串级控制系统

1、过程控制系统及工程信息学院自动化系：孙洪程信息学院自动化系：孙洪程 Email:S第二章第二章 串级控制系统串级控制系统 复杂系统-随着控制理论与工业应用的发展，包含的内容也不同，例如复杂大系统-人口系统，环境控制，能源控制，企业生产经营控制等。 复杂系统-多回路系统 多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路组成的系统。 80-90%控制系统是基于PID控制的系统，包括多回路系统。 多回路系统应用状况以乙烯生产厂为例，它共有421个控制回路其中：常规PID单回路 347个 串级、比值等74个（串级24） 多回路系统占17.5% TC 分析干扰：分析干扰：情况一，情况一， TCFC串级

2、控制系统：串级控制系统：特点：特点： TCFC温度控制器流量控制器流量控制器控制阀控制阀流量变送器流量变送器流量对象流量对象温度对象温度对象温度变送器温度变送器 F形成两个环: 副环或副回路“ 粗调”作用 主环或主回路“ 细调”作用 定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制器输出作为副控制器的设定 随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，副控制器输出控制控制阀F副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀TCFC蒸汽蒸汽进料进料 流量控制器：流量控制器：“粗调粗调” 温度控制器：温度控制器：“细调细调” 蒸汽流量突然增大蒸汽流量突然增大（一段时间：提馏

3、段温度不变，（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大量测量增大（流量控制器正偏差，流量控制器输出（流量控制器正偏差，流量控制器输出减小，控制阀关小）减小，控制阀关小）蒸汽流量减小，削弱对提馏段蒸汽流量减小，削弱对提馏段温度的影响）温度的影响） 提馏段温度缓慢上升提馏段温度缓慢上升（温度控制器正偏差，温（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小）流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减小

4、。小。FCspuFCspu 温度控制器：温度控制器：“细调细调” 结论：结论：流量控制器：流量控制器：“粗调粗调” （1 1） （2 2） （3 3）（4）温度控制器流量控制器流量控制器控制阀控制阀流量对象流量对象温度对象温度对象温度变送器温度变送器流量变送器流量变送器 主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，一般不允许有余差一般不允许有余差 副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差；副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差；主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有

5、时为了克服对象滞后，也加入微分作用；对象滞后，也加入微分作用；副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用，副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用，只选择比例控制规律；只选择比例控制规律；只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰出现在什么位置。出现在什么位置。（1）主、副控制器控制规律的选择）主、副控制器控制规律的选择 选择顺序：先副后主选择顺序：先副后主 副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系 即从稳定性考虑，开环放大倍数

6、必须为即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号 主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。主控制器、主对象，以及副回路。 副回路可以看作是一个符号为副回路可以看作是一个符号为“正正”的环节的环节 随动系统，跟踪主随动系统，跟踪主控制器的输出。控制器的输出。 （2）主、副控制器正反作用的选择）主、副控制器正反作用的选择因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为主对象为“正正”，则主控制器

7、取，则主控制器取“反反”作用，主对象作用，主对象为为“负负”，则主控制器取，则主控制器取“正正”作用作用 例例1 1 加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统PCTC燃料燃料物料物料副控制器：副控制器： 控制阀选控制阀选“气开气开”式式正正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升压力上升正正 变送器一般均为正变送器一般均为正主控制器：主控制器： 副环副环正正 主对象，温度对象，主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升出口温度上升正正例例2 2

8、精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统副控制器：副控制器： 控制阀选控制阀选“气闭气闭”式式负负 正对象，流量对象，阀门开大，正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大流量增大正正 变送器一般均为正变送器一般均为正主控制器：主控制器： 副环副环正正 主对象，温度对象，主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加，蒸汽流量增大时，加热量增加， 提馏段温度上升提馏段温度上升正正FCTC结论结论 串级串级主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀 主控主控串级：用副控制器代替原主控制

9、器的输出，直接控制控制阀串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀 无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确直接切换条件直接切换条件 （3）串级与主控的切换条件）串级与主控的切换条件副控制器为反作用（负）：副控制器为反作用（负）：副控制器为正作用（正）：副控制器为正作用（正）：FCspconstFCspconstuuFCspconstFCspconstuu如副控是反作用，可执行切换；如副控是正作用，需先改变主控的方向，再切换。条件条件结论结论如对控制阀的开闭形式没有要求，应选择使副控为反作用的开、闭形式。 熔剂溶质蒸汽TC熔剂溶质蒸汽T2CT1C溶

