復(fù)雜控制系統(tǒng)-串級控制系統(tǒng)（化工儀表及自動化課件）

串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用串級控制系統(tǒng)有兩個閉合回路。主回路是個定值控制系統(tǒng),副回路是個隨動系統(tǒng)。在串級控制系統(tǒng)中,主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過程運(yùn)行情況的主要工藝參數(shù)。副變量的引入往往是為了提高主變量的控制質(zhì)量,它是基于主,副變量之間具有一定的內(nèi)在關(guān)系而工作的。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)PART.01一類情況是選擇與主變量有一定關(guān)系的某一中間變量作為副變量;需測量導(dǎo)體的幾何參數(shù)：直徑d，長度l和電阻值R另一類選擇的副變量就是操縱變量本身,這樣能及時克服它的波動,減小對主變量的影響。選擇串級控制系統(tǒng)的副變量一般有兩類情況：系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)PART.01系統(tǒng)的特性PART.02圖1管式加熱爐出口溫度爐膛溫度串級控制系統(tǒng)圖2

串級控制系統(tǒng)方塊圖(1)干擾作用于副回路F2引起θ2變化，控制器T2C及時進(jìn)行控制，使其很快穩(wěn)定下來；如果干擾量小，經(jīng)過副回路控制后，F(xiàn)2一般影響不到溫度θ1；如果干擾量大，其大部分影響為副回路所克服，波及到被控變量溫度θ1再由主回路進(jìn)一步控制，徹底消除干擾的影響，使被控變量恢復(fù)到給定值。系統(tǒng)的特性PART.02由于副回路控制通道短，時間常數(shù)小，所以當(dāng)干擾進(jìn)入回路時，可以獲得比單回路控制系統(tǒng)超前的控制作用，有效地克服燃料油壓力或熱值變化對原料油出口溫度的影響，從而大大提高了控制質(zhì)量。在確定副回路時，除了要考慮它的快速性外，還應(yīng)該使副回路包括主要干擾，可能條件下應(yīng)力求包括較多的次要干擾。小結(jié)系統(tǒng)的特性PART.02(2)干擾同時作用于副回路和主對象在干擾作用下，主、副變量的變化方向相同。系統(tǒng)的特性PART.02主、副變量的變化方向相反，一個增加，另一個減小。

在串級控制系統(tǒng)中，由于引入一個閉合的副回路，不僅能迅速克服作用于副回路的干擾，而且對作用于主對象上的干擾也能加速克服過程。副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，并對于副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以克服。因此，在串級控制系統(tǒng)中，由于主、副回路相互配合、相互補(bǔ)充，充分發(fā)揮了控制作用，大大提高了控制質(zhì)量。小結(jié)系統(tǒng)的特性PART.02自適應(yīng)能力PART.03由于增加了副回路,使串級控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力,可用于負(fù)荷和操作條件有較大變化的場合。當(dāng)對象的滯后和時間常數(shù)很大,干擾作用強(qiáng)而頻繁,負(fù)荷變化大,簡單控制系統(tǒng)滿足不了要求時,使用串級控制系統(tǒng)是合適的,尤其是當(dāng)主要干擾來自控制閥方面時,選擇控制介質(zhì)的流量或壓力作為副變量來構(gòu)成串級控制系統(tǒng)是很適宜的。串級控制系統(tǒng)方塊圖串級控制系統(tǒng)方塊圖圖2

管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)圖1管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)方塊圖圖3串級控制系統(tǒng)方塊圖幾個串級控制系統(tǒng)中常用的名詞工藝控制指標(biāo)，在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。串級控制系統(tǒng)方塊圖主變量串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量或因某種需要而引入的輔助變量。副變量為主變量表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備。主對象為副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設(shè)備。副對象按主變量的測量值與給定值而工作，其輸出作為副變量給定值的那個控制器。串級控制系統(tǒng)方塊圖主控制器其給定值來自主控制器的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作的那個控制器。副控制器由主變量的測量變送裝置，主、副控制器，執(zhí)行器和主、副對象構(gòu)成的外回路。主回路由副變量的測量變送裝置，副控制器執(zhí)行器和副對象所構(gòu)成的內(nèi)回路。副回路串級控制系統(tǒng)概述串級控制系統(tǒng)概述圖1管式加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)當(dāng)對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。

可延長爐子壽命，防止?fàn)t管燒壞；可保證后面精餾分離的質(zhì)量。控制好溫度

根據(jù)原料油出口溫度的變化來控制燃料閥門的開度在實(shí)際生產(chǎn)過程中，特別是當(dāng)加熱爐的燃料壓力或燃料本身的熱值有較大波動時，該簡單控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量往往很差，原料油的出口溫度波動較大，難以滿足生產(chǎn)上的要求。串級控制系統(tǒng)概述

