串級控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)

第三章串級控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)5/20/20241組成：一個調(diào)節(jié)器，一個控制閥，一個被控制對象，一個測量變送器Gc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)R(s)—Y(s)

單回路控制系統(tǒng)方框圖5/20/20242定義:就是采用兩個控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果。在多回路控制系統(tǒng)中,有兩個被控過程,兩套測量變送裝置,兩臺控制器和一個調(diào)節(jié)閥構(gòu)成的系統(tǒng)．3-1串級控制系統(tǒng)的概念5/20/20243

圖3.1反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)夾套槽壁例3-1連續(xù)槽反應(yīng)器溫度控制1)采用單回路控制分析：當(dāng)冷卻水方面發(fā)生擾動，需相繼通過3個容積后，θ1才升高，調(diào)節(jié)器才動作。物料方面擾動D1:流量,入口溫度,化學(xué)成分冷卻水?dāng)_動D2:入口溫度,閥前壓力圖3.2反應(yīng)器單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套槽壁反應(yīng)槽溫度測量D2D1θ1rθ1θ2－對象有三個熱容積：夾套、槽壁、槽中的物料。5/20/202442）采用串級控制特點：兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器θC2通過調(diào)節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調(diào)節(jié)器θC1通過調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設(shè)定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值。5/20/20245θ1溫度測量主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套槽壁反應(yīng)槽D2D1θ1rθ2副調(diào)節(jié)器溫度測量反應(yīng)器的溫度串級控制方框圖5/20/20246例3-2精餾塔提餾段的溫度控制1、簡單控制系統(tǒng)方案調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥蒸汽管路再沸器塔底溫度測量D2(蒸汽壓力)θrθD1Q被調(diào)量：提餾段溫度θ擾動D2：加熱蒸汽壓力擾動D1：加料方面的擾動，如溫度、流量、組分等缺點：從調(diào)節(jié)閥動作到溫度變化，需通過很多熱容積。調(diào)節(jié)滯后。5/20/202472、兩種改進方案：(1)附加蒸汽壓力控制方案圖3.6附加蒸汽壓力控制方案把蒸汽壓力的干擾克服在入塔前，提高了溫度調(diào)節(jié)品質(zhì)，但需增加一個調(diào)節(jié)閥，且增加了蒸汽管路的壓力損失，經(jīng)濟上不合理。5/20/20248(2)串級控制方案（好）主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥蒸汽管路系統(tǒng)再沸器塔底溫度測量D2θrθD1副調(diào)節(jié)器流量測量QrQ－－圖3.8提餾段溫度串級控制系統(tǒng)QC2QC1優(yōu)點：有效地克服蒸汽壓力波動對溫度θ的影響。θC2控制流量穩(wěn)定，θC1控制溫度穩(wěn)定。5/20/20249通用的串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副對象主對象主變送器二次擾動一次擾動副調(diào)節(jié)器副變送器－－主參數(shù)設(shè)定主參數(shù)副參數(shù)副回路1)在結(jié)構(gòu)上，串級控制系統(tǒng)由兩個閉環(huán)組成．副回路起“粗調(diào)”作用，主回路起“細調(diào)”作用。2)每個閉環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對象，調(diào)節(jié)器和變送器3)調(diào)節(jié)閥由副調(diào)節(jié)器直接控制隨動控制系統(tǒng)定值控制系統(tǒng)

