第3章串级控制系统课件.ppt

1、例如例如 精馏过程的控制精馏过程的控制目标：目标：控制塔釜温度稳定控制塔釜温度稳定方案方案1 1优点：将所有对温度的干扰优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。都概括在控制回路内。缺点：当蒸汽压力波动较大缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。控制质量不理想。单回路适用于蒸汽压力恒定的情况单回路适用于蒸汽压力恒定的情况FC进料进料塔底采出塔底采出12蒸汽蒸汽方案方案2：控制蒸汽流量恒定：控制蒸汽流量恒定方案方案2 2优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因

2、素对温度缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。的影响。增设一个蒸汽流量控制，如上图所示，是否可以稳定蒸汽流量增设一个蒸汽流量控制，如上图所示，是否可以稳定蒸汽流量呢？回答是否定的。呢？回答是否定的。这是因为：当进料增大时，提馏段温度下降，为了保持这一温度稳这是因为：当进料增大时，提馏段温度下降，为了保持这一温度稳定，定，TCTC使使V1V1开度增大，以增大蒸汽的供给量，随着蒸汽的增大，流开度增大，以增大蒸汽的供给量，随着蒸汽的增大，流量控制器量控制器FCFC开始动作，它要将开始动作，它要将V2V2关小，力图使流量回到给定值。这关小，力图使流量回到给定值。这样两套系统就会打架，

3、结果哪套系统度不能正常运行；我们的目的样两套系统就会打架，结果哪套系统度不能正常运行；我们的目的是维持提馏段温度稳定，从而保证塔底产品的质量，二维持蒸汽流是维持提馏段温度稳定，从而保证塔底产品的质量，二维持蒸汽流量恒定不是目的，流量的大小是允许改变的，何时改变与温度控制量恒定不是目的，流量的大小是允许改变的，何时改变与温度控制的需要而定。的需要而定。常用的名词常用的名词主变量与副变量；主对象与副对象；主控制器与副控制器；主变量与副变量；主对象与副对象；主控制器与副控制器；主回路与副回路。主回路与副回路。f f2 2引起引起F F变化，控制器变化，控制器FCFC及时进行控制，使其很快稳定下来及时

4、进行控制，使其很快稳定下来.如果干扰量小，经过副回路控制后，如果干扰量小，经过副回路控制后，f f2 2一般影响不到温度一般影响不到温度T T；如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服,波及到被控变量波及到被控变量温度温度T T再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。量回复到给定值。由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，从而大大路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作

5、用，从而大大提高了控制质量。提高了控制质量。干扰作用于副对象干扰作用于副对象f f1 1变化变化TTCTTC输出输出FCFC设定值设定值 FC FC输出输出 F F所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由于副所以，在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。量的目的。干扰作用于主对象干扰作用于主对象干扰同时作用于副回路和主对象干扰同时作用于副回路和主对象 12fTTCFCFCFCfFFC输出设定值输出输出输出加强了控制作用，加快了控制过程。加强了控制作用，加快了控制过程。

6、12fTTCFCFCFCfFFC输出设定值输出输出?输出FCFC输出（部分）互相抵消，阀稍稍动一点，即可使系统稳定。输出（部分）互相抵消，阀稍稍动一点，即可使系统稳定。在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能

7、彻底加以克服。服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中，因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。大大提高了控制质量。从从系统结构系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。变送器。在串级控制系统中，在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。随动控制系统。一、系统

8、结构的特点一、系统结构的特点二、控制系统性能的特点二、控制系统性能的特点1.1.能迅速克服进入副回路的干扰能迅速克服进入副回路的干扰2m02v2c22GGGG11)s(F)s(F 由于由于而对于动态滞后较小的副回路，有而对于动态滞后较小的副回路，有1GGGG2m02v2c 22FF 2.2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率能改善控制通道的动态特性，提高工作频率比较点后移比较点后移令令,sT1KG,KG,KG,KG0202022m2mvv2c2c sT1KsTKKK1K)s(G02020202v2c0202 2m02v2c02022m02v2c0202KKKK1TT KKKK1KK 因为在

9、任何条件下因为在任何条件下 1+Kc2KvK02Km21,因此可得：因此可得：02020202TTKK 等效幅对象时间常数缩小，意味着对象的容量滞后减小，等效幅对象时间常数缩小，意味着对象的容量滞后减小，这就会使系统的反应速度加快，控制更为及时。这就会使系统的反应速度加快，控制更为及时。在时间常数缩小的同时，放大倍数也缩小了，但这一缺陷在时间常数缩小的同时，放大倍数也缩小了，但这一缺陷可通过增大主控制器的放大倍数的办法加以弥补。可通过增大主控制器的放大倍数的办法加以弥补。串级系统的特征方程为：串级系统的特征方程为：01020010221020110010221cmTTT TKKKKT T220

