第7章 复杂控制系统1(串级)

1第7章复杂控制系统复杂控制系统凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。特点：通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系统又称为多回路控制系统。2§7-1串级控制系统一、串级控制系统的结构管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热油料炉出口温度的波动范围应控制±2℃内。3主要扰动：（1）原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）；（2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）；（3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃料的雾化状态的影响等）。传热的滞后性，以及调节通道的时间常数过大（15min左右），控制作用不及时。4方案：将炉膛温度作为被控变量，组成如图7-2所示的控制系统。方案的优点:调节通道的时间常数缩短为3分钟左右。缺点：原料的流量或原料入口温度波动使炉出口温度变化时，系统无法使炉出口温度再调回到给定值上，所以该方案仍不能达到生产工艺要求。5方案：构成炉出口温度为被控变量，炉膛温度为辅助变量，由炉膛温度控制器的输出去操纵燃料量的控制方案.这就是炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。6串级控制系统中常见的专用名词介绍：主变量—串级控制系统中起主导作用的被控变量，是过程中主要控制的工艺指标。副变量—串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅助变量。炉出口温度炉膛温度7主对象—由主变量表征其主要特征的工艺设备或过程，其输入量为副变量，输出量为主变量。副对象—由副变量表征其特性的工艺生产设备或过程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。炉出口温度对象炉膛温度对象8主控制器—按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的给定值。副控制器—按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器，其输出直接控制执行器的动作。炉出口温度控制器炉膛温度控制器9主回路—由主测量变送器、主控制器、副回路等效环节和主对象组成的闭合回路，又称外环或主环。副回路—由副测量变送器、副控制器、执行器和副对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。10方块图：工艺控制流程图：11串级控制系统通用方块图:12串级控制系统在结构上具有如下特点：在串级控制系统中，有两个闭环负反馈回路，每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器。两个控制器采用串联控制方式，主控制器的输出作为副控制器的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作。主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。13二、主、副控制器正、反作用的确定主、副控制器确定顺序：“先副后主”的原则副控制器的选择原则：副控制器的正、反作用只与副回路中的各个环节有关，而与主回路无关。在简单控制系统中介绍的各环节规定符号“乘积为负”的判别准则，同样适用于串级控制系统副控制器正、反作用的选择。（副控制器±）（执行器±）（副对象±）（副变送器±）=（一）14主控制器的选择原则：主控制器的正、反作用只与主对象有关，而与副回路无关。分析：副回路是一个随动系统，它的最终控制结果总是要使副变量（副回路的输出）跟随主控制器的输出（副回路的输入）而变化，也就是说，当副同路的输入增加时，副回路的输出也要增加，由此可见，副回路也是一个“+”环节。主测量变送是一个“+”环节。所以，主控制器的正、反作用就只取决于主对象的符号。为了保证回路中各环节总的符号乘积为负，当主对象的符号为“+”时，主控制器必须是“－”号，即选择反作用；而当主对象的符号为“－”时，主控制器必须是“+”号，选择正作用。15【例题】如图所示的精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串级控制系统中，执行器选为气关式，试确定主、副控制器的正、反作用。16副回路：执行器—气关式，符号为“-”；副对象—执行器的阀门开度增大时，副变量蒸汽流量也增大，故副对象的符号为“+”。副变送器—符号也为“+”。根据回路各环节符号“乘积为负”的判别公式，副控制器的符号必须取“+，即应选择正作用。“先副后主”的原则17主回路：当蒸汽流量增大时，主变量提馏段的温度将上升，故主对象的符号为“+”。所以，主控制器应选择“-”，反作用。18【练习题】如图的串级控制系统，执行器选为气开阀，试确定主、副控制器的正、反作用。-++++-19三、串级控制系统的工作过程工艺要求执行器选为气开式，炉出口温度控制器T１C和炉膛温度控制器T２C均采用反作用工作方式，分析系统的工作过程。20干扰作用于副回路：当燃料管网压力增大，-++++-炉膛T2↑，炉膛T2↓阀门开度↓，T2C↓，T2T↑，导致燃料量↑21干扰作用于主回路：当原料流量增加，-++++-导致出料温度T1↓，T1↑副环随动+，T2↑，T1C↑，T1T↓，副环为随动控制系统+22干扰同时作用于主、副回路：-++++-当原料温度升高，导致出料温度T1↑；当燃料管网压力增大，炉膛T2↑；副回路：T2T↑，偏差↑↑，T2C↓↓，阀开度↓，T1↓T1C↓，主回路：T1T↑，23四、串级控制系统的特点及应用场合串级控制系统与简单控制系统相比，由于在结构上多了一个副回路，因而，在相同的干扰作用下，其控制质量是单回路控制系统无法比拟的。串级控制系统在工作性能上的主要特点：1．对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。2．改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。3.对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。串级控制系统的适应场合：主要适合于被控对象的容量滞后或纯滞后时间较大，干扰作用强而且频繁，或者生产负荷经常大范围波动，简单控制系统无法满足生产工艺要求的场合。24五、串级控制系统设计中的几个问题1．副回路的确定（1）应将生产中的主要干扰纳入到副回路中。（2）在可能前提下，应将尽可能多的干扰纳入副回路中。（3）应使主、副回路的时间常数适当匹配。选择使副回路时间常数小一些，有利加快控制。主、副对象时间常数相近，可能发生“共振”现象。通常，主、副对象时间常数之比在3～10倍之间。252．主、副控制器控制规律的选择(1)主变量是生产工艺的重要指标，副回路不要求为了保证过渡过程没有余差，主控制器至少应选择比例积分（Pl）控制规律。主对象的容量滞后较大，必要时也可引入微分作用，即PID控制规律。若副控制器要求不高，可选用比例（P）作用。(2)工艺对主变量要求较高，对副变量也有一定的要求。保证主变量的控制精度，主控制器需选择PI作用。副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量，副控制器也应该选择PI作用。26练习题锅炉供水控制系统如图所示，1，从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，选择气开，气关阀？选择控制器+-，构成负反馈系统。2，若锅炉给水流量波动频繁且为主要干扰，原来的液位控制系统很难满足控制要求，试问应采取何种措施来提高控制精度？设计控制方案？画出系统方块图？27执行器—从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择气关式，“-”。对象—当流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。变送器—输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。控制器—必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。答：问题1：28答：问题2：采用锅炉液位与给水流量串级控制系统来提高控制精度。串级控制设计方案如图所示。串级控制系统方块图如图：FCFT29液位控制器流量控制器流量变送液位变送液位对象流量对象锅炉液位给水流量答：问题2：301、两步整定法a)工况稳定,主副回路均闭合,衰减曲线法求得14,0,%,100111：用DITT；和22T211bT）将副回路的比例度置于，同样的方法求得和；12I12c,,,DIDTTTT）按衰减曲线法经验公式，分别计算；d）按先副后主,先比例后积分，再微分的次序投入运行，观察修改到满意。1）逐步逼近法；2）两步整定法；3）一步整定法。六、串级控制系统参数的整定31课程小结串级控制系统掌握串级控制系统的工艺控制流程图，会画串级控制系统的方块图；了解串级控制系统的工作过程及应用场合；掌握串级控制的特点；掌握串级控制主、副控制器正反作用的确定。