第三章串级控制系统 过程控制系统课件

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1、第 3 章 串级控制系统内容提要本章讲述以提高系统控制质量为目的的串级 控制系统。主要介绍了串级控制系统的组成原理 与结构，系统特点，应用范围、串级控制方案的 设计原则，最后介绍了串级控制系统的投运步骤 和参数整定方法。第 3 章 串级控制系统简单控制系统由于结构简单而得到广泛的应用，其数 量占所有控制系统总数的80%以上，在绝大多数场合下已能 满足生产要求。但随着科技的发展，新工艺、新设备的出 现，生产过程的大型化和复杂化，必然导致对操作条件的 要求更加严格，变量之间的关系更加复杂。同时，现代化 生产往往对产品的质量提出更高的要求（例如，造纸过程 中纸页定量偏差1%以下，甲醇精馏塔的温度偏离

2、不允许超 过1，石油裂解气的深冷分离中，乙烯纯度要求达到 99.99%等），此外，生产过程中的某些特殊要求（如物料 配比问题、前后生产工序协调问题、为了安全而采取的软 保护问题、管理与控制一体化问题等）的解决都是简单控 制系统所不能胜任的，因此，相应地就出现了复杂控制系 统。在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环节或其他环 节的控制系统统称为复杂控制系统。复杂控制系统的种类 较多，按其所满足的控制要求可分为两大类：第 3 章 串级控制系统（1）以提高系统控制质量为目的的复杂控制 系统，主要有串级和前馈控制系统；（2）满足某些特定要求的控制系统，主要 有比值、均匀、分程、选择性等。本章将重点介绍

3、串级控制系统。串级控制系 统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，它 对改善控制品质有独到之处。当过程的容量滞 后较大，负荷或扰动变化比较剧烈、比较频繁 ，或者工艺对生产质量提出的要求很高，采用 简单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串 级控制系统。本章将对串级控制系统的组成、特点、应用 范围、设计和投运等问题进行讨论。第 3 章 串级控制系统 3.1 基本原理和结构3.1.1 串级控制系统的组成原理为了认识串级控制系统，这里先举一个实际例子。管式加热炉是工业生产中常用的设备之一。工艺要求被加热物料 （原油）的温度为某一定值，将该温度控制好，一方面可延长炉子的 寿命，防止炉管烧坏；另一方面可保证

4、后面精馏分离的质量。为了控 制原油的出口温度，我们会很自然地依据简单控制系统的方案设计原 则，考虑选取加热炉的出口温度为被控变量，加热燃料量为操纵变量 ，构成如图3.1（a）所示的简单控制系统，根据原油出口温度的变化 来控制燃料控制阀的开度，即通过改变燃料量来维持原油出口温度， 使其保持在工艺所规定的数值上。初看起来，上述控制方案的构成是可行的、合理的，它将所有对 温度的扰动因素都包括在控制回路之中，只要扰动导致温度发生了变 化，控制器就可通过改变控制阀的开度来改变燃料油的流量，把变化 了的温度重新调回到设定值。但在实际生产过程中，特别是当加热炉 的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，上述简

5、单控制系统的控 制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要 求。第 3 章 串级控制系统控制失败的原因在于，当燃料压力或燃料本身的热值变化后 ，先影响炉膛温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出 口温度，这个通道的容量滞后很大，时间常数约15 min左右，反 应缓慢，而温度控制器T1C是根据原料油的出口温度与设定值的 偏差工作的。所以当扰动作用在过程后，并不能较快地产生控制 作用以克服扰动对被控变量的影响。由于控制不及时，所以控制 质量很差。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时，上述简 单控制系统是难以满足要求的。为了解决容量滞后问题，还需对 加热炉的工艺做进一步分析。

