串级控制系统设计

1、温度检测温度检测变送器变送器温度控温度控制器制器期望期望温度温度期望期望流量流量流量检测流量检测变送器变送器流量控流量控制器制器期望炉膛期望炉膛温度温度执行阀流量对象流量检测变送器）（SE1）（SR2）（SR1）（SE2温度调节器流量调节器温度对象温度检测变送器流量原料出口温度）（SD2）（SD1执行阀副对象副检测变送器主调节器主对象主检测变送器副参数主参数副调节器二次扰动一次扰动设定值12)103(dd执行阀流量对象流量检测变送器）（SE1）（SR2）（SR1）（SE2温度调节器流量调节器温度对象温度检测变送器流量原料出口温度）（SD2）（SD1 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数

2、很大、干扰作用串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。Co1最大偏差不超过Co72Co61s90滞后sCo4508过渡过程时间最大偏差达sCo2001过渡过程时间最大偏差不超过Co5 . 1最大偏差kPakPa300500下降至如果蒸汽压力从Co10最大偏差达Co5 . 1最大偏差不超过第五章第五章 前馈控制前馈控制一、前馈控制的基本原理一、前馈控制的基本原理前馈控制与反馈控制比较前馈控制与反馈控制比较二、前馈控制二、前馈控制前馈控制的特点前馈控制的特点 2 2）前馈控制是一种按干

3、扰大小进行补偿的控制，）前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制，能及时有效地抑制干扰对被控参数的影响；能及时有效地抑制干扰对被控参数的影响；3 3）前馈补偿器不是通用调节器，它取决于过程的）前馈补偿器不是通用调节器，它取决于过程的特性；特性；4 4）前馈控制只能抑制）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰。可测不可控的干扰。1 1）前馈控制是一种开环控制；）前馈控制是一种开环控制；（一）前馈（一）前馈-反馈控制系统。反馈控制系统。前馈控制的局限性前馈控制的局限性 1 1）不可能对所有干扰进行补偿，这样既不）不可能对所有干扰进行补偿，这样既不经济也不可能实现；经济也不可能实现；2 2） 对不可测的干扰

4、无法实现前馈补偿；对不可测的干扰无法实现前馈补偿；物料流量是主要扰动而且不可控的干扰时：物料流量是主要扰动而且不可控的干扰时：燃料阀前压力是主要扰动而且不可控的干扰时：燃料阀前压力是主要扰动而且不可控的干扰时：炉出口温度炉出口温度进料流量进料流量q F燃料油流量燃料油流量q B1、温度变送器、温度变送器 2、流量变送器、流量变送器 气开式气开式 （安全性原则：没有控制信号时，阀应全关）（安全性原则：没有控制信号时，阀应全关）1 1）主被控参数：）主被控参数：2 2）副被控参数：）副被控参数：3 3）前馈控制参数：）前馈控制参数：4 4）控制参数）控制参数: :5 5）测量元件与变送器）测量元件

5、与变送器: :6 6）调节阀选型：）调节阀选型：炉出口温度炉出口温度燃料油流量燃料油流量q B进料流量进料流量q F燃料油流量燃料油流量q B1、温度变送器、温度变送器2、流量变送器、流量变送器 气开式气开式 （安全性原则：没有控制信号时，阀应全关）（安全性原则：没有控制信号时，阀应全关）8 8）调节器的正反作用的确定）调节器的正反作用的确定: :7 7）反馈调节器控制规律）反馈调节器控制规律: :PIDPID ; ; 前馈调节器控制规律前馈调节器控制规律: :特定特定; ; 副调节器的正反作用副调节器的正反作用: :反作用反作用 主调节器的正反作用主调节器的正反作用: :反作用反作用9 9）

6、方框图）方框图Q2Q1FCSp.Q1Q2Q2控制器对象控制阀变送器Q1原理图方框图 开环比值控制系统是最简单的比值控制系统。随着Q1的变化，Q2将跟着变化，满足Q2=KQ1的要求。 特点：由于系统是开环的，对副流量F2的波动无法克服，比值精度低。 适用场合：适用于副流量较平稳且比值关系要求不高的场合，在实际的生产中很少使用。FCSp.Q1Q2KQ2变送器Q1变送器控制器控制阀对象K该系统存在的问题：该系统存在的问题：由于主流量不受控制，所以总物料量不固定，由于主流量不受控制，所以总物料量不固定，KFC洗涤塔丁烯含乙腈的洗涤水洗涤水含乙腈的丁烯FCSp.Q1Q2K6.2.3 双闭环比值控制系统S

