过程控制第6-1章串级系统

1、过程控制过程控制第六章第六章 复杂控制系统复杂控制系统简单控制系统简单控制系统（单回路控制系统）单回路控制系统）：在一般情况下能够满足生产控制要求特殊情况：特殊情况：系统干扰因素多、干扰量很大，滞后很大，以及工艺特殊要求复杂控制系统复杂控制系统复杂控制系统串级、前馈、均匀、比值、分程 、选择、大滞后、解耦等控制系统6.1串级控制系统6.1.1 串级控制系统的基本结构与工作原理 6.1.2 串级控制系统的特点及其分析 6.1.3 串级控制系统的设计与参数整定6.1.4 串级控制系统的应用影响炉出口温度的因素： f1(t) ：被加热物料的流量和初温f2 (t) ：燃料的压力、流量和成份的变化f3

2、(t) ：烟道风抽力的变化等等 物料 TT 燃料 产品 TC 6.1.1 串级控制系统的基本结构与工作原理物料出口温度控制系统被控变量：出口温度控制变量：燃料量特点：所有对被控参数的扰动都包含在这个回路中，理论上都可由温度调节器对这些扰动予以克服；缺点：该系统控制通道的时间常数（约15min左右）和容量滞后较大，控制作用不及时，系统克服扰动能力较差；方案1控制效果不能达到生产 工艺要求特点：能及时有效地克服f2(t)燃料的压力、流量和成份的变 化和f3(t)烟道风抽力的变化； f1(t)被加热物料的流量和初温的变化未包括在系统内。 物料 TT TC 燃料 产品 方案2被控变量：炉膛温度 不能克

3、服f1(t)对炉出口温度的影响，控制效果仍然不能达到生产工艺要求物料 T1T 燃料 产品 T2C T2T T1C SP 方案3：串级控制主被控参数：物料出口温度副被控参数：炉膛温度 扰动f1(t)对炉出口温度的影响，由出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路来消除。 扰动f2(t)、f3(t)对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器(称为副调节器)构成的控制回路来克服。 把物料出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。串级控制方框图 ：串级控制方框图 主变量副变量主对象副对象副回路（内环）：由副调节器、调节阀、副对象、副测量变送器 组成的回路。主回路（外环）：把副回路看成一个等效环节后组

4、成的单回路。一次扰动F1 ：作用在主被控过程上，不包括在副回路范围内的扰动二次扰动F2 ：作用在副被控过程上，包括在副回路范围内的扰动调节阀选气开式还是气关式？二、二、串级控制系统的工作原理物料 T1T 燃料 产品 T2C T2T T1C SP 反作用反作用气开式副调节器选正作用还是反作用方式？主调节器？ 根据扰动引入不同的位置，分三种情况1、干扰作用于副环 2、干扰作用于主环3、干扰同时作用于主、副环 1.干扰作用于副环即干扰f2(t) 、f3(t)使炉膛温度升高，串级控制系统的调节过程如下：炉膛温度 T2T2TT2C(反作用)V(气开阀) T2 可见副回路起着对物料出口温度 “先调”、“粗

5、调”的作用 扰动小：经过副回路的控制一般不会影响炉出口温度扰动大：经过副回路的控制仍影响炉出口温度，此时再由主回路进一步调节，从而克服上述扰动。主回路起着对物料出口温度“后调”、“细调”的作用 2. 干扰作用于主环即干扰f1(t)使炉膛温度升高 ，串级控制系统的调节过程如下：副回路的存在加快了校正作用，使扰动对物料出口温度的影响比单回路系统时要小得多 a.干扰作用方向相同： 干扰同时使 T1TT1C(反作用)T2C(反作用) T2TT2C(反作用) V T1 F b.干扰作用方向相反： 干扰同时使 T1TT1C(反作用)T2C(反作用) T2TT2C(反作用) V 变化较小（+或-） F 变化

