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1、过程控制技术,第十七讲 串级控制系统（三）,化学工业出版社 ,5 复杂控制系统,5.1.5 系统设计 主、副被控变量的选择 主被控变量的选择与简单控制系统相同。副被控变量的选择必须保证它是操纵变量到主被控变量这个控制通道中的一个适当的中间变量。这是串级控制系统设计的关键问题。副被控变量的选择还要考虑以下几个因素。,5 复杂控制系统, 使主要扰动作用在副对象上，这样副回路能更快更好地克服扰动，副回路的作用才能得以发挥。如在加热炉温度温度控制系统中，炉膛温度作为副被控变量，就能较好地克服燃料热值等扰动的影响。但如果燃料油压力是主要扰动，则应采用燃料油压力作为副被控变量，可以更及时地克服扰动，如图5
2、-10所示。这时副对象仅仅是一段管道，时间常数很小，控制作用很及时。,图5-10,5 复杂控制系统, 使副对象包含适当多的扰动，实际上是副被控变量选择的问题。副被控变量越靠近主被控变量，它包含的扰动量越多，但同时通道变长，滞后增加；副被控变量越靠近操纵变量，它包含的扰动越少，通道越短。因此，要选择一个适当位置，使副对象在包含主要扰动的同时，能包含适当对的扰动，从而使副环的控制作用得以更好地发挥。,5 复杂控制系统, 主、副对象的时间常数不能太接近。通常、副对象的时间常数小于主对象的时间常数。这是因为如果副对象时间常数很小，说明副被控变量的位置很靠近主被控变量。两个变量几乎同时变化，失去设置副环
3、的意义。,5 复杂控制系统,如果两个对象时间常数基本相等，由于主、副回路是密切相关的，系统可能出现“共振”，使系统控制质量下降甚至出现不稳定的问题。 因此，通常使副对象的时间常数明显小于主对象的时间常数。,5 复杂控制系统,（2） 主、副控制器控制规律的选择 在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的。主控制器起定值控制作用。副控制器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。,5 复杂控制系统,主变量是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副变量的设置是为了保证主变量的控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副控制
4、器只要选P制规律就可以了。一般不引入积分控制规律，因为副变量允许有余差，而且副控制器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。,5 复杂控制系统,但是，在选择流量为副被控变量时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样，比例控制作用偏弱，为此引入积分作用，采用PI控制规律。此时引入积分作用的主要目的不是清除余差，而是增强控制作用。副控制器一般也不引入微分控制规律，副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使控制阀动作过大，对控制不利。,5 复杂控制系统,主、副控制器正、反作用方式的选择 为了满足生产工艺指标的要求，为了确保串级控制系统的正常运行，主
5、、副控制器正、反作用方式必须正确选择。在具体选择时，是在控制阀气开、气关形式已经选定的基础上进行的。首先根据工艺生产安全等原则选择控制阀的气开、气关形式；然后根据生产工艺条件和控制阀形式确定副控制器的正、反作用方式；最后再根据主、副变量的关系，决定主调节器的正、反作用方式。,5 复杂控制系统,串级控制系统主、副控制器正、反作用方式确定是否正确，可做如下校验：当炉出口温度升高时，主控制器输出减小，即副控制器的设定值减小，因此，副控制器输出减小，使调节阀开度减小。这样，进入管式加热炉的燃料油减小，从而使炉膛温度和炉出口温度降低 图5-10精馏塔塔釜温度串级控制系统5-10 精馏塔塔釜温度-流量串级
6、控制系统由此可见，主、副控制器正、反作用方式是正确的。,5 复杂控制系统,5.1.6系统实施 当串级控制系统方案确定以后，由工艺条件和操作指标，选择实施方案的仪表后，可以设计串级控制系统的控制接线图。下面就常见的用DDZ-单元组合仪表组成的温度和流量的串级控制系统为例进行说明。图5-11是控制方案。图5-12是该控制系统的信号连接示意图。,5 复杂控制系统,当组成安全火花型控制系统，采用下述仪表。 铂热点组、分度号为Pt100；测温范围为50-100。 热电阻温度变送器，DBW4240/B（ib）,Pt100,测温范围为50-100（应和一次元件相配套），现场安装式。,5 复杂控制系统,5 复
7、杂控制系统,温度记录仪，双笔记录仪FH-9900，输入1-5V DC，温度标尺50-100，流量标尺根据流量数据确定。 主控制器采用温度控制器DTZ-2100S，PID调节规律，反作用，内给定。 标准孔板由蒸汽流量数据而定。 电容式差压变送器，CECC-XXX、差压值和孔板数据相配套。 电动开方器DJK-1000 副控制器DTZ-2100S,P或者PI调节规律，外设定，反作用。 电气阀门定位器。 气动薄膜控制阀，气开阀。,5 复杂控制系统,5.1.7串级控制系统的投运 选用不同类型的仪表组成的串级系统，投运方法也有所不同，但是多遵循的原则基本上都是相同的。其一是投运顺序，一般都采用“先投副环，