主回路5/20/202410①主、副回路在外面的閉合回路稱為主回路(主環(huán))，在里面的閉合回路稱為副回路(副環(huán))。②主、副控制器處于主回路中的控制器稱為主控制器；處于副回路中的控制器稱為副控制器。③主、副變量主回路的被控變量稱為主被控變量，也稱為主變量或主參數(shù)；副回路的被控變量稱為副被控變量，也稱為副變量或副參數(shù)串級控制系統(tǒng)中的名詞：5/20/202411④主、副對象主回路所包括的對象稱為主對象；副回路所包括的對象稱為副對象。⑤主、副變送器檢測和變送主變量的稱為主檢測變送器；檢測和變送副變量的稱為副檢測變送器。⑥一、二次干擾進入主回路的干擾稱為一次干擾；進入副回路的干擾稱為二次干擾。串級控制系統(tǒng)中的名詞：5/20/202412串級控制系統(tǒng)方塊圖Gp2’(s)5/20/202413串級系統(tǒng)副環(huán)的等效性Gp2’(s)5/20/202414串級控制系統(tǒng)的特點（1）副回路（內(nèi)環(huán)）具有快速調(diào)節(jié)作用，它能有效地克服二次擾動的影響；由于而對于動態(tài)滯后較小的副回路，有5/20/202415（2）由于內(nèi)環(huán)起了改善對象動態(tài)特性的作用，因此可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為1＋KC2KVKP2Km2>1TP2’<TP2等效對象的時間常數(shù)縮小了，加快了副環(huán)的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。5/20/202416（3）對負荷或操作條件的變化具有一定的自適應(yīng)能力對于內(nèi)環(huán)等效對象的增益當(dāng)結(jié)論：當(dāng)副回路增益足夠大時，使主回路的特性基本上和副對象、調(diào)節(jié)閥的增益無關(guān)（系統(tǒng)的“魯棒性”強）。5/20/202417串級控制特點總結(jié)：1)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上,它是由兩個串接工作的控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng).其中主回路是定值控制，副回路是隨動控制．2)副回路的引入，大大克服了二次擾動對系統(tǒng)被調(diào)量的影響3)副回路的引入,提高了整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度,使其快速性得到了提高．4)串級控制系統(tǒng)對負荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力．串級控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于：對象的滯后和時間常數(shù)很大、干擾作用強而頻繁、負荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高的場合。5/20/202418串級控制系統(tǒng)設(shè)計和實施中的幾個問題考慮的問題:副回路的設(shè)計,副參數(shù)的選擇.主副回路之間的關(guān)系,兩個調(diào)節(jié)器可能產(chǎn)生的問題.一副回路的設(shè)計副回路的設(shè)計主要是如何選擇副參數(shù)．其設(shè)計原則為：副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對象的時間常數(shù)比主對象的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；副回路應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾；盡可能將帶有非線性或時變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。5/20/202419選擇夾套溫度作為副參數(shù),可迅速反映冷水側(cè)的干擾，然后加以克服。主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥夾套槽壁反應(yīng)槽溫度測量D2D1θ1r副調(diào)節(jié)器溫度測量θ2rθ2θ1－－1、反應(yīng)器溫度控制系統(tǒng)串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇舉例5/20/202420精餾塔提餾段溫度控制的不同串級方案串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇舉例2、副回路的快速性與副回路所能包括的擾動范圍之間的矛盾5/20/202421（1）副參數(shù)為加熱蒸汽（作用線1）主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥蒸汽管路系統(tǒng)再沸器塔底溫度測量D2θrθD1副調(diào)節(jié)器流量測量QrQ－－控制方案1方框圖分析：可保持加熱量穩(wěn)定，它只能快速消除因蒸汽汽源壓力或冷凝壓力變化引起的擾動。由于蒸汽流量對象的滯后非常小，當(dāng)用流量作副變量時，并不能使串級系統(tǒng)的頻率有多少提高，對克服其它擾動不明顯。5/20/202422主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥蒸汽管路系統(tǒng)再沸器塔底溫度測量D2θrθD1副調(diào)節(jié)器流量測量QrQ－－控制方案2方框圖P（2）副參數(shù)為調(diào)節(jié)閥后的蒸汽壓力（作用線2）：分析：把加熱蒸汽側(cè)的擾動完全包括在副環(huán)之內(nèi)，與1相比，副環(huán)中包括了更大的時間常數(shù)，有助于改善主環(huán)的調(diào)節(jié)性能。5/20/202423（3）副參數(shù)為再沸器的蒸發(fā)量（作用線3）：把再沸器側(cè)的擾動包括在副環(huán)內(nèi)（再沸器液位、塔釜溫度等），有助于改善主環(huán)的調(diào)節(jié)性能，但副環(huán)克服蒸汽方面的擾動要慢些。5/20/202424二、主,副回路工作頻率的選擇目的：避免副環(huán)進入高增益區(qū)，避免產(chǎn)生串級共振現(xiàn)象.共振現(xiàn)象：如果主回路的工作頻率接近副回路的諧振頻率，則副回路將呈現(xiàn)出很高的增益和較大的相位滯后，這時反過來將嚴(yán)重影響主回路的穩(wěn)定性，從而使主副參數(shù)長時間地大幅度地波動的現(xiàn)象。結(jié)論：一般?。篢d1為主回路時間常數(shù)，Td2為副回路時間常數(shù)5/20/202425三、防止調(diào)節(jié)器積分飽和的措施1、若副調(diào)節(jié)器是P作用，主調(diào)節(jié)器是PI或PID作用時，抗積分飽和措施與單回路系統(tǒng)相同。2、若主副調(diào)節(jié)器均有積分作用，積分飽和比單回路系統(tǒng)更嚴(yán)重。措施：根據(jù)副回路的偏差來防止主調(diào)節(jié)器積分飽和的方案。5/20/202426串級系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器正反作用方式的選擇1)根據(jù)工藝安全要求，選擇調(diào)節(jié)閥的氣開，氣關(guān)形式2)將副回路當(dāng)作一個獨立的閉回路，按照使副環(huán)形成一個負反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正反作用方式3)將整個副回路當(dāng)作主回路的一個環(huán)節(jié),其作用方式總為正.再來確定主調(diào)節(jié)器的作用方式.y主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥副對象主對象主變送器r副調(diào)節(jié)器副變送器－－總為5/20/202427調(diào)節(jié)器的選型和整定方法副調(diào)節(jié)器：副調(diào)節(jié)器常選擇P或PI控制律

