串级控制系统

1、5 串级控制系统主负控制器正、反作用方向的确定副控制器的作用方向的确定原则：按简单（单回路）控制系统各环节的正、反作用方向的确定原则确定，以构成负反馈闭环控制回路。主控制器正、反作用的确定原则：主、副变量同方向变化时，都要求操纵变量同方向变化（即：同时要求操纵变量都增大或都减小），此时主控制器方向规定为“反”作用方向。主、副变量同方向变化时，要求操纵变量的变化方向是相反的（即：主变量要求操纵变量都增大（或减小），而副变量要求操纵变量都减小（或增大） ， 此时主控制器为“正”作用方向。例 1 管式加热炉出口温度串级控制系统。1）指出该系统中主、副对象、主、副变量、操纵变量、主、副扰动变量、主、副

2、调节器各是什么？ 2）画出该控制系统的方块图，并确定各个环节的正反作用方向；主对象 ：加热炉内加热管的管壁；3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。解：1）主对象 ：加热炉内加热管的管壁；副对象 ：加热炉的炉膛T2； 操纵变量：燃料的流量；主扰动量 f1：被加热原料的进口的温度、压力、流量f2：燃烧器的配风、炉膛的漏风以及环境温度等。3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。在稳定工况下，原料油出口温度和炉膛温度处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。当燃料油负荷突然增加，这个干扰会使炉膛的温度 T2升高，原料油出口温度 T1也会随之提高，此时

3、温度检测变送器 TT1 将信号送给主控制器TC1， e1增大，主控制器输出 u1减小，即副控制器的给定值减小，副控制器的输入偏差 e2增大，副控制器的输出信号 u2减小，控制阀开度减小，即操纵变量mT2下降，从而炉管内原料油出口温度 T1也会随之下降。例题 3： 如图所示为聚合釜温度控制系统，冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。试问：这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。形式。确定主、副控制器的正、反作用。简述当冷却水压力变化时的控制过程。如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？并确定主、副控制器的正、反方向。确定主、副控制器的正、反作用。副控制器按单回路方法确定为

4、：FC 为正作用TCFT1简述当冷却水压力变化时的控制过程。冷却水压力增加，则冷却水流量增加，FCu2如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？应采用以聚合温度为主变量，夹套温度为副变量的串级控制系统。并确定主、副控制器的正、反方向。副控制器按单回路方法确定为： “反”作用方向主控制器正、反确定原则：主、副变量同方向变化，都要求操纵变量冷却水的流量同方向变化，所以主控制器为“反”作用方向。三 串级控制系统的主要特点及应用特点：在系统结构上，它是由两个串级工作的控制器构成的双闭环控制系统。的“粗调”作用，主回路则起“细调”作用。“鲁棒性”又称“强壮性”是用来描述控制系统的控制品质对对象特

5、性变化的敏感程度。系统的控制品质对对象特征变化越不敏感，则“鲁棒性”越好。特点 前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时有效 前馈控制是属于“开环”控制 前馈控制使用的是一种视对象特性而定的“专用”控制器 一种前馈作用只能克服一种干扰前馈控制的缺点： 干扰多时，所需前馈通道数增加，控制系统投资增加； 受前馈控制模型精度的限制，模型误差会导致非完全补偿； 前馈制算式中包含超前纯微分环节时，计算是近似的；脱火现象阀后压力过高，大量燃料气就会因未燃烧而导致烟窗冒黑烟，一方面会污染环境，另一方面因燃料室内积存大量燃料气与空气混和物，会有爆炸的危险。5：反应所产生的热量。试问：这是一个什么类型的控

6、制系统？试画出它的方块图。形式。确定主、副控制器的正、反作用。简述当冷却水压力变化时的控制过程。如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？并确定主、副控制器的正、反方向。(7) 如果物料的流量增大，简述控制系统是如何实现自动控制调节的？如图所示的控制系统，QA、QB 分别为 A、B 物料的流量，试问：这是一个什么控制系统？是一个双闭环比值控制系统主物料和从物料分别指什么？主物料是A,从物料是B.A、B都应选气开型.确定控制器的正、反作用。两控制器都应选“反”作用画出系统的方块图，说明对于物料 A、B 来说，是定值系统还是随动系统？A 物料的控制系统为定值系统,B 物料的控制系统为随动系

