串級(jí)控制系統(tǒng)

1、化工儀表及自動(dòng)化課程教學(xué)課件化工儀表及自動(dòng)化授課時(shí)間：第次課（2學(xué)時(shí)）教學(xué)目的：掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的基本原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用 教學(xué)重點(diǎn)：串級(jí)控制系統(tǒng)的基本原理、特點(diǎn)及其應(yīng)用 教學(xué)難點(diǎn)：串級(jí)控制系統(tǒng)的主、副控制器的正、反作用的選擇 教學(xué)過(guò)程：講授教學(xué)內(nèi)容：第十三章復(fù)雜控制系統(tǒng)概述簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)是生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制中最簡(jiǎn)單、最基本、應(yīng)用最廣的 一種形式，在廠里約占80%左右，能解決大量的生產(chǎn)控制問(wèn)題。但是隨著 工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝的革新和強(qiáng)化，對(duì)自動(dòng)化的要求日益提高。在有一 些控制要求較高的場(chǎng)合，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已滿足不了生產(chǎn)的要求，這樣就相 繼出現(xiàn)了各種復(fù)雜控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)種類繁多，根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和所

2、擔(dān)負(fù)的任務(wù)，常見的 復(fù)雜控制有以下幾種：復(fù)雜控制系統(tǒng)串級(jí)均勻比值分程前饋選擇三沖量控制1控制控制控制控制控制1控制系系統(tǒng)1系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)統(tǒng)13.1串級(jí)控制系統(tǒng)13.1.1、串級(jí)控制系統(tǒng)概述管式加熱爐對(duì)爐出口溫度的控制十分嚴(yán)格，為了控制爐出口溫度，可 以設(shè)置圖13-1所示的溫度控制系統(tǒng)，根據(jù)原油出口溫度的變化來(lái)控制燃料閥門的開度，即改變?nèi)剂狭縼?lái)維持爐出口的溫度在工藝所規(guī)定的數(shù)值 上，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(dòng)時(shí)，該簡(jiǎn)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當(dāng)對(duì)象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁時(shí)，可考慮采用串級(jí)控制

3、系統(tǒng)。圖13-2管式加熱爐出口溫度串級(jí)控制系統(tǒng)在上述控制系統(tǒng)中，有兩個(gè)控制器T1C和T2C，接收來(lái)自對(duì)象不 同部位的測(cè)量信號(hào)e 1和e 2。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(gè)控制器是串接 工作的，因此這樣的系統(tǒng)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。幾個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)中常用的名詞主變量：工藝控制指標(biāo)，在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。副變量：串級(jí)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。主控制器：按主變量的測(cè)量值與給定值的偏差而動(dòng)作作，其輸出作為副變 量給定值的那個(gè)控制器。副控制器：其給定值由主控制器的輸出所決定，并按副變量的測(cè)量值與給

4、定值的偏差而動(dòng)作的那個(gè)控制器。主對(duì)象：對(duì)主變量表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備。副對(duì)象：為副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設(shè)備。主回路：由主變量的測(cè)量變送裝置，主、副控制器，執(zhí)行器和主、副對(duì)象 構(gòu)成的外回路。副回路：由副變量的測(cè)量變送裝置，副控制器執(zhí)行器和副對(duì)象所構(gòu)成的內(nèi) 回路，亦稱內(nèi)環(huán)或副環(huán)。圖13-4串級(jí)控制系統(tǒng)典型方塊圖13.1.2、串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)及應(yīng)用 13.1. 2-1.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路。主、副控制器串聯(lián)，主控制器的輸出作為 副控制器的給定值，系統(tǒng)通過(guò)副控制器的輸出操縱控制閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)主 變量的定值控制。所以在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是個(gè)定值控制系統(tǒng)副 回路是個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。在串

5、級(jí)控制系統(tǒng)中，主變量是反映產(chǎn)品質(zhì)量或生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行情況的主 要工藝參數(shù)。控制系統(tǒng)的目的主要就在于穩(wěn)定這一變量，使它等于工藝規(guī) 定值。所以，主變量的的選擇原則與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)中介紹的被控變量的選 擇原則是一樣的。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。因此，在主變量選定后，選擇的副 變量應(yīng)與主變量有一定的關(guān)系。選擇串級(jí)控制系統(tǒng)的副變量一般有兩類情況：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； 另一類選擇的副變量就是操縱變量本身，這樣能及時(shí)克服它的波動(dòng)， 減小對(duì)主變量的影響。在上例中，選擇的副變量就是操縱變量(即蒸汽流量)本身。這

