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1、1,第六章 常用高性能过程控制系统,魏 莉 机电工程学院测控系,2,第一节 串级控制系统,一.串级控制系统的基本概念,化学反应釜单回路控制,3,被控过程有三个热容:夹套冷却水,釜壁,物料,干扰F1 :进料流量,进料温度,进料化学成分干扰F2 :冷却水温度,阀前压力,4,化学反应釜温度与夹套温度串级控制,F2干扰由T2T测出并及时反馈T2C，T1的变化由T1T测出,并与设定值T1r比较,其结果作为T2C的给定值。即两个调节器串联在一起工作,各自完成不同任务。,5,反应釜的,温度控制,夹套温度到被控,变量,的设备,从冷水量到夹套,温度,的设备,出口温度,夹套温度,出口温度,冷却水,冷却水,被控对象
2、,1,被控对象,2,6,串级控制系统在结构上有两个闭环,其中副环的输出直接送往调节阀直接控制生产过程,串级控制系统比单回路控制系统多了一个测量变送器和一个调节器,增加的仪表不算多,但控制效果却得到显著改善串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了广泛地应用。,串级控制系统框图,7,二.串级控制系统的控制效果分析,8,1.能迅速克服进入副回路的干扰,抗干扰能力强,控制质量高,9,10,1式越接近 “1”,系统控制性能越好,2式越接近“0”,系统抗干扰能力越强,11,12,Y1(S)/X1(S),Y1(S)/F2(S),= KC KV,(2),比较(1)(2)式,一般有KC1KC
3、2 KC，也就是说,串级控制系统能迅速克服进入副回路的二次干扰,大大减小二次干扰对主参数的影响,副回路也使总放大系数提高了,提高了信噪比,Y1(S)/X1(S),Y1(S)/ F2(S),=KC1KC2KV,(1),串级控制,单回路控制,13,2.改善过程的动态特性,提高系统的工作频率,14,其中,由于副回路的存在，改善了系统的动态特性，等效过程的时间常数缩小了1+KC2KVKm2K02倍，对于单容或双容副被控过程，KC2可取较大数值，则可使T02减小为一个很小数值，加快副回路响应速度,提高整个系统的工作频率,15,串级控制系统特征方程 1+GC1(S)G02(S)G01(S)Gm1(S) =
4、 0,则 1+KC1K02K01Km1/(T02S+1)(T01S+1)=0,S2+20S+02 = 0,16,单回路控制系统特征方程,1+GC(S)GV(S)G02(S)G01(S)Gm1(S)=0,17,由于生产过程的非线性，在一定的负荷下，也就是说在确定的工作点情况下，按一定控制质量指标整定的调节器参数只适应于工作点附近的小范围，若负荷变化过大超出此范围，控制质量就下降。,3.对负荷和操作条件的变化适应性强,串级控制系统可以大大提高控制质量！,18,对很多温度或质量指标为被控参数的过程,其容量滞后往往比较大,对控制质量要求又比较高,宜采用串级控制系统。,三.串级控制系统的应用范围,1 应
5、用于容量滞后较大的过程,如加热炉温度串级控制系统,为保T1为一定值,选燃料流量为调节参数,但炉子时常和容滞大干扰较多,又选时滞较小的炉膛温度为副参数,构成出口温度对炉膛温度的的串级控制系统,用副回路的快速反应,有效提高控制质量,满足工艺上的高要求。,19,纺丝胶液压力与压力串级控制,由于从压力泵到过滤器前距离较长,胶液粘度又大,纯时延较长。为保证P1为250Kpa,在靠近压力泵出口选一测压副参数,构成压力与压力的串级控制系统,一般选的副参数时延要小。,2 应用于纯时延较大的过程,20,锅炉三冲量液位串级控制,3 应用于干扰变化激烈且幅度大的过程,工业生产过程中，用水和用汽场合很多，蒸汽流量和水