6、不大 3.干扰同时作用于主环和副环 主、副调节器对调节阀控制方向一致，即大幅度关小阀门，控制作用加强，使温度很快调到给定值。主、副调节器对调节阀控制方向相反，调节阀较小变化即可满足控制要求。特点：1. 改善了被控对象的动态特性6.1.2 串级控制系统的特点及其分析串级控制系统的特点及其分析两个闭环主回路：定值控制系统（作用：后调、细调、慢调）副回路：随动控制系统（作用：先调、粗调、快调）R(S)-w1(S)wm1(S)wo1(S)Y2(S)Y1(S)wO2(S)222222( )( )( )( )1( )( )( )( )voovomW S W S WSWSW S W S WS WS等效副回路

7、:假设副回路各环节传递函数分别为：2222222)(,1)(,)(,)(mmooovvKSWSTKSWKSWKSW等效020202( )1KW sT s 02K0220220221vvmK K KKK K K K02T202202021mvKKKKTT 副环等效的被控过程的放大系数副环等效的被控过程的时间常数 0202KK222( )1oooKWST S0202TT原副对象：可证明：响应加快、控制及时、提高了控制质量若K2增加，匹配得当，则02( )1Ws其等效被控过程只剩下不包括在副回路之内的一部分被控对象，所以容量滞后减小了，过程的动态特性显著改善。可证明：串级控制系统的工作频率高于单回路

8、控制系统。系统工作频率提高，则过渡过程的时间缩短，控制质量提高。 w1(S) wO2(S) wm1(S)wV(S) wO1(S) R(S) - F2 F1 Y2(S) Y1(S) 单回路系统串级系统：)()()()()(1)()()()()(101021010221sWsWsWsWsWsWsWsFsYsWmvDD)()()()()()()()()()(1)()()()()(10102212022010221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsFsYsWmVmVC2. 大大增强了对二次扰动 的克服能力单回路系统)()()()()()()()()()(1)()()()()(10102

9、212022010221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsFsYsWmVmVC串级系统对比以上两式分母中，串级系统多了一项 )()()()(2022sWsWsWsWmV实际整定后的主调节器 | )(| )(|11sWsWD1| )(|2sW同时 故有 )()()()()()()()()()()(1010211010221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWmVDmV)()()()()(1)()()()()(101021010221sWsWsWsWsWsWsWsFsYsWmvDD12( )( )?( )Y sW sF s取值越小越好，希望值“0”( )CWs可证明：抗二次

10、扰动能力强( )DWs10时，则T副很小，副回路过程的通道短，包括的干扰很少，作用未发挥。 (2)当T主/T副3时，说明T副过大，副回路的控制作用不及时。 (3)当T主/T副1时，主、副回路易出现“共振效应”。共振：当一个参数发生振荡时，另一个参数也发生振荡。共振会使控制质量下降，严重时会导致系统的发散而无法工作。二. 主、副控制器的控制规律的选择a、主回路：定值控制定值控制作用。主变量是生产工艺的主要操作指标，工艺上要求比较严格，不允许有余差不允许有余差。必须有积分作用，因此采用PI或或PID。b、副回路：随动随动系统，副变量要求不严格，允许有波动和有余差，它的给定值随主控制器输出的变化而变

11、化，为了能快速跟踪，副控制器采用比例比例作用。若采用积分规律，会延长控制过程、减弱副回路的快速作用。 也不引入微分规律，副回路本身起快速作用，再引入微分会使调节阀动作过大，对控制不利。 (2) 主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。 三. 主、副控制器正反作用的选择选择顺序：先副后主。(1) 副回路按照单回路控制系统确定副控制器正、反作用（与主回路无关）。 确定原则：保证控制系统为负反馈系统。即各环节静态 放大系数极性相乘为正（已知测量变送环节为正作用方向）。（副回路的放大倍数可视为“正”） 。例1.说明氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统主、 副控制器的正反作用。FCTC空气氨气

