后由底部排出。反经反应后由底部排出。反应产生的热量由夹套中的应产生的热量由夹套中的冷却水带走。为保证产品冷却水带走。为保

3、证产品质量，对反应温度质量，对反应温度T1要进要进行严格控制。行严格控制。 工艺要求工艺要求:被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料。被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料。 选取冷却水流量为调节参数选取冷却水流量为调节参数,构成单回路控制系统构成单回路控制系统 第4章 串级控制系统 4.1 基本概念引起温度引起温度T1变化的干扰因素有：变化的干扰因素有：进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成，用进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成，用F1表示；表示；冷却水方面有水的入口温度和阀前压力，用冷却水方面有水的入口温度和阀前压力，用F2表示。表示。 问题：过

4、渡过程时间长，调节不及时问题：过渡过程时间长，调节不及时第4章 串级控制系统 4.1 基本概念将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统结构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜结构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度串级控制示意图为温度串级控制示意图为第4章 串级控制系统 4.1 基本概念串级控制系统的一般结构框图串级控制系统的一般结构框图 主回路主回路-定值控制定值控制副回路副回路-随动控制随动控制第4章 串级控制系统 4.1 基本概念4.1.2 串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程假定：假定：调节阀调

5、节阀气关式；调节器气关式；调节器反作用；系统反作用；系统平衡态平衡态化学反应釜温度串级控制过程分析：化学反应釜温度串级控制过程分析： 第4章 串级控制系统 4.1 基本概念1干扰作用于副回路（干扰作用于副回路（二次干扰二次干扰）副调节器先动作副调节器先动作粗调；主调节器后动作粗调；主调节器后动作细调。细调。 先影响先影响T T2 2 ，后影响，后影响T T1 1来自冷却水方面的干扰（冷来自冷却水方面的干扰（冷却水入口温度、阀前压力）却水入口温度、阀前压力）F2作用于系统作用于系统 第4章 串级控制系统 4.1 基本概念2干扰作用于主回路（干扰作用于主回路（一次干扰一次干扰）主调节器通过副调节器

6、产生校正作用主调节器通过副调节器产生校正作用,由于副回路的存在，由于副回路的存在，加快了校正作用，使干扰对反应温度的影响比采用单回路加快了校正作用，使干扰对反应温度的影响比采用单回路控制系统时要小。控制系统时要小。 影响影响T T1 1一次干扰为来自进料方面的一次干扰为来自进料方面的干扰干扰F1，即进料流量、温度，即进料流量、温度及化学成分。及化学成分。第4章 串级控制系统 4.1 基本概念3干扰同时作用于主、副回路干扰同时作用于主、副回路 l干扰使主、副被控参数同时增大或减小，则主、副调节器对干扰使主、副被控参数同时增大或减小，则主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门

7、，加调节阀的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使反应温度很快回到给定值上。强控制作用，使反应温度很快回到给定值上。l干扰使主、副被控参数一个增大，另一个减小，则主、副干扰使主、副被控参数一个增大，另一个减小，则主、副调节器对调节阀的控制方向是相反的，调节阀的开度只需要调节器对调节阀的控制方向是相反的，调节阀的开度只需要做较小的变动即可满足控制要求。做较小的变动即可满足控制要求。 串级控制系统能迅速克服二次干扰，且对于一次干扰也可加串级控制系统能迅速克服二次干扰，且对于一次干扰也可加快调节的进程。快调节的进程。副回路副回路先调、快调、粗调先调、快调、粗调主回路主回路后调、慢

8、调、细调后调、慢调、细调4.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点对于同一对象对于同一对象)()()(02010sGsGsG单回路控制单回路控制串级控制串级控制第4章 串级控制系统 4.2 串级控制系统的特点1. 改善对象的动态特性改善对象的动态特性,提高系统的工作频率提高系统的工作频率串级控制等效方框图串级控制等效方框图 202*02220221cvmYsGsGsF sGs Gs Gs Gs等效副对象为等效副对象为第4章 串级控制系统 4.2 串级控制系统的特点22( )CCGsK( )VVGsK假设假设:22020202)(,1)(mmKsGsTKsG则则sTKsTKKKKKsGmvc0