7、统A、BB,FCBAB物料流量增加,FCAAAK,FCBB变化,始终保持 A、B 两物料流量的比值关系。补充题 7 解答：如图所示为一单闭环比值控制系统，要求：画出系统的方块图；略系统中为什么要采用开方器；答：因为节流装置的输出差压信号是与流量的平方成正比的，加开方器后使其输出信号与流量成线性关系系统；答：由于主物料只测量，不控制，故是开环的。FC从物料的流量亦随主物料的流量变化而变化，故为随动控制系统关型式；答：应选气关型FC答：应选正作用52-67滞后时间。T dH H T dH H KQdt1H K1e(tt) ）(27)1写成：H K1et ）(27)当t=T时，（ K1e）=0.63

8、2KAv1H= （T）（ ）所对应的时间T，如图 =02：为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（t0=0）突2.5t/h3.0 t/h，线如图所示。假定对象为一阶对象，试描述该重油预热炉特性方程式（分别以温度变化量与燃气变化量为输出量与输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式。（温度测量仪表的测量范围为 0200； 流量测量仪表的测量范围为 05t/h。）KK (150120)/20001.（无量纲）K (150120) 60(3.02.5)/ 5）(3.0 2.5)t/hT T dT(t)T(t)KQ(t) dt6dT(tdtT(t2)60Q(t)Q(t) 燃

9、料油的变化量在单位阶跃变化量时，温度变化量的函数表达式：T K1e（t ）6）601（1e（t 2）(t 2)T 0(t 2)滞后时间：= 2 min 重油预热炉的微分方程：13 在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个？试说明调整其中一个参数时， 对调节器的控制作用有什么影响？答： K p（）,T1,TD1K p 上升 比例控制作用 上升，K p 下降 比例控制作用下降而 上升 比例控制作用下降， 下降比例控制作用上升2.T，KI积分作用， 积分速度， 消除余差速度快，稳定性3. TD 上升，微分作用上升，稳定性 上升。TD 下降， 过度灵敏，会出现高频震荡。比例（P）、比例积分（PI）

10、、比例积分微分（PID）的比较 1100%Kp比例（P） u=KeKpp,（）控制及时、过渡时间短、克服干扰能力强。但控制结果有余差适用于控制通道滞后较小，负荷变化较小，工艺上没有提出余差要求的系统.如：液位u K(e u K(e 1 edt)pT1p， 1能消除余差。但积分控制作用比较缓慢、控制不及时，系统稳定性下降u K u K e edt T1dep T1D dt 比例积分微分 ,T ,Tp1D控制质量高，积分作用可消除余差，微分作用可提高系统的稳定性但参数整定较麻烦。用于容量滞后较大，负荷变化大，控制质量要求较高的系统。如温度、成分16 设计控制系统时，必须确定和考虑哪些方面的问题？答

11、：1 首先要对被控对象动态和静态特性作全面的了解，还要对工艺、设备有深入了解。对控制器的参数进行工程整定，调到最佳值。补充题 3：图为一蒸汽加热器，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出，试问：影响物料出口温度的主要因素有哪些？一般情况下，其中哪些为可控量，哪些为可控量？如果要设计一温度控制系统，一般应选择什么量为被控变量和操纵变量？为什么？如果物料温度过高时会分解，试确定控制阀的气开、气关形式和控制器的正、反作用方向？答： 影响物料出口温度的主要因素有：加热蒸汽的流量、压力；被加热物料的流量、入口温度；传热情况等。一般情况下，可控量为加热蒸汽流量，其它量为不可控量。如果要设计一温度控制系统，一般应选择加热器内的物料温度或物料出口温度为控变量，这是工艺生产中的主要直接操作指标。应选择加热蒸汽量为操纵变量，因为它是可控量，而且对物料温度的影响较显著。（3）应选气开阀，反作用控制器。补充