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1、1,第一节 串级控制,一、串级控制系统的结构与工作过程,串级控制思想的产生：,4,以加热炉温度控制系统为例,2,管式加热炉，对原油进行加热到一定值，要求从加热炉出来的温度波动小于2。加热炉结构：原油通过炉体内的盘管流出，燃料油喷入炉体内燃烧，产生热量，加热原油。工艺要求稳定加热原油的出口温度（被控量），显然加热炉炉膛温度（可用调节燃烧油流量的方法控制）是影响原油出温的主要因素。而干扰炉膛温度的因素主要是燃料压力、燃料热值（f2)和烟筒抽力(f3)但是影响原油出温的不仅仅是炉温度，还有诸如原油的流量、初温、换热效率等(f1)为此，将主要影响被控量的炉温作为副被控量以解决干扰f2 、 f3 ，将原
2、油的出温作为主被控量，以解决干扰f1，形成串级控制系统，以提高控制品质。,工艺实例：,3,简单控制方案之一（单回路控制方案1）,根据原油出口温度，调节进入炉体的燃料量。被控量为原油出口“温度”，控制量为进入炉体的“燃油流量”（直接操纵量是供燃油阀门的开度）。,4,方案1不能满足控制质量要求（温度波动小于2）的原因,控制通道的时间常数较大（15分钟）。在供油阀门开度一定时，当供油压力变化，将引起燃油流量的变化，导致炉内温度变化，最后导致原油出口温度的变化，该过程需要较长的时间，通过检测原油出口温度去调节燃油阀门，其控制作用严重滞后。,5,简单控制方案之二（单回路控制方案2）,根据燃油阀门出口的流
3、量，调节燃油阀门的开度。被控量为燃油阀门出口“流量”，控制量为阀门“开度”。,6,方案2仍不能满足控制质量要求的原因,在本方案中，控制通道短，控制及时，可很好地保证燃油流量的稳定，从而保证进而炉体燃烧的燃油量为定值。但炉内燃烧温度不仅与燃油量有关，还与燃油的燃烧值、炉堂压力等因素有关，原油出口温度，更与盘管传热、管内原油流量等因素有关。,7,复杂控制方案之串级控制方案,将两个单回路控制系统串联起来，离最终被控对象近的作为主控制回路，较远的作为副控制回路。,8,4,选取炉出口温度为主被控参数（主参数），选取炉膛温度为副被控参数（副参数），把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度的给定值就构成了图4-
4、2的炉出口温度与4-3的炉膛温度的串级控制系统。,9,串级控制系统组成框图,主控制器的输出作为副控制器的设定值；主、副控制有各自不同的被控量，但控制量相同。副过程将影响最终被控量（主被控量）的主要因素f2、f3引入的过程。主过程将影响最终被控量（主被控量）的其他因素f1引入的过程。,主控制器,副控制器,副变送器,主变送器,副过程（炉膛温）,主过程（石油出温）,控制阀门,R1(s),f1(s),Y1(s),Z1(s),R2(s),F2、3(s),Y2(s),Z2(s),10,串级控制系统的工作过程,扰动作用于副回路扰动作用于主过程扰动同时作用于副回路和主过程,11,扰动作用于副回路,结论：因为副
5、回路的干扰（f2、3）远离主被控量，因此副控制器首先进行调节，若该干扰较小，在副控器的及时调节下，达到稳定，干扰将不会传到主控回路。若干扰较大，在副空器的调节下，将会大大削弱，有利于主控器的调节。,12,扰动作用于主过程,结论：副控器的引入将不会影响主控器对进入主控回路干扰（D1）的调节。设D1使Y1增加的情况，则调节过程如下： 主、副控制器均为反作用，调节阀为气开阀， E=（测量值设定值）， U为控制器输出，Z为检测值。,13,扰动同时作用于副回路和主过程,结论：控制作用加大，抗干扰能力增强 此时可分为两种情况：a.D1、D2干扰，使主、副被控量同向变化（均增加或均减小）设D1使Y1增加，D
