第二章(1)串級控制

第

二

章

復

雜

控

制

系

統(tǒng)第一章內容:單回路控制系統(tǒng)分析及設計控制規(guī)律:簡單PID控制特點：結構簡單、應用廣泛，占控制系統(tǒng)總數(shù)近90%在絕大多數(shù)情況下，可以滿足要求，實際應用比較廣泛過程特點：

大型化、裝置復雜、擾動頻繁且劇烈系統(tǒng)本身時變非線性系統(tǒng)各參數(shù)之間耦合嚴重存在有滯后控制性能要求高存在問題：單回路PID控制，已不能滿足系統(tǒng)的要求解決方法：本章的研究內容改進控制方案的設計設計適合生產(chǎn)過程特點的控制方案2023/2/31

復雜控制系統(tǒng)可分為兩大類：⑴提高響應曲線性能指標為目的的控制系統(tǒng)，包括：①串級控制系統(tǒng)②前饋控制系統(tǒng)

⑵按某些特定要求而開發(fā)的控制系統(tǒng)，包括：①比值控制系統(tǒng)②均勻控制系統(tǒng)③分程控制系統(tǒng)和閥位控制系統(tǒng)④選擇性控制（取代控制）系統(tǒng)2023/2/32加熱爐溫度控制2.1串級控制系統(tǒng)TC101可設計TO與GC的單回路PID控制2.1.1基本原理和結構

1、什么是串級控制系統(tǒng)操縱變量：燃料氣流量受控變量:進料出口溫度

分析對象的特性：加熱爐內管有數(shù)百米長，熱容很大，是典型的一階加純滯后過程。當輸入變化時，輸出要延遲一段時間，且變化緩慢若溫度不變，T0

→Gc的PID控制，則閥的開度不變燃料氣閥上游壓力波動時，雖閥的開度不變，但流量變化，將影響溫度，溫度→燃料量的單回路PID對此特定的過程控制不及時，不能滿足工藝要求。2023/2/33

采用燃料氣流量的單回路控制，雖可以保證燃料氣的流量恒定，克服了閥前壓力擾動的影響，但控制系統(tǒng)對溫度是開環(huán)的，當負荷變化、燃料氣燃燒值變化時，進料出口溫度變化，流量控制系統(tǒng)不能保證溫度恒定。因此以上兩種控制方案都不能滿足工藝要求。

將溫度和流量控制結合起來，設計一種新型的控制方案：

流量控制時，若溫度增加，將流量控制器給定值降低，讓燃料氣的流量減小，以維持溫度恒定，流量控制器的設定值隨溫度變化。由此產(chǎn)生了一種新的控制方案FC101TR101FC101TC101

由溫度控制器去設定流量控制器的設定值→串級控制2023/2/34Gc2(S)Gv(S)主控制器+-串級控制系統(tǒng)方塊圖Gp2(S)Gp1(S)Gm2(S)Gc1(S)Gm1(S)+-副控制器控制閥副對象主對象u1u2r1y1y2c1c2f1f2內回路為副回路：包括副控制器、控制閥、副受控對象、副變量測量變送器。串級控制系統(tǒng)是由兩個控制器的串接組成，一個控制器的輸出做為另一個控制器的設定值，兩個控制器有各自獨立的測量輸入，只有一個控制器的給定由外部設定。

2、串級控制系統(tǒng)的結構系統(tǒng)框圖如下系統(tǒng)由內外兩個回路組成：2023/2/35外回路稱為主回路：主控制器、副回路、主變量測量變送器、主受控對象

3、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)主變量：工藝要求的主要控制變量副變量：維持主變量平穩(wěn)引出的中間變量副對象：反映副變量與操縱變量之間的關系主對象：反映主變量與副變量之間的關系主控制器：接受主變量的偏差，去改變副控制器的設定值副控制器：接受副變量的偏差，去輸出給控制閥。FC101TC101系統(tǒng)的特點：主控制器輸出改變副控制器的設定值，故副回路構成的是隨動系統(tǒng)，設定值是變化的。2023/2/36cTCTC溫度對爐膛溫度串級2023/2/37Gc2(S)Gv(S)+-Gp2(S)Gp1(S)Gm2(S)Gc1(S)Gm1(S)+-u1u2r1y1y2c1c2f1f22023/2/38

