過程控制系統(tǒng)課件 第5章 過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

過程控制系統(tǒng)

——串級(jí)控制

電氣與控制工程學(xué)院提綱串級(jí)控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)的分析串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例8/26/202425.1串級(jí)控制系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)電廠鍋爐過熱汽溫控制系統(tǒng)被控量：主汽溫θ1控制手段：噴水減溫對(duì)象特點(diǎn)：滯后和慣性較大

導(dǎo)前信號(hào)采用單回路控制品質(zhì)不好。增加導(dǎo)前信號(hào)θ2構(gòu)造串級(jí)控制系統(tǒng)8/26/20243示例2：如圖加熱爐溫度控制系統(tǒng)控制目標(biāo)：原料出口溫度主要干擾：燃料壓力的波動(dòng)控制方式：調(diào)整燃料流量方案一：使用兩個(gè)單獨(dú)的單回路系統(tǒng)。投資較多，兩個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生相互矛盾的控制操作。系統(tǒng)滯后較大，控制作用不及時(shí)。方案二：將溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為流量調(diào)節(jié)器的給定值，把兩個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)組合成一個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)-----串級(jí)控制系統(tǒng)。組合方式：流量控制系統(tǒng)采用隨動(dòng)控制方式，將溫度調(diào)節(jié)器的輸出作為流量調(diào)節(jié)器的外設(shè)定值。以流量調(diào)節(jié)器的輸出操作調(diào)節(jié)閥。8/26/20244串級(jí)系統(tǒng)相關(guān)術(shù)語介紹：主被控參數(shù)(主參數(shù))和副被控參數(shù)(副參數(shù))主回路和副回路主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器串級(jí)系統(tǒng)工作工程分析：調(diào)節(jié)閥為氣開閥，TC和FC選擇反作用方式副回路擾動(dòng)：燃料壓力P或流量F增加→FT輸出增加→FC輸出減小→調(diào)節(jié)閥開度減小→燃料流量F減小。主回路擾動(dòng)：原料出口溫度T增加→TT輸出增加→TC輸出減小→FC輸出減小→調(diào)節(jié)閥開度減小→燃料流量F減小→原料出口溫度下降。主、副回路擾動(dòng)同時(shí)存在：若原料溫度T和燃料流量F同時(shí)增加，由前2項(xiàng)分析可見，主、副回路產(chǎn)生的調(diào)節(jié)要求一致。若原料溫度T增加而燃料流量F減小，→FT輸出減小且TC輸出減小→二者之差決定調(diào)節(jié)閥開度只需要作較小變動(dòng)即可滿足要求副回路主回路8/26/20245副回路（內(nèi)回路）：粗調(diào)主回路（外回路）：細(xì)調(diào)副參數(shù)（副變量）：θ2主參數(shù)（主變量）：θ1副（導(dǎo)前區(qū)）對(duì)象主（惰性區(qū)）對(duì)象副控制(調(diào)節(jié)）器主控制（調(diào)節(jié)）器主調(diào)副調(diào)導(dǎo)前區(qū)惰性區(qū)8/26/202465.2串級(jí)控制系統(tǒng)的分析5.2.1串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)(1)串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力。

GT1(s)GT2(s)GZ(s)Gμ(s)G02(s)G0f(s)R1(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)R2(s)F(s)Y1(s)G01(s)－－圖5.3一般串級(jí)控制系統(tǒng)原理框圖8/26/20247由圖5.3所示串級(jí)系統(tǒng)，可以寫出干擾F至主參數(shù)Y1的傳遞函數(shù)：=(5.1)8/26/20248下面是單回路控制系統(tǒng)原理框圖與傳遞函數(shù):GT(s)GZ(s)Gμ(s)G02(s)G0f(s)R1(s)Gm1(s)R2(s)F(s)Y1(s)G01(s)－圖5.4單回路控制系統(tǒng)原理框圖8/26/20249串級(jí)系統(tǒng)中Y1(s)/F(s)的分母中多了一項(xiàng)，即。一般情況下，副控制器的比例增益是大于1的。單回路控制系統(tǒng)相比，被調(diào)量受進(jìn)入副回路的擾動(dòng)F的影響可以減小10～100倍。

8/26/202410(2)由于副回路的存在，減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。比較圖5.3和圖5.4，可以將串級(jí)系統(tǒng)的整個(gè)副回路看成是一個(gè)等效對(duì)象，記作(5.3)8/26/202411假設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為：8/26/202412將上述各式代入式(5.3)，可得(5.4)8/26/202413

