化工过程控制及仪表 串级控制系统

1、上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化复习：复习：简单控制系统简单控制系统被控对象执行器控制器检测元件及变送器被控对象执行器控制器检测元件及变送器被控变量y给定值xz测量值操纵变量q控制信号p偏差 e干扰 1、结构和特性、结构和特性单回路、负反馈。适用于单回路、负反馈。适用于时间常数较小，负荷变化小的对象时间常数较小，负荷变化小的对象2、常用术语、常用术语被控变量、操纵变量、控制信号、测量值、给定值被控变量、操纵变量、控制信号、测量值、给定值上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化复杂控制系统概述复杂控制系统概述由于生产上的更高要求及某些特殊需要，单回路控

2、制系统无法由于生产上的更高要求及某些特殊需要，单回路控制系统无法满足。满足。常见类型：常见类型：串级、均匀、比值、分程、前馈、取代、三冲程串级、均匀、比值、分程、前馈、取代、三冲程等控制系统等控制系统复杂控制系统复杂控制系统如加热炉温度控制如加热炉温度控制原料（入口）原料（入口）原料（出口）原料（出口）空气空气燃料燃料被控变量：原料出口温度被控变量：原料出口温度tt操纵变量：燃料流量操纵变量：燃料流量qTC测量测量给定给定u构成的简单控制构成的简单控制系统，；理论上系统，；理论上是合理的，可行是合理的，可行的方案。的方案。实际控制质量很差！实际控制质量很差！t/45分钟分钟9分钟分钟TC给定给

3、定上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化第一节第一节 串级控制系统串级控制系统对象对象1对象2执行器执行器控制器控制器检测、变送检测、变送控制器控制器检测、变送检测、变送原料（入口）原料（入口）原料（出口）原料（出口）空气空气燃料燃料tTC测量测量给定给定ut/TC给定给定1、结构分析、结构分析T2CT1C上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化对象对象1执行器执行器控制器控制器1检测、变送检测、变送1干扰干扰 1控制器控制器2ySym1对象对象2检测、变送检测、变送2干扰干扰 2t1muym2e副回路（内环）副回路（内环）主回路（外环）主回路（外环）由两

4、套检测变送器、两个控制器、两个被控对象、和一个控制由两套检测变送器、两个控制器、两个被控对象、和一个控制阀组成，阀组成，利用主、副两个控制器串联在一起，来稳定一个主变利用主、副两个控制器串联在一起，来稳定一个主变量的系统。量的系统。主控制器的输出作为副控制器的给定，副控制器的主控制器的输出作为副控制器的给定，副控制器的输出去操纵控制阀。输出去操纵控制阀。t2上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化干扰小：干扰小：由副回路迅速克服，主回路不动作。由副回路迅速克服，主回路不动作。干扰大干扰大：副回路随动，主回路定值，且同向调节：副回路随动，主回路定值，且同向调节 2、 工作过程工

5、作过程（1）干扰进入副回路）干扰进入副回路副回路随动，可即时改变副参数以达到稳定主参数的目的。副回路随动，可即时改变副参数以达到稳定主参数的目的。（2）干扰进入）干扰进入 主回路主回路（3）干扰同时进入主、副回路）干扰同时进入主、副回路干扰同向：干扰同向：调节方向相同，调节作用强，偏差小调节方向相同，调节作用强，偏差小干扰反向：干扰反向：调节作用相反，互相抵消，偏差小调节作用相反，互相抵消，偏差小副回路：副回路：先调、粗调、快调先调、粗调、快调主回路：主回路：后调、细调、慢调后调、细调、慢调可见，副回路不仅能迅速克服作用于副回路的干扰；可见，副回路不仅能迅速克服作用于副回路的干扰； 也能迅速克

6、服作用于主回路的干扰。也能迅速克服作用于主回路的干扰。上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化2、常用术语、常用术语主变量：主变量：主要目标，起主导作用的被控参数主要目标，起主导作用的被控参数副变量副变量：为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量：为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量副对象：副对象：副变量与操纵变量之间的通道特性副变量与操纵变量之间的通道特性主对象：主对象：主变量与副变量之间的通道特性主变量与副变量之间的通道特性副控制器：副控制器：接受副变量的偏差，其输出控制阀门接受副变量的偏差，其输出控制阀门主控制器：主控制器：接受主变量的偏差，其输出作为副控制器的设定