9、20202202202*0211)(202202021mvcKKKKKK202202021mvcKKKKTT可见可见02020202,TTKK可以证明：可以证明：在一个系统中在一个系统中,中间大小的时间常数的减小中间大小的时间常数的减小,有利有利于提高控制质量于提高控制质量,提高系统的可控性。提高系统的可控性。结论：结论：等效副对象时间常数的缩小，可使系统的控制质量等效副对象时间常数的缩小，可使系统的控制质量获得提高。获得提高。第4章 串级控制系统 4.2 串级控制系统的特点01)(1010221020120201mvccKKKKKKsTTsTT将各环节传函代入，化简得将各环节传函代入，化简得

10、由于等效副对象时间常数缩小，系统的工作频率因此可获得提高。由于等效副对象时间常数缩小，系统的工作频率因此可获得提高。系统工作频率可从系统的特征方程求出：系统工作频率可从系统的特征方程求出：串级系统特征方程为串级系统特征方程为0)()()()()()(1101*0221sGsGsGsGsGsGmvcc022002ss二阶标准形式二阶标准形式0201020102TTTT 系统工作频率系统工作频率201 串级系统主环工作频率串级系统主环工作频率21202010201TTTT串第4章 串级控制系统 4.2 串级控制系统的特点01)(10102020120201mvcKKKKKsTTsTT将各环节传函代

11、入，化简得将各环节传函代入，化简得单回路系统特征方程为单回路系统特征方程为0)()()()()(110102sGsGsGsGsGmvc0201020102TTTT 单回路系统工作频率单回路系统工作频率21120201020120TTTT单 假定假定则则020102010201020102010201/1/1TTTTTTTTTTTT单串单串0202TT第4章 串级控制系统 4.2 串级控制系统的特点2. 具有较强的抗干扰能力，能迅速克服二次干扰具有较强的抗干扰能力，能迅速克服二次干扰 串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强得多，串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强得多，特别是当干扰

12、作用于副回路的情况下，系统的抗干扰能力特别是当干扰作用于副回路的情况下，系统的抗干扰能力会更强。会更强。副回路副回路先调、粗调先调、粗调主回路主回路后调、细调后调、细调第4章 串级控制系统 4.2 串级控制系统的特点串级控制系统由于有主、副两只调节器合力对干扰采取控串级控制系统由于有主、副两只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。制措施，因而抗干扰能力大为增强。3.对负荷变化具有一定的自适应能力对负荷变化具有一定的自适应能力当采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环却是当采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷变化一个随动系统

13、。主调节器能够根据操作条件和负荷变化的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作条件的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作条件和负荷的变化。和负荷的变化。等效副对象的放大倍数为等效副对象的放大倍数为202202021mvcKKKKKK一般一般112022mvcKKKK当操作条件或负荷变化使当操作条件或负荷变化使K02发生变化时，对发生变化时，对K02的影响却很小的影响却很小.第4章 串级控制系统 4.2 串级控制系统的特点等效副回路的传递函数为等效副回路的传递函数为当当KC2整定得足够大时，整定得足够大时，sTKsTKKKKKKKsGsGsGsGsGsGsGsXsYsGmvcvcmovc

14、ovc22022022022222222221)1 ()()()()(1)()()()()()(202202221mvcvcKKKKKKKK12022mvcKKKK22022022211mmvcvcKKKKKKKKK则则与与K02无关。无关。第4章 串级控制系统 4.2 串级控制系统的特点第4章 串级控制系统 4.2 串级控制系统的特点当采用单回路系统控制质量达不到要求时，采用串级控当采用单回路系统控制质量达不到要求时，采用串级控制方案往往可以获得较为满意的效果。不过串级控制系制方案往往可以获得较为满意的效果。不过串级控制系统比单回路控制系统所需的仪表多，系统的投运和整定统比单回路控制系统所需

