第五章 串级控制讲义F

第二篇复杂控制系统串级控制系统比值控制系统均匀控制系统分程控制系统选择型控制系统前馈控制系统解耦控制系统第五章串级控制系统与比值控制系统5-1串级控制系统的概念 单回路控制系统：结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。复杂控制系统：具有两个以上的检测变送单元、调节器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务。一、串级控制系统的组成例5-1以连续槽反应器温度控制为例θ1Cθ1rθ1Tθ1进料产品冷却液主要扰动：物料方面：物料流量、入口温度、物料的化学组成等。冷却水方面：入口温度、压力简单控制系统θ1Cθ1rθ1Tθ1进料产品冷却液副调节器调节阀夹套槽壁主调节器温度测量温度测量θ1r——物料温度D2D1θ2rθ2反应槽串级控制系统θ1Cθ1rθ1Tθ1进料产品冷却液θTθ2θ2C例5-2

精馏塔提馏段的温度控制精馏过程：将混合物料中各组分分离，达到规定的纯度。分离的机理：利用混合物中各组分的挥发度不同（沸点不同）使液相中的轻组分（低沸物）和液相中的重组分（高沸物）互相转移，从而实现分离。精馏塔示意图进料热蒸汽塔釜产品冷凝器塔顶产品LBLD回流罐回流泵再沸器精馏塔扰动：物料蒸汽压力波动控制目标：温度稳定例5-2

精馏塔提馏段的温度控制简单控制系统——直接控制方案PCPT简单控制系统——间接控制方案θC2QT加热蒸汽串级控制系统例5-3

炼油厂管式加热炉的温度控制工艺要求：炉出口温度保持恒定。问题：控制通道容量滞后很大，控制缓慢。15min燃料压力或燃料的热值变化影响炉膛温度热传导给原料影响出口温度3min燃料油被加热油料θ1Cθ1Tθ1rθ1例5-3

炼油厂管式加热炉的温度控制燃料油被加热油料θ2Cθ1Tθ2θ1解决措施：在影响出口温度的通道中，加测炉膛温度的变化，提前控制。燃料压力变化炉膛温度变化出料温度变化θ1T、θ1C回路再改变燃料量3minθ1Cθ1r

θ2rθ2Tθ2T、θ2C回路先改变燃料量主调节器调节阀炉膛料油D2、D3、D4D1管壁温度变送器1温度变送器2副调节器＋θ2rθ2θ1－－＋θ1r扰动：燃料油方面---组分、油压D2；喷油用过热蒸汽压力D4；被加热油料—流量、温度D1；配风、炉膛漏风和大气温度D3。二次干扰：包含在副环内的扰动；一次干扰：作用副环之外的干扰。主调节器调节阀炉膛料油D2、D3、D4D1管壁温度变送器1温度变送器2副调节器＋θ2rθ2θ1－－＋θ1r1．D2

、D3和D4发生扰动——干扰进入副回路2．D1发生扰动——干扰进入主回路3．干扰同时作用于副回路和主回路，有两种情况：（1）主副回路的干扰影响方向相同。如：燃料油压力D2↑→炉膛温度↑→出口温度↑

→副控制器开始调节被加热油流量D1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节（2）主副回路的干扰影响方向相反。如：燃料压力D2↑→炉膛温度↑→出口温度↑→副控制器开始调节被加热油流量D1(t)↑→出口温度↓→主控制器反向调节，使副控制器调节量减小。副调节器调节阀副对象主对象主调节器副变送器主变送器主参数设定——+

主参数二次干扰一次干扰副变量:为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。副变送器:检测和变送副变量的变送器。主调节器:按主变量的测量值与设定值的偏差进行工作的调节器。副调节器:按副变量的测量值与主调节器的输出值即副调节器的设定值之间的偏差进行工作的调节器。主对象:主变量所处的那部分工艺设备,其输入信号为副变量,输出信号为主变量。副对象:副变量所处的那部分工艺设备,其输入信号为操纵量,输出信号为副变量。主回路:在串级控制系统方框图中,处于外环(也叫主环)的整个闭合回路。副回路:串级控制系统方框图中的内环(也叫副环),有时也称随动回路。例5-3