原因：消除副回路內(nèi)的二次擾動，快速性，不要求無差一般選P調(diào)節(jié)器，當(dāng)主副環(huán)頻率相差很大，可選PI調(diào)節(jié)器。一、主副控制器的控制規(guī)律選擇主調(diào)節(jié)器：一般采用PI或PID控制規(guī)律原因：主回路的任務(wù)是滿足主參數(shù)的定值控制要求。因而對于主參數(shù)為溫度的串級系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器必須加入較強的積分作用（除主參數(shù)為液位的串級均勻控制系統(tǒng)以外）。當(dāng)主對象的調(diào)節(jié)滯后較大，而主參數(shù)變化較平緩時，可加入通常大小的微分作用。5/20/202428二、串級控制系統(tǒng)的整定1、逐步逼近法(比較費時)它是一種依次整定副環(huán)，主環(huán)，然后循環(huán)進行，逐步接近主，副環(huán)的最佳整定的一種方法．其步驟為：①首先整定副環(huán).

斷開主環(huán),按單回路整定副環(huán),求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù).②整定主環(huán)．整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，按單回路方法整定主環(huán)，得到主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)．③再次整定副環(huán)。在主調(diào)節(jié)器已經(jīng)整定一次的條件下,按單回路整定方法,重新求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù).此時主副回路都已經(jīng)閉合．④重新整定主環(huán)．在兩個環(huán)都閉合，副調(diào)節(jié)器第二次整定情況下重新整定主調(diào)節(jié)器．⑤如果調(diào)節(jié)過程還未達到品質(zhì)要求，按③④步繼續(xù)進行，直到控制效果滿意為止．如果在第③步甚至第②步就已經(jīng)滿足品質(zhì)要求，整定無需繼續(xù)進行．5/20/2024292、兩步整定法先整定副環(huán)，再整定主環(huán)．具體步驟為：（1）先整定副環(huán)。主副環(huán)均閉合，得副調(diào)節(jié)器的衰減率為0.75時的比例帶δ2S和振蕩周期T20（2）整定主環(huán)。主副環(huán)仍閉合，副調(diào)節(jié)器置于δ2S，得主調(diào)節(jié)器在衰減率為0.75時的比例帶δ1S和振蕩周期T10（3）由衰減曲線法的計算公式，查表求出各調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。5/20/2024303-2比值控制系統(tǒng)定義:用來實現(xiàn)兩個或以上物料之間保持一定比值關(guān)系的過程控制系統(tǒng)

.主物料-----處于主導(dǎo)地位的物料，表征該物料的參數(shù)為主動量F1(主流量)從物料-----隨主物料的變化呈比例變化的另一種物料表征該物料的參數(shù)從動量F2(副流量)流量比值副流量主流量流量比值----副流量與主流量的比值K主物料和從物料:5/20/202431例3-6合成塔比值控制系統(tǒng)工藝要求：A,B兩種物料的流量保持一定比例，物料B的流量QB不可控．兩種流量的比值通過設(shè)定比值器R實現(xiàn)壓差變送器比值器決定流量比值調(diào)節(jié)器給定值IB*:主流量的K倍實現(xiàn)目標(biāo):副流量隨主流量而變化,其流量是主流量的K倍．5/20/202432QB--主流量(不可控)QA—副流量(被控量)變送器比值器R調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路變送器QBIBIB*QAIA－合成爐比值控制系統(tǒng)方框圖主流量副流量實現(xiàn)K倍調(diào)節(jié)副流量合成爐比值控制系統(tǒng)方框圖5/20/202433一比值系數(shù)的計算工藝要求兩個物料流量之比為K＝QA/QB,可通過設(shè)置比值器的輸出輸入信號之比來實現(xiàn).即比值系數(shù)α．壓差變送器比值器實現(xiàn)流量比K5/20/202434線性環(huán)節(jié)的增益:K=輸出范圍/輸入范圍=輸出增量／輸入增量溫度變送器量程為0~100℃,為DDZ-III型儀表，則其增益(轉(zhuǎn)換系數(shù))為K=(20-4)/(100-0)=0.16mA/℃比值系數(shù)α＝比值器R輸出增量／比值器R輸入增量輸入輸出儀表類型：DDZ-II:0~10mADDZ-III,DDZ-S:4~20mA5/20/202435壓差變送器DT將壓差信號線性地轉(zhuǎn)換為電信號．采用DDZ-III型．有增量對于節(jié)流元件，壓差與流量的平方成正比，則KA,KB-----節(jié)流元件放大系數(shù)1.流量與測量信號之間是非線性關(guān)系5/20/202436B物料的流量信號IB經(jīng)比值器R后變?yōu)镮B*,為調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，穩(wěn)定后與實際值IA相等，即IB*=IA,則比值系數(shù)α為雖然流量與其測量信號成非線性關(guān)系，但是比值系數(shù)卻是常數(shù)．壓差變送器比值器實現(xiàn)流量比K5/20/2024372)流量與其測量信號之間呈線性關(guān)系在有些系統(tǒng)中,在變送器后加上開方器,使流量與測量信號間不再是非線性關(guān)系開方器比值器5/20/202438結(jié)論：①流量比值K與比值系數(shù)α是兩個不同的概念．②比值系數(shù)α的大小與流量比K,最大流量有關(guān)．③線性測量與非線性測量情況下比值系數(shù)關(guān)系：α非=(α線)2

