化工仪表自动化 第7章1节串级

1、1书名:过程控制系统及仪表(第3版)出版社: 大连理工大学出版社; 第3版 (2010年7月1日) 编著者：李亚芬；主审：邵诚, 丛书名: 高等学校理工科化学工类规划教材 平装: 259页; 语种: 简体中文 开本: 16 ISBN: 9787561115015, ISBN：7-5611-1501-6 条形码: 9787561115015 尺寸: 25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量: 522 g 原价:25.00元2第第7章章 复杂控制系统复杂控制系统比值控制系统比值控制系统2前馈控制系统前馈控制系统串级控制系统串级控制系统3 1均匀控制系统均匀控制系统4分程控制系统分程控制系统5

2、多冲量控制系统多冲量控制系统7选择性控制系统选择性控制系统633 第第7章章 复杂控制系统复杂控制系统 p复杂控制系统复杂控制系统凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。p特点：特点：通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又称为多回路控制系统。统又称为多回路控制系统。47-1 7-1 串级控制系统串级控制系统一、串级控制系统的结构一、串级控制系统

3、的结构p管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热油料炉出口温度的波动范围应控制油料炉出口温度的波动范围应控制2 2内。内。5p主要扰动：主要扰动： （1）原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）；）原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）；（2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）；）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）；（3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃料的雾化状态的影响等）。料的雾化状态的影响等）。p传

4、热的滞后性，以及调节通道的时间常数过大（传热的滞后性，以及调节通道的时间常数过大（15min15min左右），左右），控制作用不及时。控制作用不及时。 6p方案：方案：将炉膛温度作为被控变量，组成如图将炉膛温度作为被控变量，组成如图7-2 7-2 所示的控所示的控制系统。制系统。p方案的优点方案的优点: :调节通道的时间常数缩短为调节通道的时间常数缩短为3 3分钟左右。分钟左右。p缺点：缺点：原料的流量或原料的流量或原料原料入口温度波动使炉出口温度变化入口温度波动使炉出口温度变化时，系统无法使炉出口温度再调回到给定值上，所以该时，系统无法使炉出口温度再调回到给定值上，所以该方案方案仍不能达到生

5、产工艺要求。仍不能达到生产工艺要求。7p方案：方案：构成炉出口温度为被控变量，炉膛温度为辅助变量，构成炉出口温度为被控变量，炉膛温度为辅助变量，由炉膛温度控制器的输出去操纵燃料量的控制方案由炉膛温度控制器的输出去操纵燃料量的控制方案.p这就是炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。这就是炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。8p串级控制系统中常见的专用名词介绍：串级控制系统中常见的专用名词介绍：主变量主变量 串级控制系统中起主导作用的被控变量，是串级控制系统中起主导作用的被控变量，是 过程中主要控制的工艺指标。过程中主要控制的工艺指标。副变量副变量 串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅串级控制系统

6、中为了稳定主变量而引入的辅 助变量。助变量。炉出口温度炉出口温度炉膛温度炉膛温度9主对象主对象 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，程，其输入量为副变量，输出量为主变量。其输入量为副变量，输出量为主变量。副对象副对象 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。炉出口温度对象炉出口温度对象炉膛温度对象炉膛温度对象10主控制器主控制器 按主变量的按主变量的测量值与给定值测量值与给定值的偏差进行的偏差进行工作的控制器，其工作的控制器，其

7、输出作为副控制器的输出作为副控制器的给定值。给定值。副控制器副控制器 按副变量的按副变量的测量值与主控制器的输出信测量值与主控制器的输出信 号的偏差号的偏差进行工作的控制器，其输出直进行工作的控制器，其输出直 接控制执行器的动作。接控制执行器的动作。炉出口温度控制器炉出口温度控制器炉膛温度控制器炉膛温度控制器11主回路主回路 由主测量变送器、主控制器、副回路等效由主测量变送器、主控制器、副回路等效环节和主对象组成的闭合回路，又称外环环节和主对象组成的闭合回路，又称外环或主环。或主环。副回路副回路 由副测量变送器、副控制器、执行器和副由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路，又