原因:當(dāng)燃料壓力或燃料本身的熱值變化后，先影響爐膛的溫度，然后通過傳熱過程才能逐漸影響原料油的出口溫度，這個通道容量滯后很大，時間常數(shù)約15min左右，反應(yīng)緩慢，而溫度控制器TC是根據(jù)原料油的出口溫度與給定值的偏差工作的。所以當(dāng)干擾作用在對象上后，并不能較快地產(chǎn)生控制作用以克服干擾被控變量的影響。當(dāng)工藝上要求原料油的出口溫度非常嚴(yán)格時，為了解決容量滯后問題，還需對加熱爐的工藝作進(jìn)一步分析。串級控制系統(tǒng)概述串級控制系統(tǒng)概述以原料油出口溫度為主要被控變量的加熱爐出口溫度與爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)。圖2管式加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)在上述控制系統(tǒng)中，有兩個控制器T1C和T2C，接收來自對象不同部位的測量信號θ1和θ2。T1C的輸出作為T2C的給定值，而后者的輸出去控制執(zhí)行器以改變操縱變量。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)看，這兩個控制器是串接工作的。串級控制系統(tǒng)概述控制器參數(shù)整定及系統(tǒng)投運(yùn)

按照串級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主控制器的方法。兩步整定法PART.01兩步整定法PART.01整定過程（1）在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用運(yùn)行的條件下，將主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比（如4∶1或10:1等）過渡過程下的副控制器比例度和操作周期，分別用δ2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于δ2s的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。兩步整定法PART.01整定過程（3）根據(jù)上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s，按簡單控制系統(tǒng)某種衰減比（如4∶1或10:1等）控制器參數(shù)計(jì)算表的規(guī)定關(guān)系計(jì)算主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。（4）按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定規(guī)律，將計(jì)算出的控制器參數(shù)加到控制器上。（5）觀察控制過程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過渡過程。如果主、副對象時間常數(shù)相差不大，動態(tài)聯(lián)系密切，可能會出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象?？蛇m當(dāng)減小副控制器比例度或積分時間，以達(dá)到減小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或積分時間，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。如果主、副對象特性太接近，就不能完全靠控制器參數(shù)的改變來避免“共振”了。兩步整定法PART.01副控制器的參數(shù)按經(jīng)驗(yàn)直接確定,主控制器的參數(shù)按簡單控制系統(tǒng)整定。一步整定法PART.02實(shí)踐證明這種整定方法，對于對主變量要求較高，而對副變量沒有什么要求或要求不嚴(yán)，允許它在一定范圍內(nèi)變化的串級控制系統(tǒng)，是很有效的。整定過程（1）在生產(chǎn)正常，系統(tǒng)為純比例運(yùn)行的條件下，按照表1所列的數(shù)據(jù)，將副控制器比例度調(diào)到某一適當(dāng)?shù)臄?shù)值。（2）利用簡單控制系統(tǒng)中任一種參數(shù)整定方法整定主控制器的參數(shù)。一步整定法PART.02（3）如果出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象，可加大主控制器或減小副控制器的參數(shù)整定值，一般即能消除。表1采用一步整定法時副變量的選擇范圍一步整定法PART.02副變量放大倍數(shù)Kc2比例度δ2s／％溫度壓力流量液位5.0～1.73.0～1.42.5～1.255.0～1.2520～6030～7040～8020～80串級控制系統(tǒng)投運(yùn)PART.03

目前采用較為普遍的投運(yùn)方法是先把副控制器投入自動，然后在整個系統(tǒng)比較穩(wěn)定的情況下，再把主控制器投入自動實(shí)現(xiàn)串級控制，這是因?yàn)樵谝话闱闆r下，系統(tǒng)的主要干擾集中包括在副回路，而且副回路反應(yīng)較快之后較小，如果副回路先投入自動把副變量穩(wěn)定，這時主變量就不會產(chǎn)生大的波動，主控制器的投運(yùn)就比較容易了，再從主副兩個控制器聯(lián)系上看，主控制器的輸出是副控制器的給定，而副控制器的輸出直接去控制控制閥，因此先投運(yùn)副回路再投運(yùn)主回路從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看也是合理的。主、副控制器控制規(guī)律及正反作用的選擇主、副控制器控制規(guī)律的選擇PART.01目的為了高精度地穩(wěn)定主變量。主控制器通常都選用比例積分控制規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)主變量的無差控制。副變量的給定值是隨主控制器的輸出變化而變化的。副控制器一般采用比例控制規(guī)律。表1主、副變量不同時選用的控制規(guī)律選擇方法序號對變量的要求應(yīng)選控制規(guī)律備注主變量副變量主控副控1234重要指標(biāo),要求很高主要指標(biāo),要求較高允許變化,要求不高要求不高,互相協(xié)調(diào)允許變化,要求不嚴(yán)主要指標(biāo),要求較高要求較高,變化較快要求不高,互相協(xié)調(diào)PIPIPPPPIPIP主控必要時引入微分工程上很少采用主、副控制器控制規(guī)律的選擇PART.01

串級控制系統(tǒng)中的副控制器作用方向的選擇，根據(jù)工藝安全等要求，選定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)形式后，按照使副控制回路成為一個負(fù)反饋系統(tǒng)的原則來確定。例如管式加熱爐串級控制系統(tǒng)中的副回路。氣源中斷，停止供給燃料油時，執(zhí)行器選氣開閥，“正”方向。燃料量加大時，爐膛溫度θ2（副變量）增加，副對象“正”方向。為使副回路構(gòu)成一個負(fù)反饋系統(tǒng)，副控制器T2C選擇“反”方向。主、副控制器正反作用的選擇PART.021.副控制器作用方向的選擇