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1、宋彤过程控制工程宋彤过程控制工程3 3 串级控制系统串级控制系统3.1 3.1 串串串串级级控制系控制系控制系控制系统统构成及构成及构成及构成及动动作分析作分析作分析作分析3.1.1 3.1.1 构成构成构成构成例例例例1 1：管式加热炉例：管式加热炉例：管式加热炉例：管式加热炉例： 主要主要主要主要扰动扰动： 1 1) ) 原料原料原料原料方面的方面的方面的方面的扰动扰动（物料物料物料物料的流的流的流的流量和温度的量和温度的量和温度的量和温度的变变化）；化）；化）；化）；2 2) ) 燃料燃料燃料燃料方面的方面的方面的方面的扰动扰动（燃料流量燃料流量燃料流量燃料流量、压压力及力及力及力及热值
2、热值波波波波动动）；）；）；）；3 3) ) 燃燃燃燃烧烧条件方面的条件方面的条件方面的条件方面的扰动扰动（供供供供风风量、引量、引量、引量、引风风量、燃料量、燃料量、燃料量、燃料雾雾化化化化状状状状态态等等等等）。）。）。）。 操作及控制目的：操作及控制目的： 保保证原料出口温度及其原料出口温度及其稳定性定性（2）。）。系统控制图系统控制图方框图方框图串级控制系统一般方框图串级控制系统一般方框图3 3）串级控制主要参数及环节）串级控制主要参数及环节）串级控制主要参数及环节）串级控制主要参数及环节 a.a.主要变量主要变量主要变量主要变量主被控变量（主参数）主被控变量（主参数）主被控变量（主参
3、数）主被控变量（主参数） 工艺要求严格控制的系统变量。工艺要求严格控制的系统变量。工艺要求严格控制的系统变量。工艺要求严格控制的系统变量。 例如：例中精馏塔塔釜温度例如：例中精馏塔塔釜温度例如：例中精馏塔塔釜温度例如：例中精馏塔塔釜温度副被控变量（副参数）副被控变量（副参数）副被控变量（副参数）副被控变量（副参数） 为稳定主参数而设定的中间（辅助）被控变量。为稳定主参数而设定的中间（辅助）被控变量。为稳定主参数而设定的中间（辅助）被控变量。为稳定主参数而设定的中间（辅助）被控变量。 例如：例中精馏塔再沸器加热蒸汽压力。例如：例中精馏塔再沸器加热蒸汽压力。例如：例中精馏塔再沸器加热蒸汽压力。例如
4、：例中精馏塔再沸器加热蒸汽压力。b.b.构成单元环节构成单元环节构成单元环节构成单元环节被控对象被控对象被控对象被控对象l l主：反映主被控变量与副被控变量的通道关系特性，生主：反映主被控变量与副被控变量的通道关系特性，生主：反映主被控变量与副被控变量的通道关系特性，生主：反映主被控变量与副被控变量的通道关系特性，生 产中所控制的由主变量表征其特性的工艺设备。产中所控制的由主变量表征其特性的工艺设备。产中所控制的由主变量表征其特性的工艺设备。产中所控制的由主变量表征其特性的工艺设备。 如例中的精馏塔釜如例中的精馏塔釜如例中的精馏塔釜如例中的精馏塔釜l l副：反映副被控变量与操作变量的通道关系特
5、性，由副：反映副被控变量与操作变量的通道关系特性，由副：反映副被控变量与操作变量的通道关系特性，由副：反映副被控变量与操作变量的通道关系特性，由 副变量表征其特性的工艺设备。副变量表征其特性的工艺设备。副变量表征其特性的工艺设备。副变量表征其特性的工艺设备。 如例中的蒸气管道如例中的蒸气管道如例中的蒸气管道如例中的蒸气管道 控制器：控制器：控制器：控制器：l l主控制器：主控制器：主控制器：主控制器：接受主接受主接受主接受主测测量量量量变变送器来的主被控送器来的主被控送器来的主被控送器来的主被控变变量的信号，量的信号，量的信号，量的信号，输输出作出作出作出作为为副控副控副控副控制器的制器的制器
