溫度和流量串級控制方案和原理

1、第三章 控制系統(tǒng)的控制方案及原理3.1 控制方案的確定 溫度流量串級控制實驗是以串級控制系統(tǒng)來控制換熱器熱水出口溫度， 以換熱器冷水流量為副對象，流量變動的時間常數(shù)小，時延小，控制通路短，從而可加快提高響應(yīng)速度，縮短過渡過程時間，符合副回路選擇的超前，快速，反應(yīng)靈敏等要求。 換熱器熱水出口溫度為主對象，冷水流量的改變需要經(jīng)過一定時間后通過換熱器的熱交換才能反映到換熱器熱水出口溫度，時間常數(shù)比較大，時延大。將主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，而副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行器。 反復(fù)調(diào)試，使第二支路的流量快速穩(wěn)定在給定值上，這時給定值應(yīng)與負反饋值相同。若參數(shù)比較理想，且主回路擾動較小，經(jīng)過副回路的及時控

2、制校正，不影響換熱器熱水出口溫度。如果擾動比較大或參數(shù)并不理想，則經(jīng)過副回路的校正，還將影響主回路的溫度，此時再由主回路進一步調(diào)節(jié)，從而完成克服上述擾動，使換熱器熱水出口溫度調(diào)節(jié)到給定值上。例如當(dāng)通過調(diào)節(jié)變頻器改變左邊水泵的頻率時，即改動了熱水的流量，將立即影響到換熱器熱水出口溫度，如果沒有副回路，主回路將產(chǎn)生校正作用，克服擾動對溫度的影響。但是由于副回路的存在，加快了校正作用，使擾動對主回路的溫度影響較小。 串級控制系統(tǒng)方框圖如圖 3-1 所示，各個回路獨立調(diào)整結(jié)束，使得主調(diào)節(jié)器輸出與副調(diào)節(jié)器給定值相差不是太遠。副回路對FT102進行控制，這個反應(yīng)比較快，副回路控制目的是很快把流量控制回給定

3、值。X主調(diào)節(jié)器LIC101副調(diào)節(jié)器LIC102換熱器熱水出口溫TE103TE103主回路干擾給定值+-圖3-1 換熱器熱水出口溫度和冷水流量串級控制框圖X-調(diào)節(jié)閥FV101電磁流量計01流量FT102換熱器熱水出口溫度變頻器干擾右邊水泵主回路對換熱器熱水出口溫度TE103進行控制。 可以在換熱器熱水出口加入主回路干擾，要平衡這個干擾，則需要經(jīng)過流量調(diào)整，通過 FT102來平衡這個變化。測量與控制端連接表 ：測量或控制量測量或控制量標(biāo)號使用控制器端口電磁流量計FT102AI0換熱器熱水出口溫度TE103AI1調(diào)節(jié)閥FV101AO03.2 主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所

4、起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇控制規(guī)律的基本出發(fā)點。主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律。副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律就可以了。一般不引入積分控制規(guī)律。因為副參數(shù)允許有余差，而且副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)較大，控制作用強，余差小，若采用積分規(guī)律，會延長控制過程，減弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控制規(guī)律，因為副回路本身起著快速作用，再引入微分規(guī)律會使調(diào)節(jié)閥動作過大，對控制不利。3.2.1 PID 控制規(guī)律的特點 在工

5、程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID 控制，又稱PID 調(diào)節(jié)。PID 控制器問世至今已有近70 年歷史，它以結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時， 系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定， 這時應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。 1比例(P)控制器 P控制器實質(zhì)上是一個具有可調(diào)增益的放大器。在信號變換過程中，P控制器只改變信號的增益而不影響其相位。在串級校正中，加大控制器增益Kp,可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高

6、系統(tǒng)的控制精度，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)校正系統(tǒng)中，很少單獨使用比例控制規(guī)律。比例控制是最簡單最基本的控制規(guī)律，能迅速有效地克服干擾的影響，或使被控變量能迅速跟蹤設(shè)定值的變化，過渡過程時間短，而且只有一個參數(shù)需要整定。但是，過渡過程結(jié)束后有余差存在。因此，比例控制器適用于負荷變化較小、自衡能力較強、對象控制通道中的純滯后時間和時間常數(shù)之比（/T）較小、工藝上允許有余差存在、控制質(zhì)量要求不高的場合。2 比例積分微分（PID）控制器 PID 控制器是一個在工業(yè)控制應(yīng)用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數(shù)據(jù)和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算