6、 樣，當(dāng)干擾來(lái)自蒸汽壓力或流量的波動(dòng)時(shí)，副回路能及時(shí)加以克服，以大 大減少這種干擾對(duì)主變量的影響，使塔釜溫度的控制質(zhì)量得以提高。 13.1.2-2.系統(tǒng)的特性干擾作用于副回路干擾Fl不存在，干擾F2引起e 2變化，控制器T2C及時(shí)進(jìn)行控 制，使其很快穩(wěn)定下來(lái)；如果干擾量小，經(jīng)過(guò)副回路控制后，F(xiàn)2 一般影響不到溫度6 1；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e1再由主回路進(jìn)一步控制， 徹底消除干擾的影響，使被控變量回復(fù)到給定值。由于副回路控制通道短，時(shí)間常數(shù)小，所以當(dāng)干擾進(jìn)入回路時(shí)，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(duì)原料油出口溫度

7、的影響，從而大大提高了控制質(zhì)量。在確定副回路時(shí)，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。干擾同時(shí)作用于副回路和主對(duì)象在干擾作用下，主、副變量的變化方向相同。爐膛溫度6 Tt原料油出口溫度6 T2 1t主控制器的輸出J測(cè)量值Tt給定值副控制器的輸出 Wt 6回復(fù)設(shè)定值1主、副變量的變化方向相反，一個(gè)增加，另一個(gè)減小。爐膛溫度6 T,原料油出口溫度6主控制器的輸出T2 1副控制器的測(cè)定值6 T，偏差為零時(shí)t副控制器輸出不變2在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于引入一個(gè)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(duì)作用于主對(duì)象上的干擾也能加速克服過(guò)程。

8、副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)：主冋路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特 點(diǎn)，并對(duì)干副冋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(jí)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。13.1.2-3.自適應(yīng)能力由于增加了副回路,使串級(jí)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(chǎng)合。當(dāng)對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而頻繁,負(fù)荷變化大，簡(jiǎn)單 控制系統(tǒng)滿足不了要求時(shí)，使用串級(jí)控制系統(tǒng)是合適的，尤其是當(dāng)主要干 擾來(lái)自控制閥方面時(shí),選擇控制介質(zhì)的流量或壓力作為副變量來(lái)構(gòu)成串級(jí) 控制系統(tǒng)是很適宜的。13.1.3、主、副控制器控制規(guī)律的選擇

9、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(wú)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。13.1.4、主、副控制器正反作用的選擇副控制器作用方向的選擇串級(jí)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(gè)負(fù)反饋系統(tǒng) 的原則來(lái)確定。管式加熱爐溫度-溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路。氣源中斷，停止供給燃料油時(shí)，執(zhí)行器選氣開閥，“正”方向。 燃料量加大時(shí)，爐膛溫度e 2 （副變量）增加，副對(duì)象“正”方向。 為使副回路構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，副控制器T2C選擇“反”方向

10、。主控制器作用方向的選擇當(dāng)主、副變量增加（減?。r(shí)，如果由工藝分析得出，為使主、副 變量減?。ㄔ黾樱?，要求控制閥的動(dòng)作方向是一致的時(shí)候，主控制器應(yīng)選“反”作用；反之，則應(yīng)選“正”作用。管式加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)。主變量e 1或副變量e2增加時(shí)，都要求關(guān)小控制閥，減少供給的燃 料量，才能使e 1或e 2降下來(lái)，所以此時(shí)主控制器T1C應(yīng)確定為反作用 方向。13.1.5、控制器參數(shù)整定與系統(tǒng)投運(yùn)串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定的兩種方法。兩步整定法按照串級(jí)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。整定過(guò)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

11、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）過(guò)渡過(guò)程下的副控制器比例度和操 作周期，分別用C 2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于C 2s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(guò)渡過(guò)程，記下此時(shí)主控制器的比例度C 1s和操 作周期T1s。（3）根據(jù)上面得到的C 1s、T1s、C 2s、T2s，按表12-3 （或表12-4）的 規(guī)定關(guān)系計(jì)算主、副控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)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(guò)程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過(guò)渡過(guò)程。共振問(wèn)題如果主、副對(duì)象時(shí)間常數(shù)相差不大，動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，可能會(huì)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(shí)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(shí)