6、的制器的给给定。定。定。定。 如例中的温度控制器如例中的温度控制器如例中的温度控制器如例中的温度控制器l l副控制器：副控制器：副控制器：副控制器：接受副接受副接受副接受副测测量量量量变变送器来的副被控送器来的副被控送器来的副被控送器来的副被控变变量的信号，量的信号，量的信号，量的信号，输输出作出作出作出作为执为执行行行行器的控制信号。器的控制信号。器的控制信号。器的控制信号。 如例中的如例中的如例中的如例中的压压力控制器力控制器力控制器力控制器测量变送：测量变送：测量变送：测量变送：l l主测量变送：主测量变送：主测量变送：主测量变送：检测主参数状态，并将其变成标准信号送给主控制器。检测主参
7、数状态，并将其变成标准信号送给主控制器。检测主参数状态，并将其变成标准信号送给主控制器。检测主参数状态，并将其变成标准信号送给主控制器。 例中的温度变送器例中的温度变送器例中的温度变送器例中的温度变送器l l副测量变送：副测量变送：副测量变送：副测量变送：检测副参数状态，并将其变为标准信号送给副控制器。检测副参数状态，并将其变为标准信号送给副控制器。检测副参数状态，并将其变为标准信号送给副控制器。检测副参数状态，并将其变为标准信号送给副控制器。 例中的压力变送器例中的压力变送器例中的压力变送器例中的压力变送器 回路：回路：回路：回路：l l副回路：由副控制器、执行器、副对象构成的闭环系统副回路
8、：由副控制器、执行器、副对象构成的闭环系统副回路：由副控制器、执行器、副对象构成的闭环系统副回路：由副控制器、执行器、副对象构成的闭环系统 如图中的蒸汽压力控制回路如图中的蒸汽压力控制回路如图中的蒸汽压力控制回路如图中的蒸汽压力控制回路l l主回路：由主控制器、副回路、主对象构成的闭环系统主回路：由主控制器、副回路、主对象构成的闭环系统主回路：由主控制器、副回路、主对象构成的闭环系统主回路：由主控制器、副回路、主对象构成的闭环系统 如例中的温度控制回路如例中的温度控制回路如例中的温度控制回路如例中的温度控制回路c.c.回路动作特性回路动作特性l l主回路：定值控制主回路：定值控制主回路：定值控
9、制主回路：定值控制 给定值为常数给定值为常数给定值为常数给定值为常数 R R1 1(s)(s) =count =count l l副回路：随动控制副回路：随动控制副回路：随动控制副回路：随动控制 给定值是主控制器输出给定值是主控制器输出给定值是主控制器输出给定值是主控制器输出 R R2 2(s)=u(s)=u1 1(s)(s) 如图中压力控制器的给定值是温度控制器输出如图中压力控制器的给定值是温度控制器输出如图中压力控制器的给定值是温度控制器输出如图中压力控制器的给定值是温度控制器输出值，副参数跟随给定值值，副参数跟随给定值值，副参数跟随给定值值，副参数跟随给定值( (主控制器输出主控制器输出
10、主控制器输出主控制器输出) )变动而变动。变动而变动。变动而变动。变动而变动。R1(s)R2(s)3.1.2 精精馏塔塔釜温度串塔塔釜温度串级控制控制动作分析作分析1 1）系统设定）系统设定）系统设定）系统设定方块图方块图方块图方块图设定元件作用方式：设定元件作用方式： 温度对象：正作用（）温度对象：正作用（）压力对象：正作用（）压力对象：正作用（）调节阀门：气关阀（）调节阀门：气关阀（）(-)(+)(-)(+)(+)(+)(+)测量变送器：正作用（）测量变送器：正作用（）压力控制器：正作用（）压力控制器：正作用（）温度控制器：副作用（）温度控制器：副作用（）2 2）动作分析）动作分析）动作分
11、析）动作分析l l副环动作过程：副环动作过程：副环动作过程：副环动作过程：a.干扰进入副回路干扰进入副回路 f f2 P T l l主环动作过程：主环动作过程：主环动作过程：主环动作过程：b.干扰进入主回路干扰进入主回路干扰进入主回路干扰进入主回路 设定：设定： f1 T 动作过程：动作过程：动作过程：动作过程： f1副回路：依据主回路控制要求动作（随动控制）。副回路：依据主回路控制要求动作（随动控制）。c.干扰同时进入主、副回路干扰同时进入主、副回路干扰同时进入主、副回路干扰同时进入主、副回路设：同向干扰，设：同向干扰，设：同向干扰，设：同向干扰， f f1 1 T; T; f f2 2 P