8、称内环或副环。对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。12 方块图：方块图：工艺控制流程图：工艺控制流程图：13p 串级控制系统通用方块图串级控制系统通用方块图: :14p 串级控制系统串级控制系统在结构上在结构上具有如下特点：具有如下特点：在串级控制系统中，有两个闭环负反馈回路，每个回路都有自在串级控制系统中，有两个闭环负反馈回路，每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器。己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器。两个控制器采用串联控制方式，主控制器的输出作为副控制器两个控制器采用串联控制方式，主控制器的输出作为副控制器的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作。

9、的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作。主回路是一个主回路是一个定值控制系统定值控制系统，副回路则是一个，副回路则是一个随动控制系统随动控制系统。15二二、主、副控制器正、反作用的确定、主、副控制器正、反作用的确定p主、副控制器确定顺序：主、副控制器确定顺序：“先副后主先副后主”的原则的原则p副控制器的选择原则：副控制器的选择原则：副控制器的正、反作用只与副回路中的各个环节副控制器的正、反作用只与副回路中的各个环节有关，而与主回路无关。有关，而与主回路无关。在简单控制系统中介绍的各环节规定符号在简单控制系统中介绍的各环节规定符号“乘积乘积为负为负”的判别准则，同样适用于串级控制系统副控

10、制的判别准则，同样适用于串级控制系统副控制器正、反作用的选择。器正、反作用的选择。（副控制器）（执行器）（副对象）（副变送（副控制器）（执行器）（副对象）（副变送器）器）=（一）（一） 16p主控制器的选择原则：主控制器的选择原则： 主控制器的正、反作用只与主对象有关，而与副回路主控制器的正、反作用只与主对象有关，而与副回路无关。无关。分析：分析：副回路是一个随动系统，它的最终控制结果总是要使副副回路是一个随动系统，它的最终控制结果总是要使副变量（副回路的输出）跟随主控制器变量（副回路的输出）跟随主控制器的输出（副回路的输的输出（副回路的输入）而变化，也就是说，当副同路的输入增加时，副回路入）

11、而变化，也就是说，当副同路的输入增加时，副回路的输出也要增加，由此可见，副回路也是一个的输出也要增加，由此可见，副回路也是一个“ + ”环环节。节。主测量变送是主测量变送是一个一个“ + ”环节。环节。所以，所以，主控制器的正、反作用就只取决于主对象的符号。主控制器的正、反作用就只取决于主对象的符号。为了保证回路中各环节总的符号乘积为负，当主对象的符为了保证回路中各环节总的符号乘积为负，当主对象的符号为号为 “+”时，主控制器必须是时，主控制器必须是“”号，即选择反作号，即选择反作用；而当主对象的符号为用；而当主对象的符号为“”时，主控制器必须时，主控制器必须是是“+”号，号，选择正作用。选择

12、正作用。 17【例题】【例题】 如如图所示的精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串图所示的精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串级控制系统中，执行器选为气关式，试确定主、副控制器的级控制系统中，执行器选为气关式，试确定主、副控制器的正、反作用。正、反作用。 18副回路：副回路：执行器执行器 气关式，符号为气关式，符号为“-”；副对象副对象 执行器的阀门开度增大时，副变量蒸汽执行器的阀门开度增大时，副变量蒸汽 流量也增大，故副对象的符号为流量也增大，故副对象的符号为“+”。副变送器副变送器 符号也为符号也为“ + ”。根据回路各环节符号根据回路各环节符号“乘积为负乘积为负”的判别公式，副的判别公式，副控制器

13、的符号必须取控制器的符号必须取“ + ，即应选择正作用。，即应选择正作用。“先副后主先副后主”的原则的原则19主回路：主回路： 当蒸汽流量增大时，主变量提馏段的温度将上当蒸汽流量增大时，主变量提馏段的温度将上升，故主对象的符号为升，故主对象的符号为“+”。 所以，主控制器应选择所以，主控制器应选择“-”，反作用。，反作用。20【练习题练习题】如图的串级控制系统，执行器选为气如图的串级控制系统，执行器选为气开阀，试确定主、副控制器的正、反作用。开阀，试确定主、副控制器的正、反作用。 -+-21三、串级控制系统的工作过程三、串级控制系统的工作过程p工艺要求执行器选为气开式，炉出口温度控制器工艺要求

