第二章(1)串级控制

第

二

章

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杂

控

制

系

统第一章内容:单回路控制系统分析及设计控制规律:简单PID控制特点：结构简单、应用广泛，占控制系统总数近90%在绝大多数情况下，可以满足要求，实际应用比较广泛过程特点：

大型化、装置复杂、扰动频繁且剧烈系统本身时变非线性系统各参数之间耦合严重存在有滞后控制性能要求高存在问题：单回路PID控制，已不能满足系统的要求解决方法：本章的研究内容改进控制方案的设计设计适合生产过程特点的控制方案2023/2/31

复杂控制系统可分为两大类：⑴提高响应曲线性能指标为目的的控制系统，包括：①串级控制系统②前馈控制系统

⑵按某些特定要求而开发的控制系统，包括：①比值控制系统②均匀控制系统③分程控制系统和阀位控制系统④选择性控制（取代控制）系统2023/2/32加热炉温度控制2.1串级控制系统TC101可设计TO与GC的单回路PID控制2.1.1基本原理和结构

1、什么是串级控制系统操纵变量：燃料气流量受控变量:进料出口温度

分析对象的特性：加热炉内管有数百米长，热容很大，是典型的一阶加纯滞后过程。当输入变化时，输出要延迟一段时间，且变化缓慢若温度不变，T0

→Gc的PID控制，则阀的开度不变燃料气阀上游压力波动时，虽阀的开度不变，但流量变化，将影响温度，温度→燃料量的单回路PID对此特定的过程控制不及时，不能满足工艺要求。2023/2/33

采用燃料气流量的单回路控制，虽可以保证燃料气的流量恒定，克服了阀前压力扰动的影响，但控制系统对温度是开环的，当负荷变化、燃料气燃烧值变化时，进料出口温度变化，流量控制系统不能保证温度恒定。因此以上两种控制方案都不能满足工艺要求。

将温度和流量控制结合起来，设计一种新型的控制方案：

流量控制时，若温度增加，将流量控制器给定值降低，让燃料气的流量减小，以维持温度恒定，流量控制器的设定值随温度变化。由此产生了一种新的控制方案FC101TR101FC101TC101

由温度控制器去设定流量控制器的设定值→串级控制2023/2/34Gc2(S)Gv(S)主控制器+-串级控制系统方块图Gp2(S)Gp1(S)Gm2(S)Gc1(S)Gm1(S)+-副控制器控制阀副对象主对象u1u2r1y1y2c1c2f1f2内回路为副回路：包括副控制器、控制阀、副受控对象、副变量测量变送器。串级控制系统是由两个控制器的串接组成，一个控制器的输出做为另一个控制器的设定值，两个控制器有各自独立的测量输入，只有一个控制器的给定由外部设定。

2、串级控制系统的结构系统框图如下系统由内外两个回路组成：2023/2/35外回路称为主回路：主控制器、副回路、主变量测量变送器、主受控对象

3、系统的传递函数主变量：工艺要求的主要控制变量副变量：维持主变量平稳引出的中间变量副对象：反映副变量与操纵变量之间的关系主对象：反映主变量与副变量之间的关系主控制器：接受主变量的偏差，去改变副控制器的设定值副控制器：接受副变量的偏差，去输出给控制阀。FC101TC101系统的特点：主控制器输出改变副控制器的设定值，故副回路构成的是随动系统，设定值是变化的。2023/2/36cTCTC温度对炉膛温度串级2023/2/37Gc2(S)Gv(S)+-Gp2(S)Gp1(S)Gm2(S)Gc1(S)Gm1(S)+-u1u2r1y1y2c1c2f1f22023/2/38

设对象的特性分别为：Gc2(S)Gp2(S)Gp1(S)Gc1(S)-+y1r1-+2.1.2串级控制系统分析

1、举例2023/2/39

副回路的开环传递函数：

临界频率可由下式求得：2023/2/310

上例说明设计串级控制具有如下优点：

临界比例度法：

副对象的动态滞后总比整个对象的动态滞后小，因此副回路的临界频率高于单回路的临界频率。

主回路的开环传递函数：同理可求得主回路临界越频率：

若采用单回路

(1)副回路单回路2023/2/311

副回路的动态响应比单回路快得多，对进入副回路的干扰具有较快的抑制作用。

(2)主回路

单回路

提高主回路的临界频率，加快了对干扰的响应，提高了控制品质。

(3)主回路单回路

在相同的稳定性下，主调节器的比例度比单回路调节器的比例度小，控制作用增强，提高了系统的控制品质。

2、串级控制的主要优点

①副回路的快速作用，对于进入副回路的干扰快速地克服，减小了干扰对主变量的影响。

②引入副回路，改善了副对象的特性(减小副对象的相位滞后)，提高了主回路的响应速度，提高了干扰的抑制能力。

③副回路可以按照主回路的要求对副变量进行精确控制。

④串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性。2023/2/312鲁棒性：控制系统的控制品质对特性变化的敏感程度，越不敏感，鲁棒性越好。注意：