7、p.Q2KF1CF2CQ1Q1变送器控制器控制阀主对象KQ2变送器控制器控制阀副对象-1 1、双闭环比值控制系统是克服单闭环比值控、双闭环比值控制系统是克服单闭环比值控制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围制系统主流量不受控，生产负荷在较大范围内波动的不足，在单闭环比值控制系统的基内波动的不足，在单闭环比值控制系统的基础上，增设了主流量控制回路，克服了主流础上，增设了主流量控制回路，克服了主流量干扰的影响。量干扰的影响。2 2、实现精确的流量比值关系，确保两物料总、实现精确的流量比值关系，确保两物料总量基本不变。量基本不变。3 3、提降负荷比较方便，只需改变主流量控制、提降负荷比较方便，只需改

8、变主流量控制器的给定，就可以提降主流量，副流量自动跟器的给定，就可以提降主流量，副流量自动跟踪提降，并保持比值不变。踪提降，并保持比值不变。特点：特点： RCTC空气氨气混合氧化炉预热Q2 TCRCQ1Q1主控制器除法器Q2比值控制器-控制阀主对象测量变送测量变送流量对象主测量变送-TY工艺规定的流量（或质量）比值工艺规定的流量（或质量）比值K K不能直接作为不能直接作为仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的仪表比值使用，必须根据仪表的量程转换成仪表的比值系数比值系数KK后才能进行比值设定。后才能进行比值设定。变送器的转换特性不同，比值系数变送器的转换特性不同，比值系数KK的计算公的计算

9、公式不同。式不同。1. 1. 流量与测量信号之间成线性关系流量与测量信号之间成线性关系如果如果Q Q1 1的流量计测量范围为的流量计测量范围为0 0Q Q1max1max 、Q Q2 2的流量的流量计测量范围为计测量范围为0 0Q Q2max2max，则变送器输出电流信号和流，则变送器输出电流信号和流量之间的关系如下：量之间的关系如下：6.3 6.3 比值系数的计算比值系数的计算因因1111max1maxQQI(204)4164QQ222maxQI164Q代入工艺比值公式：代入工艺比值公式：2max22max211max11maxQ(I4)QQKKQQ(I4)Q1max2maxQKKQ得换算公

10、式：得换算公式：21(I4)K(I4)而仪表比值公式：而仪表比值公式：假定：假定：主流量变送器输出电流信号为主流量变送器输出电流信号为I I1 1 副流量变送器输出电流信号为副流量变送器输出电流信号为I I2 22. 流量与测量信号之间成非线性关系流量与测量信号之间成非线性关系利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的利用节流原理测流量时，流量计输出信号与流量的平方成正比：平方成正比：21121maxQI164Q代入工艺比值公式：代入工艺比值公式：得换算公式：得换算公式：22222maxQI164Q21max22max221max222max21222)4()4(QQKIQIQQQK=22m

11、ax21max2QQKK 1定义：主流量定义：主流量Q1Q1的测量值乘上的测量值乘上某一系数。作为某一系数。作为Q2Q2流量控制器流量控制器的给定。的给定。仪器：乘法器仪器：乘法器注意：若注意：若KK为变数时，必须为变数时，必须用乘法器，此时只需将比值设用乘法器，此时只需将比值设定信号换成第三参数就行了。定信号换成第三参数就行了。FCSp.Q1F2 K 定义：将定义：将Q2Q2与与Q1Q1的测量的测量值相除，作为比值控制器的值相除，作为比值控制器的测量值。测量值。 仪器：除法器仪器：除法器 优点：这种方案直观，优点：这种方案直观，比值可直接由控制器设定，比值可直接由控制器设定，操作方便。若将比

12、值给定信操作方便。若将比值给定信号必作第三参数，便可实现号必作第三参数，便可实现变比值控制。变比值控制。Q2 F2CQ1K FCFCF F1 1F F2 2 F F2 2变送器变送器F F1 1变送器变送器控制器控制器控制阀控制阀对象对象 I I1 11IkIkI1II I1 1I I2 2I I2 2对于对于4 420mA20mA的电动乘法器：的电动乘法器：根据比值控制要求：根据比值控制要求：416) 4)(4(11kIII416164)4( 411KIIKIKIkk 根据仪表统一信号范围为根据仪表统一信号范围为420mA，所以所以K的变化的变化范围仅在范围仅在01之间，不能大于之间，不能大