12、 T P T动作过程：动作过程：动作过程：动作过程：f1f2设：反向干扰，设：反向干扰，设：反向干扰，设：反向干扰， f f1 1 T; T; f f2 2 P P 动作过程动作过程动作过程动作过程f2f13.2 串串级控制系控制系统特性分析特性分析3.2.1 3.2.1 应应用例用例用例用例氨氧化工氨氧化工氨氧化工氨氧化工艺艺1 1）基本状况：）基本状况：）基本状况：）基本状况：l l氧化反氧化反氧化反氧化反应应式：式：式：式： 4NH4NH3 3 + 5O + 5O2 2 = 4NO + 6H = 4NO + 6H2 2O + QO + Ql l控制要求：控制要求：控制要求：控制要求： 反
13、反反反应应塔内温度塔内温度塔内温度塔内温度误误差差差差为为 84058405。l l氨气流量的影响：氨气流量的影响：氨气流量的影响：氨气流量的影响： 氨气氨气氨气氨气变变化化化化1% 1% 温度温度温度温度变变化化化化 T=64T=642 2）控制方案）控制方案）控制方案）控制方案3 3）控制效果对比）控制效果对比）控制效果对比）控制效果对比l l单回路控制：控制通道过长，引起控制滞后，不能满足单回路控制：控制通道过长，引起控制滞后，不能满足单回路控制：控制通道过长，引起控制滞后，不能满足单回路控制：控制通道过长，引起控制滞后，不能满足控制要求（控制要求（控制要求（控制要求（1010）l l串
14、级控制：串级控制：串级控制：串级控制： 作为副环，引入氨气压力控制，缩短了控作为副环，引入氨气压力控制，缩短了控作为副环，引入氨气压力控制，缩短了控作为副环，引入氨气压力控制，缩短了控制通道（时间常数减小），减小了氨气压力对主参数温制通道（时间常数减小），减小了氨气压力对主参数温制通道（时间常数减小），减小了氨气压力对主参数温制通道（时间常数减小），减小了氨气压力对主参数温度的影响。可以满足控制要求。度的影响。可以满足控制要求。度的影响。可以满足控制要求。度的影响。可以满足控制要求。方框图等效变换方框图等效变换方框图等效变换方框图等效变换3.2.2 3.2.2 串级控制特性分析串级控制特性分析
15、串级控制特性分析串级控制特性分析1 1）对干扰的抑制力度）对干扰的抑制力度）对干扰的抑制力度）对干扰的抑制力度 串级控制方框图串级控制方框图串级控制方框图串级控制方框图l l与单回路控制的干扰影响之比为与单回路控制的干扰影响之比为与单回路控制的干扰影响之比为与单回路控制的干扰影响之比为结论：在串级控制中，由于副环的存在，使进入结论：在串级控制中，由于副环的存在，使进入结论：在串级控制中，由于副环的存在，使进入结论：在串级控制中，由于副环的存在，使进入副环的干扰对被控变量的影响大大降低。副环的干扰对被控变量的影响大大降低。副环的干扰对被控变量的影响大大降低。副环的干扰对被控变量的影响大大降低。单
16、回路系统方框图单回路系统方框图串级控制等效方框图串级控制等效方框图n n串级控制系统等效方框图串级控制系统等效方框图串级控制系统等效方框图串级控制系统等效方框图2）提高系统的工作频率）提高系统的工作频率n 等效副对象传递函数：等效副对象传递函数：令：令：令：令：GGC2C2 = K = KC2C2, G, GV V = K = KV V, G, Gm2m2 = K = Km2m2， 代入前式：代入前式：代入前式：代入前式：串级控制系统等效副对象的时间常数缩小了串级控制系统等效副对象的时间常数缩小了 倍。倍。 结论：由于副回路的存在，对象系统容量滞后减小。结论：由于副回路的存在，对象系统容量滞后
17、减小。提高系统的工作频率提高系统的工作频率-时间常数时间常数由等效方框图，得串级控制系统传递函数为由等效方框图，得串级控制系统传递函数为由等效方框图，得串级控制系统传递函数为由等效方框图，得串级控制系统传递函数为 工作频率工作频率a.串级控制系统工作频率串级控制系统工作频率特征方程：特征方程：特征方程：特征方程：l l代入特征方程代入特征方程代入特征方程代入特征方程得：得：得：得：b. b. 单回路控制系统工作频率单回路控制系统工作频率单回路控制系统工作频率单回路控制系统工作频率l l单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图单回路控制系统方框图l l传递函数传递函数传递函数
