过程控制系统课件 第5章 过程控制系统设计

过程控制系统

——串级控制

电气与控制工程学院提纲串级控制系统的基本原理和结构串级控制系统的分析串级控制系统的设计串级控制系统应用举例8/26/202425.1串级控制系统的基本原理和结构电厂锅炉过热汽温控制系统被控量：主汽温θ1控制手段：喷水减温对象特点：滞后和惯性较大

导前信号采用单回路控制品质不好。增加导前信号θ2构造串级控制系统8/26/20243示例2：如图加热炉温度控制系统控制目标：原料出口温度主要干扰：燃料压力的波动控制方式：调整燃料流量方案一：使用两个单独的单回路系统。投资较多，两个系统可能会产生相互矛盾的控制操作。系统滞后较大，控制作用不及时。方案二：将温度调节器的输出作为流量调节器的给定值，把两个调节系统组合成一个调节系统-----串级控制系统。组合方式：流量控制系统采用随动控制方式，将温度调节器的输出作为流量调节器的外设定值。以流量调节器的输出操作调节阀。8/26/20244串级系统相关术语介绍：主被控参数(主参数)和副被控参数(副参数)主回路和副回路主调节器和副调节器串级系统工作工程分析：调节阀为气开阀，TC和FC选择反作用方式副回路扰动：燃料压力P或流量F增加→FT输出增加→FC输出减小→调节阀开度减小→燃料流量F减小。主回路扰动：原料出口温度T增加→TT输出增加→TC输出减小→FC输出减小→调节阀开度减小→燃料流量F减小→原料出口温度下降。主、副回路扰动同时存在：若原料温度T和燃料流量F同时增加，由前2项分析可见，主、副回路产生的调节要求一致。若原料温度T增加而燃料流量F减小，→FT输出减小且TC输出减小→二者之差决定调节阀开度只需要作较小变动即可满足要求副回路主回路8/26/20245副回路（内回路）：粗调主回路（外回路）：细调副参数（副变量）：θ2主参数（主变量）：θ1副（导前区）对象主（惰性区）对象副控制(调节）器主控制（调节）器主调副调导前区惰性区8/26/202465.2串级控制系统的分析5.2.1串级控制系统的特点(1)串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力。

GT1(s)GT2(s)GZ(s)Gμ(s)G02(s)G0f(s)R1(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)R2(s)F(s)Y1(s)G01(s)－－图5.3一般串级控制系统原理框图8/26/20247由图5.3所示串级系统，可以写出干扰F至主参数Y1的传递函数：=(5.1)8/26/20248下面是单回路控制系统原理框图与传递函数:GT(s)GZ(s)Gμ(s)G02(s)G0f(s)R1(s)Gm1(s)R2(s)F(s)Y1(s)G01(s)－图5.4单回路控制系统原理框图8/26/20249串级系统中Y1(s)/F(s)的分母中多了一项，即。一般情况下，副控制器的比例增益是大于1的。单回路控制系统相比，被调量受进入副回路的扰动F的影响可以减小10～100倍。

8/26/202410(2)由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，提高系统响应速度。比较图5.3和图5.4，可以将串级系统的整个副回路看成是一个等效对象，记作(5.3)8/26/202411假设副回路中各环节传递函数为：8/26/202412将上述各式代入式(5.3)，可得(5.4)8/26/202413

比较和,由于这个不等式在任何条件下都是成立的，因此有(5.8)这就表明：副控制器的比例增益可以取得很大。这样，等效时间常数减小得更加明显。时间常数的减小，意味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时。8/26/202414(3)提高系统的工作频率，改善了系统控制质量。将整个副回路看成是一个等效对象

等效对象的时间常数缩小了，而且随着副调节器比例增益的增大而减小,从而加快了副回路的响应速度，提高了系统的工作频率。(证明)

可见，当扰动在副回路以外（例如外扰）时，由于副回路减小了对象的时间常数，提高了整个系统的工作频率，因此也能改善系统的工作品质。8/26/202415(4)串级系统有一定的自适应能力。

负荷变化引起副回路内各环节参数的变化，可以较少影响或不影响系统的控制质量。

一般

KT2KZKμKO2Km2>>1

由于副回路通常是一个随动系统，当负荷变化时，主调节器将改变其输出值，副调节器能快速跟踪，及时而又精确地控制副参数，从而保证系统的控制品质。

8/26/2024165.3串级控制系统的设计5.3.1主、副回路的设计原则1.主回路的设计

主变量的选择和主回路的设计，与单回路控制系统设计选择原则是一致的。在条件许可的情况下，尽量选择直接反映控制目的的参数为主变量，不行时可选择与控制目的有某种单值对应关系的间接参数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度；还应考虑工艺上的合理性和实现的可能性。

8/26/202417(1)参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。(2)副参数可测且可控。(3)副回路应包含被控对象所受到的主要干扰

