串级控制系统与比值控制系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 串级控制系统与比值控制系统,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,G,c,(s),G,v,(s),G(s),G,m,(s),R(s),Y(s),单回路控制系统方框图,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,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，1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,D2,D1,1r,1,2,对象有三个热容积：夹套、槽壁、槽中的物料。,2）采用串级控制,特点：两个调节器串在一 起工作，,调节器,C2,通过 调节冷却剂量以克服冷却 水方面的扰动；,调节器,C1,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。,1,温度测量,主调节器,调节阀,夹套,槽壁,反应槽,D2,D1,1r,2,副调节器,温度测量,反应器的温度串级控制方框图,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,),r,D1,Q,被调量：提馏段温度,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。,2、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。,(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,D2,r,D1,副调,节器,流量测量,Qr,Q,图3.8提馏段温度串级控制系统,QC2,QC1,优点：,有效地克服蒸汽压力波动对温度的影响。,C2控制流量稳定，C1控制温度稳定。,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,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,),。,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。,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：,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。,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。,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：,串级控制系统方块图,G,p2,(s),串级系统副环的等效性,G,p2,(s),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,（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,1K,C2,K,V,K,P2,K,m2,1,T,P2,T,P2,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。,（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）。,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。,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。,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,D2,D1,1r,副调节器,温度测量,2r,2,1,1、反应器温度控制系统,串级系统副参数的选择举例,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,（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,D2,r,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。,主调,节器,调节,阀,蒸汽管,路系统,再沸,器,塔底,温度测量,D2,r,D1,副调,节器,流量测量,Qr,Q,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。,（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。,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,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。,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,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。,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：,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.,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,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,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,如果调节过程还未达到品质要求，按步继续进行，直到控制效果,满意为止,如果在第,步甚至第步就已经满足品质要求，整定无需继续进行,2、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2S和振荡周期T20,（2）整定主环。主副环仍闭合，副调节器置于2S，得主调节器在衰减率为0.75时的比例带1S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。,3-2 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:,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Q,B,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I,B,*: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,Q,B,-主流量(不可控)Q,A,副流量(被控量),变送器,比值器R,调节器,调节阀,管路,变送器,Q,B,I,B,I,B,*,Q,A,I,A,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,一 比值系数的计算,工艺要求两个物料流量之比为KQ,A,/Q,B,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,压差变送器,比值器,实现流量比K,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0100,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,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:010mA,DDZ-III,DDZ-S:420mA,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,K,A,K,B,-节流元件放大系数,1.流量与测量信号之间是非线性关系,B物料的流量信号I,B,经比值器R后变为I,B,*,为调节器的设定值，稳定后与实际值I,A,相等，即I,B,*=I,A,则,比值系数,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K,2)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,结论：,流量比值K与比值系数,是两个不同的概念,比值系数,的大小与流量比K,最大流量有关,线性测量与非线性测量情况下比值系数关系：,非,=(,线,),2,3)主流量与副流量的选择,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