7、新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別的出現(xiàn)率來調(diào)整輸入值，這樣可以使系統(tǒng)更加準確，更加穩(wěn)定?？梢酝ㄟ^數(shù)學(xué)的方法證明，在其他控制方法導(dǎo)致系統(tǒng)有穩(wěn)定誤差或過程反復(fù)的情況下，一個PID反饋回路卻可以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。比例積分微分控制器又稱三作用控制器，它綜合了各種控制器的優(yōu)點，既能克服對象的容量滯后，減小動態(tài)偏差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能消除系統(tǒng)的余差。如果能對三個參數(shù)（比例度，積分時間TI和微分時間TD）加以適當(dāng)整定，可以使系統(tǒng)具有最好的控制性能。比例積分微分控制器適用于控制對象負荷變化大、對象容量滯后較大

8、、工藝要求無余差、控制質(zhì)量的系統(tǒng)但是，對于純滯后很大、負荷變化很大的系統(tǒng)，三作用控制器同樣無能為力。PID控制器主要適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)。 3.2.2 串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及方法PID 控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。 幾種常用的控制器參數(shù)的工程整定方法有臨界比例度法、衰減曲線法、經(jīng)驗湊試等幾種。 1. 臨界比例度法 在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器的積分時間 iT 放到最大，微分時間 d T 放到最小，比例度 放于適當(dāng)數(shù)值(一般為 100%)。然后使由大到小逐步改變，并且每改變一次 值時，通過改變給定值給系統(tǒng)施加一階躍干擾，同時觀察被控變量 y 的變化情況。若 y

9、 的過渡過程呈衰減振蕩，則繼續(xù)減小 值，若 y 的過渡過程呈發(fā)散振蕩， 則應(yīng)增大 值， 直到調(diào)至某一 值， 過渡過程出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩為止。如圖 3-2 所示：圖3-2等幅振蕩曲線這時的過渡過程稱之為臨界振蕩過程。出現(xiàn)臨界振蕩過程的比例度 K 稱為臨界比例度，而臨界振蕩的周期 K T ，則稱臨界周期。有了 K 及 K T 這兩個試驗數(shù)據(jù)，按表3-1 所給出的經(jīng)驗公式， 就可計算出當(dāng)采用不同類型控制器而使過渡過程呈4：l 衰減振蕩狀態(tài)的控制器參數(shù)值。表3-1 臨界比力度法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗公式控制器類型控制參數(shù)/%Ti/minTd/minP2x2x2xPI2.2x0.85Tx0.85TxPID

10、x0.5Tx0.13Tx按表3-1 算出控制器參數(shù)后，先將 放在比計算值稍大一些(一般大20)數(shù)值上，再依次放上積分時間和微分時間(如果有的話)，最后再將 放回到計算數(shù)值上即可。如果這時加干擾，過渡過程與4 ：1 衰減還有一定差距，可適當(dāng)對值做一點調(diào)整，直到過渡過程達到滿意為止。至此，整定完畢。 臨界比例度法應(yīng)用起來比較簡便。然而，如果工藝方面不允許被控變量作長時間的等幅振蕩，這種方法就不能應(yīng)用。此外，這種方法只適用于二階以上的高階對象，或是一階加純滯后的對象，否則，在純比例控制情況下，系統(tǒng)將不會出現(xiàn)等幅振蕩，因此，這種方法也就無法應(yīng)用了。 2. 衰減曲線法 此法與臨界比例度法有些類似。衰減曲

11、線法是在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器積分時間 iT 放在最大，微分時間 d T 放在最小，比例度放于適當(dāng)數(shù)值(一般為l00)，然后使由大往小逐漸改變，并在每改變一次值時，通過改變給定值給系統(tǒng)施加一階躍干擾，同時觀察過渡過程變化情況。如果衰減比大于4：1，應(yīng)繼續(xù)減小，當(dāng)衰減比小于4：1 時應(yīng)增大，直至過渡過程呈現(xiàn)4：l 衰減時為止。如圖3-3 所示：圖3-3 4：1衰減曲線通過上述實驗可以找到4：l 衰減振蕩時的比例度 S ，及振蕩周期 S T 。再按表4-2 所給出的經(jīng)驗公式，可以算出采用不同類型控制器使過渡過程出現(xiàn)4 ：l振蕩的控制器參數(shù)值。表3-2 4：1衰減曲線法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗公式控制器