10、020ss,sT1KG,KG,KG,KG 010101vv2c2c1c1c 令令串级控制系统的工作频率为：串级控制系统的工作频率为：02100201220211TTTT 串对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：020102012 2 0211TTTT 单若两种方案的阻尼系数相同，则有：若两种方案的阻尼系数相同，则有：02010201020102010201020102010201TT TT ,TT1TT1TTTTTTTT 单单串串 单串结论：结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；副回路改善了动特性、提高了响

11、应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。统的控制质量。等效副对象的放大系数为：等效副对象的放大系数为：副回路的等效放大系数为：副回路的等效放大系数为：2m22m02v2cK1K ,1KKKK 这就是说当副控制器的放大倍数整定得足够大时，等效副这就是说当副控制器的放大倍数整定得足够大时，等效副回路

12、的放大倍数只取决于测量变送环节的放大倍数回路的放大倍数只取决于测量变送环节的放大倍数Km2 ,与与幅对象的放大倍数无关。幅对象的放大倍数无关。综上所述，串级控制系统的主要特点有：综上所述，串级控制系统的主要特点有：1 1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力；2 2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力；3 3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。能力。适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强适用范围：当对象的滞后和

13、时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。量的要求时，可采用串级控制系统。主变量选择原则：同单回路受控变量选择原则主变量选择原则：同单回路受控变量选择原则2 2、副变量选择原则、副变量选择原则 副变量的选择与副回路的设计是串级控制的关键副变量的选择与副回路的设计是串级控制的关键 2022010201020102010211/1/1/1/cvmK K K KTTTTTTTT串单为常数，则频率与时间常数为常数，则频率与时间常数假设假设20221cvmK K K K比值的关系如图所示比值的关

14、系如图所示 串级控制系统的串级控制系统的目的目的是为了高精度地稳定主变量。是为了高精度地稳定主变量。主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。所以正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。所以，主控制器通常都选用，主控制器通常都选用比例积分控制规律比例积分控制规律，以实现主变量的无余差控制，以实现主变量的无余差控制 在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目的就在于保在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目

15、的就在于保证和提高主变量的控制质量。证和提高主变量的控制质量。副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采用用比例控制规律比例控制规律。原则：副回路原则：副回路粗调、快调粗调、快调 主回路主回路细调、满调细调、满调 选择副回路控制器的正反作用选择副回路控制器的正反作用与简单控制系统中控制器与简单控制系统中控制器“正正”、“反反”作用的选择方作用的选择方式相同，先判断副对象的正反作用，然

16、后根据工艺安全式相同，先判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的等要求，选定执行器的“正正”、“反反”作用方式，并按作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定副回照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。路控制器的正反作用。物料进物料进 物料出物料出 冷却器流量温度串级控制系统冷却器流量温度串级控制系统 选择主回路控制器的正反作用选择主回路控制器的正反作用确定原则：确定原则：当主、副变量在增加当主、副变量在增加(或减小或减小)时，如果时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小由工艺分析得出，为使主、副变量减小(或增加或增加)，要求控制

17、阀的动作方向是一致的，主控制器应选要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选“反反”作用，反之，则应选作用，反之，则应选“正正”作用。作用。两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器(1)在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在比例度先固定在100的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路副回路在满足某种衰减比在满足某种衰减比(如如4：1)过渡过程下的副控制器比例度过渡过程下的副控制器比例度2S和操作和操作周

18、期周期2S。(2)在副控制器比例度等于在副控制器比例度等于2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至直至主回路主回路得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1S。和操作周期。和操作周期1S。(3)根据上面得到的根据上面得到的1S、1S、2S、2S按表按表7-2(或表或表7-3)的规定关系计算的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。(4)按按“先副后主先副后主”、“先比例次积分后微分先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的的整定方法，

19、将计算出的控制器参数加到控制器上。控制器参数加到控制器上。(5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。一步整定法：即根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一步整定法：即根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。采用一步整定法副控制器参数选择范围采用一步整定法副控制器参数选择范围副变量类型副变量类型副控制器比例度副控制器比例度2副控制器比例放大倍数副控制器比例放大倍数KP2温度温度20605.01.7压力压力30703.01.4

20、流量流量40802.51.25液位液位20805.01.25一步整定法的整定步骤如下。一步整定法的整定步骤如下。(1)(1)在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据，将在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。副控制器比例度调到某一适当的数值。(2)(2)利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。利用简单控制系中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。(3)(3)如果出现如果出现“共振共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。值，一般即能消除。如果

21、主、副对象时间常数相差不大，可能会出现如果主、副对象时间常数相差不大，可能会出现“共振共振”现象现象这时可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期这时可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减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积分时间，以期增大主回路的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、到回路的操作周期之比加大，避免操作周期，使主、到回路的操作周期之比加大，避免“共振共振”。这样做的结果会在一定程度上降低原先期望的控制质量。这样做的结果会在一定程度上降低原先期望的控制质量。如果主、副对象特性太接近，则说明确定的控制方案欠妥当，变量的选择如果主、副对象特性太接近，则说明确定的控制方案欠妥当，变量的选择不合适，有时就不能完全靠控制器参数的改变来避免不合适，有时就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振共振”了。了。