第五章 串级控制讲义F

1、 第二篇第二篇 复杂控制系统复杂控制系统 串级控制系统串级控制系统 比值控制系统比值控制系统 均匀控制系统均匀控制系统 分程控制系统分程控制系统 选择型控制系统选择型控制系统 前馈控制系统前馈控制系统 解耦控制系统解耦控制系统 第五章第五章 串级控制系统与比值控制系统串级控制系统与比值控制系统 5-1 串级控制系统的概念串级控制系统的概念例例5-1 以连续槽反应器温度控制为例1C1r1T1进料进料产品产品冷却液冷却液简单控制系统简单控制系统1C1r1T1进料进料产品产品冷却液冷却液副调副调节器节器调节阀夹套槽壁主调节器温度测量温度测量1r物料温度 D2 D12r2反应槽串级控制系统串级控制系统

2、1C1r1T1进料进料产品产品冷却液冷却液T22C例例5-5-2 2 精馏塔提馏段的温度控制将混合物料中各组分分离，达到规定的纯将混合物料中各组分分离，达到规定的纯度。度。利用混合物中各组分的挥发度不同（沸利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同）使液相中的轻组分（低沸物）和液相中的重点不同）使液相中的轻组分（低沸物）和液相中的重组分（高沸物）互相转移，从而实现分离。组分（高沸物）互相转移，从而实现分离。精馏塔示意图精馏塔示意图进料进料热蒸汽热蒸汽塔釜产品塔釜产品冷凝器冷凝器塔顶产品塔顶产品LBLD回流罐回流罐回流泵回流泵再沸器再沸器精馏塔精馏塔例例5-5-2 2 精馏塔提馏段的温度控制简单控

3、制系统简单控制系统直接控制方案直接控制方案PCPT简单控制系统简单控制系统间接控制方案间接控制方案C2QT加热加热蒸汽蒸汽串级控制系统串级控制系统例例5-5-3 3 炼油厂管式加热炉的温度控制工艺要求：工艺要求：炉出口温度保持恒定。问题：问题：控制通道容量滞后很大，控制缓慢。15min燃料压力或燃料的热值变化影响炉膛温度热传导给原料影响出口温度3min燃料油被加热油料1C1T 1r1例例5-5-3 3 炼油厂管式加热炉的温度控制燃料油被加热油料2C1T 2 1解决措施：解决措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。燃料压力变化炉膛温度变化出料温度变化1T、1C回路再改变燃料量

4、3min1C 1r 2r2T2T、2C回路先改变燃料量主调节器主调节器调节阀调节阀炉膛炉膛料油料油D2、 D3、D4D1管壁管壁温度变送器温度变送器1温度变送器温度变送器2副调节器副调节器2r21 1r 扰动：扰动： 燃料油方面燃料油方面-组分组分、油压、油压D2； 喷油用过热蒸汽压力喷油用过热蒸汽压力D4； 被加热油料被加热油料流量、温度流量、温度D1； 配风、炉膛漏风和大气温度配风、炉膛漏风和大气温度D3。主调节器主调节器调节阀调节阀炉膛炉膛料油料油D2、 D3、D4D1管壁管壁温度变送器温度变送器1温度变送器温度变送器2副调节器副调节器2r21 1r1 D2 、 D3和D4发生扰动干扰进

5、入副回路 2D1发生扰动干扰进入主回路3干扰同时作用于副回路和主回路，有两种情况：（1）主副回路的干扰影响方向相同。如：燃料油压力D2 炉膛温度 出口温度 副控制器开始调节副控制器开始调节被加热油流量D1(t)出口温度 主副控制器共同调节主副控制器共同调节（2）主副回路的干扰影响方向相反。如：燃料压力D2炉膛温度 出口温度 副控制器开始调节副控制器开始调节被加热油流量D1(t) 出口温度主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。副调节器调节阀副对象主对象主调节器副变送器主变送器主参数设定+ 主参数二次干扰一次干扰副变量副变量: :为稳定主变量或因某种需要而

