宋彤過程控制工程3串級控制系統(tǒng)

1、3. 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)主要內容主要內容l3.1 串級控制系統(tǒng)基本概念和構成串級控制系統(tǒng)基本概念和構成l3.2 串級控制系統(tǒng)特性串級控制系統(tǒng)特性l3.3 串級控制系統(tǒng)設計串級控制系統(tǒng)設計l3.4 串級控制系統(tǒng)的投運串級控制系統(tǒng)的投運3.1 串級控制系統(tǒng)構成及動作分析串級控制系統(tǒng)構成及動作分析 操作及控制目的：操作及控制目的： 保證原料出口溫度及其穩(wěn)定性保證原料出口溫度及其穩(wěn)定性（2）。）。被控變量：爐出口溫度被控變量：爐出口溫度操作變量：燃料流量操作變量：燃料流量特點：特點：各種干擾對出口溫度的影響本回各種干擾對出口溫度的影響本回路均具有抑制作用。路均具有抑制作用。問題：調節(jié)通道的時間常

2、數過大問題：調節(jié)通道的時間常數過大(15min(15min左右左右) )，控制作用不及時，控制作用不及時, ,超調量過大，超調量過大，不能滿足控制要求。不能滿足控制要求。 單回路控制方案及問題單回路控制方案及問題方案方案1：方案方案2：設定：主要干擾來自燃料熱值波動設定：主要干擾來自燃料熱值波動被控變量：爐膛溫度被控變量：爐膛溫度操作變量：燃料流量操作變量：燃料流量特點：增強了控制靈敏度（特點：增強了控制靈敏度（t3mint3min），），對爐膛溫度有較好的控制能力；可間對爐膛溫度有較好的控制能力；可間接保證出口溫度的穩(wěn)定性。接保證出口溫度的穩(wěn)定性。問題：對工藝要求的被控變量無監(jiān)測。問題：對工

3、藝要求的被控變量無監(jiān)測。 串級控制方案串級控制方案方案特點：方案特點：選取主、副兩個被控變量，主變量是要求嚴選取主、副兩個被控變量，主變量是要求嚴格監(jiān)控的工藝變量（出口溫度），副變量為爐膛溫度為格監(jiān)控的工藝變量（出口溫度），副變量為爐膛溫度為輔助變量，由爐膛溫度控制器的輸出操縱燃料量輔助變量，由爐膛溫度控制器的輸出操縱燃料量.爐出口溫度與爐膛溫度爐出口溫度與爐膛溫度 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)存在問題：存在問題： a方案：能克服各種干擾，但是干擾控制滯后大方案：能克服各種干擾，但是干擾控制滯后大 b方案：對于除加熱蒸氣之外的干擾無克服能力方案：對于除加熱蒸氣之外的干擾無克服能力例例2：精餾塔釜溫

4、度控制：精餾塔釜溫度控制 (主要干擾：蒸汽壓力波動主要干擾：蒸汽壓力波動) 單回路控制方案單回路控制方案 串級控制串級控制精餾塔釜溫度控制精餾塔釜溫度控制1）串級控制基本構成）串級控制基本構成構成及方案特點：構成及方案特點： 具有主、副兩個或多個被控變具有主、副兩個或多個被控變量。主變量是要求嚴格監(jiān)控的量。主變量是要求嚴格監(jiān)控的工藝變量（出口溫度、塔釜溫工藝變量（出口溫度、塔釜溫度）；副變量是為保證主變量度）；副變量是為保證主變量的穩(wěn)定而選擇的輔助變量（爐的穩(wěn)定而選擇的輔助變量（爐膛溫度、蒸汽壓力）。膛溫度、蒸汽壓力）。 每個被控變量分別由不同的控每個被控變量分別由不同的控制器負責監(jiān)控；各制器