13、于1，因此在确定测量仪表量程，因此在确定测量仪表量程上限时，要考虑到这一因素。上限时，要考虑到这一因素。F2 F2CF1K F2变送器F1变送器控制器控制阀对象除法器 I1I2I0I rDDZ- 仪表（420mA）的除法运算式：416444164164412012KIIIIIIIro稳态时：第七章第七章 均匀控制系统及选择性控制系统均匀控制系统及选择性控制系统在连续生产过程中，有许多装置是前后紧密联在连续生产过程中，有许多装置是前后紧密联系的。前一设备的出料，往往是后一设备的进料，系的。前一设备的出料，往往是后一设备的进料，各设备的操作也各设备的操作也互相关联互相关联、互相影响互相影响。例如图

14、。例如图7.24所所示的两个连续操作的精馏塔。示的两个连续操作的精馏塔。LC1#2#FTFCLT 1#塔要求液塔要求液位稳定，设液位位稳定，设液位控制系统。控制系统。 2#塔要求进塔要求进料量稳定，设流料量稳定，设流量控制系统。量控制系统。7.1 7.1 均匀控制系统均匀控制系统显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾：显然，这两套控制系统的控制目标存在矛盾： 解决办法：解决办法：1、设中间贮、设中间贮槽，使前后影响减槽，使前后影响减小，但成本高。小，但成本高。2、用均匀调、用均匀调节方案。节方案。1#塔液位调节塔液位调节阀阀 1 开度变化开度变化 2#塔流量变化塔流量变化2#塔流量调节塔流量调

15、节阀阀 2 开度变化开度变化 1#塔液位变化塔液位变化LC1#2#FTFCLT217. 1.1 均匀控制系统工作原理及特点均匀控制系统工作原理及特点为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、为了解决前后工序控制的矛盾，达到前后兼顾、协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设协调操作，使前后工序的控制参数均能符合要求而设计的控制系统称为计的控制系统称为均匀控制系统均匀控制系统。如上例中，均匀控制应通过对液位和流量两个变如上例中，均匀控制应通过对液位和流量两个变量同时兼顾的控制方案，使两个互相矛盾的变量相互量同时兼顾的控制方案，使两个互相矛盾的变量相互协调，都能满足各自的的工艺要求。协调，都能

16、满足各自的的工艺要求。和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下和其它控制方式相比，均匀控制的特点如下：（1）两个被控变量在控制过程中都是缓慢变化）两个被控变量在控制过程中都是缓慢变化的。的。因为若将因为若将1#塔液位控制成平稳的直线，会导致塔液位控制成平稳的直线，会导致2#塔的进料量波动很大；反之若将塔的进料量波动很大；反之若将2#塔的进料量控制成塔的进料量控制成平稳的直线，会导致平稳的直线，会导致1#塔液位波动很大。即无法实现塔液位波动很大。即无法实现两个被控参数都很平稳。两个被控参数都很平稳。只有让两者都有一定程度的波动，但波动都比较只有让两者都有一定程度的波动，但波动都比较缓慢、且幅度较小

17、，才有可能同时符合控制要求。缓慢、且幅度较小，才有可能同时符合控制要求。 tL L FFO（a）1#塔液位稳定、塔液位稳定、2#塔流量变化就大塔流量变化就大LFL FtO（b）2#塔流量稳定塔流量稳定 1#塔液位变化就大塔液位变化就大L FLFtO（c）1#塔液位、塔液位、2#塔流量均变化较小塔流量均变化较小（2）前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保前后互相联系又互相矛盾的两个变量应保持在所允许的范围内波动。持在所允许的范围内波动。如图，如图，1#塔塔釜液位的升降变化塔塔釜液位的升降变化不能超过规定的不能超过规定的上下限上下限。2#塔进料流量也塔进料流量也不能超越规定的上下限不能超越规定的上下

