串级控制系统

什 么 是 单 回 路 控 制 系 统 ？ 被 控 变 量 的 选 择 原 则 ？ 操 纵 变 量 的 选 择 选 择 ？ 执 行 器 的 选 择 需 要 考 虑 哪 些 因 素 ？ 测 量 变 送 装 置 的 选 择 需 要 考 虑 哪 些 因 素 ？ 控 制 器 的 选 择 需 要 考 虑 哪 些 因 素 ？ 比 例 度 、 积 分 时 间 、 微 分 时 间 分 别 对 过 渡 过 程 有什 么 样 的 影 响 ？ 采 用 PI控 制 ， Ti调 小 时 为 保 持 系 统 稳 定 性 ， 比例 度 应 该 怎 样 变 化 ？ 工 程 整 定 方 法 有 哪 几 种 ？ 主 要 步 骤 是 什 么 ？ 系 统 的 投 运 是 使 执 行 器 从 手 动 平 稳 过 渡 到 自 动状 态 ， 该 说 法 对 不 对 ？ 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 ； 出料 进料冷却剂 TC 调节器调节阀夹套槽壁反应槽 温度测量变送 D2 D1T1spT2 T1 操纵变量：被控变量：控制规律：冷却剂流量反应温度PID夹套槽壁 出料 进料冷却剂 TC 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 化问题：从扰动开始至调节器动作，滞后较大，特别对于大容量的反应槽，滞后更大。 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” 出料进料冷却剂TC 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。 出料 进料冷却剂 TC2 TC1 T2 T1 出料 进料冷却剂 TC2 TC1 T2 T1 通用的串级控制系统主控制器调节阀副对象主对象主测量变送二次扰动一次扰动副控制器副测量变送主设定值主被控变量副被控变量副回路 随动控制系统定值控 制系统 主回路副设定值 定义:两个控制器串联，两个被控对象，两个测量变送装置，一个执行器，两个回路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 主 被 控 变 量 ： 生 产 过 程 中 的 工 艺 控 制 指 标 。 副 被 控 变 量 ： 为 了 稳 定 主 被 控 变 量 而 引 入 的 中间 辅 助 变 量 。 主 被 控 对 象 ： 生 产 过 程 中 要 控 制 的 生 产 设 备 、装 置 。 副 被 控 对 象 ： 表 征 副 被 控 变 量 特 性 的 设 备 （ 输入 量 为 操 纵 变 量 ， 输 出 量 为 副 被 控 变 量 ） 。反应槽内的温度夹套内的温度反应槽夹套 主 控 制 器 ： 按 主 被 控 变 量 的 测 量 值 与 设 定 值 的偏 差 而 工 作 ， 其 输 出 为 副 被 控 变 量 的 设 定 值 。 副 控 制 器 ： 设 定 值 是 主 控 制 器 的 输 出 。 主 设 定 值 副 设 定 值 主 测 量 值 副 测 量 值 TC1TC2 副 回 路 :串 级 控 制 系 统 内 部 。 包 含 ： 副 控 制 器 、 执行 器 、 副 被 控 对 象 、 副 测 量 变 送 器 。 主 回 路 ： 主 控 制 器 、 副 回 路 、 主 被 控 对 象 、 主 测量 变 送 器 。 一 次 扰 动 二 次 扰 动 主 回 路 为 定 值 控 制 系 统 设 定 值 固 定 副 回 路 为 随 动 控 制 系 统 设 定 值 由 主 控 制 器 的 输 出 提 供 ， 随 主 控 制 器 输出 的 变 化 而 变 化 。 出料 进料冷却剂 TC2 TC1 T2 T1一次扰动二次扰动 调节时间1 8 0 6 0余差 0 0 二次扰动最大偏差0 .2 7 0 .0 1 3 1、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、迅速克服进入副回路扰动的影响，提高系统的抗扰动能力4、对负荷变化有一定的自适应能力（适应操作条件的变化）副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。 1、纯滞后大2、容量滞后大3、扰动变化剧烈、幅值大4、具有非线性特性的过程容量滞后：物料或能量的传递需要通过一定阻力 而引起的滞后。纯滞后：介质的输送由于有一段距离需要一段时间 而引起的滞后。 污水处理混凝加药单回路控制系统溶液池混合池反应池沉淀池污水 图 混凝加药单回路控制方案浊度控制器 浊度计 污水处理混凝加药串级控制系统 溶液池混合池反应池沉淀池污水图 混凝加药串级控制方案FT FC浊度控制器浊度计 主 、 副 被 控 变 量 主 、 副 控 制 器 执 行 器 主 、 副 测 量 变 送 装 置 投 运 与 参 数 整 定 主 被 控 变 量 （ 简 称 主 变 量 ） 的 选 择 与 简 单 控 制系 统 被 控 变 量 的 选 择 原 则 相 同 。 