6、压变化既频繁激烈又幅度大，汽包容量又小，故汽包液位很重要，常以蒸汽流量和水流量综合作用作为副回路测量值，同液位一起成串级控制系统，即所谓的三冲量液位串级控制系统。它把多冲量与串级控制结合起来，比一般三冲量控制系统对液位有更强的控制调节能力。,串级控制系统的副回路对于进入其中的干扰有强的克服能力，所以设计时，要将幅度大变化剧烈的干扰包在副回路中，减少对主参数影响。,21,一线温度与塔顶温度串级控制,两个互相关联的参数需要用同一个介质控制，如上常压塔塔顶出口温度和一线温度都由回流量来控制,4 应用于参数互相关联的过程,22,合成反应器温度串级控制系统,5 应用于非线性过程,换热器有较大非线性,当负
7、荷或操作条件变化时,要想保持系统原有衰减率不变,必须不断改变调节器的整定参数,显然不可能,现以反应器中部温度为主被控参数,换热器出口温度为副被控参数,在副回路中包括了非线性特性的主要部分,可根据负荷和操作条件的变化,自动调整副调节器的给定值,使系统运行在新工作点,使主被控参数保持平稳。,23,（1）副参数必须是物理上可测的， 副回路的时间常数不能太大， 调节通道尽可能短，时间滞后小,（2）副回路应包含变化剧烈频繁幅度 大主要干扰,但包含干扰不宜太多,四.串级控制系统的设计,1 副回路的设计与副参数的选择,24,原料油出口温度与燃油阀后压力串级控制适合于燃油压力是主要干扰,原料油出口温度与炉膛温
8、度串级控制,适用燃料油压力稳定,但粘度成份热值波动场合,25,(3)副参数的选择应使主副被 控过程的时间常数适当匹配,当主副被控过程都用一阶惯性环节描述,且保证串级与单回路衰减系数相同时,前已得到:,设(1+KC2KVKm2K02)=10 作出下图:,由图可见:串级相对于单回路,其工作频率的增长在T01/T02较小时较为明显;另外,若副过程的时间常数太小,则包含干扰少,要合适,一般振荡频率主/ 副3,26,(4)副参数的选择应考虑 工艺的合理性和经济性,冷却器温度串级控制两种方案,冷却液位为副参数该方案投资少，适用于温度控制要求不太高的场合,冷剂蒸发压力为副参数，投资多,但副回路灵敏度高温度控
9、制质量高,27,串级控制中,主副调节起作用不同,主调节器起定值控制作用,副调节器起随动控制作用,这是选择调节规律的基本出发点。,主被控参数是控制的主要指标,要求无静差,主调节器应选PI或PID,副被控参数的设置是为了保证主参数的控制质量,允许在一定范围内变化,允许有静差,只要选P控制规律就可以了,一般不引入I,因I会延长控制过程,减弱其快速作用,但选流量为副参数时,为保持系统稳定,比例控制要偏弱,在这种情况下,可以引入I.采用PI控制规律,增强控制作用,副调节器不引入D控制,这样会使调节阀动作过大,对控制不利,2 主、副调节器调节规律的选择,28,选择方法,(1)由工艺要求决定调节阀的开或关形
10、式,(2)决定副调节器的正或反作用,(3)由主副参数关系决定主调节器的正或反作用,主副调节器正反作用方式的选择是使整个系统为负反馈,主通道各环节放大系数乘积的极性必须为正,3 主副调节器正反作用方式的确定,29,工艺安全:燃料油阀用气开,KV为正,阀开大，炉膛温度升高,则K02为正,为保证副回路为负反馈,KC2应为正即为反作用调节器,炉膛温度升高,出口温度也升高,则K01也为正,为保证整个回路为负反馈KC1应为正,为反作用调节器,30,调节器正反作用选择的各种情况表:,31,串级比单回路控制系统的参数整定要复杂,一般尽量加大副调节器的增益以提高副环的工作频率,使主副工作频率错开,减少相互影响。
11、,五.串级控制系统的参数整定,32,1. 逐步逼近法(1)先不考虑主回路,先整定副调节器参数,用任一种单回路方法求得副调节器参数GC21,(2)将副回路等效为一个环节,用任一种单回路方法求得主调节器参数GC11,(3)按上述结果,将主回路闭合,再求取副调节器参数GC22,完成一次循环观察系统在GC11和GC22作用下的控制曲线,如不满足要求,继续上述方法,直到获得控制过程质量指标的调节参数为止,33,2. 两步整定法(1)工况稳定,主副回路闭合情况下,主调为纯比例运行,1=100%用4:1衰减法整定副调节器参数,求得比例度2和操作周期T2,(2)将副回路等效为一个环节,用相同方法求得主调的1和