一般应使副回路的频率比主回路的频率高得多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果。(4)主、副回路工作频率应适当匹配为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取2.副回路的设计8/26/2024185.3.2主、副控制器的选型1.主控制器的选型主调节器一般都采用PI控制器，如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时有主要扰动落在副回路以外，也可考虑采用PID调节器。

2.副控制器的选型一般都选P控制器，只有当副对象容量滞后较大时（温度、PH值控制），才可适当加一点微分作用。8/26/2024195.3.3主、副控制器正反作用的选择主控制器：正、反作用选择顺序为先副后主。副控制器：正、反作用根据副回路的具体情况而定，副回路内各前向通道环节放大倍数符号的乘积应为“正”。主控制器的正、反作用选择要保证各前向通道环节放大倍数符号的乘积应为“正”。8/26/202420示例1:加热炉出口温度和炉膛温度串级控制系统主参数：原料出口温度T1副参数：炉膛温度T2控制阀：从安全角度考虑选择气开，Kv为“+”副对象：控制阀开，炉膛温度升高。Ko2为“+”副调节器：Kc2选择“+”，即反作用,使副回路前向通道增益乘积为“+”。主对象：炉膛温度升高，出口温度升高。Ko1为“+”主调节器：Kc1选择“+”，即反作用,使主回路前向通道增益乘积为“+”。8/26/202421主参数：锅炉液位L副参数：给水流量F控制阀：从安全角度考虑选择气关，Kv为“-”副对象：控制阀开，流量增大。Ko2为“+”副调节器：Kc2选择“-”，即正作用,使副回路前向通道增益乘积为“+”。主对象：给水量增加，液位升高。Ko1为“+”主调节器：Kc1选择“+”，即反作用,使主回路前向通道增益乘积为“+”。示例2:锅炉液位和给水量串级控制系统（双冲量控制）8/26/2024225.3.4串级控制系统的整定整定方法:逐次逼近法,两步整定法,一步法GT1(s)GT2(s)G02(s)R1(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)R2(s)Y1(s)G01(s)－－图5.7串级控制系统方框图8/26/202423（1）

先整定副控制器。在第一次整定副控制器时，断开主环，即按副回路单独工作时的单回路系统来整定副控制器

的参数，记作。（2）根据

，整定主控制器。按单回路系统整定方法求出主控制器的参数，记作。（3）据（2）得到的

，再整定副控制器

。然后根据单回路系统的整定方法求出副控制器的参数，记为（4）如果

的参数值与第（1）步得到的

的参数值基本相同，那么整定就告完成。一.逐次逼近法8/26/202424二.两步整定法1．先整定副控制器当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回路控制过程就告结束；在此期间，主回路基本上不参加动作。可断开主回路,按单回路系统的整定方法整定副控制器

的参数。2．再整定主控制器可将经适当整定的副回路看作理想随动系统，按单回路系统整定方法整定主控制器

的参数。8/26/202425三.一步整定法所谓一步整定法就是根据经验先将副控制器参数一次设置好，不再变动，然后按单回路系统的整定方法直接整定主控制器参数。

经验证明：这种整定方法对于主变量精度要求较高。而对副变量没什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统来说，是很有效的。8/26/202426

5.4串级控制系统应用举例1、串级控制在某精馏塔底温度控制的应用图5.9精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统8/26/202427

对比较大的干扰，单回路控制系统控制品质较差。当控制器的放大倍数K=1.3时，最大偏差为±10℃，无法满足工艺最大偏差±1.5℃的要求。采用塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制后，副控制器的=5，由于副回路的存在，对扰动有较强的克服能力。当有较大的干扰出现时，主变量塔釜温度只是稍微波动一下就平稳下来，满足工艺要求。8/26/2024282、某化纤厂纺丝胶液压力串级控制方案图5.10某化纤厂纺丝胶液压力串级控制系统8/26/202429

为了提高控制质量，可在执行器与冷却器之间，靠近执行器的某个适当位置选择一压力测量点，并以它为副变量组成一串级控制系统，如图5.10所示。当纺丝胶液粘度发生变化或因执行器前的混合器有污染而引起压力变化时，副变量可及时得到反映，并通过副回路进行克服，从而稳定过滤前的胶液压力。8/26/2024303、电厂串级三冲量给水控制系统图5.11串级三冲量给水控制系统8/26/202431

图5.11是在大型汽包锅炉上采用的串级三冲量给水控制系统。此方案的控制任务由两个控制器来完成，主控制器PI1采用比例积分控制规律，以保证水位无静差。主控制器的输出信号和给水流量、蒸汽流量信号都作用到副控制器PI2。一般串级控制系统的副控制器可采用比例控制器，以保证副回路的快速性。8/26/202432串级系统的主、副控制器的任务不同。副控制器的任务：消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速控制给水流量，以保证给水流量和蒸汽流量平衡。主控制器的任务：校正水位偏差。串级三冲量控制系统工作更合理，控制品质更好。8/26/202433本章小结1.掌握串级控制系统的组成原理，会画原理方框图；分析串级控制系