比較和,由于這個(gè)不等式在任何條件下都是成立的，因此有(5.8)這就表明：副控制器的比例增益可以取得很大。這樣，等效時(shí)間常數(shù)減小得更加明顯。時(shí)間常數(shù)的減小，意味著控制通道的縮短，從而使控制作用更加及時(shí)。8/26/202414(3)提高系統(tǒng)的工作頻率，改善了系統(tǒng)控制質(zhì)量。將整個(gè)副回路看成是一個(gè)等效對(duì)象

等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)縮小了，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大而減小,從而加快了副回路的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。(證明)

可見，當(dāng)擾動(dòng)在副回路以外（例如外擾）時(shí)，由于副回路減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率，因此也能改善系統(tǒng)的工作品質(zhì)。8/26/202415(4)串級(jí)系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力。

負(fù)荷變化引起副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，可以較少影響或不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。

一般

KT2KZKμKO2Km2>>1

由于副回路通常是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，主調(diào)節(jié)器將改變其輸出值，副調(diào)節(jié)器能快速跟蹤，及時(shí)而又精確地控制副參數(shù)，從而保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

8/26/2024165.3串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.3.1主、副回路的設(shè)計(jì)原則1.主回路的設(shè)計(jì)

主變量的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，與單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇原則是一致的。在條件許可的情況下，盡量選擇直接反映控制目的的參數(shù)為主變量，不行時(shí)可選擇與控制目的有某種單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接參數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度；還應(yīng)考慮工藝上的合理性和實(shí)現(xiàn)的可能性。

8/26/202417(1)參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏。(2)副參數(shù)可測(cè)且可控。(3)副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾

一般應(yīng)使副回路的頻率比主回路的頻率高得多，當(dāng)副回路的時(shí)間常數(shù)加在一起超過了主回路時(shí)，采用串級(jí)控制就沒有什么效果。(4)主、副回路工作頻率應(yīng)適當(dāng)匹配為確保串級(jí)系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的威脅，一般取2.副回路的設(shè)計(jì)8/26/2024185.3.2主、副控制器的選型1.主控制器的選型主調(diào)節(jié)器一般都采用PI控制器，如果控制對(duì)象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時(shí)有主要擾動(dòng)落在副回路以外，也可考慮采用PID調(diào)節(jié)器。

2.副控制器的選型一般都選P控制器，只有當(dāng)副對(duì)象容量滯后較大時(shí)（溫度、PH值控制），才可適當(dāng)加一點(diǎn)微分作用。8/26/2024195.3.3主、副控制器正反作用的選擇主控制器：正、反作用選擇順序?yàn)橄雀焙笾?。副控制器：正、反作用根?jù)副回路的具體情況而定，副回路內(nèi)各前向通道環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號(hào)的乘積應(yīng)為“正”。主控制器的正、反作用選擇要保證各前向通道環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號(hào)的乘積應(yīng)為“正”。8/26/202420示例1:加熱爐出口溫度和爐膛溫度串級(jí)控制系統(tǒng)主參數(shù)：原料出口溫度T1副參數(shù)：爐膛溫度T2控制閥：從安全角度考慮選擇氣開，Kv為“+”副對(duì)象：控制閥開，爐膛溫度升高。Ko2為“+”副調(diào)節(jié)器：Kc2選擇“+”，即反作用,使副回路前向通道增益乘積為“+”。主對(duì)象：爐膛溫度升高，出口溫度升高。Ko1為“+”主調(diào)節(jié)器：Kc1選擇“+”，即反作用,使主回路前向通道增益乘積為“+”。8/26/202421主參數(shù)：鍋爐液位L副參數(shù)：給水流量F控制閥：從安全角度考慮選擇氣關(guān)，Kv為“-”副對(duì)象：控制閥開，流量增大。Ko2為“+”副調(diào)節(jié)器：Kc2選擇“-”，即正作用,使副回路前向通道增益乘積為“+”。主對(duì)象：給水量增加，液位升高。Ko1為“+”主調(diào)節(jié)器：Kc1選擇“+”，即反作用,使主回路前向通道增益乘積為“+”。示例2:鍋爐液位和給水量串級(jí)控制系統(tǒng)（雙沖量控制）8/26/2024225.3.4串級(jí)控制系統(tǒng)的整定整定方法:逐次逼近法,兩步整定法,一步法GT1(s)GT2(s)G02(s)R1(s)Gm2(s)Gm1(s)Y2(s)R2(s)Y1(s)G01(s)－－圖5.7串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖8/26/202423（1）