18、传递函数l l特征方程特征方程特征方程特征方程l l根据特征方程有：根据特征方程有：根据特征方程有：根据特征方程有：l l根据标准二阶函数有工作频率：根据标准二阶函数有工作频率：根据标准二阶函数有工作频率：根据标准二阶函数有工作频率：结论：副回路的存在可以提高控制系统的工作频率，结论：副回路的存在可以提高控制系统的工作频率，结论：副回路的存在可以提高控制系统的工作频率，结论：副回路的存在可以提高控制系统的工作频率， 改善控制质量。改善控制质量。改善控制质量。改善控制质量。c.串级控制与单回路控制系统工作频率比较串级控制与单回路控制系统工作频率比较l l鲁棒性：控制系统对于被控对象特性改变的不灵
19、敏鲁棒性：控制系统对于被控对象特性改变的不灵敏鲁棒性：控制系统对于被控对象特性改变的不灵敏鲁棒性：控制系统对于被控对象特性改变的不灵敏 度的描述。不灵敏度高则鲁棒性好。度的描述。不灵敏度高则鲁棒性好。度的描述。不灵敏度高则鲁棒性好。度的描述。不灵敏度高则鲁棒性好。l l控制仪表参数是依据对象特性整定的。对象特性控制仪表参数是依据对象特性整定的。对象特性控制仪表参数是依据对象特性整定的。对象特性控制仪表参数是依据对象特性整定的。对象特性的变化将影响整定的仪表参数的适应性。的变化将影响整定的仪表参数的适应性。的变化将影响整定的仪表参数的适应性。的变化将影响整定的仪表参数的适应性。l l串级控制主环
20、是定值控制，副环是随动控制。串级控制主环是定值控制，副环是随动控制。串级控制主环是定值控制，副环是随动控制。串级控制主环是定值控制，副环是随动控制。l l主控制器能根据主变量控制要求改变副控制器的给主控制器能根据主变量控制要求改变副控制器的给主控制器能根据主变量控制要求改变副控制器的给主控制器能根据主变量控制要求改变副控制器的给定值，如此可以适应操作条件、负荷变化，克服副定值，如此可以适应操作条件、负荷变化，克服副定值，如此可以适应操作条件、负荷变化，克服副定值，如此可以适应操作条件、负荷变化，克服副回路中广义对象（副对象、调节阀）特性变化的影回路中广义对象（副对象、调节阀）特性变化的影回路中
21、广义对象（副对象、调节阀）特性变化的影回路中广义对象（副对象、调节阀）特性变化的影响。响。响。响。3）自适应能力（鲁棒性）自适应能力（鲁棒性）自适应能力分析自适应能力分析l l副回路传递函数：副回路传递函数：副回路传递函数：副回路传递函数：l l若若若若KKC2C2KKV V乘积较大时，副对象参数乘积较大时，副对象参数乘积较大时，副对象参数乘积较大时，副对象参数KKP2P2对副环等效增对副环等效增对副环等效增对副环等效增益影响不大。有：益影响不大。有：益影响不大。有：益影响不大。有：即：允许副回路内各环节特性在一定范围内变动而不影即：允许副回路内各环节特性在一定范围内变动而不影即：允许副回路内
22、各环节特性在一定范围内变动而不影即：允许副回路内各环节特性在一定范围内变动而不影响整个系统的控制质量，响整个系统的控制质量，响整个系统的控制质量，响整个系统的控制质量， 亦可以减小控制阀流量特性不合适带来的影响。亦可以减小控制阀流量特性不合适带来的影响。亦可以减小控制阀流量特性不合适带来的影响。亦可以减小控制阀流量特性不合适带来的影响。结论：串级控制系统对于副环的广义对象特性变化结论：串级控制系统对于副环的广义对象特性变化结论：串级控制系统对于副环的广义对象特性变化结论：串级控制系统对于副环的广义对象特性变化 有一定的自适应性。有一定的自适应性。有一定的自适应性。有一定的自适应性。注意：副环本