設對象的特性分別為：Gc2(S)Gp2(S)Gp1(S)Gc1(S)-+y1r1-+2.1.2串級控制系統(tǒng)分析

1、舉例2023/2/39

副回路的開環(huán)傳遞函數(shù)：

臨界頻率可由下式求得：2023/2/310

上例說明設計串級控制具有如下優(yōu)點：

臨界比例度法：

副對象的動態(tài)滯后總比整個對象的動態(tài)滯后小，因此副回路的臨界頻率高于單回路的臨界頻率。

主回路的開環(huán)傳遞函數(shù)：同理可求得主回路臨界越頻率：

若采用單回路

(1)副回路單回路2023/2/311

副回路的動態(tài)響應比單回路快得多，對進入副回路的干擾具有較快的抑制作用。

(2)主回路

單回路

提高主回路的臨界頻率，加快了對干擾的響應，提高了控制品質。

(3)主回路單回路

在相同的穩(wěn)定性下，主調節(jié)器的比例度比單回路調節(jié)器的比例度小，控制作用增強，提高了系統(tǒng)的控制品質。

2、串級控制的主要優(yōu)點

①副回路的快速作用，對于進入副回路的干擾快速地克服，減小了干擾對主變量的影響。

②引入副回路，改善了副對象的特性(減小副對象的相位滯后)，提高了主回路的響應速度，提高了干擾的抑制能力。

③副回路可以按照主回路的要求對副變量進行精確控制。

④串級系統(tǒng)對副對象及控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。2023/2/312魯棒性：控制系統(tǒng)的控制品質對特性變化的敏感程度，越不敏感，魯棒性越好。注意：

①主回路對副對象及控制閥特性變化具有魯棒性，但副回路本身并沒有此功能，副對象和閥的特性仍影響副回路的穩(wěn)定性；

②主回路對副回路反饋通道特性的變化沒有魯棒性。為描述控制品質對對象特性的敏感程度，引入“魯棒性”的概念。由實際對象的非線性、時變性，當工藝狀況變化時，對象特性變化，從而使原控制器的參數(shù)不再是“最佳”，系統(tǒng)的控制品質下降，性能變差。G(s)H(s)x+-y當負反饋控制系統(tǒng)的環(huán)路增益足夠大，其等效環(huán)節(jié)特性主要取決于反饋通道特性，而與前向通道特性無關。2023/2/3132.1.3

串級控制系統(tǒng)的設計

⑤需要對流量實現(xiàn)精確的跟蹤時，將流量選為副對象

主變量由工藝要求提出的主要操作參數(shù)

1、副變量的選擇

③為保證副回路的快速響應，副對象的滯后不能太長

④為提高系統(tǒng)的魯棒性，將具有非線性及時變部分包含于副對象中

使干擾在副回路內克服減小對主變量的影響

①將主要干擾包括在副回路

②副回路盡量包含多的干擾}2023/2/314主變量：提餾段溫度中間變量：加熱蒸汽流量加熱蒸汽壓力再沸器氣相回流量蒸汽流量副變量有利于克服蒸汽氣源壓力或冷凝壓力變化引起的干擾；對克服其它干擾作用不明顯。蒸汽壓力副變量包含了再沸器熱交換時間常數(shù)，有利于提高系統(tǒng)的工作頻率；不能保證蒸汽流量恒定。工藝介質氣相流量將再沸器液位、再沸器溫度及傳熱系數(shù)等變化包含于副回路中；對蒸汽氣源壓力波動克服較慢。串級控制副變量的選擇實際應用時，需要考慮工藝上的合理性和經(jīng)濟性。例：精餾塔底質量指標控制FT101FC1011PT101PC1012FT102FC1023TC101TT101控制方案如圖2023/2/315主要變量：物料出口溫度操作手段：燃料流量控制方案分析：aTCFC溫度對燃料流量串級bPCTC溫度對燃料壓力串級cTCTC溫度對爐膛溫度串級