12、混合氧化炉预热840 5 已知：混和气中氨气的含量每增加1%，氧化炉温度上升64 （主要扰动：氨气流量）稳定氧化炉操作的关键条件：氧化炉内的反应温度W1(S)WO2(S)Wm1(S)Wm2(S)W2(S)WV(S)WO1(S)R(S)-F2F1+?气开式?反作用反作用PPI工作原理：氨气和空气混合后在预热器中预热，再进入氧化炉内生成一氧化氮，同时放出大量的热。方法：两步法、一步法； (先副环，后主环) 四、 串级控制系统调节器参数的整定主调节器：Wc1(s)副调节器：Wc2(s)参数整定相互关联反复整定要求：主回路：定值，主参数有较高控制精度（同单回路）副回路：随动，副参数快速、准确跟随主调节

13、器输出的变化。1. 两步法（先副环后主环的方法） 1）工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器比例度置100%，用单回路控制系统的衰减曲线法（如4:1），求取副调节器的比例度2及衰减周期T 2 。 2） 将副调节器的比例度置所求得的数值2上，把副回路作为主回路的一个环节，用单回路控制系统的衰减曲线法（如4:1），求取主调节器的比例度1及衰减周期T 1 。 3）根椐得到的1 、 T 1、 2 、 T 2值，结合主、副控制器的选型，按单回路控制系统整定计算公式计算出主、副控制器的、Ti 、Td。 4）将计算所得参数按先副环后主环、先比例再积分后微分的顺序，设置主、副调节器参

14、数，观察过渡过程曲线，必要时适当调整，直到系统质量达到最佳为止。 例题：在设计某加热炉出口温度（主参数）与炉膛温度（副参数）的串级控制方案中，主调节器采用PID控制规律，副调节器采用P控制规律，为了使系统运行在最佳状态，采用两步整定法整定主、副调节器参数，按4：1衰减曲线法测得242；T2=25s；175；T1=11min试求主、副调节器的整定参数值。控制规律比例度(%)积分时间Ti(min)微分时间Td(min)PuPI1.2u0.5Ts PID0.8u0.3Ts 0.1Ts 由4：1衰减振荡法整定经验公式(P193表55)副调节器s=42%Ti=0.3T1=3.3min； Td=0.1T1

15、=1.1min主调节器：0.81=60%；解： 2.一步法： 根据经验先将副控制器参数一次放好（如下表），不再变动，然后按一般单回路系统整定方法，直接整定主控制器参数。变量类型副控制器比例度2/%副控制器比例放大倍数Kc2 温度 2060 51.7 压力 3070 31.4 流量 4080 2.51.25 液位 2080 51.25在整定过程中以牺牲副参数的质量指标的原则（副参数在允许的范围内），使主参数达到规定的质量指标的要求。适用场合：对主变量要求较高，对副变量没什么要求或要求不严、允许在一定范围内变化。五、串级控制系统适用场合 1、被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满

16、足质量指标； 2、对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标； 3、控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰； 4、被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大； 混合器水纸浆立筛蒸气圆筛网前箱铜网一、用于克服被控对象的纯滞后一、用于克服被控对象的纯滞后例：某造纸厂网前箱的温度控制系统如下图。纸浆用泵从储槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72左右，经过立筛、圆筛除去杂质后送到网前箱，再经钢网脱水。为了保证纸张质量，工艺要求网前箱温度保持在61左右，允许偏差不得超过1。六、应用举例若用单回路控制系统，由于从混和器到网前箱纯滞后达90s，当纸浆流量波动纸浆流量波动35kg/min(主要扰动

17、)时，温度最大偏差达8.5，过渡过程时间达450s，控制质量差，不能满足控制要求。 为了克服这个90s的纯滞后，在调节阀较近处选择混合器温度为副被控变量（构成一个纯滞后较小的副回路，把主要扰动纸浆流量波动包括在副回路中），网前箱出口温度为主被控变量，构成串级控制系统 ，有效地克服纯滞后。 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后(原因：以提高副回路的快速抗干扰能力)。造纸厂网前箱温度控制系统 把主要扰动包括在副回路中（原因：串级控制系统对二次扰动具有很强的克服能力） 以温度或质量作为被控量的控制对象，其容量滞后往往比较大，致使控制质量变差（容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡过程长） 。二、