23、身对于副被控变量无此性质。注意：副环本身对于副被控变量无此性质。注意：副环本身对于副被控变量无此性质。注意：副环本身对于副被控变量无此性质。串级控制系统基本特性：串级控制系统基本特性：l l在串级控制中，由于副环的存在，使得进入副环在串级控制中，由于副环的存在，使得进入副环在串级控制中，由于副环的存在，使得进入副环在串级控制中，由于副环的存在，使得进入副环的干扰对被控变量的影响大大降低。的干扰对被控变量的影响大大降低。的干扰对被控变量的影响大大降低。的干扰对被控变量的影响大大降低。l l由于副回路的存在，对象容量滞后减小。由于副回路的存在，对象容量滞后减小。由于副回路的存在，对象容量滞后减小。
24、由于副回路的存在，对象容量滞后减小。l l副回路的存在可以提高控制系统的工作频，改善副回路的存在可以提高控制系统的工作频，改善副回路的存在可以提高控制系统的工作频，改善副回路的存在可以提高控制系统的工作频，改善控制质量。控制质量。控制质量。控制质量。l l串级控制系统对于副环的广义对象特性变化有一定的串级控制系统对于副环的广义对象特性变化有一定的串级控制系统对于副环的广义对象特性变化有一定的串级控制系统对于副环的广义对象特性变化有一定的自适应性。自适应性。自适应性。自适应性。vv注意：副回路的加入是为了很好地保证主变量的控制。注意：副回路的加入是为了很好地保证主变量的控制。注意：副回路的加入是
25、为了很好地保证主变量的控制。注意：副回路的加入是为了很好地保证主变量的控制。 由于副回路是随动控制系统，可以根据主变量的由于副回路是随动控制系统，可以根据主变量的由于副回路是随动控制系统，可以根据主变量的由于副回路是随动控制系统，可以根据主变量的控制要求，随时、快速、有效地调整副变量状态，保控制要求，随时、快速、有效地调整副变量状态，保控制要求，随时、快速、有效地调整副变量状态，保控制要求，随时、快速、有效地调整副变量状态，保证主变量的稳定性。证主变量的稳定性。证主变量的稳定性。证主变量的稳定性。控制演示控制演示1) 1) 选择选择原原原原则则l l主要干主要干主要干主要干扰扰包含在副包含在副
26、包含在副包含在副环环内内内内l l将更多的干将更多的干将更多的干将更多的干扰纳扰纳入副入副入副入副环环l l纯纯滞后不要包含在副滞后不要包含在副滞后不要包含在副滞后不要包含在副环环内内内内l l保保保保证证副副副副环环的灵敏度的灵敏度的灵敏度的灵敏度l l注意主副注意主副注意主副注意主副环时间环时间常数匹配常数匹配常数匹配常数匹配l l注意工注意工注意工注意工艺艺合理性合理性合理性合理性3.3 串串级控制系控制系统设计3.3.1副被控副被控变量量选择l注意：上述原则之间的矛盾性，应根据过程及注意：上述原则之间的矛盾性，应根据过程及控制的实际进行选择。控制的实际进行选择。例例例例1 1 精馏塔釜
27、温度串级控制设计（主要干扰处理）精馏塔釜温度串级控制设计（主要干扰处理）精馏塔釜温度串级控制设计（主要干扰处理）精馏塔釜温度串级控制设计（主要干扰处理）副变量候补：副变量候补：1)蒸汽流量蒸汽流量 F ； 2)阀后蒸汽压力阀后蒸汽压力 P ； 3)釜液循环流量釜液循环流量F2) 副被控变量选择及串级控制系统设计举例副被控变量选择及串级控制系统设计举例控制目标：控制目标：保证精馏塔底温保证精馏塔底温度及其稳定性度及其稳定性主要干扰主要干扰:塔底蒸汽量塔底蒸汽量串级控制系统设计方案串级控制系统设计方案串级控制系统设计方案串级控制系统设计方案1 1：塔釜温度：塔釜温度：塔釜温度：塔釜温度- -蒸汽流
28、量串级蒸汽流量串级蒸汽流量串级蒸汽流量串级特点：特点：特点：特点：l l 包含干扰：蒸汽流量，换热器压力变化包含干扰：蒸汽流量，换热器压力变化包含干扰：蒸汽流量，换热器压力变化包含干扰：蒸汽流量，换热器压力变化l l调节速度：调节速度：调节速度：调节速度： 时间常数较小，时间常数较小，时间常数较小，时间常数较小， 能快速克服上述干扰的影响能快速克服上述干扰的影响能快速克服上述干扰的影响能快速克服上述干扰的影响l l对其他干扰无克服能力对其他干扰无克服能力对其他干扰无克服能力对其他干扰无克服能力串级控制系统设计串级控制系统设计串级控制系统设计串级控制系统设计2 2 ：塔釜温度：塔釜温度：塔釜温度