6、引入的辅助变量。副变送器副变送器: : 检测和变送副变量的变送器。主调节器主调节器: : 按主变量的测量值与设定值的偏差进行工作的调节器。副调节器副调节器: : 按副变量的测量值与主调节器的输出值即副调节器的设定值之间的偏差进行工作的调节器。主对象主对象: : 主变量所处的那部分工艺设备, 其输入信号为副变量, 输出信号为主变量。副对象副对象: : 副变量所处的那部分工艺设备, 其输入信号为操纵量,输出信号为副变量。主回路主回路: : 在串级控制系统方框图中, 处于外环(也叫主环)的整个闭合回路。副回路副回路: : 串级控制系统方框图中的内环(也叫副环), 有时也称随动回路。例例5-5-3 3

7、 炼油厂管式加热炉的温度控制燃料油被加热油料C T r QCQT主要扰动：主要扰动： 燃料油阀前压力燃料油阀前压力例例5-5-3 3 炼油厂管式加热炉的温度控制燃料油被加热油料 C T r QCQT 主要扰动：主要扰动： 被加热油料被加热油料流量、温度流量、温度D1)(2sGp)(1sY主对象主对象)(2sY副对象副对象调节阀调节阀副调节器副调节器)(2sE主调节器主调节器副变送器副变送器)(1sE)(1sR主变送器主变送器)(1sD)(2sD副回路副回路主回路主回路)(2sR)(1sY)(2sY)(2sE)(1sE)(1sR)(1sD)(2sD)(1sGc)(2sGc)(sGv)(2sGp)

8、(1sGp)(2sGm)(1sGm)(2sR 5-2 串级控制系统的分析串级控制系统的分析设设:2222222)(,)(,)(,1)(mmvvccpppKsGKsGKsGsTKsG1111111)(,)(,1)(mmccpppKsGKsGsTKsG等效副受控对象等效副受控对象)(/)()( 222sRsYsGp222222222222111)()()()(1)()()(mppvcppvcmpvcpvcKsTKKKsTKKKsGsGsGsGsGsGsGsKKKKsTTKKKKKKKKKKKsTKKKmpvcppmpvcpvcmpvcppvc222222222222222211112pK2pTsT

9、KsGppp2221)( 11222mpvcKKKK2222,ppppTTKK结论：结论： 串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，副串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，副环具有快速作用，能够有效克服二次扰动的影响。环具有快速作用，能够有效克服二次扰动的影响。 副回路的增加改善了对象的动态性能，可加主调节副回路的增加改善了对象的动态性能，可加主调节器的增益，提高工作效率。器的增益，提高工作效率。222222222221,1mpvcppmpvcpvcpKKKKTTKKKKKKKK系统的特征方程为系统的特征方程为:0)()()( )(11121sGsGsGsGmppc将将代入上式得代入上式

10、得:0)()(1)(111221sGsGsTKsGmpppc1111111)(),1/()(,)(mmpppccKsGsTKsGKsG0111111221mppppcKsTKsTKK01)(121121221mppcppppKKKKsTTsTT0121121121212ppmppcppppTTKKKKsTTTTs022002ss212102ppppTTTT串级控制系统的串级控制系统的工作频率：工作频率：22212120211）（串ppppTTTT)(sGc)(1sY)(2sY)(1sE)(1sR)(1sD)(2sD)(sGv)(2sGp)(1sGp)(1sGmccKsG)(单回路控制系统的特征

11、方程为单回路控制系统的特征方程为:0)()()()()(1112sGsGsGsGsGmppvc同理可得同理可得:01)(11221221mppvcppppKKKKKsTTsTT21210/)(2ppppTTTT单回路控制系统单回路控制系统的工作频率：的工作频率：22212120) 2(11ppppTTTT单011111122mppppvcKsTKsTKKK假设假设1/1/)(/) (212121212121ppppppppppppTTTTTTTTTTTT单串22ppTT)1/(22222mpvcppKKKKTT22ppTT单串结论：结论：串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的串级控制系统由

