第三章串级控制系统

第三章串级控制系统

单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况下能够满足生产控制要求特殊情况：当控制要求较高时，在如下情况下，单回路不能满足要求。*过程可控程度较差，如对象有大滞后。*对象有较明显的时变性或非线性特性。*扰动剧烈，而且幅度大。*控制性能要求较高。*过程参数之间存在严重关联。复杂系统--随着控制理论与工业应用的发展，包含的内容也不同，例如 复杂大系统--人口系统，环境控制，能源控制，企业生产经营控制等。●复杂控制系统

定义:通常复杂控制系统是多变量的，具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控制阀所组成的多个回路的控制系统，所以又称为多回路控制系统。多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路组成的系统。

常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、分程、三冲量、前馈、选择性等系统。●复杂控制系统80-90%控制系统是基于PID控制的系统，包括多回路系统。多回路系统应用状况以乙烯生产厂为例，它共有421个控制回路其中：常规PID单回路 347个 串级、比值等 74个（串级24） 多回路系统占17.5%●多回路系统的发展主要内容了解串级控制系统的概念与特点；掌握串级控制系统的方框图表示法；结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；了解串级控制系统的设计原则；掌握串级控制系统的参数整定方法;掌握串级控制系统的投运

;了解串级控制系统的防积分饱和措施。反应釜温度单回路控制系统控制目标:反应釜温度恒定操纵变量：冷却剂流量被控变量：反应温度扰动变量：D2冷却剂温度以及D1工艺介质流量控制规律：PID?反应釜温度单回路控制响应曲线单回路控制系统分析问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。冷却水入口温度↑→夹套内冷却水温度T2↑→（经对流传热）槽壁温度↑→反应槽温度T1↑→（经反馈回路）冷却水量↑系统控制与扰动的分析干扰变量的影响：冷却水入口温度变化→夹套内冷却水温度变化→槽壁温度变化→反应槽温度变化控制变量的影响：冷却水调节阀开度变化→冷却水流量变化→夹套内冷却水温度变化→槽壁温度变化→反应槽温度变化解决方法夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控制的影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。“串级控制”反应器温度的串级控制方案特点：两个调节器串在一起工作，调节器TC2通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。反应器温度的串级控制响应反应器温度串级控制框图讨论:主副控制器的“正反作用”选择。串级控制系统常用术语

串级控制系统方框图串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器其中一个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制阀组成的双闭环定值系统.串级控制系统常用术语主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。

副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。

主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。

副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器，简称为“副控”。串级控制系统常用术语主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控变量表征其主要特性的生产设备或过程。副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路,又称为“副环”或“内环”。主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。 形成两个环:副环或副回路－－“粗调”作用主环或主回路－－“细调”作用串级控制系统方块图注：D1、D2综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参数的动态影响；

主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是一个等效的控制阀）。串级系统副环的等效性串级控制系统的特点（1）副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；由于假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有串级控制系统的特点反应器温度的串级控制响应串级控制系统的特点

串级控制系统的特点（2）能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响（系统的“鲁棒性”增强）。对于内环等效对象的稳态增益：串级控制系统的特点

串级控制系统的特点（3）改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大。副回路等效对象为：若：串级控制系统的特点（3）结论：由于副回路的存在，使主控制通道的动态特性得到改善（时间常数显著减少）P44提高了系统的工作频率反应器温度的串级控制响应串级控制系统的设计原则单回路控制不能满足性能要求；有反映系统主要干扰的可测副参数；调节阀与副参数之间具有因果关系；副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、液位+流量、温度+温度等。串级系统副参数的选择分析分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。串级方案设计举例加热炉出口温度控制TC-FC串级控制：用于克服燃油上游侧压力干扰的影响燃油黏度大，易堵，不常采用

TC-PC串级控制：取压点在控制阀后，用于克服压力影响喷嘴易堵，使用时要增加报警系统串级方案设计举例（续）讨论：副回路所能包括的扰动越多，副对象与主对象的动态特性的差别越小，越容易引起内外回路之间的“共振”（系统稳定性越差）。TC-TC串级控制：炉内温度作为副被控变量，常用于克服燃料影响，例如，成份、热值等。温度点不易找准串级控制系统设计1.副变量的选择

从对象中能引出中间变量是设计串级系统的前提条件。当对象有多个中间变量可引出时,就有一个副变量如何选择的问题。副变量的选择原则是要充分发挥串级系统的优点,

为此,我们总是希望:

(1)将主要干扰包括在副回路内。

(2)将更多的干扰包括在副回路内(3)

副对象的滞后不能太大,以保持副回路的快速响应性能。

(4)

将副对象中具有显著非线性或时变特性的一部分归于副对象中。

(5)

需要流量实现精确的跟踪时,可选流量为副变量。

(6)

主、副对象的时间常数应相差3倍以上,以防主、副回路产生共振。

应该指出,以上几条都是从某个局部角度来考虑的,如(2)与(3)就相互矛盾,在具体选择时需要兼顾各种因素进行权衡。2.主、副调节器的调节规律选择

主调节器常选择PI或PID控制律凡是设计串级控制系统的场合,对象特性总有较大的滞后,主调节器采用三作用PID控制规律是必要的。而副回路是随动回路,允许存在余差。从这个角度来讲,副调节器不需要积分作用,一般只采用P作用。如当温度作副变量时,副调节器不宜加积分,这样可以将副回路的开环静态增益调整得较大,以提高克服干扰的能力。如果要加入微分作用,一定要采用“微分先行”方式,因为副回路是个随动系统,设定值是经常变化的,调节器的微分作用会引起调节阀的大幅跳动,并引起很大的超调。但是当副回路是流量(或液体压力)系统时,它们的开环静态增益、时间常数都较小,并且系统存在高噪声。因此在实际生产中,流量(或液体压力)副调节器常采用PI作用,以减少系统的波动。3.主副调节器正、反作用选择