炼油厂管式加热炉的温度控制燃料油被加热油料θCθTθrθQCQT主要扰动：燃料油阀前压力例5-3

炼油厂管式加热炉的温度控制燃料油被加热油料θCθTθrθQCQT主要扰动：被加热油料—流量、温度D1一、时间常数主对象副对象调节阀副调节器主调节器副变送器主变送器副回路主回路5-2串级控制系统的分析设:等效副受控对象结论：串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，副环具有快速作用，能够有效克服二次扰动的影响。副回路的增加改善了对象的动态性能，可加主调节器的增益，提高工作效率。二、工作效率系统的特征方程为:将代入上式得:串级控制系统的工作频率：单回路控制系统的特征方程为:单回路控制同理可得:单回路控制系统的工作频率：假设结论：串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间，提高了系统的快速性。三、抗干扰能力1、能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高控制质量串级控制系统控制性能与抗干扰能力的综合指标为串级控制系统结论：串级控制系统的抗干扰能力优于单回路控制系统的抗干扰能力,尤以抗作用于副环的干扰能力更为显著。一般情况下均成立单回路控制系统2、对一次扰动有很强的抑制能力串级控制系统结论：串级控制系统比单回路控制系统的抗干扰能力强。∵一般情况下单回路控制系统四、自适应能力单回路控制系统：调节器参数是根据具体的对象特性整定而得到的。当Kv、Kp2变化大时，控制质量难以保证。串级控制系统：当副调节器的放大倍数Kc2整定的足够大，使其中，副回路的特性与Kv、Kp2变化无关，能保证控制质量。串级控制系统具有一定的自适应能力。串级系统特点总结：①可以明显提高系统对二次扰动的抑制能力，对进入主回路的干扰控制效果也有改善；②改善了被控过程的动态特性；③提高了系统的工作频率；④对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。

调节效果比较串级控制单回路控制ty五、串级控制系统的应用范围1.具有较大纯延迟的过程要求：单回路控制：串级控制：例：网前箱温度——温度串级控制系统T2CT1C2.克服对象的容积延迟适用于温度、质量等容量滞后较大且控制质量要求较高的系统例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统原料油热值变化引起炉膛温度变化只需3分钟3.克服变化剧烈和幅值大的干扰

例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统要求：单回路控制：串级控制：4.用于具有非线性特性的过程例：合成反应炉中部温度与进气口温度的串级控制系统非线性设备某醋酸﹑乙炔合成反应器装置一、副回路的设计5-3串级控制系统设计和实施中的几个问题正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其特点。设计包括主、副回路选择，主、副调节器控制规律选型和正、反作用的确定。1、副参数的选择应使副回路时间常数最小，调节通道短，反应灵敏。

选择原则主要有：(1)克服对象的容积迟延和纯延迟。(2)发挥副回路的超前控制作用。精馏塔提馏段温度控制———副回路的选择2、副回路应包括受控对象所受到的主要干扰控制阀出口温度燃料油原料油控制量流量测量值流量变送器温度设定值温度测量值温度变送器控制阀出口温度燃料油原料油温度变送器温度设定值控制量

另外，当对象具有非线性环节时,应使非线性环节处于副环中；当对象具有较大纯延迟时,应使副环尽量少包括或不包括纯延迟。[例]二、主、副回路工作频率的选择共振现象：由于主﹑副回路是两个相互独立又密切相关的回路，在一定条件下，如果受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副环时会引起副环中副参数波动振幅的增加，而副参数的变化传送到主环后，又迫使主参数的变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度地波动。防止措施：在设计时应将主、副过程的时间常数错开；在运行中整定调节器参数时把主、副回路的工作频率拉开。主﹑副回路都可近似看成二阶振荡系统,其主﹑副回路的幅频特性表达式为：幅频特性曲线二阶振荡系统呈4:1衰减振荡时假定主﹑副环的工作频率与共振频率分别为ωd1﹑ωd2﹑ωr1、ωr2共振现象工作频率即工作频率与其共振频率非常接近共振频率主回路为副回路的干扰信号副回路为主回路的干扰信号共振频率范围一般来讲为避免共振现象为确保串联系统不产生共振，一般取或三、防止调节器积分饱和的措施1、副调节器——P调节，主调节器——PI或PID调节2、副调节器——PI燃料油被加热油料θC2θ1Tθ2θ1θC1θ1rθ2rθ2T

