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1、6.1 6.1 串级控制原理串级控制原理6.2 6.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点6.3 6.3 串级控制系统的设计串级控制系统的设计6.4 6.4 串级控制系统的参数整定串级控制系统的参数整定6.5 6.5 串级控制系统的工业应用串级控制系统的工业应用第六章 串级控制系统设 计返 回例例：管式加热炉管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），其工艺要求是：其工艺要求是：炉出口温度保持恒定炉出口温度保持恒定。一、串级控制系统的组成一、串级控制系统的组成干扰：干扰： 原料的流量、初始温度；原料的流量、初始温度；燃料的流量、燃料热值。燃料的流
2、量、燃料热值。6.1 串级控制原 理方案一：方案一：管式加热炉出口温度的单回路控制管式加热炉出口温度的单回路控制温度检测 变送器温度控 制器期望 温度由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时；由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时；偏差大，控制质量差。偏差大，控制质量差。存在的问题：存在的问题：方案二：方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（管式加热炉出口温度的间接控制（1 1）存在的问题：存在的问题：在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入 口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间口温度和初始温度等干扰因素使出口温度
3、发生变化时，此间 接控制系统无法将变化了的温度调回来；接控制系统无法将变化了的温度调回来；期望 流量流量检测 变送器流量控 制器管式加热炉出口温度的间接控制（管式加热炉出口温度的间接控制（2 2）期望炉膛 温度用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量 控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料油抑制燃料油 流量的扰动流量的扰动方案三：方案三：加热炉出口温度与燃料流量的串级控制加热炉出口温度与燃料流量的串级控制同样：同样：加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以加热炉出口温度与炉膛温度的串级控
4、制可以抑制燃料油抑制燃料油流量的扰动和热值扰动。流量的扰动和热值扰动。串级控制系统：串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个执就是由两个调节器串联在一起，控制一个执行阀，实现定值控制的控制系统。行阀，实现定值控制的控制系统。串级控制系统中常见的名词术语：串级控制系统中常见的名词术语：温度温度- -流量串级控制系统的方框图如下：流量串级控制系统的方框图如下：主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、 副检测变送器，主、副回路。副检测变送器，主、副回路。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。作用在主、副对象上的干扰分别为
5、一、二次干扰。串级控制系统的通用方框图 ：二、串级控制系统的工作过程（参见二、串级控制系统的工作过程（参见P198P198）仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度- -流量串级控流量串级控 制系统克服干扰的过程。制系统克服干扰的过程。调节阀：调节阀：气开式气开式 温度调节器、流量调节器：温度调节器、流量调节器：反作用反作用内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。情况一：干扰来自燃料油流量的变化 初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流
6、量控 制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改 变执行阀的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。变执行阀的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。 当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器 的设定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进的设定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进 行控制，直到炉出口温度重新恢复到设定值行控制，直到炉出口温度重新恢复到设定值 。 先副回路， 后主回 路 情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升 高 出口温度出口温度
7、 温度控制器输出温度控制器输出 流量控制器设定值流量控制器设定值 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。情况三：一次干扰和二次干扰同时存 在 主、副变量同向变化主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化，使得 炉出口温度很快恢复到设定值。 主、副变量反向变化两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回路控制系统。返 回1 1、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰串串级控制系统方框图如下：级控制系统方框图如下
8、：6.2 串级控制系统的特点输出对于输入的传递函数：输出对于输入的传递函数：输出对于二次扰动的传递函数：输出对于二次扰动的传递函数：单回路控制系统方框图如下：单回路控制系统方框图如下：即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统（即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统（ 约约1010100100倍）。倍）。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。2 2、提高了系统的工作频率、提高了系统的工作频率双容对象的单回路控制系统如下图所示：双容对象的单回路控制系统如下图所示：其特征方程式为：其特征方程式为：阻尼振荡频率