12、于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，工作频率，减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间，提高了系统的快速性。缩短了调节时间，提高了系统的快速性。单串2cK)(1sY)(2sY)(2sE)(2sR)(1sE)(1sR)(1sD)(1sGc)(2sGc)(sGv)(1sGp)(2sZ)(2sGm)(1sZ)(1sGm)(2sGp)(2sD)(1sY)(2sY)(1sE)(1sR)(2sD)(1sGc)(1sGp)(1sZ)(1sGm)(2sGp)(*2sGp)(1sD)()()()(1)()()()(222222*2sGsGsGsGsGsDs

13、YsGmpvcpp)()()()(1)()()()(222222sGsGsGsGsGsGsGsGmpvcpvcp)(2sGp)(1sY)(2sY)(1sE)(1sR)(2sD)(1sGc)(1sGp)(1sZ)(1sGm)(2sGp)(*2sGp)()()()(1)()()()()(112112111sGsGsGsGsGsGsGsRsYmppcppc)()()()(1)()()()(222222*2sGsGsGsGsGsDsYsGmpvcpp)()()()(1)()()()(222222sGsGsGsGsGsGsGsGmpvcpvcp)()()()(*222sGsGsGsGpvcp)()()(

14、)()()(1)()()()()(11*2211*221sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGmppvccppvcc)()()()(1)()()()(12111*221sGsGsGsGsGsGsDsYmpcppp)()()()()()(1)()(1*22111*2sGsGsGsGsGsGsGsGmpvccpppvccKKK21)()()()()()()()(2121112sGsGsGsDsYsRsYsQvccC控制性能与抗干扰控制性能与抗干扰能力的综合指标为能力的综合指标为)(1sY)(2sY)(1sR)(1sD)(sGv)(1sGp)(2sZ)(2sGm)(2sE)(2sR)(1sE)

15、(1sGc)(2sGc)(1sZ)(1sGm)(2sGp)(2sD)(1sE)(sGc)(1sZ)()()()()(1)()()()()()(1121211sGsGsGsGsGsGsGsGsGsRsYmppvcppvc)()()()()(1)()()()(1121221sGsGsGsGsGsGsGsDsYmppvcppvcKK)()()()()()()(21112sGsGsDsYsRsYsQvcDcccKKK21结论：结论：串级控制系统的抗干扰能力优于单回路控制系统的串级控制系统的抗干扰能力优于单回路控制系统的抗干扰能力抗干扰能力, , 尤以抗作用于副环的干扰能力更为显著。尤以抗作用于副环的干

16、扰能力更为显著。 一般情况下均成立一般情况下均成立)()()()(1)()()(1211111sGsGsGsGsGsDsYmpcpp)()()()()()()(2111111sGsGsDsYsRsYsQpcC)()()()(1)()()()()(112112111sGsGsGsGsGsGsGsRsYmppcppc)(1sY)(2sY)(2sE)(2sR)(1sE)(1sR)(1sD)(1sGc)(2sGc)(sGv)(1sGp)(2sZ)(2sGm)(1sZ)(1sGm)(2sGp)(2sGp)(1sY)(2sY)(1sR)(1sD)(sGv)(1sGp)(1sGm)(2sGp)(1sE)(s

17、Gc)(1sZ)()()()()(1)()()(112111sGsGsGsGsGsGsDsYmppvcp)()()()()()()()(211111sGsGsGsDsYsRsYsQpvcD)()()(1)()()()()()()(2222111sGsGsGsGsGsGsGsGsQsQpmvpvcpcDC结论：结论：串级控制系统比单回路控制系统的抗干扰能力强。串级控制系统比单回路控制系统的抗干扰能力强。 一般情况下一般情况下)()()()()(1)()()()()()(1121211sGsGsGsGsGsGsGsGsGsRsYmppvcppvc)()()()()()()(2111111sGsGs

