串级控制系统与比值控制系统

第三章串级控制系统与比值控制系统5/20/20241组成：一个调节器，一个控制阀，一个被控制对象，一个测量变送器Gc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)R(s)—Y(s)

单回路控制系统方框图5/20/20242定义:就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。在多回路控制系统中,有两个被控过程,两套测量变送装置,两台控制器和一个调节阀构成的系统．3-1串级控制系统的概念5/20/20243

图3.1反应器温度控制系统夹套槽壁例3-1连续槽反应器温度控制1)采用单回路控制分析：当冷却水方面发生扰动，需相继通过3个容积后，θ1才升高，调节器才动作。物料方面扰动D1:流量,入口温度,化学成分冷却水扰动D2:入口温度,阀前压力图3.2反应器单回路控制系统调节器调节阀夹套槽壁反应槽温度测量D2D1θ1rθ1θ2－对象有三个热容积：夹套、槽壁、槽中的物料。5/20/202442）采用串级控制特点：两个调节器串在一起工作，调节器θC2通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器θC1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。5/20/20245θ1温度测量主调节器调节阀夹套槽壁反应槽D2D1θ1rθ2副调节器温度测量反应器的温度串级控制方框图5/20/20246例3-2精馏塔提馏段的温度控制1、简单控制系统方案调节器调节阀蒸汽管路再沸器塔底温度测量D2(蒸汽压力)θrθD1Q被调量：提馏段温度θ扰动D2：加热蒸汽压力扰动D1：加料方面的扰动，如温度、流量、组分等缺点：从调节阀动作到温度变化，需通过很多热容积。调节滞后。5/20/202472、两种改进方案：(1)附加蒸汽压力控制方案图3.6附加蒸汽压力控制方案把蒸汽压力的干扰克服在入塔前，提高了温度调节品质，但需增加一个调节阀，且增加了蒸汽管路的压力损失，经济上不合理。5/20/20248(2)串级控制方案（好）主调节器调节阀蒸汽管路系统再沸器塔底温度测量D2θrθD1副调节器流量测量QrQ－－图3.8提馏段温度串级控制系统QC2QC1优点：有效地克服蒸汽压力波动对温度θ的影响。θC2控制流量稳定，θC1控制温度稳定。5/20/20249通用的串级控制系统主调节器调节阀副对象主对象主变送器二次扰动一次扰动副调节器副变送器－－主参数设定主参数副参数副回路1)在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。2)每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器3)调节阀由副调节器直接控制随动控制系统定值控制系统

