串級(jí)控制系統(tǒng)

《過程控制》

PROCESSCONTROL

石油大學(xué)自動(dòng)化胡長松第3章串級(jí)控制系統(tǒng)

本章主要內(nèi)容一、串級(jí)控制系統(tǒng)

二、均勻控制系統(tǒng)

三、前饋控制系統(tǒng)

四、比值控制系統(tǒng)

五、分程控制系統(tǒng)

六、其他復(fù)雜控制系統(tǒng)

第3章復(fù)雜控制系統(tǒng)

§1串級(jí)控制系統(tǒng)

基本要求：

掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用場合。設(shè)計(jì)原則（主、副回路的設(shè)計(jì)，主、副控制器控制規(guī)律的選擇，正、反作用的選擇），參數(shù)整定方法。

一、串級(jí)控制系統(tǒng)的概念

（一）舉例1:連續(xù)槽反應(yīng)器溫度控制被控參數(shù)：反應(yīng)溫度T1調(diào)節(jié)手段：改變冷卻水流量調(diào)節(jié)對(duì)象：反應(yīng)器干擾因素：物料流量，入口溫度，物料化學(xué)組分冷卻水口溫度，調(diào)節(jié)閥前的壓力1、采用簡單控制系統(tǒng)（1）工作過程:設(shè)冷卻水?dāng)_動(dòng):如T冷卻水↑→T1↑→調(diào)節(jié)器發(fā)出信號(hào)→開閥→T1↓（2）問題：從開閥→T1↓中間需經(jīng)過夾套,槽壁,調(diào)節(jié)過程長,導(dǎo)致動(dòng)態(tài)偏差大。（1）設(shè)計(jì)思路：干擾發(fā)生后，先控制夾套溫度，再控制出口溫度。

（2）方框圖：2、采用串級(jí)控制系統(tǒng)

（3）工作過程：(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:先影響到夾套水的溫度T2，由T2C控制冷卻水，將干擾克服在影響溫度T1之前。（ⅱ）若進(jìn)料發(fā)生干擾：T1必變化，T1C輸出信號(hào)送T2C，使得調(diào)節(jié)通道變短，調(diào)節(jié)速度也加快了。（二）串級(jí)控制系統(tǒng)的概念

串級(jí)控制系統(tǒng)：采用兩個(gè)或兩個(gè)以上調(diào)節(jié)器，各個(gè)調(diào)節(jié)器之間相串接，一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入。一般串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖：

幾個(gè)術(shù)語：主參數(shù)（主被控變量） 副參數(shù)（副被控變量）主對(duì)象：副參數(shù)與主參數(shù)之間的對(duì)象部分。副對(duì)象：控制閥與副參數(shù)以間的對(duì)象部分。主調(diào)節(jié)器：接受主參數(shù)測量值的控制器。 副調(diào)節(jié)器：接受副參數(shù)測量值的控制器。主變送器：測量主參數(shù)的變送器。 副變送器：測量副參數(shù)的變送器。主回路（主環(huán)）：包括主參數(shù)測量變送，主控制器、副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對(duì)象、主對(duì)象組成的回路，亦稱外環(huán)。副回路（副環(huán)）：包括副參數(shù)測量變送，副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對(duì)象組成的回路，亦稱內(nèi)環(huán)。一次擾動(dòng)：作用于副環(huán)之外的擾動(dòng)。二次擾動(dòng)：包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。注：1、副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值是主調(diào)節(jié)器的輸出。2、副調(diào)節(jié)器是在外設(shè)定下工作，主調(diào)節(jié)器在內(nèi)設(shè)定下工作二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

（一）對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。

與簡單回路相比，串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)副回路GC1,GC2：主、副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

GP1,GP2：主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)。Hm1,Hm2：主、副變送器的傳遞函數(shù)。Gf1,Gf2：一、二次擾動(dòng)的傳遞函數(shù)。簡單控制系統(tǒng)：被控對(duì)象包括主、副對(duì)象兩部分。串級(jí)控制系統(tǒng)：副回路代替了原來的一部分對(duì)象，作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，等效副對(duì)象G′P2(S)的傳函為：

1、當(dāng)擾動(dòng)為f2時(shí)，方框圖轉(zhuǎn)化為：簡單：串級(jí):