9、为：阻尼振荡频率为：自然振 荡频率阻尼比双容对象的串级控制系统如下图所示：双容对象的串级控制系统如下图所示：串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间，减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间，提高了系统的快速性。提高了系统的快速性。同理可得：同理可得：3 3、减小了对象的时间常数、减小了对象的时间常数由由特点特点2 2可知副回路的传递函数：可知副回路的传递函数：式中：式中：等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数
10、，意味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度更快。更快。4、对负荷变化有一定的适应能 力无串级时，开环传函 ：有串级时，开环传函 ：所以，串级控制可以减小或消除副对象的非线性 。返 回某控制系统方框图如下 ：与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映 生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求的生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求的 参数作为主变量。参数作为主变量。一、主变量的选择一、主变量的选择二、副变量的选择二、副变量的选择选择原则：选
11、择原则： （1 1）在保证副回路时间常数较）在保证副回路时间常数较小的前提下，使其纳入主小的前提下，使其纳入主要的和更多的干扰要的和更多的干扰副回路包含的干扰越多，副回路包含的干扰越多， 其通道越长，克服干扰的灵敏其通道越长，克服干扰的灵敏 度越低。度越低。6.3 串级控制系统的设计（2 2）应使主、副对象的时间常数匹配）应使主、副对象的时间常数匹配副回路工作频率副回路工作频率为确保串联系统不产生共振，一般取为确保串联系统不产生共振，一般取主回路工作频率主回路工作频率（3 3）应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性）应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性三、主、副控制器的选择三、主、副控制器的选择
12、（1 1）控制规律的选择）控制规律的选择主控制器：主控制器：一般用一般用 P P 精度要求较高精度要求较高 PIPI主对象滞后较大主对象滞后较大 PIDPID副控制器：副控制器：一般用一般用 P P 精度要求较高，副对象时间精度要求较高，副对象时间 常数过小常数过小 PIPI（2 2）控制器正反作用方式的选择）控制器正反作用方式的选择“先副后主先副后主”l l 将副回路看作是一个设定值不变的单回路，用与单回路将副回路看作是一个设定值不变的单回路，用与单回路 中确定调节器正反作用同样的方法进行确定；中确定调节器正反作用同样的方法进行确定；l l 将副回路当作一个正环节，对主回路进行考虑，方法同将
13、副回路当作一个正环节，对主回路进行考虑，方法同 上。上。气开式气开式反作用反作用反作用反作用返回副回路：是一个随动系统，一般对其控制品质要求不高，对 其快速性要求较高。主回路：是一个定值控制系统，其控制品质和单回路控制系 统一样。参数整定的方法：逐步逼近法两步整定法一步整定法自学 P211-2166.4 串级控制系统的参数整 定返 回1 1、应、应用于容量滞后较大的过程用于容量滞后较大的过程设计指导思想：设计指导思想：如果用单回路控制系统能够满足控制性能要如果用单回路控制系统能够满足控制性能要 求，就不用串级控制等复杂控制系统。求，就不用串级控制等复杂控制系统。温度温度、质量质量等等容量滞后较
14、大且容量滞后较大且控制质量要求较高控制质量要求较高的系统的系统例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统原料油热值变化引起炉膛温度变化只需原料油热值变化引起炉膛温度变化只需3 3分钟分钟6.5 串级控制系统的工业应 用2 2、应、应用于纯延时较大的过程用于纯延时较大的过程当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能 指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较 小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。小的地方选择一个副参数，把干扰纳入
15、副回路中。例：网前箱温度例：网前箱温度- -温度串级控制系统温度串级控制系统要求：要求：单回路控制：单回路控制：串级控制：串级控制：3 3、应、应用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统要求：要求：单回路控制：单回路控制：串级控制：串级控制：4 4、应、应用于非线性过程用于非线性过程对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时，对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时， 会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。例：合成反应炉中部
16、温度与进气口温度的串级控制系统例：合成反应炉中部温度与进气口温度的串级控制系统非线性设备非线性设备5 5、自校正设定值、自校正设定值串级控制系统中，副控制器的设定值是由主控制器的输出串级控制系统中，副控制器的设定值是由主控制器的输出 来决定的，而主控制器的输出又是随主变量的变化而产生的来决定的，而主控制器的输出又是随主变量的变化而产生的 。因此，凡是被控量的设定值需要随另一被控量的变化而变。因此，凡是被控量的设定值需要随另一被控量的变化而变 化时，都可用串级控制系统来实现。化时，都可用串级控制系统来实现。例：进加料器的一次风压力与一次风流量的串级控制系统例：进加料器的一次风压力与一次风流量的串级控制系统注意：注意：此系统对主变量此系统对主变量 的要求并不严格，的要求并不严格， 而主要希望副变量而主要希望副变量 能够迅速地