12、類型控制器參數(shù)/%Ti/minTd/minPsssPI2.2s0.5Ts0.5TsPIDs0.3Ts0.1Ts按表3-2 經(jīng)驗公式計算出控制參數(shù)后， 按照先比例、 后積分、 最后微分的順序，依次將控制器參數(shù)放好。不過在放積分、微分之前應(yīng)將 放在比計算值稍大(約20)的數(shù)值上，待積分、微分放好后再將 放到計算值上。放好控制器參數(shù)后可以再加一次干擾，驗證一下過渡過程是否呈4 ：1 衰減振蕩。如果不符合要求，可適當(dāng)調(diào)整一下值，直到達到滿意為止。由于4 ：1 衰減曲線法試驗過渡過程振蕩的時間較短，而且又是衰減振蕩，因此，易為工藝人員所接受。再者這種整定方法不受對象特性階次的限制， 一般對象都可以應(yīng)用，

13、 因此， 這種整定方法應(yīng)用較為廣泛。3.3 串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定為了滿足生產(chǎn)工藝指標(biāo)的要求，為了確保串級控制系統(tǒng)的正常運行，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式必須正確的選擇。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構(gòu)成負反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系統(tǒng)系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負是這樣規(guī)定的：對于調(diào)節(jié)器的KC，當(dāng)測量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則KC為負（即正作用調(diào)節(jié)器）；反之，KC為正（即反作用調(diào)節(jié)器）。過程放大系數(shù)極性是：當(dāng)過程的輸入增大時，即調(diào)節(jié)閥開大，其輸出也增大，則KO為正；反之K0為負。串級控制系統(tǒng)由于增加了副回

14、路，對于進入副回路的干擾有較強的克服能力。串級控制系統(tǒng)由于副環(huán)具有快速抗干擾功能，對于進入副環(huán)的干擾具有很強的抑制作用。因此，對于同樣大小的干擾作用于主、副環(huán)，對主變量的影響是不同的。作用于副環(huán)的干擾，由于受到副環(huán)的抑制作用，結(jié)果對于主變量的影響就比較??；而作用于主環(huán)的干擾，由于此時副環(huán)的快速抗干擾能力未能得到發(fā)揮，因此干擾對主變量的影響就比較大。在本設(shè)計中，主控制器為負作用，副調(diào)節(jié)器為正作用8。串級控制系統(tǒng)      串級控制系統(tǒng)是所有復(fù)雜控制系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種，當(dāng)要求被控變量的誤差范圍很小，簡單控制系統(tǒng)不能滿足要求時，可考慮采用

15、串級控制系統(tǒng)。    一、組成原理如圖8-1所示是一個加熱爐溫度控制系統(tǒng)。被加熱原料的出口溫度T是該控制系統(tǒng)的被控變量，燃料量是該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)變量，這是一個簡單控制系統(tǒng)。如果對口溫度T的誤差范圍要求不高，這個控制方案是可行的。如果出口溫度T的誤差范圍要求很小，則簡單控制系統(tǒng)難以勝任。分析如下：                      &#

16、160;        先看該系統(tǒng)的調(diào)節(jié)通道，調(diào)節(jié)器TC發(fā)出的信號送給調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥改變閥門開度，送入加熱爐的燃料流量改變，燃料在爐膛里燃燒，爐膛溫度改變，傳熱給管道，最終使原料溫度得到調(diào)整，穩(wěn)定在所希望的溫度附近。由于傳熱過程的時間常數(shù)大，達到15分鐘左右，等到出口溫度發(fā)生偏差后再進行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致偏差在較長的時間內(nèi)不能被克服，誤差太大，不符合工藝要求。如何解決這個問題呢？根據(jù)反饋原理，被控變量的任何偏差，都是由種種干擾引起的，如果能把這些干擾抑制住，則被控變量的波動將會減小許多。   