15、的仪表多，系统的投运和整定相应地也要复杂一些。因此，如果单回路控制系统能够相应地也要复杂一些。因此，如果单回路控制系统能够满足要求，就不要采用串级控制系统。满足要求，就不要采用串级控制系统。结结 论论4.3 4.3 串级控制系统的适用场合串级控制系统的适用场合1.1.容量滞后较大的被控对象容量滞后较大的被控对象选容量滞后较小的辅助变量，减小时间常数，提高工作频率。选容量滞后较小的辅助变量，减小时间常数，提高工作频率。加热炉温度串级控制系统加热炉温度串级控制系统第4章 串级控制系统 4.3 串级控制系统的适用场合2.2.干扰变化频繁且幅度大的过程干扰变化频繁且幅度大的过程工艺要求：工艺要求：控制

16、汽包液位控制汽包液位特点：特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈烈三冲量液位串级控制。三冲量液位串级控制。快装锅炉三冲量液位串级控制快装锅炉三冲量液位串级控制第4章 串级控制系统 4.3 串级控制系统的适用场合3.3.纯滞后时间比较长的被控对象纯滞后时间比较长的被控对象仿丝胶液压力与压力串级控制系统仿丝胶液压力与压力串级控制系统工艺要求：工艺要求：过滤前的压力稳定在过滤前的压力稳定在250KPa250KPa特点：特点：距离长，纯滞后时间长。距离长，纯滞后时间长。 在离调节阀较近、纯时延较小的地方，选择一个辅助参数在离调节阀较近、纯时延较小的

17、地方，选择一个辅助参数作为副参数，构成一个纯滞后较小的副回路。作为副参数，构成一个纯滞后较小的副回路。计量泵第4章 串级控制系统 4.3 串级控制系统的适用场合4.4.当被控参数的给定值需要根据工艺情况经常改变时当被控参数的给定值需要根据工艺情况经常改变时炼油厂催化裂化装置中炼油厂催化裂化装置中催化剂进料器一次风压与一次风量串级控制系统催化剂进料器一次风压与一次风量串级控制系统 为了防止催化剂从进料器顶上吹出，并防止催化剂降落为了防止催化剂从进料器顶上吹出，并防止催化剂降落至加料器底部堵塞管道和容器，造成事故，一次风量必须随至加料器底部堵塞管道和容器，造成事故，一次风量必须随一次风压的变化不断

18、校正，为此以一次风压为主参数，一次一次风压的变化不断校正，为此以一次风压为主参数，一次风量为副参数构成串级控制系统，即可满足工艺要求。风量为副参数构成串级控制系统，即可满足工艺要求。第4章 串级控制系统 4.3 串级控制系统的适用场合5.5.被控对象有非线性，而负荷变化又较大时被控对象有非线性，而负荷变化又较大时合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性特点：特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率

19、不变；串级控制，则可自动调整副调节器的给定值。串级控制，则可自动调整副调节器的给定值。第4章 串级控制系统 4.3 串级控制系统的适用场合4.4 串级控制系统的设计与应用串级控制系统的设计与应用4.4.1 4.4.1 主、副参数的选取主、副参数的选取4.4.2 4.4.2 控制参数的选择控制参数的选择4.4.3 4.4.3 主、副调节器调节规律的选择主、副调节器调节规律的选择4.4.4 4.4.4 主、副调节器正、反作用方式的选择主、副调节器正、反作用方式的选择第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计与应用4.4.1 4.4.1 主、副参数的选取主、副参数的选取第4章 串级控制系统 4

20、.4 串级控制系统的设计与应用串级控制系统串级控制系统主参数主参数的选取与单回路被控参数的选取原则的选取与单回路被控参数的选取原则相同，即选取那种能最好地反映工艺状况的相同，即选取那种能最好地反映工艺状况的关键参数关键参数。 副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计合副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计合理，串级系统的特点可得到充分发挥，控制质量将比单回理，串级系统的特点可得到充分发挥，控制质量将比单回路系统有明显的提高，否则，串级系统的优势得不到发挥路系统有明显的提高，否则，串级系统的优势得不到发挥，将失去设计串级控制的意义。，将失去设计串级控制的意义。副回路的设计与副参