14、执行器选为气开式，炉出口温度控制器TC和炉膛温和炉膛温度控制器度控制器 TC 均采用反作用工作方式，分析系统的工作过程。均采用反作用工作方式，分析系统的工作过程。22干扰作用于副回路：当燃料管网压力增大，干扰作用于副回路：当燃料管网压力增大，-+-炉膛炉膛T2，炉膛炉膛T2 阀门开度阀门开度，T2C，T2T ，导致燃料量导致燃料量23干扰作用于主回路：当原料流量增加，干扰作用于主回路：当原料流量增加，-+-导致出料温度导致出料温度T1 ，T1 副环随动副环随动+，T2，T1C，T1T ，副环为随副环为随动控制系动控制系统统+24干扰同时作用于主、副回路：干扰同时作用于主、副回路：-+-当原料温

15、度升高，导致出料温度当原料温度升高，导致出料温度T1 ；当燃料管网压力增大，；当燃料管网压力增大，炉膛炉膛T2；副回路：副回路：T2T，偏差，偏差 ， T2C ，阀开度，阀开度，T1 T1C ，主回路：主回路：T1T ，25四、串级控制系统的特点及应用场合四、串级控制系统的特点及应用场合p串级控制系统与简单控制系统相比，由于在结构上多了一串级控制系统与简单控制系统相比，由于在结构上多了一个副回路，因而，在相同的干扰作用下，其控制质量是单回个副回路，因而，在相同的干扰作用下，其控制质量是单回路控制系统无法比拟的。路控制系统无法比拟的。p串级控制系统在工作性能上的主要特点：串级控制系统在工作性能上

16、的主要特点： 1对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。2改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。3. 对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。p串级控制系统的适应场合：串级控制系统的适应场合：主要适合于主要适合于被控对象的容量滞后或纯滞后时间较大，干扰作被控对象的容量滞后或纯滞后时间较大，干扰作用强而且频繁，或者生产负荷经常大范围波动，简单控制系用强而且频繁，或者生产负荷经常大范围波动，简单控制系统无法满足生产工艺要求的场合统无法满足生产工艺要求的场合。26五、串级

17、控制系统设计中的几个问题五、串级控制系统设计中的几个问题 1副回路的确定副回路的确定（1）应将生产中的主要干扰纳入到副回路中。应将生产中的主要干扰纳入到副回路中。（2）在可能前提下，应将尽可能多的干扰纳入副回在可能前提下，应将尽可能多的干扰纳入副回路中。路中。（3）应使主、副回路的时间常数适当匹配应使主、副回路的时间常数适当匹配 。选择使副回路时间常数小一些，有利加快控制。选择使副回路时间常数小一些，有利加快控制。 主、副对象时间常数相近，可能发生主、副对象时间常数相近，可能发生“共振共振”现现象。通常，主、副对象时间常数之比在象。通常，主、副对象时间常数之比在 3 10 倍倍之间。之间。 2

18、72主、副控制器控制规律的选择主、副控制器控制规律的选择(1)主变量是生产工艺的重要指标，副回路不要求主变量是生产工艺的重要指标，副回路不要求为了保证过渡过程没有余差，主控制器至少应选择为了保证过渡过程没有余差，主控制器至少应选择比例积分（比例积分（Pl）控制规律。主对象的容量滞后较大，）控制规律。主对象的容量滞后较大，必要时也可引入微分作用，即必要时也可引入微分作用，即 PID 控制规律。控制规律。若副控制器要求不高，可选用比例（若副控制器要求不高，可选用比例（P）作用。）作用。(2)工艺对主变量要求较高，对副变量也有一定的要工艺对主变量要求较高，对副变量也有一定的要求。求。保证主变量的控制