先整定副控制器。在第一次整定副控制器時(shí)，斷開主環(huán)，即按副回路單獨(dú)工作時(shí)的單回路系統(tǒng)來整定副控制器

的參數(shù)，記作。（2）根據(jù)

，整定主控制器。按單回路系統(tǒng)整定方法求出主控制器的參數(shù)，記作。（3）據(jù)（2）得到的

，再整定副控制器

。然后根據(jù)單回路系統(tǒng)的整定方法求出副控制器的參數(shù)，記為（4）如果

的參數(shù)值與第（1）步得到的

的參數(shù)值基本相同，那么整定就告完成。一.逐次逼近法8/26/202424二.兩步整定法1．先整定副控制器當(dāng)副回路受到階躍擾動(dòng)時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)副回路控制過程就告結(jié)束；在此期間，主回路基本上不參加動(dòng)作?？蓴嚅_主回路,按單回路系統(tǒng)的整定方法整定副控制器

的參數(shù)。2．再整定主控制器可將經(jīng)適當(dāng)整定的副回路看作理想隨動(dòng)系統(tǒng)，按單回路系統(tǒng)整定方法整定主控制器

的參數(shù)。8/26/202425三.一步整定法所謂一步整定法就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將副控制器參數(shù)一次設(shè)置好，不再變動(dòng)，然后按單回路系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。

經(jīng)驗(yàn)證明：這種整定方法對(duì)于主變量精度要求較高。而對(duì)副變量沒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(jí)控制系統(tǒng)來說，是很有效的。8/26/202426

5.4串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用舉例1、串級(jí)控制在某精餾塔底溫度控制的應(yīng)用圖5.9精餾塔塔釜溫度與加熱蒸汽流量的串級(jí)控制系統(tǒng)8/26/202427

對(duì)比較大的干擾，單回路控制系統(tǒng)控制品質(zhì)較差。當(dāng)控制器的放大倍數(shù)K=1.3時(shí)，最大偏差為±10℃，無法滿足工藝最大偏差±1.5℃的要求。采用塔釜溫度與加熱蒸汽流量的串級(jí)控制后，副控制器的=5，由于副回路的存在，對(duì)擾動(dòng)有較強(qiáng)的克服能力。當(dāng)有較大的干擾出現(xiàn)時(shí)，主變量塔釜溫度只是稍微波動(dòng)一下就平穩(wěn)下來，滿足工藝要求。8/26/2024282、某化纖廠紡絲膠液壓力串級(jí)控制方案圖5.10某化纖廠紡絲膠液壓力串級(jí)控制系統(tǒng)8/26/202429

為了提高控制質(zhì)量，可在執(zhí)行器與冷卻器之間，靠近執(zhí)行器的某個(gè)適當(dāng)位置選擇一壓力測(cè)量點(diǎn)，并以它為副變量組成一串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖5.10所示。當(dāng)紡絲膠液粘度發(fā)生變化或因執(zhí)行器前的混合器有污染而引起壓力變化時(shí)，副變量可及時(shí)得到反映，并通過副回路進(jìn)行克服，從而穩(wěn)定過濾前的膠液壓力。8/26/2024303、電廠串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)圖5.11串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)8/26/202431

圖5.11是在大型汽包鍋爐上采用的串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)。此方案的控制任務(wù)由兩個(gè)控制器來完成，主控制器PI1采用比例積分控制規(guī)律，以保證水位無靜差。主控制器的輸出信號(hào)和給水流量、蒸汽流量信號(hào)都作用到副控制器PI2。一般串級(jí)控制系統(tǒng)的副控制器可采用比例控制器，以保證副回路的快速性。8/26/202432串級(jí)系統(tǒng)的主、副控制器的任務(wù)不同。副控制器的任務(wù)：消除給水壓力波動(dòng)等因素引起的給水流量的自發(fā)性擾動(dòng)以及當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速控制給水流量，以保證給水流量和蒸汽流量平衡。主控制器的任務(wù)：校正水位偏差。串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)工作更合理，控制品質(zhì)更好。8/26/202433本章小結(jié)1.掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的組成原理，會(huì)畫原理方框圖；分析串級(jí)控制系