29、：塔釜温度- -蒸汽阀后压力串级蒸汽阀后压力串级蒸汽阀后压力串级蒸汽阀后压力串级特点：特点：l包含干扰：包含干扰： 蒸汽源压力、换热器压力及壁蒸汽源压力、换热器压力及壁 温的影响温的影响l调节速度：调节速度： 壁温变化时间常数壁温变化时间常数(几秒几秒)纳入纳入副环，提高整体系统工作频率副环，提高整体系统工作频率l不足：不足： 副参数对主参数间接影响时间副参数对主参数间接影响时间常数较大。塔釜温度控制要求常数较大。塔釜温度控制要求较严格时，不能保证工艺侧蒸较严格时，不能保证工艺侧蒸汽流的恒定完全保证控制要求汽流的恒定完全保证控制要求指标指标串级控制系统设计串级控制系统设计串级控制系统设计串级控
30、制系统设计3 3： 塔釜温度塔釜温度塔釜温度塔釜温度- -工艺蒸汽流量串级工艺蒸汽流量串级工艺蒸汽流量串级工艺蒸汽流量串级特点：特点：l包含干扰：包含干扰： 增加了再沸器液位、温度，增加了再沸器液位、温度， 以及传热系数干扰以及传热系数干扰l不足：不足： 副环时间常数较大，对蒸副环时间常数较大，对蒸汽气源压力的波动的克汽气源压力的波动的克 服能服能力减弱。力减弱。例例例例2 2 造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）造纸工艺网前箱温度控制（纯滞后处理）TSTC2n工艺过程纯滞后时间：工艺过程纯滞后时间：90秒秒n 单回路控制
31、：单回路控制： 纸浆波动：纸浆波动：35kg/min 或者或者 蒸汽波动：蒸汽波动：0.12MPa/cm2 最大偏差：最大偏差：8.5 过渡时间：过渡时间：450sn 设计串级控制，将纯滞后环节置于副环之外。设计串级控制，将纯滞后环节置于副环之外。 串级控制效果：串级控制效果： 纸浆波动：纸浆波动：35kg/min 或者或者 蒸汽波动：蒸汽波动：0.12MPa/cm2 最大偏差：最大偏差：1 过渡时间：过渡时间：200s例例例例3 3：合成反应器温度串级控制系统：合成反应器温度串级控制系统：合成反应器温度串级控制系统：合成反应器温度串级控制系统 （非线性环节处理）（非线性环节处理）（非线性环节
32、处理）（非线性环节处理）l l非线性环节：换热器非线性环节：换热器非线性环节：换热器非线性环节：换热器 非线性环节影响：非线性环节影响：非线性环节影响：非线性环节影响： 整个对象特性随负荷、温度变化而变化，控制质量不高整个对象特性随负荷、温度变化而变化，控制质量不高整个对象特性随负荷、温度变化而变化，控制质量不高整个对象特性随负荷、温度变化而变化，控制质量不高l l处理方法处理方法处理方法处理方法 设计串级控制系统，将非线性环节包含在副环内设计串级控制系统，将非线性环节包含在副环内设计串级控制系统，将非线性环节包含在副环内设计串级控制系统，将非线性环节包含在副环内 利用串级控制系统的自适应能力
33、克服非线性影响利用串级控制系统的自适应能力克服非线性影响利用串级控制系统的自适应能力克服非线性影响利用串级控制系统的自适应能力克服非线性影响控制要求：控制要求：控制要求：控制要求： 保证反应温度保证反应温度保证反应温度保证反应温度的稳定性，（要的稳定性，（要的稳定性，（要的稳定性，（要求严格）求严格）求严格）求严格）n控制要求：控制要求：保证出口温度保证出口温度防止液态丙烯随气态丙烯被吸出防止液态丙烯随气态丙烯被吸出n方案方案a： * 灵敏度较低，比较迟钝，灵敏度较低，比较迟钝， * 日常操作：经济性较好日常操作：经济性较好 * 不能确保气态丙烯不带液不能确保气态丙烯不带液n方案方案b： *