6、2使Y2增加的情况，则调节过程如下：,14,b.D1、D2干扰，使主、副被控量反向变化（一个增加，另一个减小）设D1使Y1增加，D2使Y2减小的情况，则调节过程如下：,15,分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。,16,4,三、串级控制系统的设计,1、主、副回路的设计,串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。,设计原则：,1）副回路应包括尽可能多的扰动2）应使主、副过程的时间常数适当匹配,17,4,2、
7、主、副调节器控制规律的选择,1、选择规律的基础： 主调节器起定值控制作用；副调节器起随动控制作用2、主调节器的选择： PI和 PID控制规律3、副调节器的选择： P控制规律,18,4,3、主、副调节器正、反作用方式的确定,主、副调节器正、反作用方式的选择原则：使整个控制系统构成负反馈系统主、副调节器正、反作用方式的检验：当炉出口温度升高时，主调节器输出应减小，即副调节器的给定值减小，为此，副调节器输出减小，使调节阀开度减小。这样，进入加热炉的燃料油减小，从而使炉膛温度和出口温度降低。,19,4,四、串级控制系统调节器参数的整定,串级控制系统常用的整定方法：两步整定法、逐步逼近法,1、两步整定法
8、：是指第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数,步骤：,1）工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减曲线法整定，求取副调节器的比例度2s 和操作周期T2s ；,20,4,2）将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度1s和操作周期T1s,3）根据求得1s、 T1s、 2s、 T2s数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间T1 和微分时间TD的数值,4）按先副后主、先比例后积分的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过
9、渡过程曲线，必要时进行适当调整，知道系统质量达到最佳。,21,4,2、逐步逼近法：就是在主回路断开的情况下，求取副调节器和整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求数值上，将串级控制系统主回路闭合以求其主调节器的整定参数值；将主调节器的参数设置在所求数值上，再进行整定，求第二次副调节器的整定参数值；依次循环，直至求得合适的整定参数值。,步骤：,1）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按照单回路控制系统的参数整定法（衰减曲线法），求取副调节器的整定参数值Wc2 (s) 1,22,4,2）副调节器参数置于数值Wc2 (s) 1上，把主回路闭合，副回路作为一个等效环节；主回路成为一个单回路控
10、制系统，再按照衰减曲线整定法，求取主调节器的整定参数值 Wc1 (s) 1,3）主调节器参数置于Wc1 (s) 1上，主回路闭合，再按上述方法求取副调节器的整定参数值Wc2 (s) 1,23,4,五、串级控制系统的工业应用,1、用于克服被控过程较大的容量滞后,2、用于克服被控过程较大的纯滞后,24,4,3、用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动,25,4,4、用于克服被控过程的非线性,26,4,第二节 前馈控制,1、反馈控制的本质是基于偏差来消除偏差2、无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生偏差后， 调节器才动作3、反馈控制系统，因构成闭环，故而存在一个稳定性的问题4、引起被控量发生偏差的一切扰