21、数的选择原则副回路的设计与副参数的选择原则1 1副参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，副参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏反应灵敏2 2副回路应包含被控对象所受到的主要干扰副回路应包含被控对象所受到的主要干扰a）燃料油压力为主要干扰）燃料油压力为主要干扰b) 燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计与应用3.3.主、副对象时间常数要匹配，以防共振发生主、副对象时间常数要匹配，以防共振发生当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有2022

22、010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串单假设假设 20221cvmK K K K为常量为常量, ,作出图示曲线作出图示曲线主、副被控过程的时间常数的比值不主、副被控过程的时间常数的比值不能太大也不能太小，应适当匹配。能太大也不能太小，应适当匹配。结论结论:为使主、副回路之间的动态联系较小，为使主、副回路之间的动态联系较小，避免引起系统共振避免引起系统共振, ,通常选择时间常通常选择时间常数的比值在数的比值在3 31010范围内为宜。范围内为宜。3/, 3/0201TT副主使使第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计与应用4.4.当对象具

23、有非线性环节时，应使其处于副环中当对象具有非线性环节时，应使其处于副环中合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性换热器这一非线性环节被包含在副回路中，负荷的变化换热器这一非线性环节被包含在副回路中，负荷的变化所引起的对象非线性影响就被副回路本身所克服，因而所引起的对象非线性影响就被副回路本身所克服，因而其对主参数的影响很小。其对主参数的影响很小。第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计与应用5.5.当对象具有较大纯滞后时，应尽量将纯滞后部分包含在主当对象具有较大纯滞后时，应尽量将纯滞后部分包含在主对象中对象中纺丝胶液压力与压力串级控制系统纺丝

24、胶液压力与压力串级控制系统 当对象具有较大纯滞后时，应使所设计的副回路尽量少包括当对象具有较大纯滞后时，应使所设计的副回路尽量少包括或不包括纯滞后，以提高副回路的快速抗干扰能力。或不包括纯滞后，以提高副回路的快速抗干扰能力。 工艺要求过滤前的胶液压力稳定在工艺要求过滤前的胶液压力稳定在 0.25MPa0.25MPa。由于胶液。由于胶液粘度大，由计量泵到过滤器前的距离较长，纯滞后大，单粘度大，由计量泵到过滤器前的距离较长，纯滞后大，单回路控制系统不能满足工艺要求。回路控制系统不能满足工艺要求。 第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计与应用6.6.应综合考虑方案的经济性和工艺的合理性应综

25、合考虑方案的经济性和工艺的合理性 冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高； 冷剂蒸发压力为副参数，投资多，但副回路比较灵敏，冷剂蒸发压力为副参数，投资多，但副回路比较灵敏， 控制质量较高。控制质量较高。选择应视具体情况而定。选择应视具体情况而定。第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计与应用4.4.2 4.4.2 控制参数的选择控制参数的选择第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计与应用控制参数的选择与单回路控制系统的设计原则大体相同。控制参数的选择与单回路控制系统的设计原则大体相同。一般应考虑如下几点：一般应考虑如下几点： 选择可控性良

26、好的参数作为控制参数。选择可控性良好的参数作为控制参数。 所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数，并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以对主要扰数，并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以对主要扰动进行有效控制并提高控制质量。动进行有效控制并提高控制质量。 所选择的控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，所选择的控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间常数适当小一些。即时间常数适当小一些。 选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。4.4.3 主、副调节器调节规律的选择主、副调节器调节规律