8、后投主环”的投运顺序；其二是投运过程必须保证无扰动切换，这一点可以由控制器自动完成。,5 复杂控制系统,由电动型仪表组成的串级系统投运工作步骤如下：将主控制器设定值设置好，主调节器设置为内给定，副控制器设定为外给定，在将主、副控制器正反作用置于正确位置。在副控制器处于手动状态下进行遥控，等待变量慢慢在设定值附近稳定下来。这时则可以按先副后主的顺序，依次将副控制器和主控制器切入自动，即完成了串级系统的投运工作，而且投运过程是无扰动的。,5 复杂控制系统,现以二步投运法为例介绍，说明操作过程，参阅图5-11串级控制系统信号连接示意图。 （1）将串级-主控开关K1X置位置“2”时，副控制器置内设定，
9、主控制器置内设定，主副控制器的“正”、“反”作用开关置正确位置；副控制器手、自动切换开关置软手操位置，用软手操操作按键改变控制器的输出,控制控制阀开闭以改变操纵变量,使副被控变量变化，最终使主被控变量接近，并最终等于工艺设定值。当整个生产过程较平稳，且扰动较少时，可设法使副控制器投入自动。因为副控制器置内给定，它投运的方法和简单控制系统相同，只要将“手、自动”切换开关由软手操切入自动，就实现了副环投自动。,5 复杂控制系统,（2）设法使主控制器置自动位置，由于主控制器采用了输出跟踪控制器，K1-1使主控制器的外部触点连接，副控制器的内设定信号送到主控制器，并令主控制器的输出自动跟踪副控制器的内
10、设定信号变化。因为只要将副控制器的内外设定开关由“内设定”切换至“外设定”，同时将串级主控开关K1由位置“2”切入位置“3”，就完成了串级控制系统中主调节投入自动的操作。,5 复杂控制系统,由于K1-1开关切入位置“3”，主控制器在自动状态时外部触点断开，和副控制器的内设定信号脱离跟踪关系，主控制器按预先设定的控制规律，输出控制信号，并作为副控制器的外设定，构成串级控制系统。 由于副控制器采用设定值跟踪的附加措施，在外设定工作状态时，其内设定自动跟踪外设定，需要将串级运行状态改变为副控制器闭环控制状态时，只要将副控制器的“外设定”开关切入“内设定”，不会影响副控制器的输出，为无扰动切换。,5
11、复杂控制系统,5.1.8 串级系统控制器参数整定 串级控制系统的方案正确设计后，为使系统运行在最佳状态，根据自动控制理论，系统必须进行校正，这在过程控制中称为参数整定。其实质是通过改变控制器的 PID 参数，来改善系统的静态和动态特性，以获得最佳的控制质量。,5 复杂控制系统,在整定串级控制系统控制器参数时，首先必须明确主、副回路的作用。以及主、副变量的控制要求，然后通过控制器参数整定，才能使系统运行在最佳状态 从整体上来看，串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主变量有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。但副回路是一个随动系统，只要求副变量能快速准确地跟随主控制器的输出变
12、化即可。,5 复杂控制系统,5.1.8.1 两步整定法 所谓两步整定法，就是第一步整定副控制器参数，第二步整定主控制器参数。 两步整定法的整定步骤：,5 复杂控制系统,（1） 在工况稳定、主回路闭合，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，主控制器的比例度置于 100% ，用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法整定，求取副控制器的比例度2S和操作周期T2S。 （2） 将副控制器的比例度置于所求的数值2S上，把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主控制器的比例度1S和操作周期T1S。,5 复杂控制系统,（3） 根据求得的1S、T1S，2S、T2S数值，按单回路系统衰减曲线法整定
13、公式计算主副控制器的比例度、积分时间TI和微分时间TD的数值。 （4） 按先副后主、先比例后积分最后微分的程序，设置主、副控制器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，知道系统质量到达最佳为止。,5 复杂控制系统,5.1.8.2 一步整定法 两步整定法虽然应用很广，但是，但采用两步整定法寻求两个41的衰减过程时，往往很花时间。经过大量实践，对两步整定法进行了简化，提出了一步整定法。实践证明，这种方法是可行的，尤其是对主变量要求高，而对副变量要求不严的串级控制系统，更为有效。,5 复杂控制系统,所谓一步整定法，就是根据经验先确定副控制器的参数，然后按单回路反馈控制系统的整定方法整定主控制
14、器的参数。 一步整定法的理论根据是：串级控制系统可以等价为单回路反馈控制系统，其等效控制器总的放大系数KC为主控制器的放大系数KC1与副回路等效放大系数K02的乘积，即 KC = KC1 K02 = KS,5 复杂控制系统,整定步骤： （1） 在生产稳定，系统为纯比例作用的情况下，有副过程 K02 确定副控制器的比例度2 ，并将其设置在副控制器上。 （2） 按照单回路控制系统的整定方法，整定主控制器参数。 （3） 观察控制过程，根据 KC1 与 KC2 互相匹配的原理，适当调整控制器参数，使主变量品质指标最佳。 （4） 在控制器参数的整定过程中 ，若出现“共振”，只要加大主、副控制器中任何一个控制器的参数 ，变可以消除“共振”。若“共振”剧烈 ，可以先切换至手动遥控 ，待生产稳定后，将控制器参数置于比产生“共振”时略大的数值上，重新整定控制器参数。,