18、DsYsRsYsQpcC1)()()(22sGsGsGpmv)()(11sQsQDC单回路控制系统：单回路控制系统：调节器参数是根据具体的对象特性整定而得到的。当Kv、Kp2变化大时，控制质量难以保证。串级控制系统：串级控制系统：sTKsGppp2221)(222222222221,1mpvcppmpvcpvcpKKKKTTKKKKKKKK当副调节器的放大倍数Kc2整定的足够大，使1222mpvcKKKK其中，0,/1222pmpTKK22/1)(mpKsG副回路的特性与Kv、Kp2变化无关，能保证控制质量。串级控制系统具有串级控制系统具有一定的自适应能力。一定的自适应能力。串级系统特点总结：

19、 可以明显提高系统对二次扰动的抑制能力，对进入主回路的干扰控制效果也有改善； 改善了被控过程的动态特性； 提高了系统的工作频率； 对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。 调节效果比较串级控制单回路控制单回路控制ty延迟的过程延迟的过程Co1最大偏差不超过Co72Co61s90滞后min/35kg如果纸浆流量波动sCo4508过渡过程时间最大偏差达sCo2001过渡过程时间最大偏差不超过T2CT1C2. 克服对象的容积延迟克服对象的容积延迟3. 克服变化剧烈和幅值大的干扰克服变化剧烈和幅值大的干扰 Co5 . 1最大偏差kPakPa300500下降至如果蒸汽压力从Co10最大偏差达Co5 .

20、1最大偏差不超过4. 用于具有非线性特性的过程用于具有非线性特性的过程某醋酸某醋酸乙炔合成反应器装置乙炔合成反应器装置5-3 串级控制系统设计和实施中的几个问题串级控制系统设计和实施中的几个问题精馏塔提馏段温度控制精馏塔提馏段温度控制副回路的选择副回路的选择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QC控制量控制量流量测量值流量测量值流量变送器流量变送器TC温度设定值温度设定值温度测量值温度测量值温度变送器温度变送器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变送器温度变送器1TC温度设定值温度设定值2TC控制量控制量 另外，当对象另外，当对象具有非线性环节时具有非线性环

21、节时, ,应使非线性环节应使非线性环节处于副环中；处于副环中；当对当对象具有较大纯延迟象具有较大纯延迟时时, ,应使副环尽量应使副环尽量少包括或不包括纯少包括或不包括纯延迟。延迟。由于主副回路是两个相互独立又密切相关的回路，在一定条件下，如果受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副环时会引起副环中副参数波动振幅的增加，而副参数的变化传送到主环后，又迫使主参数的变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度地波动。在设计时应将主、副过程的时间常数错开；在运行中整定调节器参数时把主、副回路的工作频率拉开。主副回路都可近似看成二阶振荡系统, 其主副回路的幅频特性表达式为：222222)(21

22、(4)(21(1/1rrrM幅频特性曲线幅频特性曲线二阶振荡系统呈4:1衰减振荡时216.037.212/12M1M312/或r23/ 14 . 2Mr/05 . 00 . 15 . 10 . 10 . 2假定主副环的工作频率与共振频率分别为 d1d2r1 、r2 23/1,23/11221rdrd共振现象共振现象nnnnd967.0216.01122工作频率即工作频率与其共振频率非常接近即工作频率与其共振频率非常接近nnnnr952.0216.0*212122共振频率11dr22dr主回路为副回路的干扰信号主回路为副回路的干扰信号副回路为主回路的干扰信号副回路为主回路的干扰信号23/1,23

23、/11221dddd共振频率范围一般来讲12dd123dd2/3/1/2/3/1/12122121ddddddddandand为 避免共振现象121223dddd12)103(dd为确保串联系统不产生共振，一般取21)103(ddTT或1、副调节器、副调节器P调节，主调节器调节，主调节器PI或或PID调节调节2、副调节器、副调节器PI燃料油被加热油料C21T 21C1 1r 2r2T t1 t2 t1单回路控制退出饱和区域需要单回路控制退出饱和区域需要串级控制退出饱和区域需要串级控制退出饱和区域需要 t1+t2结论：结论：积分饱和情况较之简单控制系统更严重积分饱和情况较之简单控制系统更严重Gc