19、精度，主控制器需选择保证主变量的控制精度，主控制器需选择PI作用。作用。副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量，副控副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量，副控制器也应该选择制器也应该选择PI作用。作用。28练习题练习题锅炉供水控制系统如图所示，锅炉供水控制系统如图所示，1，从锅炉安全考虑，防止因，从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，选择气开，断水导致锅炉烧爆，选择气开，气关阀？选择控制器气关阀？选择控制器+-，构，构成负反馈系统。成负反馈系统。2，若锅炉给水流量波动频繁，若锅炉给水流量波动频繁且为主要干扰，原来的液位控且为主要干扰，原来的液位控制系统很难满足控制要求，试制系统很难满足控制

20、要求，试问应采取何种措施来提高控制问应采取何种措施来提高控制精度？设计控制方案？画出系精度？设计控制方案？画出系统方块图？统方块图？29执行器执行器从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择气关式，气关式，“- -”。对象对象当流入量增加，液位是增加的，符号取为当流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。 变送器变送器输出信号随液位的升高增加，符号为输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。控制器控制器必须选择正作用必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。，才能构成负反馈控制系统。 答：答：问题问题1 1：30答：答：问题问题2：o 采用锅

21、炉液位与给水流采用锅炉液位与给水流量串级控制系统来提高量串级控制系统来提高控制精度。控制精度。o 串级控制设计方案如图串级控制设计方案如图所示。所示。o 串级控制系统方块图如串级控制系统方块图如图：图：31液位控制器液位控制器流量控制器流量控制器流量变送流量变送液位变送液位变送液位对象液位对象流量对象流量对象锅炉液位锅炉液位给水流量给水流量答：答：问题问题2：321、两步整定法、两步整定法工况稳定,主副回路均闭合, 衰减曲线法求得14, 0,%,100111：用DITT；和22T211bT）将副回路的比例度置于 ，同样的方法求得 和 ；12I12c,DIDT TTT）按衰减曲线法经验公式，分别

22、计算；d）按先副后主）按先副后主,先比例后积分，再微分的次序投入运行，观先比例后积分，再微分的次序投入运行，观察修改到满意。察修改到满意。1）逐步逼近法；）逐步逼近法； 2）两步整定法；）两步整定法； 3）一步整定法。）一步整定法。六、串级控制系统参数的整定六、串级控制系统参数的整定33课程小结串级控制系统串级控制系统o 掌握串级控制系统的工艺控制流程图，会画串掌握串级控制系统的工艺控制流程图，会画串级控制系统的方块图；级控制系统的方块图；o 了解串级控制系统的工作过程及应用场合；了解串级控制系统的工作过程及应用场合；o 掌握串级控制的特点；掌握串级控制的特点；o 掌握串级控制主、副控制器正反

23、作用的确定。掌握串级控制主、副控制器正反作用的确定。34内容简介过程控制系统及仪表(第3版)内容简介：过程控制系统的理论分析和设计需要较多的数学知识，自动化仪表在设计制造方面也有许多技术问题值得探讨。但是，对于工艺技术人员来说，主要关心的问题是控制系统和仪表的基本原理及其应用特性。因此，过程控制系统及仪表(第3版)尽量避免繁杂的数学推导，力求用简明扼要的文字和插图使读者对所学知识有更多的定性了解，通俗易懂，这是过程控制系统及仪表(第3版)的另一个特色。过程控制系统和仪表涉及的领域十分广阔，研究内容也极其丰富。本着理论联系实际、学以致用的原则，过程控制系统及仪表(第3版)在取材方面，不追求包罗万

24、象、面面俱到，而是力争把最基本、最常用的内容都包含进来。突出重点，注重实用是过程控制系统及仪表(第3版)的第三个特色。 第第3版版2010-07第第2版版出版日期：出版日期：2006-08-01 35目录 第1篇 过程控制基础知识第1章 绪论1.1 生产过程自动化概述1.1.1 生产过程及其特点1.1.2 生产过程对控制的要求1.1.3 生产过程自动化的发展历程1.2 过程控制系统的组成及分类1.2.1 过程控制系统的组成1.2.2 过程控制系统的分类1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图1.3.1 过程控制系统的方块图1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图1.4 过程控制系统的过渡过