18、限，否，否则就不能满足工艺要求。则就不能满足工艺要求。L FLFtOLC1#2#FTFCLT7. 1.2 均匀控制方案均匀控制方案均匀控制常用的方案有均匀控制常用的方案有简单均匀控制简单均匀控制、串级均匀串级均匀控制控制等形式，下面介绍这两种控制方案。等形式，下面介绍这两种控制方案。1简单均匀控制简单均匀控制LC1#2#LT结构与简单液位结构与简单液位定值控制系统一样，定值控制系统一样，但系统控制的但系统控制的目的不目的不同同。均匀控制的目的均匀控制的目的是是协调控制协调控制液位和排液位和排出流量两个变量。出流量两个变量。由于控制目的不同，均匀控制要求兼顾两个变由于控制目的不同，均匀控制要求兼

19、顾两个变量，是通过调节器的参数整定来实现的。量，是通过调节器的参数整定来实现的。简单均匀控制系统中的控制器一般都是简单均匀控制系统中的控制器一般都是纯比例纯比例作用作用，而且将，而且将比例度整定得很大比例度整定得很大。LC1#2#LT当液位变化时，当液位变化时，控制器的输出变化很控制器的输出变化很小，排出流量只作微小，排出流量只作微小缓慢的变化，以较小缓慢的变化，以较弱的控制作用达到均弱的控制作用达到均匀控制的目的。匀控制的目的。LC1#2#LT因此，因此，简单均简单均匀控制适用于匀控制适用于干扰干扰不大、对流量的均不大、对流量的均匀程度要求较低的匀程度要求较低的场合。场合。简单均匀控制的优点

20、简单均匀控制的优点是结构简单，投运方便，成是结构简单，投运方便，成本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，本低。但对另一个被控变量是不测不控的兼顾操作，其控制精度不一定能保证。其控制精度不一定能保证。如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调如此例中，当前后塔的压力变化较大时，尽管调节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。节阀的开度不变，输出流量也会发生较大变化。2串级均匀控制串级均匀控制为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，只能为了克服简单均匀控制只有一个控制回路，只能保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方保证一个被控变量精度的缺点，可在简单均匀控制方案基础上增加一个副控制回

21、路，构成串级均匀控制。案基础上增加一个副控制回路，构成串级均匀控制。 q结构与串级控结构与串级控制系统相同。增加制系统相同。增加了流量控制回路，了流量控制回路，可以及时克服压力可以及时克服压力干扰，保证流量控干扰，保证流量控制精度。制精度。LC1#2#FTFCLTq串级均匀控制方案中，主、副变量均在规定的范串级均匀控制方案中，主、副变量均在规定的范围内作缓慢的变化，所以围内作缓慢的变化，所以控制手法上与串级控制不同控制手法上与串级控制不同。v主、副控制器一般都采用主、副控制器一般都采用纯比例作用纯比例作用，而且将，而且将比比例度整定得较大例度整定得较大。v串级均匀控制方案串级均匀控制方案适用于

22、适用于干扰较大的场合。干扰较大的场合。但使用仪表较多，投运、但使用仪表较多，投运、维护较复杂。维护较复杂。LC1#2#FTFCLT通常的自动控制系统是在正常生产状态下对某参通常的自动控制系统是在正常生产状态下对某参数进行稳定性控制。一旦生产过程出现非正常状态数进行稳定性控制。一旦生产过程出现非正常状态（如其它参数超过安全线），就得放弃对此参数的控（如其它参数超过安全线），就得放弃对此参数的控制，否则会发生事故。待采取生产保护措施消除非正制，否则会发生事故。待采取生产保护措施消除非正常状态后，控制系统再重新投入工作。常状态后，控制系统再重新投入工作。传统的生产保护措施是传统的生产保护措施是硬保护

23、措施硬保护措施。当生产操作。当生产操作达到安全极限时，发出声、光报警。操作工立即将控达到安全极限时，发出声、光报警。操作工立即将控制器切到手动操作、或是通过专门设置的联锁保护线制器切到手动操作、或是通过专门设置的联锁保护线路实现自动停车，以排除险情。路实现自动停车，以排除险情。7.2 7.2 选择性控制系统选择性控制系统如果控制系统具有自动应变能力，对于不同的如果控制系统具有自动应变能力，对于不同的生产状态，能自动选择不同的控制方案。当生产出生产状态，能自动选择不同的控制方案。当生产出现不正常状况时，能自动切换到现不正常状况时，能自动切换到保护性控制回路保护性控制回路，让保护性控制回路来恢复生