主回路5/20/202410①主、副回路在外面的闭合回路称为主回路(主环)，在里面的闭合回路称为副回路(副环)。②主、副控制器处于主回路中的控制器称为主控制器；处于副回路中的控制器称为副控制器。③主、副变量主回路的被控变量称为主被控变量，也称为主变量或主参数；副回路的被控变量称为副被控变量，也称为副变量或副参数串级控制系统中的名词：5/20/202411④主、副对象主回路所包括的对象称为主对象；副回路所包括的对象称为副对象。⑤主、副变送器检测和变送主变量的称为主检测变送器；检测和变送副变量的称为副检测变送器。⑥一、二次干扰进入主回路的干扰称为一次干扰；进入副回路的干扰称为二次干扰。串级控制系统中的名词：5/20/202412串级控制系统方块图Gp2’(s)5/20/202413串级系统副环的等效性Gp2’(s)5/20/202414串级控制系统的特点（1）副回路（内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；由于而对于动态滞后较小的副回路，有5/20/202415（2）由于内环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。设副回路中各环节传递函数为1＋KC2KVKP2Km2>1TP2’<TP2等效对象的时间常数缩小了，加快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。5/20/202416（3）对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力对于内环等效对象的增益当结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。5/20/202417串级控制特点总结：1)在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统.其中主回路是定值控制，副回路是随动控制．2)副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影响3)副回路的引入,提高了整个系统的响应速度,使其快速性得到了提高．4)串级控制系统对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力．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。5/20/202418串级控制系统设计和实施中的几个问题考虑的问题:副回路的设计,副参数的选择.主副回路之间的关系,两个调节器可能产生的问题.一副回路的设计副回路的设计主要是如何选择副参数．其设计原则为：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；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。5/20/202419选择夹套温度作为副参数,可迅速反映冷水侧的干扰，然后加以克服。主调节器调节阀夹套槽壁反应槽温度测量D2D1θ1r副调节器温度测量θ2rθ2θ1－－1、反应器温度控制系统串级系统副参数的选择举例5/20/202420精馏塔提馏段温度控制的不同串级方案串级系统副参数的选择举例2、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5/20/202421（1）副参数为加热蒸汽（作用线1）主调节器调节阀蒸汽管路系统再沸器塔底温度测量D2θrθD1副调节器流量测量QrQ－－控制方案1方框图分析：可保持加热量稳定，它只能快速消除因蒸汽汽源压力或冷凝压力变化引起的扰动。由于蒸汽流量对象的滞后非常小，当用流量作副变量时，并不能使串级系统的频率有多少提高，对克服其它扰动不明显。5/20/202422主调节器调节阀蒸汽管路系统再沸器塔底温度测量D2θrθD1副调节器流量测量QrQ－－控制方案2方框图P（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线2）：分析：把加热蒸汽侧的扰动完全包括在副环之内，与1相比，副环中包括了更大的时间常数，有助于改善主环的调节性能。5/20/202423（3）副参数为再沸器的蒸发量（作用线3）：把再沸器侧的扰动包括在副环内（再沸器液位、塔釜温度等），有助于改善主环的调节性能，但副环克服蒸汽方面的扰动要慢些。5/20/202424二、主,副回路工作频率的选择目的：避免副环进入高增益区，避免产生串级共振现象.共振现象：如果主回路的工作频率接近副回路的谐振频率，则副回路将呈现出很高的增益和较大的相位滞后，这时反过来将严重影响主回路的稳定性，从而使主副参数长时间地大幅度地波动的现象。结论：一般取：Td1为主回路时间常数，Td2为副回路时间常数5/20/202425三、防止调节器积分饱和的措施1、若副调节器是P作用，主调节器是PI或PID作用时，抗积分饱和措施与单回路系统相同。2、若主副调节器均有积分作用，积分饱和比单回路系统更严重。措施：根据副回路的偏差来防止主调节器积分饱和的方案。5/20/202426串级系统中调节器正反作用方式的选择1)根据工艺安全要求，选择调节阀的气开，气关形式2)将副回路当作一个独立的闭回路，按照使副环形成一个负反馈的原则确定副调节器的正反作用方式3)将整个副回路当作主回路的一个环节,其作用方式总为正.再来确定主调节器的作用方式.y主调节器调节阀副对象主对象主变送器r副调节器副变送器－－总为5/20/202427调节器的选型和整定方法副调节器：副调节器常选择P或PI控制律

原因：消除副回路内的二次扰动，快速性，不要求无差一般选P调节器，当主副环频率相差很大，可选PI调节器。一、主副控制器的控制规律选择主调节器：一般采用PI或PID控制规律原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加入较强的积分作用（除主参数为液位的串级均匀控制系统以外）。当主对象的调节滞后较大，而主参数变化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。5/20/202428二、串级控制系统的整定1、逐步逼近法(比较费时)它是一种依次整定副环，主环，然后循环进行，逐步接近主，副环的最佳整定的一种方法．其步骤为：①首先整定副环.

断开主环,按单回路整定副环,求取副调节器的整定参数.②整定主环．整定好的副环作为主环中的一个环节，按单回路方法整定主环，得到主调节器整定参数．③再次整定副环。在主调节器已经整定一次的条件下,按单回路整定方法,重新求取副调节器的整定参数.此时主副回路都已经闭合．④重新整定主环．在两个环都闭合，副调节器第二次整定情况下重新整定主调节器．⑤如果调节过程还未达到品质要求，按③④步继续进行，直到控制效果满意为止．如果在第③步甚至第②步就已经满足品质要求，整定无需继续进行．5/20/2024292、两步整定法先整定副环，再整定主环．具体步骤为：（1）先整定副环。主副环均闭合，得副调节器的衰减率为0.75时的比例带δ2S和振荡周期T20（2）整定主环。主副环仍闭合，副调节器置于δ2S，得主调节器在衰减率为0.75时的比例带δ1S和振荡周期T10（3）由衰减曲线法的计算公式，查表求出各调节器的整定参数。5/20/2024303-2比值控制系统定义:用来实现两个或以上物料之间保持一定比值关系的过程控制系统