(1)溫度對燃料流量串級：有利克服燃料流量波動，方案易于實現(xiàn)；采用燃料油時，流量測量困難，對燃料物性變化不能及時克服。

(2)溫度對燃料壓力串級：正常情況下,閥后壓力與燃料流量成正比，采用燃料油時，避免測量流量的困難,方案易于實現(xiàn)；對燃料物性變化不能及時克服。

(3)溫度對爐膛溫度串級：爐膛溫度能及時反映燃料熱值的變化，有利于克服燃料物性變化擾動；溫度副回路不如壓力或流量響應迅速。

加熱爐溫度控制2023/2/316

2、控制器類型的選擇

(1)副控制器選擇

①副對象的響應較快，滯后較小或不存在，可以選擇P或PI控制器；

②副回路系隨動系統(tǒng)，允許有余差，可不引入積分作用，以提高副回路的開環(huán)增益，提高抑制干擾能力；

③流量(液體壓力)副對象增益小，不引入積分，余差很大。此外，串級系統(tǒng)有可能斷開主回路，副回路單獨工作，要考慮余差的允許范圍；④溫度副對象，可引入微分作用，但要視隨動系統(tǒng)設定值的變化情況而定，亦可采用純比例作用。

(2)主控制器選擇

①根據(jù)對象的特點，參考單回路系統(tǒng)設計控制器的選擇；

②設計串級控制系統(tǒng)的場合，對象的滯后較大，可采用PID控制器。2023/2/317Gc2(S)Gv(S)+-Gp2(S)+Gp1(S)+Gm2(S)+Gc1(S)Gm1(S)++-u1u2r1y1y2c1c2f1f2

(2)方塊圖法

首先定義各環(huán)節(jié)的“＋”、“－”

凡輸入增加輸出增大為“＋”，反之為“－”

控制閥:輸入增大輸出也增大為“＋”，氣開為“＋”、氣關為“－”

控制器:由于有比較環(huán)節(jié)正作用取“－”號；

反作用取“＋”號。先決定副控制器，后決定主控制器。

Gv為“＋”，Gc2為“＋”，反作用Gv為“－”，Gc2為“－”，正作用2023/2/318串級控制系統(tǒng)主、副控制器正反作用的選擇應滿足負反饋的控制要求。具體選擇步驟如下：1.從安全角度選擇控制閥的氣開和氣關型式（氣開型，Kv>0;氣關型，Kv<0);2.根據(jù)工藝條件確定副被控對象的特性；3.根據(jù)副控制回路為負反饋的準則，確定副控制器的正反作用；4.根據(jù)工藝條件確定主被控對象的特性；5.根據(jù)主控制回路為負反饋的準則，確定主控制器的正反作用。2023/2/319cTCTC溫度對爐膛溫度串級aTCFC溫度對燃料流量串級2023/2/3202.1.4系統(tǒng)投運及參數(shù)整定

1、系統(tǒng)投運

原則：保證無擾動切換，先副后主

根據(jù)經(jīng)驗法初步設置主、副控制器的參數(shù)

①將主、副控制器切換開關置于手動位置

副調節(jié)器設外給定，主控制器為內給定；

②在滿足工藝要求的情況下，工況較平穩(wěn)時，通過手動，使副調節(jié)器的偏差接近于“0”，將副開關由“手動”“自動”。

③在工況較平穩(wěn)的情況下,通過調整主控制器的設定值，使主控制器偏差為“0”，將主控制器開關由“手動”“自動”。

2、參數(shù)整定

原則：先副后主

①由于副回路要求不高，