19串级控制系统

串级控制系统

黄钟旺

串级控制系统-----两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。下面通过例子，说明串级控制的演变与作用

串级控制系统反应釜温度单回路控制系统控制变量：冷却剂量被控变量：反应温度控制阀：气关阀控制规律：PID单回路控制系统扰动分析问题：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↑对调节滞后的解决方法之一 对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到。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。反应器温度串级控制框图TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。像这样构成的系统就是串级控制系统：由两个调节器串联在一起，控制一个执行阀，实现定值控制的控制系统。通用的串级控制系统串级控制系统中常见的名词术语：主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、副检测变送器，主、副回路。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。串级控制系统中常见的名词术语1）主变量：生产中主要控制的工艺指标，串级系统中起主导作用的变量。（T1）2）副变量：影响主变量的主要变量或引入的中间变量（T2）3）副对象：生产中影响主变量，由副变量表征其通道特性G（S）4）主对象：反映主变量与副变量关系的通道特性Gp1（S）5）主控制器：它接受主变量的偏差，其输出去改变副控制器的设定值。6）副控制器：接受副变量偏差，其输出去操纵阀门。7）副回路：处于串级内部，由副控制器测量变送副对象控制阀组成的回路8）主回路：把副回路看成一个等数环节组成的单回路，成为主回路。串级控制系统中常见的名词术语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）。串级系统的设计原则一、主变量的选择与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求的参数作为主变量。二、副变量的选择

选择原则：1）在保证副回路时间常数较小的前提下，使其纳入主要的和更多的干扰副回路包含的干扰越多，其通道越长，克服干扰的灵敏度越低。2）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；3）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；4）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。串级系统的设计原则串级系统副调节器选型

副调节器常选择PI控制律 原因：

串级设置目的：保主参数，用副环克服主要干扰，要求快，及时，因此选用Ｐ。副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力。串级系统主调节器选型主调节器常选择PI或PID控制律

原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。因而一般选择比例积分PI，对于主参数为温度的串级系统，主调节器还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。串级控制系统的工业应用1、应用于容量滞后较大的过程温度、质量等容量滞后较大且控制质量要求较高的系统，如加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统串级控制系统的工业应用2、应用于纯延时较大的过程当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。如前面的夹套温度－反应器的温度的串级3、应用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统串级控制系统的工业应用4、应用于非线性过程对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时，会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。如反应器入口前的换热器就是非线性设备，入口预热的负荷变化时，换热的传热系数是变化的。非线性设备串级控制系统的工业应用主副控制器，正反作用判定方法，与当回路的判断方法一样的，只是先确定副回路的副控制器的正反作用，然后才确定主回路的控制器正反作用。练习题：大家试这判断前面夹套反应器温度的串级控制的主、副调的作用方式？主副控制器，正反作用判定方法

串级系统PID参数的整定方法Step1:先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。Step2:在主调节器为“手动”、副回路闭环的情况下，测试得到主回路广义对象的动态特性与相应特征参数。Step3:采用单回路调节参数的工程整定法（如Z-N准则），确定主回路的PID参数。练习题1精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，图中，P