.主物料-----处于主导地位的物料，表征该物料的参数为主动量F1(主流量)从物料-----随主物料的变化呈比例变化的另一种物料表征该物料的参数从动量F2(副流量)流量比值副流量主流量流量比值----副流量与主流量的比值K主物料和从物料:5/20/202431例3-6合成塔比值控制系统工艺要求：A,B两种物料的流量保持一定比例，物料B的流量QB不可控．两种流量的比值通过设定比值器R实现压差变送器比值器决定流量比值调节器给定值IB*:主流量的K倍实现目标:副流量随主流量而变化,其流量是主流量的K倍．5/20/202432QB--主流量(不可控)QA—副流量(被控量)变送器比值器R调节器调节阀管路变送器QBIBIB*QAIA－合成炉比值控制系统方框图主流量副流量实现K倍调节副流量合成炉比值控制系统方框图5/20/202433一比值系数的计算工艺要求两个物料流量之比为K＝QA/QB,可通过设置比值器的输出输入信号之比来实现.即比值系数α．压差变送器比值器实现流量比K5/20/202434线性环节的增益:K=输出范围/输入范围=输出增量／输入增量温度变送器量程为0~100℃,为DDZ-III型仪表，则其增益(转换系数)为K=(20-4)/(100-0)=0.16mA/℃比值系数α＝比值器R输出增量／比值器R输入增量输入输出仪表类型：DDZ-II:0~10mADDZ-III,DDZ-S:4~20mA5/20/202435压差变送器DT将压差信号线性地转换为电信号．采用DDZ-III型．有增量对于节流元件，压差与流量的平方成正比，则KA,KB-----节流元件放大系数1.流量与测量信号之间是非线性关系5/20/202436B物料的流量信号IB经比值器R后变为IB*,为调节器的设定值，稳定后与实际值IA相等，即IB*=IA,则比值系数α为虽然流量与其测量信号成非线性关系，但是比值系数却是常数．压差变送器比值器实现流量比K5/20/2024372)流量与其测量信号之间呈线性关系在有些系统中,在变送器后加上开方器,使流量与测量信号间不再是非线性关系开方器比值器5/20/202438结论：①流量比值K与比值系数α是两个不同的概念．②比值系数α的大小与流量比K,最大流量有关．③线性测量与非线性测量情况下比值系数关系：α非=(α线)2

3)主流量与副流量的选择①主要物料作为主流量,其他物料为副流量.以副流量的变化跟随主流量的变化.如果两种物料中,一种是可控的,另一种是不可控的,选不可控物料为主流量,可控物料为副流量．②如果两种物料中一种供应不成问题,另一种可能出现供应不足,应选可能供应不足的物料为主流量.5/20/202439二比值系统中的非线性特性非线性:系统的静态增益不是一个定值而是随负荷变化的.比值系数与负荷无关:由比值系数的计算可得结论,在流量和其测量信号之间呈线性或非线性关系两种情况下,比值系数均为常数,与负荷大小无关.

即负荷变化时有无开方器对系统静态比值无影响.压差变送器比值器流量测量中的非线性对系统的影响5/20/202440为了保持系统的性能稳定，需要使系统的总增益接近常数．在变送器后加入开方器后，其增益为：加入开方器后，使进入到比值器和调节器的表示流量的电流信号与流量的静态增益为常数，消除了非线性影响．Kp对系统性能的影响：系统在较小负荷下整定好调节器参数,可以保证一定控制品质.当负荷增大时,由于测量变送部分的静态增益增加很多,而调节器参数未变，使控制品质恶化．5/20/202441三比值系统的整定按单回路系统整定,需满足要求:①要求系统响应速度快,能对主流量的变化作出快速跟踪②要求衰减率ψ较大,使被调量尽快稳定,波动小.整定过程1)将调节器QAC的积分时间TI设为最大,从大到小逐渐减小比例带δ,直到被调流量在主流量阶跃扰动下的过渡过程处于振荡与不振荡的临界情况．如右图曲线b2)确定了比例带后,逐步减小积分时间常数TI,直到被调量稍有一点过调．如曲线c5/20/202442四常见比值控制系统变送器比值器调节器调节阀管路变送器QBIBIB*QAIA－

单环比值控制系统单环比值控制系统:用一个调节器控制副流量,使它按比例跟随主流量.特点:控制系统简单,能够克服单环内的各种干扰对比值系统的影响.不足之处:一般只用于负荷变化不大的场合.1、单闭环比值控制系统5/20/2024432.双闭环比值控制系统使用场合：在比值控制精度要求较高，主流量允许控制的情况下．特点:增加了主流量控制回路,实现了主流量的定值控制,使主流量变化平稳.从而使与主流量成比例的副流量也能够平稳.可通过改变主流量的设定值实现负荷的变化．①控制系统由两个闭环组成，主流量为定值控制，副流量为随动控制②两个回路之间由比值器联系③比值器接受主回路流量信号，输出作为副流量