5、負責監(jiān)控；各控制器串聯(lián)控制器串聯(lián)連接，一個控制器的輸出作為連接，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值。另一個控制器的設定值。 具有多層回路的控制系統(tǒng)具有多層回路的控制系統(tǒng) 由最內環(huán)回路的副變量控制器由最內環(huán)回路的副變量控制器的輸出操縱執(zhí)行器。的輸出操縱執(zhí)行器。 最常用的復雜控制系統(tǒng)最常用的復雜控制系統(tǒng)2）串級控制系統(tǒng)方框圖）串級控制系統(tǒng)方框圖 加熱爐串級控制系統(tǒng)方框圖加熱爐串級控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)控制圖系統(tǒng)控制圖方框圖方框圖串級控制系統(tǒng)一般方框圖串級控制系統(tǒng)一般方框圖3）串級控制主要參數及環(huán)節(jié)）串級控制主要參數及環(huán)節(jié) r1(s)r2(s)3.1.2 精餾塔塔釜溫度串級控制動作分析精餾塔塔釜溫

6、度串級控制動作分析設定元件作用方式：設定元件作用方式： 溫度對象：正作用（）溫度對象：正作用（）壓力對象：正作用（）壓力對象：正作用（）調節(jié)閥門：氣關閥（）調節(jié)閥門：氣關閥（）(-)(+)(-)(+)(+)(+)(+)測量變送器：正作用（）測量變送器：正作用（）壓力控制器：正作用（）壓力控制器：正作用（）溫度控制器：副作用（）溫度控制器：副作用（）2）動作分析）動作分析cptttptggggezupteuept1( )( )( )( )221112主： cvtpppggggpeuqp2( )( )( )( )22副： a. 干擾進入副回路干擾進入副回路 f2 p t cttptggggteup

7、t1( )( )( )( )11副主： 設定：設定： f1 t f1副回路：依據主回路控制要求動作（隨動控制）。副回路：依據主回路控制要求動作（隨動控制）。c. 干擾同時進入主、副回路干擾同時進入主、副回路cvtpcttppptgggggggpeuqteueqpt21( )( )( )( )( )( )( )22112副：主： f1f2222112cvtpcttgggggpeuqptteueq( )( )( )( )( )副：主： f2f13.2 串級控制系統(tǒng)特性分析串級控制系統(tǒng)特性分析11( )( )( )( )pcvpptpgs gs gs gs單回路系統(tǒng)方框圖單回路系統(tǒng)方框圖串級控制等效

8、方框圖串級控制等效方框圖2）提高系統(tǒng)的工作頻率）提高系統(tǒng)的工作頻率n 等效副對象傳遞函數：等效副對象傳遞函數：gspgspgs gs gs gsptcv( )2( )21( )( )( )( )222222222222222222221111cvptppcvptppppcvptppkk kkttkk kkttkkkk kkkk/()/()222222222222222222222211111111pppcvtpppcvtpppcvtpppcvtppkt sgskkkkt skkkkkt skkkkkkt skkkkt()( )()()()串級控制系統(tǒng)等效副對象的時間常數縮小了串級控制系統(tǒng)等效副

9、對象的時間常數縮小了 倍。倍。 結論：由于副回路的存在，對象系統(tǒng)容量滯后減小。結論：由于副回路的存在，對象系統(tǒng)容量滯后減小。提高系統(tǒng)的工作頻率提高系統(tǒng)的工作頻率-時間常數時間常數2221cvptkk kk()ppvccppvcctgs gs gs gs gsg sgs gs gs gs gs g122112211( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( ) 工作頻率工作頻率a.串級控制系統(tǒng)工作頻率串級控制系統(tǒng)工作頻率ccvpptgs gs gs gs gs gs122111( )( )( )( )( )( )0 ccccvvttppppppgskgskgskgskkkg

10、sgst st s112211121212( ),( ),( ),( )( ),( )11令：ccvpptppppppppoppppppkkkkkkttsstttttttttttt212121121212212012212cascade12102112 ccvpptgs gs gs gs gs gs122111( )( )( )( )( )( )0 b. 單回路控制系統(tǒng)工作頻率單回路控制系統(tǒng)工作頻率l單回路控制系統(tǒng)方框圖單回路控制系統(tǒng)方框圖12121ppvcppvctgs gs gs gsg sgs gs gs gs gs( )( )( )( )( )( )( )( )( )( ) 1210p