25、程和性能指标1.4.1 过程控制系统的过渡过程1.4.2 过程控制系统的性能指标习题第2章 被控对象的特性2.1 概述2.1.1 基本概念2.1.2 被控对象的阶跃响应特性2.2 被控对象特性的数学描述2.2.1 一阶对象的机理建模及特性分析2.2.2 二阶对象的机理建模及特性分析2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析2.3 被控对象的实验测试建模2.3.1 阶跃响应曲线的获取2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定2.3.3 二阶对象特性参数的确定习题 第2篇 过程自动化装置第3章 过程测量仪表 3.1 测量仪表中的基本概念3.1.1 测量过程及测量仪表3.1.2 检测系统的基本特性及性

26、能指标 3.2 温度测量3.2.1 概述3.2.2 热电偶温度计3.2.3 热电阻温度计3.2.4 温度测量仪表的选用3.2.5 温度交迭器3.2.6 一体化温度变送器3.2.7 智能温度变送器 3.3 压力测量3.3.1 概述3.3.2 弹性式压力表3.3.3 电容武压力变送器3.3.4 扩散硅压力变送器3.3.5 智能差压变送器3.3.6 压力表的选择和使用 3.4 流量测量3.4.1 概述3.4.2 差压式流量计3.4.3 容积式流量计3.4.4 浮子式流量计3.4.5 电磁流量计3.4.6 涡街流量计36 3.5 物位测量3.5.1 概述3.5.2 静压式液位计3.5.3 磁浮子式液位

27、计3.5.4 电容武物位计3.5.5 其他物位测量仪表 3.6 显示仪表3.6.1 概述3.6.2 模拟式显示仪表3.6.3 数字式显示仪表3.6.4 智能化、数字化记录仪习题 第4章 过程控制仪表4.1 基本控制规律4.1.1 位式控制4.1.2 比例控制4.1.3 比例积分控制4.1.4 比例微分控制4.1.5 比例积分微分控制4.2 DDZ一型调节器4.2.1 主要功能4.2.2 构成原理4.3 可编程调节器4.3.1 KMM可编程调节器的构成4.3.2 KMM可编程调节器的主要功能4.3.3 正面板和侧面板 4.4 可编程控制器4.4.1 可编程控制器的产生与发展4.4.2 可编程控制

28、器的应用场合4.4.3 可编程控制器的构成、分类及工作过程4.4.4 可编程控制器的编程语言4.4.5 可编程控制器选型基本原则4.4.6 松下FPI可编程控制器习题第5章 过程执行仪表5.1 概述5.2 执行机构5.2.1 气动执行机构5.2.2 电动执行机构5.3 调节机构5.3.1 常用调节机构及特点5.3.2 流量系数与可调比5.3.3 流量特性5.4 电一气转换器和阀门定位器5.4.1 电一气转换器5.4.2 阀门定位器的主要用途5.4.3 电一气阀门定位器习题37 第3篇 垃程控制系统 第6章 简单控制系统6.1 概述6.2 被控变量的选择6.3 操纵变量的选择6.3.1 对象静态

29、特性对控制质量的影响6.3.2 对象动态特性对控制质量的影响6.3.3 选择操纵变量的原则6.4 控制系统中盼测量变送问题6.4.1 测量变送问题对控制质量的影响6.4.2 克服测量变送问题的措施6.5 执行器的选择6.5.1 阀流量特性的选择6.5.2 执行器开闭形式的选择6.6 控制器的选择6.6.1 控制规律的选择6.6.2 控制器正反作用的确定6.7 控制系统的投运及控制器参数的整定6.7.1 控制系统的投运6.7.2 控制器参数的整定习题第7章 复杂控制系统7.1 串级控制系统7.1.1 串级控制系统的结构7.1.2 串级控制系统的工作过程7.1.3 串级控制系统的特点及应用场合7.1.4 串级控制系统设计中的几个问题7.1.5 串级控制系统的整定 7.2 比值控制系统7.2.1 概述7.2.2 比值控制系统的类型7.3 前馈控制系统7.3.1 概述7.3.2 前馈控制系统的结构形式7.3.3 前馈控制系统的应用7.4 均匀控制系统7.4.1 均匀控制问题的提出7.4.2 均匀控制的特点7.4.3 均匀控制系