被 控 变 量 应 能 代 表 一 定 的 工 艺 操 作 指 标 或 能 反 映工 艺 操 作 状 态 ， 一 般 是 工 艺 过 程 中 较 重 要 的 变 量 。 被 控 变 量 在 工 艺 操 作 过 程 中 经 常 要 受 到 一 些 干 扰影 响 而 变 化 。 为 维 持 其 恒 定 ， 需 要 较 频 繁 的 调 节 。 尽 量 采 用 直 接 指 标 作 为 被 控 变 量 。 当 无 法 获 得直 接 指 标 信 号 ， 或 其 测 量 和 变 送 信 号 滞 后 很 大 时 ，可 选 择 与 直 接 指 标 有 单 值 对 应 关 系 的 间 接 指 标 作 为被 控 变 量 。 被 控 变 量 应 能 被 测 量 出 来 ， 并 具 有 足 够 大 的 灵 敏度 。 选 择 被 控 变 量 时 ， 必 须 考 虑 工 艺 合 理 性 和 国 内 仪表 产 品 现 状 。 被 控 变 量 应 是 独 立 可 控 的 。 1、 使 副 回 路 包 含 主 要 扰 动 ， 并 包 含 尽 可 能 多 的 扰 动 。 主 要 扰 动 ： 对 主 变 量 影 响 最 严 重 、 最 剧 烈 、 最 频 繁 的 扰 动 。 扰 动 较 多 、 难 分 主 次 ： 尽 可 能 多 的 包 含 扰 动 。2、 副 回 路 的 时 间 常 数 要 合 适 ， 保 证 副 回 路 的 快 速 性 ，避 免 发 生 “ 共 振 ” 。 一 般 要 求 主 、 副 回 路 的 时 间 常数 之 比 为 310 。 副变量越靠近主变量，副回路包含的扰动越多， 同时通道变长，滞后增加，控制速度变慢； 副变量越靠近操纵变量，副回路包含的扰动越少， 通道越短，控制速度越快。3、 要 求 副 变 量 的 变 化 对 主 变 量 影 响 作 用 明 显 ， 主 、副 变 量 要 有 一 定 的 内 在 联 系 。 a、 与 主 变 量 有 一 定 关 系 的 中 间 变 量 b、 选 操 纵 变 量 作 为 副 变 量 4、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对主变量影响小。5、副回路尽量少包含或不包含纯滞后。6、考虑工艺合理性和经济性。 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 主调节器调节阀蒸汽管路系统再沸器塔底温度测量D2r D1副调节器流量测量Qr Q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。 （2）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线2）主调节器调节阀蒸汽管路系统再沸器塔底 温度测量D2r D1副调节器流量测量Qr控制方案2方框图P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。 （3）副参数为再沸器的蒸发量（作用线3）分析：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。主调节器调节阀蒸汽管路系统再沸器塔底 温度测量D2r D1副调节器流量测量Qr Q控制方案3方框图 方案1、温度-压力串级控制出口温度为主变量燃油压力为副变量能克服燃油压力波动的影响串级控制副变量选择练习如果燃油波动较大，主要扰动就是燃油压力的波动，可采用此串级控制系统，以快速克服燃油压力波动带来的扰动。加热炉温度串级控制系统燃料油扰动：燃料油压力的波动燃料油成分变化，导致燃油热值不同 方案2、温度-温度串级控制出口温度为主变量炉膛温度为副变量能克服燃油热值等问题的影响燃油压力较稳定的情况下，主要扰动是燃油热值的变化，使用该串级控制系统可以得到更好的控制效果。加热炉温度串级控制系统 精馏塔温度串级控制系统分析：温度控制对象滞后较大，加热蒸汽压力波动大，控制不及时，控制质量不够理想。解决方法：温度-流量串级控制系统精馏塔塔釜温度为主变量蒸汽流量为副变量 使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响。 出发点：主回路为定值控制系统主控制器：PI或PID要求：主变量，工艺要求严格，允许波动的范围较小， 一般不允许有余差。 出发点：副回路为随动控制系统副控制器：P或PI要求：副变量无严格要求，副回路要具有快速性， 最好不带积分作用。但是，选流量参数为副变量 时，加入较弱的积分作用，增强控制作用。 加热炉温度-压力串级控制加热炉温度-温度串级控制主控制器：副控制器：PIDP主控制器：副控制器：PIDP 如果换成流量，又该如何选择？主控制器：副控制器：PIDPI 主 、 副 回 路 都 必 须 是 负 反 馈这时不考虑主控制器的作用方式。与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同。(副控制器) (执行器) (副对象) (副测量变送)= 主控制器调节阀副对象主对象主测量变送二次扰动一次扰动副控制器副测量变送主设定值主被控变量副被控变量副回路主回路副设定值 主控制器副环主对象主测量变送主设定值主被控变量主回路副环始终为正作用。