△t1

△t2

△t1单回路控制退出饱和区域需要串级控制退出饱和区域需要

△t1+△t2结论：积分饱和情况较之简单控制系统更严重Gc1=Kc1Gc2

=

Kc2Gp2

=

Kp2Gm2

=

Km21/(Tis+1)+_+++_R1(s)E2(s)Y1(s)Y2(s)R2(s)E1(s)系统正常工作时，Y2

不断跟踪R2，即PI调节P调节当副回路受到某种约束而长期存在偏差，即四、主、副调节器的选择（1）调节规律的选择主调节器：要求低用P精度要求较高PI主对象迟延较大PID副调节器：一般用P要求高PI副调节器一般不引入I或D（2）调节器正反作用方式的选择“先副后主”1、根据工艺安全或节能要求确定调节阀的气开、气关形式；2、按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正、反作用；3、依据主回路构成负反馈的原则，确定主调节器的正、反作用。【例】加热炉温度控制系统主变量：出口温度副变量：炉膛温度燃料调节阀：气开式燃料油被加热油料θ2Cθ1Tθ2θ1θ1Cθ1rθ2rθ2T主调节器调节阀炉膛料油D2、D3、D4D1管壁温度变送器1温度变送器2副调节器＋θ2rθ2θ1－－＋θ1rKO2

>0KV

>0Km2

>0KC2KV

KO2Km2<0KC2

<0副调节器：反作用方式主调节器：反作用方式正环节KO1

>0Km1

>0∵KC1K副回路

KO1Km1<0∴KC1<0

【例】如图所示为精馏塔提馏段温度与蒸汽流量的串级控制系统，生产要求一旦发生事故应立即关闭蒸汽供应。试确定调节阀的气开、气关形式，选择调节器的正、反作用。

解：当出现故障无信号输入时应将阀关闭，防止将塔釜烧干损坏设备，因此调节阀选择气开形式。当阀门开大，流量增加，所以副对象为正过程，KO2>0；KV>0；根据KC2KO2KV<0知KC2<0，即副调节器为反作用形式；主对象的输入为流量（副变量），输出信号为温度，当流量增大，温度上升，所以主对象为正过程，KO1>0；根据KC1KO1<0知KC1<0，即主调节器应选反作用形式。5-4调节器的选型和整定方法一、逐步逼近法——主副回路反复调试，逐步逼近最优具体步骤为：

1.主回路开环，整定副调节器[GC2]1。

2.主回路闭合，在[GC2]1整定主调节器[GC1]1。

3.主、副回路均闭合，在[GC1]1基础上得[GC2]2。

4.主、副回路均闭合，在[GC2]2基础上整定[GC1]2

。

5.重复步骤3、4，直到满足(逼近)控制指标为止。1、逐次逼近法整定串级系统参数步骤1

2、逐次逼近法整定串级系统参数步骤2二、两步整定法——适用于主副回路工作频率相差较大具体步骤为：1.先整定副环。在主、副回路均闭合，主、副调节器均为纯比例作用条件下，将主调节器的比例度置为100％，按单回路整定法整定副回路，得到副回路在满足4:1衰减下的副调节器的比例度δ2s和振荡周期T20

。2.整定主环。在副调节器的比例度为δ2s的条件下，逐渐减小主调节器的比例度，直到得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主调节器的比例度δ1s和工作振荡T10

3.根据前面得到的δ2s

、T20

、δ1s

、T10

，利用公式，计算主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间。4.将计算出的调节器参数加到控制器上，看是否满足要求，如不满足，则做适当的调整。

三、一步整定法——适用于主副回路工作频率相差较大具体步骤为：1.根据经验，直接将副调节器参数一次设定好，不再变动；2.整定主调节器参数。副变量类型副调节器放大系数KC2副调节器比例带δ（%）温度1.7~5.020~60压力1.4~3.030~70流量1.25~2.540~80液位1.25~5.020~80一步整定法的调节器参数经验数据[例]在硝酸生产过程中，有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统。温度为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过5℃，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。系统控制器参数采用两步整定法，过程如下：①在系统设计时，主调节器选用PI调节规律，副调节器选用P