17、   在控制系統(tǒng)中，每一個干擾到被控變量之間都是一條干擾通道。對于該加熱爐，主要的干擾有：燃料壓力的波動、燃料熱值的波動、原料流量的調(diào)整或波動、原料入口溫度的波動等等。如果對每一個主要干擾都用一個控制系統(tǒng)來克服波動，則整個系統(tǒng)的主要目標(biāo)（原料的出口溫度），肯定能被控制得很好。但實際上，有些量的控制很不方便，而且，這樣做整個控制工程的投資將是很大的。實踐中，人們探索出一種復(fù)雜控制系統(tǒng)，不需要增加太多的儀表即可使被控制量達到較高的控制精度。這就是串級控制系統(tǒng)。    從前面的分析可知，該系統(tǒng)的主要問題在于傳熱過程時間常數(shù)很大。串級控制的思

18、想是把時間常數(shù)較大的被控對象分解為二個時間常數(shù)較小的被控對象，如從燃料量到爐膛溫度Ts的設(shè)備可作為第一個被控對象，爐膛溫度到被控變量TM的設(shè)備作為第二個對象，也就是在原被控制對象中找出一個中間變量爐膛溫度Ts，它能提前反映干擾的作用，增加對這個中間變量的有效控制，即根據(jù)爐膛溫度的變化，先控制燃料量，再根據(jù)原料出口溫度與給定值之差，進一步控制燃料量，可使整個系統(tǒng)的被控制變量得到較精確的控制。如此構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)及方塊圖如圖8-2和圖8-3所示。            

19、0;                              圖83  加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)方塊圖       在該串級控制系統(tǒng)中，干擾F1和F2作用在溫度對象1上，它們首先影響到Ts，然后再影響到TM。由于Ts能被

20、測量并加以控制，因此，它的波動范圍比未加以控制前大大減小，所以干擾F1和F2對Tm的影響也大大減少。詳細的工作過程分析見后。這里先介紹一下該控制系統(tǒng)的組成原理及術(shù)語。    1組成原理（l）將原被控對象分解為兩個串聯(lián)的被控對象，如圖8-4所示。          圖8-4  串級控制系統(tǒng)組成原理及術(shù)語示意圖   （2）以連接分解后的兩個被控對象的中間變量為副被控變量，構(gòu)成一個簡單控制系統(tǒng)，稱為副調(diào)節(jié)系統(tǒng)或到環(huán)。

21、60;  （3）以原對象的輸出信號為主被控變量，即分解后的第二個被控對象的輸出信號，構(gòu)成一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)，稱為主調(diào)節(jié)系統(tǒng)或主環(huán)。（4）主調(diào)節(jié)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的輸出信號作為副調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出信號作為主被控對象的輸入信號，如圖8-5所示。                            &#

22、160;                  2、串級控制系統(tǒng)術(shù)語    （l）主對象、副對象，也稱主被控對象、副被控對象，如圖8-4所示，主對象與副對象是由原被控對象分解而得到的。    （2）主變量、副變量也稱為主被控變量、副被控變量。主變量是主被控對象的輸出信號，副變量是副被控對象的輸出信號，是原被控對象的某個中間變量，同時也是主被控

23、對象的輸入信號。    （3）主測量值、副測量值是相應(yīng)被控制變量的測量值。    （4）主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器：副調(diào)節(jié)器負責(zé)虛線框中副環(huán)被控對象的調(diào)節(jié)任務(wù)，使副變量符合副給定值的要求；主調(diào)節(jié)器負責(zé)整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)任務(wù)。    （5）主給定值、副給定值：主給定值是主變量的期望值，由主調(diào)節(jié)器內(nèi)部設(shè)定；副給定值是副變量的期望值，由主調(diào)節(jié)器的輸出信號提供。    （6）主環(huán)、副環(huán)：也稱為主回路、副回路。副環(huán)為圖8-4中虛線框內(nèi)部分；主環(huán)為包括副環(huán)的整個控制系統(tǒng)。    二、作用方向及調(diào)節(jié)過程    為了便于分析調(diào)節(jié)過程，首先對圖8-3加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)各方塊的性能進行分析和選擇。