华南农业大学过程控制课件过程控制系统5-1

1、第五章第五章 串级控制串级控制是对陶瓷制品进是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的行预热、烧成、冷却的装置装置. . 制品在窑道的烧成带内制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为烧结，烧结温度一般为13001300C C，偏差不得超，偏差不得超过土过土5 5 C.C. 烧成带的烧结温度是影烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制响产品质量的重要控制指标之一指标之一. . 简单控制系统简单控制系统，影响烧成带温度，影响烧成带温度T1的各种干扰因的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成Tl偏偏离设定值，离设定值，控

2、制器就会根据偏差的情况，通过控控制器就会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的制阀改变燃料的流量，从而把变化了的Tl重新调重新调回到设定值。回到设定值。 单回路控制的问题 实践证明，这种控制方案的，远远达不到生产工艺的要求。例如：例如：1 1）如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度）如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射传热、辐射，引起，引起烧成带温度的变化烧成带温度的变化。2 2）只有烧成带温度）只有烧成带温度出现偏差出现偏差

3、时，才能发现干扰的时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。 烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。带温度加以调节。 3 3）这个）这个调节作用调节作用同样要经历燃烧室的同样要经历燃烧室的燃烧燃烧、隔焰板、隔焰板的的传热传热以及烧成带以及烧成带温度的变化温度的变化这个这个时间滞后很长时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值

4、很远了。偏离设定值很远了。4 4）即使发现了偏差，也）即使发现了偏差，也得不到及时调节得不到及时调节，造成，造成超调超调量增大，稳定性下降量增大，稳定性下降。 如果燃料压力干扰频繁出如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PIDPID的的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。意的控制效果。单回路控制的问题解决办法1 假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些时间较小、通道较短，而且还有一些

5、次要次要干扰，例如燃料干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等等(D2(D2表示表示) )，都是首先进入燃烧室。，都是首先进入燃烧室。 能否通过控制燃烧室能否通过控制燃烧室温度温度T2T2的方法来达到稳定烧成带的温度呢的方法来达到稳定烧成带的温度呢? ? 这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成带温度的影响降低到最小限度。它们对烧成带温度的影响降低到最

6、小限度。 直接直接影响烧成带温度的干扰影响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的原料成分、窑车上装载制品的窑车速度、制品的原料成分、窑车上装载制品的数量以及春夏秋冬、刮风下雨带来环境温度品的数量以及春夏秋冬、刮风下雨带来环境温度的变化等等的变化等等(D1(D1表示表示) )。 在这个控制系统中，烧成在这个控制系统中，烧成带温度不是被控变量，所以对于干扰造成烧成带带温度不是被控变量，所以对于干扰造成烧成带温度的变化，温度的变化，控制系统无法进行调节控制系统无法进行调节。 上述两个控制系统，它们各有自己的长处。上述两个控制系统，它们各有自己的长处。 第一种控制系统

7、包括了所有干扰第一种控制系统包括了所有干扰 第二种控制系统能对主要的和一些次要干扰提前发现，及第二种控制系统能对主要的和一些次要干扰提前发现，及早控制。早控制。 将两个控制系统将两个控制系统结合起来结合起来，发挥各自优势发挥各自优势 另外，控制燃烧室的温度另外，控制燃烧室的温度T2T2并不是目的，真正的目的是烧并不是目的，真正的目的是烧成带的温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值成带的温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值控制，起主导作用。控制，起主导作用。 而燃烧室温度控制器则起辅助作用，它在克服干扰而燃烧室温度控制器则起辅助作用，它在克服干扰D1D1的同的同时，应该受烧成带温度

8、控制器的操纵，操纵方法就是烧成时，应该受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值，从带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值，从而就形成了串级控制系统。而就形成了串级控制系统。 就是采用就是采用两个控制器串联工作两个控制器串联工作，主控制器主控制器的输出作为副控制器的设定值的输出作为副控制器的设定值，由副控制由副控制器的输出去操纵控制阀器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变，从而对主被控变量具有更好的控制效果。量具有更好的控制效果。 前提： 两个两个控制器串联工作控制器串联工作的，只有副控制器的，只有副控制器的输出去操纵控制阀的输出去操纵控制阀

9、( (只有一个调节阀只有一个调节阀) )；考虑到生产的安全，控制阀选择考虑到生产的安全，控制阀选择“气开气开”工作方式。工作方式。 两个控制器都选择两个控制器都选择“反反”作用作用方式方式。如果这个如果这个干扰幅度并不大干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快得到克服，不至于，经副回路的调节，很快得到克服，不至于引起主变量引起主变量( (烧成带温度烧成带温度T1)T1)的改变。的改变。 如果这个如果这个干扰作用比较强干扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱了它对，尽管副回路的控制作用已大大削弱了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量仍然会受到它的影响偏离主变量的影响，但随着时间的推移，主

10、变量仍然会受到它的影响偏离了稳态值而升高。了稳态值而升高。 假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度T1T1的降低。的降低。 对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的制器的“反反”作用，它的输出必然增大，也就是说副控制作用，它的输出必然增大，也就是说副控制器的设定值增大了。器的设定值增大了。 因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量( (燃烧室的温燃烧室的温度度T