主测量变送为正作用。(主控制器) (主对象)= 主 、 副 控 制 器 正 、 反 作 用 的 选 择 顺 序 应 是 先 副 后 主 。 （ 1） 副 控 制 器 的 正 、 反 作 用 与 主 回 路 无 关 。 副 环 可以 按 照 单 回 路 控 制 系 统 确 定 正 、 反 作 用 的 方 法 来 确 定副 控 制 器 的 正 、 反 作 用 。 （ 2） 主 控 制 器 的 正 、 反 作 用 根 据 主 回 路 所 包 括 的 各环 节 来 确 定 。 副 回 路 视 为 “ 正 ” ， 因 变 送 器 一 般 为“ 正 ” ， 这 样 主 控 制 器 的 正 负 特 性 与 主 对 象 的 正 负 特性 相 反 。 例 1.确 定 下 图 所 示 加 热 炉 出 口 温 度 与 燃 料 油 压力 串 级 控 制 系 统 主 、 副 控 制 器 的 正 反 作 用 。控制阀：副对象：副测量变送:“”“”“ ”副控制器：“”主对象：“”主控制器：“” n 例 2.确 定 下 图 所 示 加 热 炉 出 口 温 度 与 炉 膛 温 度串 级 控 制 系 统 主 、 副 控 制 器 的 正 反 作 用 。控制阀：副对象：副测量变送:“”“”“ ”副控制器：“”主对象：“”主控制器：“” 选 择 实 施 方 案 时 ， 需 考 虑 的 问 题 ：n 方 案 应 满 足 操 作 要 求 。n实施方案应力求实用，简单可靠，少花钱多办事。n 仪 表 信 号 必 须 互 相 匹 配 。 不 同 类 型 仪 表 需 配 信 号 转换 器 。n 副 控 制 器 必 须 具 有 外 给 定 输 入 接 口 。 接 收 主 控 制 器的 外 给 定 信 号 。 n 实 施 方 案 应 便 于 操 作 。 串 级 控 制 一 般 方 案 ：4-20mA 20-100kPa 主控-串级切换的串级控制方案 结论： 只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间直接切换。如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控制器的正反作用。注意：串级与主控直接切换的条件:组成的控制系统必须是负反馈控制系统 先 副 后 主 保 证 无 扰 动 切 换n 阅 读 教 材 n 将 主 、 副 控 制 器 的 切 换 开 关 都 置 于 手 动 ；n 使 生 产 处 于 要 求 的 工 况 ；n 使 副 偏 差 为 0， 将 副 控 制 器 切 换 到 自 动 ；n 使 主 控 制 器 的 偏 差 为 0， 然 后 将 主 控 制 器切 换 到 自 动 。 两 步 法 （ 先 副 环 后 主 环 的 方 法 ） 1） 在 主 副 回 路 闭 合 时 ， 将 主 控 制 器 置 100%、 Ti置 、 Td 置 0， 然 后 按 4:1整 定 方 法 整 定 副 环 ，找 出 副 变 量 出 现 4:1振 荡 过 程 的 记 录 下 比 例 度 2s 及振 荡 周 期 T 2s 。 2） 将 副 控 制 器 置 2s 、 Ti置 、 Td 置 0， 然 后 按4:1整 定 方 法 整 定 主 环 ， 找 出 主 变 量 出 现 4:1衰 减 振荡 过 程 ， 记 录 下 比 例 度 1s 及 振 荡 周 期 T 1s。 3） 、 根 椐 得 到 的 1s 、 T 1s 、 2s 、 T 2s值 ， 结合 主 、 副 控 制 器 的 选 型 ， 按 单 回 控 制 系 统 衰 减 曲 线法 的 计 算 公 式 ， 可 以 计 算 出 主 、 副 控 制 器 的 、 Ti 、Td。 4） 、 将 计 算 所 得 参 数 按 先 副 环 后 主 环 、 先 比 例 再积 分 后 微 分 的 顺 序 在 控 制 器 上 放 好 ， 观 察 控 制 过 程曲 线 ， 如 不 够 满 意 ， 可 适 当 地 进 行 一 些 微 小 的 调 整 。 一 步 法根 据 经 验 先 将 副 控 制 器 参 数 一 次 放 好 ， 不 再 变 动 ，然 后 按 一 般 单 回 路 系 统 整 定 方 法 ， 直 接 整 定 主 控 制器 参 数 。在 整 定 过 程 中 以 牺 牲 副 参 数 的 质 量 指 标 的 原 则 （ 副参 数 在 允 许 的 范 围 内 ） ， 使 主 参 数 达 到 规 定 的 质 量指 标 的 要 求 。 第 三 章 课 后 习 题 1、 4、 10、 15 上 水 箱 ， 中 水 箱 ， 蓄 水 箱 ， 泵 ， 主 控 制 器 ， 副控 制 器 ， 主 、 副 测 量 变 送 器 ， 控 制 阀 （ 执 行 器 ） 学 生 设 计 一 个 中 水 箱 液 位 串 级 控 制 系 统 要 求 ： 制 定 控 制 方 案 ， 画 出 系 统 框 图 ， 能 说 出工 作 原 理 ， 清 楚 主 、 副 被 控 对 象 以 及 主 、 副 被控 变 量 分 别 是 什 么