3)主流量與副流量的選擇①主要物料作為主流量,其他物料為副流量.以副流量的變化跟隨主流量的變化.如果兩種物料中,一種是可控的,另一種是不可控的,選不可控物料為主流量,可控物料為副流量．②如果兩種物料中一種供應(yīng)不成問題,另一種可能出現(xiàn)供應(yīng)不足,應(yīng)選可能供應(yīng)不足的物料為主流量.5/20/202439二比值系統(tǒng)中的非線性特性非線性:系統(tǒng)的靜態(tài)增益不是一個定值而是隨負荷變化的.比值系數(shù)與負荷無關(guān):由比值系數(shù)的計算可得結(jié)論,在流量和其測量信號之間呈線性或非線性關(guān)系兩種情況下,比值系數(shù)均為常數(shù),與負荷大小無關(guān).

即負荷變化時有無開方器對系統(tǒng)靜態(tài)比值無影響.壓差變送器比值器流量測量中的非線性對系統(tǒng)的影響5/20/202440為了保持系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，需要使系統(tǒng)的總增益接近常數(shù)．在變送器后加入開方器后，其增益為：加入開方器后，使進入到比值器和調(diào)節(jié)器的表示流量的電流信號與流量的靜態(tài)增益為常數(shù)，消除了非線性影響．Kp對系統(tǒng)性能的影響：系統(tǒng)在較小負荷下整定好調(diào)節(jié)器參數(shù),可以保證一定控制品質(zhì).當(dāng)負荷增大時,由于測量變送部分的靜態(tài)增益增加很多,而調(diào)節(jié)器參數(shù)未變，使控制品質(zhì)惡化．5/20/202441三比值系統(tǒng)的整定按單回路系統(tǒng)整定,需滿足要求:①要求系統(tǒng)響應(yīng)速度快,能對主流量的變化作出快速跟蹤②要求衰減率ψ較大,使被調(diào)量盡快穩(wěn)定,波動小.整定過程1)將調(diào)節(jié)器QAC的積分時間TI設(shè)為最大,從大到小逐漸減小比例帶δ,直到被調(diào)流量在主流量階躍擾動下的過渡過程處于振蕩與不振蕩的臨界情況．如右圖曲線b2)確定了比例帶后,逐步減小積分時間常數(shù)TI,直到被調(diào)量稍有一點過調(diào)．如曲線c5/20/202442四常見比值控制系統(tǒng)變送器比值器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥管路變送器QBIBIB*QAIA－

單環(huán)比值控制系統(tǒng)單環(huán)比值控制系統(tǒng):用一個調(diào)節(jié)器控制副流量,使它按比例跟隨主流量.特點:控制系統(tǒng)簡單,能夠克服單環(huán)內(nèi)的各種干擾對比值系統(tǒng)的影響.不足之處:一般只用于負荷變化不大的場合.1、單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)5/20/2024432.雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)使用場合：在比值控制精度要求較高，主流量允許控制的情況下．特點:增加了主流量控制回路,實現(xiàn)了主流量的定值控制,使主流量變化平穩(wěn).從而使與主流量成比例的副流量也能夠平穩(wěn).可通過改變主流量的設(shè)定值實現(xiàn)負荷的變化．①控制系統(tǒng)由兩個閉環(huán)組成，主流量為定值控制，副流量為隨動控制②兩個回路之間由比值器聯(lián)系③比值器接受主回路流量信號，輸出作為副流量