12、操作周期T1,根据2, T2, 1, T1按经验公式求主副调节器的比例度,积分时间和微分时间,再按先副后主先比例后积分再微分的次序投入运行,观察曲线,必要时调整参数,此法适于T01/T02在3-10范围内,这时主副工作频率和操作周期相差较大动态联系小，因此，副调节器参数整定好以后，可把副回路作为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器的参数，而不必考虑主调节器参数变化对副回路的影响,34,3 一步整定法,根据副过程的特性或经验先确定副调节器的参数,然后再按单回路控制系统的方法整定主调节器的参数,在过程特性不变的条件下,主副调节器的放大系数在一定范围内可以任意匹配,在0KC1KC20
13、.5的条件下, KC1KC2=KS(为系统在纯比例作用下产生4:1衰减过程的总放大系数,当主、副过程的特性一定时, KS为一常数）,(1)纯比例作用,由KC1KC20.5确定KC2 ,设置在副调节器上,(2)按单回路控制系统的衰减曲线法,整定主调节器的参数,(3)观察控制过程,根据KC1和KC2互相匹配的原理,调整调节 器的参数,使主被控参数满足工艺要求,35,4 应用举例,硝酸生产过程中,有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统,炉温为主被控参数,要求高;氨气流量为副参数,允许在一定范围内变化.主调节器采用PI控制规律，副调节器采用P控制规律，用两步整定法整定主副调节器的参数,36,解：（1
14、）在工况稳定运行的情况下，主副调节器均置于纯 比例作用主调节器的比例度1置于100%，用4:1衰减曲线法整定副调节器参数，得2S = 32%,T2S = 15S,（2）将副调节器的比例度置于32%，用相同的方法，将主调节器的比例度由大到小逐渐调节，求得1=50%，T1S=7min,（3）由上述求得的参数，运用4：1衰减曲线法计算公式，计算出： 主调节器（温度调节器）： 比例度：1=1.21S=1.250%=60% 积分时间：T1=0.5T1S=3.5min 副调节器（流量调节器）： 比例度：2=2S=32%,37,4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零5、分别将副、主控制器切入自动,1
15、、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器 外给定，正反作用正确，PID参数正确,2、副控制器手动操作,3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数 变化也比较平稳,投运步骤,38,第二节 前馈控制系统,反馈控制的局限性,理想的过程控制要求被控参数在过程特性呈现大的容量滞后和大的纯滞后和多干扰的情况下，持续保持在工艺要求的数值上，但反馈控制永远不能实现这种理想控制，因为调节器只有在输入被控参数与给定值之差后才发出控制指令，即系统在控制过程中必存在偏差，有缺点,一.前馈控制的基本概念,39,前馈控制又称干扰补偿,是按照引起被控参数变化的干扰大小进行控制的,当干扰刚出现又能测量出时,调
16、节器就发出调节信号使调节参数作响应变化,二者相互抵消于被控参数发生偏差之前,也就是说,前馈调节对干扰克服比反馈调节要快,40,引起出口温度变化的干扰有冷物料的流量与初温,蒸汽压力等,但最主要的是流量Q,在Q发生变化时,反馈控制:待T变化后开始动作调节阀改变流量,经换热器的惯性使出口温度变化,反映出调节效果使出口温度产生较大的动态偏差,前馈控制:直接根据冷物料流量的变化由一个前馈调节器FC立即控制调节阀,在出口温度未变化前,及时对Q的干扰进行补偿,构成前馈控制,41,前馈控制系统框图,干扰F(S)到被控量Y(S)有两个通道:干扰通道GF(S)产生干扰作用,和经测量仪表GH(S)及前馈控制器GB(S)产生控制作用,对输出的作用相反,