27、的选择主调：主调：定值控制；定值控制；副调：副调：随动控制。随动控制。1主调节器调节规律的选择主调节器调节规律的选择 主参数直接关系到产品的质量或生产的安全，工艺上要求比主参数直接关系到产品的质量或生产的安全，工艺上要求比较严格。一般不允许有静差。因此，主调节器通常都选用较严格。一般不允许有静差。因此，主调节器通常都选用PIPI调调节规律。当对象控制通道容量滞后比较大时（如温度对象和成节规律。当对象控制通道容量滞后比较大时（如温度对象和成分对象等），为了克服容量滞后，应该选用分对象等），为了克服容量滞后，应该选用PIDPID调节规律。调节规律。 第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计

28、与应用2副调节器调节规律的选择副调节器调节规律的选择 副被控参数允许有静差副被控参数允许有静差P,P,一般不引入一般不引入PIPI；当选流量为副参；当选流量为副参数时，为保稳定，比例度较大，可引入积分，即采用数时，为保稳定，比例度较大，可引入积分，即采用PIPI，以增，以增强控制作用；一般不引入微分，否则会使调节阀动作过大或过强控制作用；一般不引入微分，否则会使调节阀动作过大或过于频繁，对控制不利。于频繁，对控制不利。4.4.4 主、副调节器正、反作用方式的选择主、副调节器正、反作用方式的选择选择步骤：选择步骤：工艺要求工艺要求调节阀的气开、气关调节阀的气开、气关副调节器的正、反作用副调节器的

29、正、反作用主、副过程的正、反作用主、副过程的正、反作用主调节器的正、反作用。主调节器的正、反作用。示例：示例：燃油阀气开，副对象燃油阀气开，副对象为正过程，副调为反为正过程，副调为反作用调节器；主对象作用调节器；主对象也为正过程，主调为也为正过程，主调为反作用调节器反作用调节器第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计与应用例例4.1 加热炉出口温度与燃料油（或燃料气）压力串级控制系统加热炉出口温度与燃料油（或燃料气）压力串级控制系统 第4章 串级控制系统 4.4 串级控制系统的设计与应用副回路副回路调节阀：应选气开式，调节阀：应选气开式，Kv“+”；副对象：副对象： P，K02“+”；

30、副变送器副变送器:Km“+”。根据副环放大倍数符号为根据副环放大倍数符号为“+”的原则，的原则， Kc2应为应为“+”，故副调节器选反作用。，故副调节器选反作用。主回路主回路主调节器的正、反作用只取决于主对象主调节器的正、反作用只取决于主对象K01符号。符号。主对象主对象:燃料压力燃料压力P出口温度出口温度T， K01为为“+”，则主调节器，则主调节器Kc1应为应为“+”，故主调节器应选反作用。故主调节器应选反作用。主调节器：主调节器：PID副调节器：副调节器：P例例4.2 精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串级控制系统精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串级控制系统第4章 串级控制系统 4.4 串级控

31、制系统的设计与应用副回路副回路调节阀：气闭式，调节阀：气闭式，Kv“-”；副对象：副对象： F，K02“+”；副变送器副变送器:Km“+”。根据副环放大倍数符号为根据副环放大倍数符号为“+”的原则，的原则， Kc2应为应为“-”，故副调节器选正作用。，故副调节器选正作用。主回路主回路主调节器的正、反作用只取决于主对象主调节器的正、反作用只取决于主对象K01符号。符号。主对象主对象:FT， K01为为“+”，则主调节器，则主调节器Kc1应为应为“+”，故主调节器应选反，故主调节器应选反作用。作用。主调节器：主调节器：PID副调节器：副调节器：PI 整定原则整定原则: :尽量加大副调节器的增益，提

32、高副回路的频率，使主、副尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副 回路的频率错开，以减少相互影响回路的频率错开，以减少相互影响. .先整副环后整主环先整副环后整主环. .1.1.逐步逼近法逐步逼近法1 1） 主开环、副闭环，整定副调的参数；记为主开环、副闭环，整定副调的参数；记为Gc21 2) 2) 副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为Gc11 3 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为Gc11 ,， Gc21 否则，再整定副调节器参数，记为否则，再整定副调节器参数，记为Gc22 反复进行，满意为止。反复进行，满意为止。该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反复进行，费时较多复进行，费时较多投运原则投运原则: :先投副环后投主环