比較上兩式：由于副回路的控制作用，副回路的負(fù)反饋?zhàn)饔脺p弱擾動(dòng)f2對(duì)C2的影響。

2、舉例：設(shè)副回路有關(guān)環(huán)節(jié)傳函分別為：GP1,GP2：主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)。∴Kc1為“+”即反作用控制器3對(duì)象具有較大的非線性特性，且負(fù)荷變化較大時(shí)副控制器：一般選P，采用流量副環(huán)時(shí)，因其時(shí)間常數(shù)小，也可適當(dāng)引入積分作用。(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:(3)主、副時(shí)間常數(shù)應(yīng)匹配。副變送器：測量副參數(shù)的變送器。串級(jí)：Kc2=5，最大偏差不超過±1℃。串級(jí)控制系統(tǒng)：采用兩個(gè)或兩個(gè)以上調(diào)節(jié)器，各個(gè)調(diào)節(jié)器之間相串接，一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入。（3）T2↓T1↓∴Kp1為“+”GP1,GP2：主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)。2、副調(diào)節(jié)器是在外設(shè)定下工作，主調(diào)節(jié)器在內(nèi)設(shè)定下工作(1)副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏。檢驗(yàn)：當(dāng)反應(yīng)溫度T1升高時(shí)，主控制器的輸出減小，即副控制器設(shè)定值減?。ㄏ喈?dāng)于給定值不變，測量值增加）副控制器的輸出減小控制閥開度增大，冷卻水流量增大反應(yīng)溫度降低。逐步逼近法：當(dāng)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相差不大，主、副回路動(dòng)態(tài)聯(lián)系緊密時(shí)，可采用此法。(1)副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏。2、舉例：設(shè)副回路有關(guān)環(huán)節(jié)傳函分別為：簡單：（無副回路的控制作用）

串級(jí)：∴

（二）減小了調(diào)節(jié)通道的慣性，提高系統(tǒng)的工作頻率。

設(shè)副回路等效對(duì)象G′p2(S)，副環(huán)中的各環(huán)節(jié)傳函為：∴

無論在什么條件下∴分析：T′p2<Tp2，且Kc2↑，等效過程時(shí)間常數(shù)T′p2愈小，過程動(dòng)態(tài)特性改善顯著，調(diào)節(jié)作用加快等效時(shí)間常數(shù)的減小，使系統(tǒng)的工作頻率提高。

（三）對(duì)副環(huán)前向通道的非線性有很強(qiáng)的自適應(yīng)能力將較大非線性的部分對(duì)象包括在副回路中，副回路的閉環(huán)增益為:設(shè)Km2=1,則

參數(shù)靈敏度縮成為副回路未閉合時(shí)的

∴能自動(dòng)克服前向通道非線性的影響。三、串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合用于克服變化劇烈和幅值大的干擾。設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈和幅值大的干擾包含在副回路中，把控制器的增益Kc2整定得比較大。舉例：工藝要求溫度偏差為±1.5℃，生產(chǎn)過程中，蒸汽壓力變化劇烈，而且幅度大，有時(shí)從500KPa→300KPa，壓力變化了40%。簡單：Kc，最大偏差為10℃，不能滿足要求。串級(jí)：Kc2=5，最大偏差不超過±1℃。2用于時(shí)滯較大的對(duì)象3對(duì)象具有較大的非線性特性，且負(fù)荷變化較大時(shí)四、串級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施