11、pvctgs gs gs gs gs( )( )( )( )( )l根據特征方程有：根據特征方程有：l根據標準二階函數有工作頻率：根據標準二階函數有工作頻率：1121212121010cvptppppcvpptgs gs ggs gst t sttsk k k kkp2( )( )(s)( )( )() 120122ppppttt t 2212single012112ppppttt t ccvvttppppppgskgskgskkkgsgst st s121212( ),( ),( )( ),( )11令： 212cascade1212pppptttt 121212121212111casca

12、deppppppsingleppppppttt tttttt ttt c.串級控制與單回路控制系統(tǒng)工作頻率比較串級控制與單回路控制系統(tǒng)工作頻率比較212single1212ppppttt t 3）自適應能力（魯棒性）自適應能力（魯棒性）自適應能力分析自適應能力分析cvpcvptgs gs gsgsgs gs gs gs222222( )( )( )( )1( )( )( )( ) 2222221cvpcvptkk kkkk kk 22222221cvpcvptkkdkdkkk kk() 221tkk 串級控制系統(tǒng)基本特性：串級控制系統(tǒng)基本特性：控制演示控制演示3.3 串級控制系統(tǒng)設計串級控制系

13、統(tǒng)設計3.3.1副被控變量選擇副被控變量選擇l注意：上述原則之間的矛盾性，應根據過程及注意：上述原則之間的矛盾性，應根據過程及控制的實際進行選擇?？刂频膶嶋H進行選擇。例例1 精餾塔釜溫度串級控制設計（主要干擾處理）精餾塔釜溫度串級控制設計（主要干擾處理）副變量候補：副變量候補：1)蒸汽流量蒸汽流量 f ； 2)閥后蒸汽壓力閥后蒸汽壓力 p ； 3)釜液循環(huán)流量釜液循環(huán)流量f2) 副被控變量選擇及串級控制系統(tǒng)設計舉例副被控變量選擇及串級控制系統(tǒng)設計舉例控制目標：控制目標：保證精餾塔底溫保證精餾塔底溫度及其穩(wěn)定性度及其穩(wěn)定性主要干擾主要干擾:塔底蒸汽量塔底蒸汽量串級控制系統(tǒng)設計方案串級控制系統(tǒng)設計

14、方案1：塔釜溫度：塔釜溫度-蒸汽流量串級蒸汽流量串級特點：特點：l 包含干擾：蒸汽流量，換熱器壓力變化包含干擾：蒸汽流量，換熱器壓力變化l調節(jié)速度：調節(jié)速度： 時間常數較小，時間常數較小， 能快速克服上述干擾的影響能快速克服上述干擾的影響l對其他干擾無克服能力對其他干擾無克服能力特點：特點：l包含干擾：包含干擾： 蒸汽源壓力、換熱器壓力及壁蒸汽源壓力、換熱器壓力及壁 溫的影響溫的影響l調節(jié)速度：調節(jié)速度： 壁溫變化時間常數壁溫變化時間常數(幾秒幾秒)納入納入副環(huán)，提高整體系統(tǒng)工作頻率副環(huán)，提高整體系統(tǒng)工作頻率l不足：不足： 副參數對主參數間接影響時間副參數對主參數間接影響時間常數較大。塔釜溫度

15、控制要求較常數較大。塔釜溫度控制要求較嚴格時，不能保證工藝側蒸汽流嚴格時，不能保證工藝側蒸汽流的恒定完全保證控制要求指標的恒定完全保證控制要求指標串級控制系統(tǒng)設計串級控制系統(tǒng)設計3： 塔釜溫度塔釜溫度-工藝蒸汽流量串級工藝蒸汽流量串級特點：特點：l包含干擾：包含干擾： 增加了再沸器液位、溫度，增加了再沸器液位、溫度， 以及傳熱系數干擾以及傳熱系數干擾l不足：不足： 副環(huán)時間常數較大，對蒸副環(huán)時間常數較大，對蒸汽氣源壓力的波動的克汽氣源壓力的波動的克 服能服能力減弱。力減弱。例例2 造紙工藝網前箱溫度控制（純滯后處理）造紙工藝網前箱溫度控制（純滯后處理）tstc2n工藝過程純滯后時間：工藝過程純