7、值接受主变量的偏差，其输出作为副控制器的设定值副回路（内环）：副回路（内环）：由副变量检测变送器、副控制器、控制阀、副对象组由副变量检测变送器、副控制器、控制阀、副对象组成的回路。处在串级控制系统内部的，在控制过程中起着成的回路。处在串级控制系统内部的，在控制过程中起着“粗调粗调”的作用；的作用；是一个随动控制系统。是一个随动控制系统。主回路（外环）：主回路（外环）：由副回路、主控制器、主对象、主变量检测变送器组由副回路、主控制器、主对象、主变量检测变送器组成的回路，在控制系统中起着成的回路，在控制系统中起着“细调细调”的作用。是一个定值控制系统。的作用。是一个定值控制系统。一次干扰一次干扰：

8、进入主回路的干扰：进入主回路的干扰二次干扰：二次干扰：进入副回路的干扰进入副回路的干扰上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化3、主要特点及其应用场合、主要特点及其应用场合 具有两个回路，两个变量。具有两个回路，两个变量。设置副回路来提高对主变量的控制质量；副回路的作用是把设置副回路来提高对主变量的控制质量；副回路的作用是把一些主要干扰在没有进入主对象以前，立即加以克服。具有超一些主要干扰在没有进入主对象以前，立即加以克服。具有超前、克服滞后的作用。前、克服滞后的作用。对负荷改变时有一定的自适应能力。对负荷改变时有一定的自适应能力。（1）特点）特点（2）应用场合）应用场合（2

9、）干扰作用强而频繁；）干扰作用强而频繁；（3）负荷变化大；）负荷变化大；（4）给定值经常变化。）给定值经常变化。（1）对象的滞后和时间常数较大（过渡时间长）；）对象的滞后和时间常数较大（过渡时间长）；上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化4、控制规律及正、反作用的选择、控制规律及正、反作用的选择（1）控制规律）控制规律主变量要求稳定，不允许有余差，故主控制器选择主变量要求稳定，不允许有余差，故主控制器选择PI控制，如控制，如对象滞后较大，可加微分作用。对象滞后较大，可加微分作用。副变量随主控制器输出变化，一般用副变量随主控制器输出变化，一般用P控制，必要时加控制，必要时加I

10、作用。作用。（2）控制器）控制器正、反作用选择正、反作用选择副控制器与简单控制系统的选择方法相同。副控制器与简单控制系统的选择方法相同。主控制器的作用方向取决于主对象的特性。主控制器的作用方向取决于主对象的特性。如主对象为如主对象为“正正”，则：主控制器选，则：主控制器选“反反”作用，作用，如主对象为如主对象为“反反”，则：主控制器选，则：主控制器选“正正”作用。作用。上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化对象对象1执行器执行器控制器控制器1检测、变送检测、变送1干扰干扰 1控制器控制器2ySym1对象对象2检测、变送检测、变送2干扰干扰 2t1mu2ym2t2燃料压力燃料

11、压力 t2 e2 u2 阀门关小阀门关小u1e1e2t2或进料量温度或进料量温度 t1 e1 u1 e2 u2 阀门关小阀门关小同向干扰：同向干扰：反向干扰：反向干扰：进料量进料量 t1 e1 u1 e2u2 如果增加量如果增加量=减少量，阀门不需动作。减少量，阀门不需动作。上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化 （1）“先副后主先副后主”，先将主回路比例度放，先将主回路比例度放100%，积分时间，积分时间为最大，微分时间为零，用为最大，微分时间为零，用4：1衰减曲线法整定副控制器参数，衰减曲线法整定副控制器参数，记下比例度记下比例度2及振荡周期及振荡周期T2。 （2）将副