6、管式加热炉内是一根很长的受热管道，它的热负荷很大。燃 料在炉膛燃烧后，是通过炉膛温度与原料油的温差将热量传递给 原料油的。燃料量的变化或燃料热值的变化，首先使炉膛温度发 生变化。因此，为减小控制通道的时间常数，选择炉膛温度为被 控变量，燃料量为操纵变量，设计如图3.1（b）所示的简单控制 系统，以维持炉出口温度的稳定要求。该系统的特点是对于包含 在控制回路中的燃料油压力及热值的波动 、烟囱抽力的波 动 等均能及时有效地克服。但是，因来自于原料油方面的 进口温度及流量波动等扰动 未包括在该系统内，故系统不 能克服扰动 对炉出口温度的影响。实际运行表明，该系统 仍然不能达到生产工艺要求。第 3 章

7、 串级控制系统（a）出口温度控制系统 （b）炉膛温度控制系统图3.1 加热炉温度简单控制系统综上分析，为了解决管式加热炉的原料油出口温度的控制问 题，人们在生产实践中，往往根据炉膛温度的变化，先改变燃料 量，然后再根据原料油出口温度与其设定值之差，进一步改变燃 料量，以保持原料油出口温度的恒定。模仿这样的人工操作程序 就构成了以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛 温度的串级控制系统，如图3.2所示。该串级控制系统的方框图 如图3.3所示。第 3 章 串级控制系统由图3.2或图3.3可以看出，在这 个控制系统中，有两个控制器 和 ，它们分别接收来自对象不 同部位的测量信号，其中一个控

8、制 器 的输出作为另一个控制器 的设定值，而后者的输出去控制控 制阀以改变操纵变量。从系统的结 构来看，这两个控制器是串接工作 的。图3.2 加热炉出口温度与炉 膛温度串级控制系统图3.3 加热炉温度串级控制系统方框图第 3 章 串级控制系统3.1.2 串级控制系统的结构1方框图串级控制系统是一种常用的复杂控制系统，它是根据系统结构 命名的。串级控制系统由两个控制器串联连接组成，其中一个控制器 的输出作为另一个控制器的设定值。如图3.4所示，为串级控制系统的通用原理方框图。由该图可以 看出，串级控制系统在结构上具有以下特征：（1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象；（2）以连接分解后的两个被

9、控对象的中间变量为副被控变量，构 成一个简单控制系统，称为副控制系统、副回路或副环；（3）以原对象的输出信号（即分解后的第二个被控对象的输出信 号）为主被控变量，构成一个控制系统，称为主控制系统、主回路或 主环；（4）主控制系统中控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设 定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号；（5）主回路是定值控制系统。对主控制器的输出而言，副回路是 随动控制系统；对进入副回路的扰动而言，副回路是定值控制系统。第 3 章 串级控制系统图3.4 串级控制系统的通用原理方框图2串级控制系统的名词术语为了便于分析问题，下面介绍串级控制系统常用的名词术语。（1）主被控变量

10、。主被控变量是生产过程中的工艺控制指标，在串 级控制系统中起主导作用，简称主变量。如上例中的原料油出口温度 。（2）副被控变量。串级控制系统中为了稳定主被控变量而引入的中间 辅助变量，简称副变量。如上例中的炉膛温度 。（3）主对象（主过程）。主对象是生产过程中所要控制的、为主变量 表征其特性的生产设备。其输入量为副变量，输出量为主变量，它表示主 变量与副变量之间的通道特性。如上例中原料油的炉内受热管道。第 3 章 串级控制系统（4）副对象（副过程）。副对象是为副变量表征其特性的生产 设备。其输入量为操纵量，输出量为副变量，它表示副变量与操纵 变量之间的通道特性。在上例中主要指燃料油燃烧装置及炉

11、膛部分 。（5）主控制器。主控制器按主变量的测量值与设定值的偏差而 工作，其输出作为副变量设定值。如上例中的出口温度控制器 。（6）副控制器。副控制器的设定值来自主控制器的输出，并按 副变量的测量值与设定值的偏差进行工作，其输出直接去操纵控制 阀。如上例中的炉膛温度控制器 。（7）主设定值。主设定值是主变量的期望值，由主控制器内部 设定。（8）副设定值。副设定值是指由主控制器的输出信号提供的、 副控制器的设定值。（9）主测量值。主测量值是由主测量变送器测得的主变量的值 。（10）副测量值。副测量值是由副测量变送器测得的副变量的值 。（11）副回路。处于串级控制系统内部的，由副控制器、控制阀 、