①主回路对副对象及控制阀特性变化具有鲁棒性，但副回路本身并没有此功能，副对象和阀的特性仍影响副回路的稳定性；

②主回路对副回路反馈通道特性的变化没有鲁棒性。为描述控制品质对对象特性的敏感程度，引入“鲁棒性”的概念。由实际对象的非线性、时变性，当工艺状况变化时，对象特性变化，从而使原控制器的参数不再是“最佳”，系统的控制品质下降，性能变差。G(s)H(s)x+-y当负反馈控制系统的环路增益足够大，其等效环节特性主要取决于反馈通道特性，而与前向通道特性无关。2023/2/3132.1.3

串级控制系统的设计

⑤需要对流量实现精确的跟踪时，将流量选为副对象

主变量由工艺要求提出的主要操作参数

1、副变量的选择

③为保证副回路的快速响应，副对象的滞后不能太长

④为提高系统的鲁棒性，将具有非线性及时变部分包含于副对象中

使干扰在副回路内克服减小对主变量的影响

①将主要干扰包括在副回路

②副回路尽量包含多的干扰}2023/2/314主变量：提馏段温度中间变量：加热蒸汽流量加热蒸汽压力再沸器气相回流量蒸汽流量副变量有利于克服蒸汽气源压力或冷凝压力变化引起的干扰；对克服其它干扰作用不明显。蒸汽压力副变量包含了再沸器热交换时间常数，有利于提高系统的工作频率；不能保证蒸汽流量恒定。工艺介质气相流量将再沸器液位、再沸器温度及传热系数等变化包含于副回路中；对蒸汽气源压力波动克服较慢。串级控制副变量的选择实际应用时，需要考虑工艺上的合理性和经济性。例：精馏塔底质量指标控制FT101FC1011PT101PC1012FT102FC1023TC101TT101控制方案如图2023/2/315主要变量：物料出口温度操作手段：燃料流量控制方案分析：aTCFC温度对燃料流量串级bPCTC温度对燃料压力串级cTCTC温度对炉膛温度串级

(1)温度对燃料流量串级：有利克服燃料流量波动，方案易于实现；采用燃料油时，流量测量困难，对燃料物性变化不能及时克服。

(2)温度对燃料压力串级：正常情况下,阀后压力与燃料流量成正比，采用燃料油时，避免测量流量的困难,方案易于实现；对燃料物性变化不能及时克服。

(3)温度对炉膛温度串级：炉膛温度能及时反映燃料热值的变化，有利于克服燃料物性变化扰动；温度副回路不如压力或流量响应迅速。

加热炉温度控制2023/2/316

2、控制器类型的选择

(1)副控制器选择

①副对象的响应较快，滞后较小或不存在，可以选择P或PI控制器；

②副回路系随动系统，允许有余差，可不引入积分作用，以提高副回路的开环增益，提高抑制干扰能力；

③流量(液体压力)副对象增益小，不引入积分，余差很大。此外，串级系统有可能断开主回路，副回路单独工作，要考虑余差的允许范围；④温度副对象，可引入微分作用，但要视随动系统设定值的变化情况而定，亦可采用纯比例作用。

(2)主控制器选择

①根据对象的特点，参考单回路系统设计控制器的选择；

②设计串级控制系统的场合，对象的滞后较大，可采用PID控制器。2023/2/317Gc2(S)Gv(S)+-Gp2(S)+Gp1(S)+Gm2(S)+Gc1(S)Gm1(S)++-u1u2r1y1y2c1c2f1f2

(2)方块图法

首先定义各环节的“＋”、“－”

凡输入增加输出增大为“＋”，反之为“－”

控制阀:输入增大输出也增大为“＋”，气开为“＋”、气关为“－”

控制器:由于有比较环节正作用取“－”号；

反作用取“＋”号。先决定副控制器，后决定主控制器。

Gv为“＋”，Gc2为“＋”，反作用Gv为“－”，Gc2为“－”，正作用2023/2/318串级控制系统主、副控制器正反作用的选择应满足负反馈的控制要求。具体选择步骤如下：1.从安全角度选择控制阀的气开和气关型式（气开型，Kv>0;气关型，Kv<0);2.根据工艺条件确定副被控对象的特性；3.根据副控制回路为负反馈的准则，确定副控制器的正反作用；4.根据工艺条件确定主被控对象的特性；5.根据主控制回路为负反馈的准则，确定主控制器的正反作用。2023/2/319cTCTC温度对炉膛温度串级aTCFC温度对燃料流量串级2023/2/3202.1.4系统投运及参数整定

1、系统投运

原则：保证无扰动切换，先副后主

根据经验法初步设置主、副控制器的参数

①将主、副控制器切换开关置于手动位置

副调节器设外给定，主控制器为内给定；

②在满足工艺要求的情况下，工况较平稳时，通过手动，使副调节器的偏差接近于“0”，将副开关由“手动”“自动”。

③在工况较平稳的情况下,通过调整主控制器的设定值，使主控制器偏差为“0”，将主控制器开关由“手动”“自动”。

2、参数整定

原则：先副后主

①由于副回路要求不高，