11、动，均包围在闭环内5、反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P 、PI 、PD 、PID,1、反馈控制的特点：,27,4,1、前馈控制原理,28,4,原理：前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制。当扰动一出现，就能根据扰动的测量信号来控制操纵变量，及时补偿扰动对被控变量的影响，所以控制是及时的，如果补偿作用完善，可以使被控变量不产生偏差，,29,4,2、前馈控制器的特点：,1）前馈控制是“基于扰动来消除扰动对被控量的影响”，又称为“扰动补偿”2）扰动发生后，前馈控制器“及时”动作，对抑制被控量由于扰动引起的动、静态偏差比较有效3）前馈控制属于开环装置4）只适合用来克服可测不可控的扰动，而对系统其
12、它扰动无抑制作用5）前馈控制器的控制规律，取决于被控对象的特性。,3、前馈控制的局限性： 1）完全补偿难以实现； 2）只能克服可测不可控的扰动,30,4,二、前馈控制系统的结构,1、静态前馈控制：,2、动态前馈控制： 静态前馈控制是动态前馈控制的一种特殊情况，通常只有在当工艺上对控制精度要求极高，其他控制方案难以满足时，才采用动态前馈控制,31,进料量Ma料初温T1,FT,前馈控制器Wm（s）,反馈控制器Wf（s）,加热蒸汽量,料末温T2,冷凝水,TT,3、前馈反馈控制： a）前馈信号接在反馈控制器之后,Wm(s),Wf(s),Wo(s),Wcs),前馈控制器的特性与过程通道、控制通道特性有关
13、,32,b）前馈信号接在反馈控制器之前,进料量Ma料初温T1,FT,前馈控制器Wm（s）,反馈控制器Wc（s）,加热蒸汽量,料末温T2,冷凝水,TT,Wm(s),Wf(s),Wo(s),Wcs),前馈控制器的特性与过程通道、控制通道、反馈控制器规律特性有关。,33,4,五、前馈控制系统的工业应用,1、冷凝器温度前馈-反馈复合控制系统,34,4,第四节 比值控制,比值控制系统：使一种物料随另一种物料按比例而变化的系统。称在工艺中处于主导地位的物料为主物料q1（主动量），称按一定比例随其而变的物料为副物料q2（从动量），二者的比值为K，则有：q2=Kq1比值控制系统实际上是一种随动系统，副物料随主
14、物料的变化而变化。,35,常用的比值控制方案,1.开环控制,36,2.单闭环控制,37,副料单闭环比值控制系统（例子）,进入炉膛的燃气是煤气和空气按一定比例混合而成的混合气体。煤气Q1是主料，空气Q2是副料。F1C为比值控制器，F2C是空气流量控制器。,38,3.主、副料双闭环比值控制,主、副料闭环控制系统框图,主物量检测（Q1T）,比值控制器（K=Q2/Q1）,副物量调节阀门,Q2,副物量检测（Q2T）,副物量控制器（Q2C）,副对象,主控制器（Q1C）,主物量调节阀门,主对象,主料设定,Q1,39,主、副料双闭环比值控制系统（例子）,由一个定值控制的主流量回路和一个跟随主流量变化的副流量控
15、制回路组成。煤气Q1是主料，空气Q2是副料。K为比值控制器，F1C为主料控制器，F2C是副料控制器。,40,4.变比值控制系统,41,变比值控制系统（例子）,主参量y，是炼钢炉内的温度，它与喷吹进炉的氧气量Q1（主量）、空气量Q2（副量）的比值K有关，改变氧气、空气的配比，可有效控制炉内的温度。变比值控制系统是一串级控制系统。主控制器（TC）根据炉温产生不同的氧空比作为副控器（比值控制器FC）的设定值。,42,比值控制系统的设计,主物料流量、副物料流量的确定 控制方案选择 控制规律确定 比值系数的计算,43,主物料流量、副物料流量的确定原则,生产中起主导作用的物料流量选为主流量。不可控的物料流量选为主流量。尽量选流量小的作为副流量，这样调节阀门可选得小点。尽量选价格较贵的物料作为副物料。,44,控制方案选择,根据工艺要求确定采用：定值开控制系统 定值单控制系统 定值双闭环控制系统 定值变比值控制系统,45,控制规律确定,定值单、双闭环控制中：比值控制器：选P控制规律。Q1、Q2流量控制器：选PI控制规律。变比值控制中：主控制器：PID控制规律。比值控制器：选P控制规律。,46,比值系数的计算,必须把工艺规定的流量比例系数K转换成仪表信号之间的比例系数K。转换关系与仪表的类型有关。分两种类型：流量与测量信号之间成线性关系 流量与测量信号之间成非线性关系,