12、控制器比例度放在将副控制器比例度放在2，积分时间为最大，微分时积分时间为最大，微分时间为零，用同样的方法得主控制器的间为零，用同样的方法得主控制器的1及及 T1。 （3）用前经验数据求出主副控制器的比例度、积分时间、用前经验数据求出主副控制器的比例度、积分时间、微分时间。微分时间。5 5、控制器、控制器参数的整定参数的整定步骤：步骤：上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化 第二节第二节 均匀控制系统均匀控制系统 1 1、目的与特点、目的与特点 目的：目的：是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量（一般是为了解决前后工序的供求矛盾，使两个变量（一般是指液位和流量）之间能够相互

13、兼顾和协调操作。是指液位和流量）之间能够相互兼顾和协调操作。特点：特点：不是为了使被控变量保持不变，而是使两个相互联系的不是为了使被控变量保持不变，而是使两个相互联系的变量都在允许的范围内缓慢的变化。变量都在允许的范围内缓慢的变化。2、控制方案、控制方案（1）简单均匀控制：）简单均匀控制：形式与液位控制相同，但目的不同，通形式与液位控制相同，但目的不同，通过控制器参数整定来实现，采用纯比例作用，且比例度很大。过控制器参数整定来实现，采用纯比例作用，且比例度很大。上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化（2）串级均匀控制：）串级均匀控制：与液位与液位-流量串级控制相同，参数整定

14、方流量串级控制相同，参数整定方法是比例度和积分时间从小到大，且数值都较大，主副控制器法是比例度和积分时间从小到大，且数值都较大，主副控制器一般都采用纯比例，要求较高时才引入积分。一般都采用纯比例，要求较高时才引入积分。上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化第三节第三节 比值控制系统比值控制系统 定义：定义：保证两种物料量比值为一定的控制。保证两种物料量比值为一定的控制。 1 1、概述、概述主动信号：主动信号：生产中的主要物料量的信号或不可控物料。生产中的主要物料量的信号或不可控物料。从动信号：从动信号：可控物料的信号，按主要物料来配比。可控物料的信号，按主要物料来配比。2

15、2、控制方案、控制方案（1）开环比值控制）开环比值控制主物料量的流量值主物料量的流量值Q1从物料量的流量值从物料量的流量值Q2比值比值K= Q2 Q1可作为比例度设定可作为比例度设定 Q1Q2FC适用于适用于Q2较平稳且比值要求不高的场所。很少采用较平稳且比值要求不高的场所。很少采用上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化（2）单闭环比值控制）单闭环比值控制形式象串级控制，但形式象串级控制，但主回路不闭合，主主回路不闭合，主 控制器只起比值设定控制器只起比值设定作用，用比例控制，作用，用比例控制，副控制器接受主控制副控制器接受主控制器的输出为给定，同器的输出为给定，同时稳定时

16、稳定 Q2的流量，的流量，用比例积分控制。用比例积分控制。特点特点是比值精确，容是比值精确，容易实现，应用广，但易实现，应用广，但总流量不固定。总流量不固定。有有两个两个闭合回路，分别控制闭合回路，分别控制主副流量，当主流量发生变主副流量，当主流量发生变化时，通过比值控制器化时，通过比值控制器K改变改变 F2C的给定值，使副流量按一的给定值，使副流量按一定的比值随主流量变化。定的比值随主流量变化。适用于主流量干扰频繁、适用于主流量干扰频繁、经常需要提降负荷或负荷经常需要提降负荷或负荷不能有较大波动的场合。不能有较大波动的场合。（3）双闭环比值控制）双闭环比值控制上页上页下页下页小小 结结化工仪表及自动化化工仪表及自动化第四节第四节 前馈控制系统前馈控制系统一、前馈控制系统的原理和特点一、前馈控制系统的原理和特点按扰动变化大小进行控制。按扰动变化大小进行控制。前馈控制：前馈控制：1、基本原理：、基本原理：测取进入过程的测取进入过程的扰动量扰动量(包括外界扰动和设定值包括外界扰动和设定值变化变化)，并按照其信号产生合适，并按照其信号