11、2)T2)没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。改变。 由于主控制器的输出是副回路的设定值，此时设定值增大，由于主控制器的输出是副回路的设定值，此时设定值增大，等效于设定值不变测量值减小，根据副控制其的反作用，等效于设定值不变测量值减小，根据副控制其的反作用，输出将增大，阀门开度增大，加大燃料的流量，使燃烧室输出将增大，阀门开度增大，加大燃料的流量，使燃烧室温度温度T2T2提高，进而使窑道烧成带温度回升。提高，进而使窑道烧成带温度回升。 在整个控制过程中，燃烧室的温度在整个控制过程中，燃烧室的温度T2也发生了变也发生了变化，然而副控制器并

12、没有对它加以调节，原因就化，然而副控制器并没有对它加以调节，原因就在于串级控制系统中，主控制器起着主导作用，在于串级控制系统中，主控制器起着主导作用，体现在它的输出作为副控制器的设定值。体现在它的输出作为副控制器的设定值。 而副控制器则处于从属地位，它首先是接受主控而副控制器则处于从属地位，它首先是接受主控制器的命令，然后才进行控制操作。在这种情况制器的命令，然后才进行控制操作。在这种情况下，燃烧室温度下，燃烧室温度T2的改变是作为对烧成带温度的改变是作为对烧成带温度T1的控制手段来利用的，而不是作为干扰加以克服的控制手段来利用的，而不是作为干扰加以克服的。的。 (1)(1)一次干扰和二次干扰

13、引起的主变量和副一次干扰和二次干扰引起的主变量和副变量同方向变化变量同方向变化 假定一次干扰为窑车的前进速度减小，将引起假定一次干扰为窑车的前进速度减小，将引起主变量主变量(烧成带温度烧成带温度)T1升高；升高； 二次干扰为燃料压力增大，导致副变量二次干扰为燃料压力增大，导致副变量(燃烧室燃烧室温度温度)T2也升高。也升高。 对于主控制器来讲，由于它的测量值升高，根对于主控制器来讲，由于它的测量值升高，根据它的据它的“反反”作用关系，它的输出将在稳态时作用关系，它的输出将在稳态时的基础上减小，也就是副控制器的设定值将减的基础上减小，也就是副控制器的设定值将减小。小。 (1)(1)一次干扰和二次

14、干扰引起的主变量和副变一次干扰和二次干扰引起的主变量和副变量同方向变化量同方向变化 而对于副控制器来讲，由于它的测量值增大，其输出的变而对于副控制器来讲，由于它的测量值增大，其输出的变化应该根据它的化应该根据它的“反反”作用以及设定值和测量值的变化方作用以及设定值和测量值的变化方向共同决定。向共同决定。 不妨将设定值的变化等效为设定值不变而测量值变化的情不妨将设定值的变化等效为设定值不变而测量值变化的情况，设定值减小可以等效为设定值不变而测量值大。况，设定值减小可以等效为设定值不变而测量值大。 根据副控制器的根据副控制器的“反反”作用关系，上述两种干扰都将使副作用关系，上述两种干扰都将使副控制

15、器的输出减小，都要求阀门开度关小。控制器的输出减小，都要求阀门开度关小。 控制阀的调节作用是主、副控制器控制作用的叠加。控制阀的调节作用是主、副控制器控制作用的叠加。 减小燃料的流量不仅是为了克服二次干扰把燃烧室的温度减小燃料的流量不仅是为了克服二次干扰把燃烧室的温度调回到稳态值，而且使燃烧室的温度比稳态值更低一些用调回到稳态值，而且使燃烧室的温度比稳态值更低一些用以克服一次干扰对主变量的影响以克服一次干扰对主变量的影响 假定一次干扰为窑车前进速度增大，引起主变量假定一次干扰为窑车前进速度增大，引起主变量(烧成带烧成带温度温度)T1下降；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量下降；二次干扰为燃料压

16、力增大，导致副变量(燃燃烧室温度烧室温度)T2升高。升高。 对主控制器来说，由于其测量值减小，根据其对主控制器来说，由于其测量值减小，根据其“反反”作用作用关系，它的输出将增大，也将使副控制器的设定值增大。关系，它的输出将增大，也将使副控制器的设定值增大。 对副控制器来说，由于其测量值增大，设定值也增大，如对副控制器来说，由于其测量值增大，设定值也增大，如果它们同步增大，幅度相同，即副控制器的输入信号果它们同步增大，幅度相同，即副控制器的输入信号偏差没有改变，控制器的输出当然也就不变，控制阀开度偏差没有改变，控制器的输出当然也就不变，控制阀开度不变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需

17、不变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节。调节。 如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，化不相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳副控制器再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上。定在设定值上。2）一次干扰和二次干扰引起的主、副变量反）一次干扰和二次干扰引起的主、副变量反方向变化方向变化(一个增大一个减小一个增大一个减小)2 2）一次干扰和二次干扰引起的主、副变量反）一次干扰和二次干扰引起的主、副变量反方向变化方向变化 从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合，尤定为目的，两个控制器协调一致，互相配合，尤其是对于二次干扰，副控制器首先进行其是对于二次干扰，副控制器首先进行“粗调粗调”，主控制器再进一步主控制器再进一步“细调细调”。因此控制质量必然。因此控制质量必然高于简单控制系统。高于简单控制系统。 从结构上看，两个控制器串联工作，一个控制器从结构上看，两个控制器串联工作，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，共同完成对