24、产状态；当生产恢复正让保护性控制回路来恢复生产状态；当生产恢复正常时，再自动切回稳定性控制回路。这样就不需要常时，再自动切回稳定性控制回路。这样就不需要通过人工或停车操作对生产进行保护，称为通过人工或停车操作对生产进行保护，称为软保护软保护措施措施。选择性控制系统选择性控制系统就是能根据生产状态自动选择就是能根据生产状态自动选择合适的控制方案的控制系统。系统设有有多个控制合适的控制方案的控制系统。系统设有有多个控制回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个控制回路，由选择器根据设计的逻辑关系选通某个控制回路。回路。7.2.1 7.2.1 选择性控制系统的类型选择性控制系统的类型选择性控制系统通过

25、选择器实现选择功能。选择选择性控制系统通过选择器实现选择功能。选择器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；器可以接在调节器的输出端，对控制信号进行选择；也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。也可以接在变送器的输出端，对测量信号进行选择。1. 1. 对调节器输出信号进行选择对调节器输出信号进行选择给定给定2变送器变送器2执行器执行器对象对象被控量被控量2给定给定1变送器变送器1控制器控制器1选择器选择器被控量被控量1干扰干扰控制器控制器2正常控制正常控制取代控制取代控制例例1 锅炉蒸汽压力的控制锅炉蒸汽压力的控制工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定。若用单回路工艺要求锅炉输出蒸汽压力稳定。

26、若用单回路控制系统控制，则根据蒸汽出口压力控制燃气量。控制系统控制，则根据蒸汽出口压力控制燃气量。燃气燃气锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛P1TP1C正正反反如果蒸汽用量如果蒸汽用量大幅度变化，蒸汽大幅度变化，蒸汽压力控制系统会使压力控制系统会使燃气阀门开度大幅燃气阀门开度大幅变化。但煤气压力变化。但煤气压力过高会过高会发生脱火发生脱火。为了为了防止产生脱火防止产生脱火现象，增加一个燃气高压保护现象，增加一个燃气高压保护控制回路。用控制回路。用P2T测燃气压力，测燃气压力，P2C的设定值为燃气的设定值为燃气高压上限值，当燃气压力低于上限值时，高压上限值，当燃气压力低于上限值时， P2C

27、输出高输出高值信号。值信号。 燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛选择器选择器1P2TP1TP1C反反反反正正用用低选器低选器自自动地选择两个控动地选择两个控制信号中较低的制信号中较低的一个，作为阀门一个，作为阀门的控制信号。的控制信号。P2C输出高值时，输出高值时，LS选中选中P1C作为输出。系统是作为输出。系统是以蒸汽压力为被控变量的简单控制系统。当煤气压力以蒸汽压力为被控变量的简单控制系统。当煤气压力超过超过P2C给定值时，给定值时， P2C输出低值，输出低值， LS将改选将改选P2C作作为输出。为输出。 系统处于燃系统处于燃气压力控制时，气压力控制时，蒸汽出口压力控蒸

28、汽出口压力控制回路被燃气压制回路被燃气压力安全保护回路力安全保护回路所取代。所取代。燃气燃气P2C锅炉给水锅炉给水蒸汽蒸汽汽包汽包炉膛炉膛选择器选择器1P2TP1TP1C反反反反正正2对变送器输出信号进行选择对变送器输出信号进行选择这种系统的选择器装在控制器之前，对变送器输这种系统的选择器装在控制器之前，对变送器输出信号进行选择。用于几个被控变量的给定值、控制出信号进行选择。用于几个被控变量的给定值、控制规律都一样的场合。规律都一样的场合。 给定给定变送器变送器2执行器执行器对象对象被控量被控量2变送器变送器1选择器选择器被控量被控量1干扰干扰 控制器控制器正常控制正常控制例例2 固定床反应器中热点温度的控制固定床反应器中热点温度的控制反应器内固定床上装有催化剂以加速反应，而反反应器内固定床上装有催化剂以加速反应，而反应产生的热量若不及时被冷却液带走，温度过高会烧应产生的热量若不及时被冷却液带走，温度过高会烧坏催化剂。因催化剂的老化、变质和流动等原因，固坏催化剂。因催化剂的老化、变质和流动等原因，固定床不同位置的温度可能不同。定床不同位置的温度可能不同。在不同位置分别在不同位置分别安装温度传感器，由安装温度传感器，由选择