调节器的正、反作用选择原则是要使系统成为一个负反馈系统。一般有两种选择方法,即逻辑推理法和方框图法。

用测量值与调节器的输出关系来定义调节器的正反作用。具体定义为:当测量信号增加(隐含的假定是设定值不变)时,调节器比例作用的输出也增加的,称为正作用;否则，称为反作用（1）

逻辑推理法

对于单回路,确定调节器的正反作用的步骤为:①根据生产安全要求,确定调节阀气开、气关的形式;②确定当被调参数变化时,调节器输出实现负反馈的作用方向;③确定调节器的正、反作用(当被测参数变化与调节器输出变化同向时为正作用,否则,为反作用)。

对于串级系统,因为主、副回路都可以看成是一个单回路,所以确定串级系统主、副调节器的正反作用的步骤为:①根据生产安全要求,确定调节阀气开、气关的形式②确定副调节器的正、反作用;③确定主调节器的正、反作用。下面以图所示的氧化炉反应温度串级控制系统为例来讨论。

(1)副回路调节器的选择。

①为保证调节阀出故障时,生产处于安全状态,调节阀应选择气开阀。

②设干扰使氨气流量增加,即调节器测量值大于给定值,为保证系统的副反馈作用,调节器的输出必须减小,才能使调节阀开度减小,最终使流经调节阀的氨气流量减小,恢复到给定值。

③根据以上分析可知,为满足调节系统的负反馈作用,调节器的测量值增大,

而输出值减小,与测量值成反比,因此调节器定为反作用。(2)主回路调节器的选择。

①调节阀的开关形式保持副回路选择形式,即选为气开阀。

②副调节器的正反作用保持不变。

③设主回路测量值氧化炉温度增加,即主调节器测量值大于给定值,先假设主调节器为正作用,调节器输出必然增大,也就是副调节器的给定值也增大。由于副调节器已选定为反作用,因此副调节器的输出增大,使调节阀开度增大,最终使流经调节阀的氨气流量增大,从而使氧化炉的温度更高,整个系统成为正反馈,主参数恢复不到给定值。这说明主调节器作用选错了,应采用反方向作用,即反作用选择顺序：先副后主副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系

即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负”要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况主控制器、主对象，以及副回路。

副回路可以看作是一个符号为“正”的环节——随动系统，跟踪主控制器的输出。

（2）主、副控制器正反作用的选择方框图法因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为“负”，则主控制器取“正”作用

例1

加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统PCTC副控制器：

控制阀选“气开”式——正副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用压力上升——正变送器一般均为正主控制器：

副环——正主对象，温度对象，燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用出口温度上升——正例2精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统FCTC副控制器：

控制阀选“气闭”式——负正对象，流量对象，阀门开大，流量增大——正变送器一般均为正主控制器：

副环——正主对象，温度对象，蒸汽流量增大时，加热量增加，提馏段温度上升——正结论（1）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关；（2）直接先确定主控的正反作用。串级控制系统的实施组成控制系统的设备不同，实施方法也有差异目前主要是：电动Ⅲ型仪表系统、气动Ⅲ型仪表系统、计算机控制系统（DCS、PLC）●实施前要考虑的几个问题

（1）系统设备间的传输信号要匹配，电信号4~20mA,1~5V，气信号0.02~0.1Mpa，混合时需要转换装置（电-气转换）

（2）副控制器必须具有外给定功能

（3）是否需要切换开关，即切换成：

a主控制器直接控制控制阀；

b副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制，并且要考虑无扰动切换。

（4）实施方案力求简洁实用，便于操作。串级控制系统的实施串级控制系统控制方案

电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机

（1）一般的串级方案（2）能实现主控–串级切换的串级方案温度控制器流量控制器控制阀流量对象温度对象温度变送器流量变送器串级控制系统的实施

串级→主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀主控→串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀

无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确——直接切换条件

串级与主控的切换条件串级控制系统的实施FCspconstFCspconst副控制器为反作用（负）：FCspconstFCspconst副控制器为正作用（正）：可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。此时主、副控制器输出信号变化不一致如副控是反作用，可执行切换；如副控是正作用，需先改变主控的方向，再切换。条件结论如对控制阀的开闭形式没有要求，应选择使副控为反作用的开、闭形式。串级控制系统的实施主控制器的防积分饱和形式串级PID系统的积分饱和问题情况1：副回路出现“积分饱和”，采用单回路抗积分饱和方法；情况2：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，可能出现限位参数不一致的情形，同样存在发生“积分饱和”的可能性。为什么？如何克服？串级控制系统主调节器的连接法串级控制系统的防积分饱和串级控制系统的投运和整定串级控制系统的投运根据组成系统的仪表类型有所不同基本原则：先投副环，后投主环，保证投运无扰动（Ⅲ型以上仪表、计算机控制）

串级控制系统的投运●投运步骤4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零5、分别将副、主控制器切入自动

1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器外给定，正反作用正确，PID参数正确2、副控制器手动操作3、通过副参数的变化，使主参