24、1=Kc1Gc2 = Kc2Gp2 = Kp2Gm2 = Km21/(Tis+1)+ _+ _R1(s)E2(s)Y1(s)Y2(s)R2(s)(11)()(2112sYsTsEKsRiCE1(s)系统正常工作时，系统正常工作时，Y2 不断跟踪不断跟踪 R2，即，即)()(22sRsY)(11)(112sEsTKsRiCPI调节调节P 调节调节当副回路受到某种约束而长期存在偏差当副回路受到某种约束而长期存在偏差，即，即)()(22sRsY2112yeKrC主调节器：主调节器：副调节器：副调节器：副调节器一般不引入副调节器一般不引入 I 或或 D“先副后主先副后主”1、根据工艺安全或节能要求确定

25、调节阀的气开、气关形、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的气开、气关形式；式；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；作用；3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。反作用。【例例】加热炉温度控制系统加热炉温度控制系统主变量：出口温度主变量：出口温度副变量：炉膛温度副变量：炉膛温度燃料调节阀：气开式燃料调节阀：气开式0VK燃料油被加热油料2C1T 2 11C 1r 2r2T主调节器主调节器调节阀调节阀炉膛炉膛料油料油D2、 D3、D4D1管壁管壁温度变送器温度变送器1温度

26、变送器温度变送器2副调节器副调节器2r21 1rKO2 0KV 0Km2 0KC2 KV KO2 Km2 0KC2 0Km1 0 KC1 K副回路副回路 KO1 Km1 0 KC1 0；KV 0；根据KC2 KO2 KV 0知KC2 0；根据KC1 KO1 0知KC1 0，即主调节器应选反作用形式。 5-4 调节器的选型和整定方法调节器的选型和整定方法一、逐步逼近法一、逐步逼近法副回路反复调试，逐步逼近最优副回路反复调试，逐步逼近最优具体步骤为：具体步骤为： 1. 1. 主回路开环，整定副调节器主回路开环，整定副调节器 GC21。 2. 2. 主回路闭合，在主回路闭合，在GC21整定主整定主调

27、节调节器器GC11 。 3. 3. 主、副回路均闭合，在主、副回路均闭合，在GC11基础上得基础上得GC22 。 4. 4. 主、副回路均闭合，在主、副回路均闭合，在GC22基础上基础上整定整定GC12 。 5. 5. 重复步骤重复步骤3 3、4 4，直到满足，直到满足( (逼近逼近) )控制指标为止。控制指标为止。1 1、逐次逼近法整定串级系统参数步骤、逐次逼近法整定串级系统参数步骤1 1 2 2、逐次逼近法整定串级系统参数步骤逐次逼近法整定串级系统参数步骤2 2二、两步整定法二、两步整定法具体步骤为：具体步骤为： 1.先整定副环。先整定副环。在主、副回路均闭合，主、副调节器均为纯比例作用条

28、件下，将主调节器的比例度置为100，按单回路整定法整定副回路，得到副回路在满足4:1衰减下的副调节器的比例度2s和振荡周期T20 。2. 整定主环。整定主环。在副调节器的比例度为2s的条件下，逐渐减小主调节器的比例度，直到得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主调节器的比例度1s和工作振荡T10 3.根据前面得到的2s 、T20 、1s 、T10 ，利用公式，计算主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间。4.将计算出的调节器参数加到控制器上，看是否满足要求，如不满足，则做适当的调整。 三、一步整定法三、一步整定法具体步骤为：具体步骤为： 1. 根据经验，直接将副调节器参数一次设定好，不再变动；根据经验，直接将副调节器参数一次设定好，不再变动；2. 整定主调节器参数。整定主调节器参数。副变量类型副变量类型副调节器放大系数副调节器放大系数KC2副调节器比例带副调节器比例带（%）温度温度1.75.02060压力压力1.43.03070流量流量1.252.54080液位液位1.255.02080一步整定法的调节器参数经验数据 例例 在硝酸生产过程中，有一个氧化炉温度与氨气流量的串级在硝酸生产过程中，有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统。温度为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不控制系统。温度