10、解罐内温度单回路控制系统溶解罐内温度与夹套温度串级控制系统GC(s)GV（s）G02（s）G01（s）Gm（s） R（s）GC1(s)GC2(s)GV（s）G02（s）G01（s）Gm2（s）Gm1（s）GC1(s)GC2(s)GV（s）G02（s）G01（s）Gm2（s）Gm1（s）（1）副回路的存在，改善了对象特性，提高了系统工作频率）副回路的存在，改善了对象特性，提高了系统工作频率GC1(s)GC2(s)GV(s)G02(s)G01（s）Gm2(s)Gm1(s)GC2(s)GV(s) GC1(s)GC2(s)GV(s)G02(s)G01（s）Gm1(s)02020222( )( )1(

11、)( )( )( )mCVGsGsGs Gs Gs Gs022022021CVmKK K K KT s0 20 21KTs 比较可知，串级系统的等效副对象的放大倍数和时间比较可知，串级系统的等效副对象的放大倍数和时间常数都比原副对象的要小常数都比原副对象的要小结论结论22()CCGsK()VVGsK0 20 20 2()1KGsTs22()mmGsK020220221CVmKKKKKK020220221CVmTTKKKK 0202TT 0202KK（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力）串级控制系统具有较强的抗干扰能力串级系统的内环具有快速作用，能有效地克服二次扰动的影响21222122211

12、12222122211122( )( )1( )( )( )( )( )( )( )( )( )1( )( )( )1( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )dpcvpmcvpcmpcvpmdpcvpmcmpcvpGs GsGs G s Gs GsY sGs G s GsD sGs Gs GsGs G s Gs GsGs GsGs G s Gs GsGs Gs Gs Gs G s Gs串211212( )( )( )( )1( )( )( )( )( )dpcvppmGs GsY sD sG s G s Gs Gs Gs单在二次干扰下，

13、被控量受二次干扰的影响, 串级系统比单回路系统要减小10100倍。（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力）串级控制系统具有较强的抗干扰能力在二次干扰下，被控量受二次干扰的影响, 串级系统比单回路系统要减小10100倍。10002468246810串/单1+KC2KVK02Km2 特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行控制，副控制，副“粗调粗调”，主，主“细调细调”，副环起到超前调节的作用，副环起到超前调节的作用 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10100倍，倍，干扰作用于主环时，也

14、可提高干扰作用于主环时，也可提高25倍倍 例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力）串级控制系统具有较强的抗干扰能力（3）串级系统具有一定的自适应能力）串级系统具有一定的自适应能力 自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的，设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操作条件变化、负操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了）变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，

15、主控制器可根据串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条件的变化，不断修改副控制器的给定值操作条件的变化，不断修改副控制器的给定值自适应能力自适应能力 “能力有限能力有限”，自适应控制（现代控制技术），自适应控制（现代控制技术） （3）串级系统具有一定的自适应能力）串级系统具有一定的自适应能力12222222222111,cvppcvpmcvpmpmK K KKK K KKK K KKKK因为所以F副回路增益不受主回路系统负荷影响F副回路是个随动系统，快速跟踪的能力 串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂 工程上，宜简不宜繁

16、工程上，宜简不宜繁 串级系统的关键在于副环的设计串级系统的关键在于副环的设计 设计合理，能有效发挥串级系统的优势设计合理，能有效发挥串级系统的优势 设计不合理，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化设计不合理，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化 关键：对工艺进行细致的分析关键：对工艺进行细致的分析 包含有两方面的内容包含有两方面的内容:1) 主参数的确定主参数的确定2) 副参数的确定副参数的确定例例1 1加热炉出口温度控制系统加热炉出口温度控制系统PCTCA）炉出口温度与燃料压力串级方案）炉出口温度与燃料压力串级方案燃料压力波动燃料压力波动例例1 1加热炉出口温度控制系统加热炉出口温度控制系统B）炉出口温度与炉膛温度串级方案）炉出口温度与炉膛温度串级方案燃料组成波动燃料组成波动TC2TC1 TC1TC2例例 2 2醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统。 PC2PC2 =0.216(n=1:4)2.01.01/