12、副对象和副测量变送器组成的闭合回路称为副回路，又称内回路 ，简称副环或内环（见图3.4中虚线框内部分所示）。 第 3 章 串级控制系统（12）主回路。由主控制器、副回路、主对象和主测量变送器组成的闭合回路称为主回路。主回路为包括副回路 的整个控制系统，又称外回路，简称主环或外环。（13）一次扰动。一次扰动指作用在主对象上、不包含在副回路内的扰动。如上例中被加热物料的流量和初温变 化 。（14）二次扰动。二次扰动指作用在副对象上，即包含在副回路内的扰动。如上例中燃料方面的扰动 和烟囱 抽力的变化 。一般来说，主控制器的设定值是由工艺规定的，它是一 个定值，因此，主环是一个定值控制系统。而副控制器

13、的 设定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出的 变化而变化，因此，副回路是一个随动控制系统。第 3 章 串级控制系统3.1.3 串级控制系统的控制过程仍以管式加热炉为例，来说明串级控制系统是如何有效地克 服被控对象的容量滞后而提高控制质量的。对于图3.2所示的加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统，为了便于分析，先假定已 根据工艺的实际情况选定控制阀为气开式，断起时关闭控制阀， 以防止炉管烧坏而酿成事故。温度控制器 和 都采用反 作用方式（控制阀气开、气关形式的选择原则与简单控制系统时 相同，主、副控制器的正、反作用方式的选择原则留待下面再介 绍），并且假定系统在扰动作用之前处于稳定的“

14、平衡”状态，即此时被加热物料的流量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟 囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处在相对平衡状态，燃 料控制阀也相应地保持在一定的开度上，此时炉出口温度稳定在 设定值上。当某一时刻系统中突然引进了某个扰动时，系统的稳定状态 就遭到破坏，串级控制系统便开始了其控制过程。下面针对不同 的扰动情况来分析该系统的工作过程。第 3 章 串级控制系统1当只有二次扰动作用时进入副回路的二次扰动有来自燃料热值的变化、压力的波动 和 烟囱抽力的变化 。扰动 和 先影响炉膛温度，使副控制器产生偏差，于是副控 制器的输出立即开始变化，去调整控制阀的开度以改变燃料流量，克服上 述扰动对炉膛

15、温度的影响。在扰动不太大的情况下，由于副回路的控制速 度比较快，及时校正了扰动对炉膛温度的影响，可使该类扰动对加热炉出 口温度几乎无影响；当扰动的幅值较大时，经过副回路的及时校正也可使 其对加热炉出口温度的影响比无副回路时大大减弱，再经主回路进一步控 制，使炉出口温度及时调回到设定值上来。可见，由于副回路的作用，控 制作用变得更快、更强。读者可自行分析当燃料压力升高时串级控制系统的控制过程。2当只有一次扰动作用时一次扰动主要有来自被加热物料的流量波动和初温变化 。一次扰动直接作用于主过程，首先使炉出口温度发生变化，副回路无法 对其实施及时的校正，但主控制器立即开始动作，通过主控制器输出的变 化去改变副回路的设定值，再通过副回路的控制作用去及时改变燃料量以 克服扰动 对炉出口温度的影响。在这种情况下，副回路的存在仍可 加快主回路的控制速度，使一次扰动对炉出口温度的影响比简单控制（无 副回路）时要小。这表明，当扰动作用于主对象时，串级控制系统也能有 效地予以克服。读者可自行分析当被加热物料流量增大时串级控制系统的控制过程。第 3 章 串级控制系统3当一次扰动和二次扰动同时作用时当作用在主、副对象上的一、二次扰动同时出现时，两 者对主、副变量的影响又可分为同向和异向两种情况。（1）一、二次扰动同向作用时。