串級(jí)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在副環(huán)；副環(huán)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于選擇副參數(shù)，同時(shí)還須考慮主、副環(huán)聯(lián)系和工藝合理性。（一）主、副回路的設(shè)計(jì)1、主參數(shù)的選擇：應(yīng)該選一個(gè)可測量的，最能直接、正確、迅速反映控制要求的工藝參數(shù)。2、副回路的設(shè)計(jì)：(1)副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏。(2)選擇副參數(shù)應(yīng)使較多個(gè)干擾進(jìn)入副回路，特別是變化最劇烈、最頻繁、幅值最大的主要干擾。（ⅱ）若進(jìn)料發(fā)生干擾：(2)副調(diào)節(jié)器：保證Kc2KvKp2Km2的乘積為正值；二次擾動(dòng)：包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。Hm1,Hm2：主、副變送器的傳遞函數(shù)。在副回路的設(shè)計(jì)中，若出現(xiàn)幾個(gè)可供選擇的方案時(shí)，應(yīng)將經(jīng)濟(jì)原則和控制質(zhì)量要求結(jié)合起來，盡力節(jié)約設(shè)備投資。(5)注意生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性(3)主、副時(shí)間常數(shù)應(yīng)匹配。(5)注意生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性兩步整定法：這是一種先整副環(huán)，后整主環(huán)的方法。(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:串級(jí)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在副環(huán)；（二）減小了調(diào)節(jié)通道的慣性，提高系統(tǒng)的工作頻率。GP1,GP2：主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)。存在著一對(duì)矛盾(3)主、副時(shí)間常數(shù)應(yīng)匹配。原則上：時(shí)間常數(shù)的匹配，應(yīng)能保證使副、主回路的工作頻率之比大于3，主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)在3—10之間。避免“共振效應(yīng)”。“共振效應(yīng)”：主、副對(duì)象特性相近時(shí)，主、副回路的工作頻率就相近，主、副對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系就十分緊密，如果有干擾作用，無論主、副參數(shù)哪個(gè)先振蕩，必將引起另一個(gè)也振蕩，兩個(gè)相互促進(jìn)，振蕩更加劇烈。(4)應(yīng)考慮工藝的合理性和實(shí)現(xiàn)的可能性。(5)注意生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性在副回路的設(shè)計(jì)中，若出現(xiàn)幾個(gè)可供選擇的方案時(shí)，應(yīng)將經(jīng)濟(jì)原則和控制質(zhì)量要求結(jié)合起來，盡力節(jié)約設(shè)備投資。（二）主、副控制器控制規(guī)律的選擇主控制器：同簡單回路一樣。PI,D為保證產(chǎn)品質(zhì)量副控制器：一般選P，采用流量副環(huán)時(shí)，因其時(shí)間常數(shù)小，也可適當(dāng)引入積分作用。控制器正、反作用的選擇：確定原則：使整個(gè)回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。具體步驟：(1)根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備安全原則選擇控制閥的開、關(guān)形式。(2)副調(diào)節(jié)器：保證Kc2KvKp2Km2的乘積為正值；(3)主調(diào)節(jié)器：保證主回路負(fù)反饋，即Kc1Kp1的乘積為正值；（1）先投副回路，再投主回路。1、當(dāng)擾動(dòng)為f2時(shí)，方框圖轉(zhuǎn)化為：六、其他復(fù)雜控制系統(tǒng)(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:一次擾動(dòng)：作用于副環(huán)之外的擾動(dòng)。(4)應(yīng)考慮工藝的合理性和實(shí)現(xiàn)的可能性。(ⅰ)若冷卻水發(fā)生干擾:(3)主、副時(shí)間常數(shù)應(yīng)匹配。第3章串級(jí)控制系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器：接受副參數(shù)測量值的控制器。檢驗(yàn)：當(dāng)反應(yīng)溫度T1升高時(shí)，主控制器的輸出減小，即副控制器設(shè)定值減?。ㄏ喈?dāng)于給定值不變，測量值增加）副控制器的輸出減小控制閥開度增大，冷卻水流量增大反應(yīng)溫度降低。（一）舉例1:連續(xù)槽反應(yīng)器溫度控制二、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

（一）對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。逐步逼近法：當(dāng)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相差不大，主、副回路動(dòng)態(tài)聯(lián)系緊密時(shí)，可采用此法。設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈和幅值大的干擾包含在副回路中，把控制器的增益Kc2整定得比較大。二次擾動(dòng)：包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。舉例：反應(yīng)器控制系統(tǒng)解：（1）從生產(chǎn)安全角度考慮：冷卻水控制閥選氣關(guān)型。Kv取“-”（2）當(dāng)冷卻水流量增加，T2↓?！郖p2為“-”∴Kc2為“+”反作用控制器（3）T2↓T1↓∴Kp1為“+”∴Kc1為“+”即反作用控制器檢驗(yàn)：當(dāng)反應(yīng)溫度T1升高時(shí)，主控制器的輸出減小，即副控制器設(shè)定值減?。ㄏ喈?dāng)于給定值不變，測量值增加）副控制器的輸出減小控制閥開度增大，冷卻水流量增大反應(yīng)溫度降低。五、串級(jí)控制系統(tǒng)的運(yùn)行1、投運(yùn)方法：（1）先投副回路，再投主回路。（2）先投主回路，再投副回路。投運(yùn)過程須滿足無擾切換，保證生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。投運(yùn)步驟：（1）主調(diào)節(jié)器置內(nèi)給定，副調(diào)節(jié)器置外給定，主、副調(diào)節(jié)器均切到手動(dòng)。（2）調(diào)副調(diào)節(jié)器手操器，使主、副參數(shù)趨于工藝給定值達(dá)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)主調(diào)節(jié)器手操器，使副調(diào)節(jié)器的給定值=測量值，使副調(diào)節(jié)器切入自動(dòng)。（3）當(dāng)副環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)定時(shí)，主參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，調(diào)主調(diào)節(jié)器，使主調(diào)節(jié)器的給定值=測量值，將主調(diào)節(jié)器切入自動(dòng)。2、參數(shù)整定的方法：逐步逼近法：當(dāng)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相差不大，主、副回路動(dòng)態(tài)聯(lián)系緊密時(shí)，可采用此法。兩步整定法：這是一種先整副環(huán)，后整主環(huán)的方法。當(dāng)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副