16、滯后時間：90秒秒n 單回路控制：單回路控制： 紙漿波動：紙漿波動：35kg/min 或者或者 蒸汽波動：蒸汽波動：0.12mpa/cm2 最大偏差：最大偏差：8.5 過渡時間：過渡時間：450sn 設計串級控制，將純滯后環(huán)節(jié)置于副環(huán)之外。設計串級控制，將純滯后環(huán)節(jié)置于副環(huán)之外。 串級控制效果：串級控制效果： 紙漿波動：紙漿波動：35kg/min 或者或者 蒸汽波動：蒸汽波動：0.12mpa/cm2 最大偏差：最大偏差：1 過渡時間：過渡時間：200s例例3：合成反應器溫度串級控制系統(tǒng)：合成反應器溫度串級控制系統(tǒng) （非線性環(huán)節(jié)處理）（非線性環(huán)節(jié)處理）n控制要求：控制要求：保證出口溫度保證出口溫

17、度防止液態(tài)丙烯隨氣態(tài)丙烯被吸出防止液態(tài)丙烯隨氣態(tài)丙烯被吸出n方案方案a： * 靈敏度較低，比較遲鈍，靈敏度較低，比較遲鈍， * 日常操作：經濟性較好日常操作：經濟性較好 * 不能確保氣態(tài)丙烯不帶液不能確保氣態(tài)丙烯不帶液n方案方案b： * 靈敏度較高，靈敏度較高， * 氣態(tài)丙烯出口壓力不穩(wěn)定。氣態(tài)丙烯出口壓力不穩(wěn)定。 * 冷量利用不足冷量利用不足 抽吸氣態(tài)丙烯的壓縮機入口壓抽吸氣態(tài)丙烯的壓縮機入口壓力相同情況下：方案力相同情況下：方案b的蒸發(fā)壓力的蒸發(fā)壓力高于方案高于方案a * 需要增加一套液位控制系統(tǒng)需要增加一套液位控制系統(tǒng)例例4 冷凝器溫度控制冷凝器溫度控制 （經濟性）（經濟性）方案方案a方

18、案方案b建議：溫度控制質量要求不高時應用方案建議：溫度控制質量要求不高時應用方案a3.3.2 控制器選擇控制器選擇a. 控制規(guī)律控制規(guī)律b. 作用方式作用方式b. 副控制器控制規(guī)律選擇：副控制器控制規(guī)律選擇： 副回路允許存在余差，可采用純比例控制器。副回路允許存在余差，可采用純比例控制器。但是：但是：l流量和液體壓力作為副變量時，由于其開環(huán)靜態(tài)流量和液體壓力作為副變量時，由于其開環(huán)靜態(tài)增益較小，應適當加入積分作用增益較小，應適當加入積分作用 目的：加強控制作用目的：加強控制作用。l溫度的場合，可加入微分控制作用。溫度的場合，可加入微分控制作用。 v注意：注意： 由于副回路是隨動系統(tǒng)，應采用具有

19、微分先行由于副回路是隨動系統(tǒng)，應采用具有微分先行的控制器的控制器(+)3.3.3 串級控制系統(tǒng)的投運串級控制系統(tǒng)的投運3.4 串級控制系統(tǒng)應用范圍串級控制系統(tǒng)應用范圍串級控制系統(tǒng)舉例串級控制系統(tǒng)舉例如圖某連續(xù)反應器，通過向夾套內如圖某連續(xù)反應器，通過向夾套內通冷卻水的方式控制反應器內溫度。通冷卻水的方式控制反應器內溫度。已知冷卻水壓力波動頻繁，請為此已知冷卻水壓力波動頻繁，請為此過程設計一串級控制系統(tǒng)。要求：過程設計一串級控制系統(tǒng)。要求：a. 在圖中完成所設計的控制方案在圖中完成所設計的控制方案（繪出工藝控制流程圖）。（繪出工藝控制流程圖）。b. 為保證反應器內溫度在任何時刻為保證反應器內溫度在任何時刻都不超高。試選定調節(jié)閥的氣開、都不超高。試選定調節(jié)閥的氣開、氣關形式；主、副控制器正、反作氣關形式；主、副控制器正、反作用方式。用方式。c.若冷卻