34、灵敏度较高，灵敏度较高， * 气态丙烯出口压力不稳定。气态丙烯出口压力不稳定。 * 冷量利用不足冷量利用不足 抽吸气态丙烯的压缩机入口压抽吸气态丙烯的压缩机入口压力相同情况下：方案力相同情况下：方案b的蒸发压力的蒸发压力高于方案高于方案a * 需要增加一套液位控制系统需要增加一套液位控制系统例例例例4 4 冷凝器温度控制冷凝器温度控制冷凝器温度控制冷凝器温度控制 （经济性）（经济性）（经济性）（经济性）方案方案a方案方案b建议：温度控制质量要求不高时应用方案建议：温度控制质量要求不高时应用方案a3.3.2 3.3.2 控制器选择控制器选择控制器选择控制器选择两方面的问题：两方面的问题： 1)
35、控制规律选择控制规律选择 控制规律的选择应考虑两方面的问题控制规律的选择应考虑两方面的问题l l一般要求主被控变量无余差。一般要求主被控变量无余差。l l利用串级控制方法克服容量滞后问题。利用串级控制方法克服容量滞后问题。 a. 控制规律控制规律b. 作用方式作用方式a. a. 主控制器控制规律选择：主控制器控制规律选择：主控制器控制规律选择：主控制器控制规律选择： 一般串级控制的场合对参数的控制要求较高，一般串级控制的场合对参数的控制要求较高，一般串级控制的场合对参数的控制要求较高，一般串级控制的场合对参数的控制要求较高，并且对象特性总是存在较大的容量滞后。并且对象特性总是存在较大的容量滞后
36、。并且对象特性总是存在较大的容量滞后。并且对象特性总是存在较大的容量滞后。 主控制器一般选择主控制器一般选择主控制器一般选择主控制器一般选择PIDPID作用作用作用作用注意：注意：注意：注意： 若对象的容量滞后较小，则应该选择若对象的容量滞后较小，则应该选择若对象的容量滞后较小，则应该选择若对象的容量滞后较小，则应该选择PIPI作用的作用的作用的作用的控制器控制器控制器控制器 b. b. 副控制器控制规律选择：副控制器控制规律选择：副控制器控制规律选择：副控制器控制规律选择： 副回路允许存在余差，可采用纯比例控制器。副回路允许存在余差，可采用纯比例控制器。副回路允许存在余差，可采用纯比例控制器
37、。副回路允许存在余差，可采用纯比例控制器。但是：但是：但是：但是：l l流量和液体压力作为副变量时，由于其开环静态流量和液体压力作为副变量时，由于其开环静态流量和液体压力作为副变量时，由于其开环静态流量和液体压力作为副变量时，由于其开环静态增益较小，应适当加入积分作用增益较小，应适当加入积分作用增益较小，应适当加入积分作用增益较小，应适当加入积分作用 目的：加强控制作用目的：加强控制作用目的：加强控制作用目的：加强控制作用。l l温度的场合，可加入微分控制作用。温度的场合，可加入微分控制作用。温度的场合，可加入微分控制作用。温度的场合，可加入微分控制作用。 vv注意：注意：注意：注意： 由于副
38、回路是随动系统，应采用具有微分先行由于副回路是随动系统，应采用具有微分先行由于副回路是随动系统，应采用具有微分先行由于副回路是随动系统，应采用具有微分先行的控制器的控制器的控制器的控制器2) 2) 控制器作用方式选择控制器作用方式选择控制器作用方式选择控制器作用方式选择a. a. 副控制器作用方式选择：副控制器作用方式选择：副控制器作用方式选择：副控制器作用方式选择： 选择的结果应使副环构成负反馈工作方式。方式选择的结果应使副环构成负反馈工作方式。方式选择的结果应使副环构成负反馈工作方式。方式选择的结果应使副环构成负反馈工作方式。方式选择同单回路系统控制器选择方法选择同单回路系统控制器选择方法
39、选择同单回路系统控制器选择方法选择同单回路系统控制器选择方法( (控制器控制器控制器控制器) () (执行器执行器执行器执行器) () (对象特性对象特性对象特性对象特性) () (测量变送测量变送测量变送测量变送) = () = () )b. b. 主控制器作用方式选择：主控制器作用方式选择：主控制器作用方式选择：主控制器作用方式选择：n n原则：原则：原则：原则： 通过主控制器作用方式选择使主回路构成负反馈。通过主控制器作用方式选择使主回路构成负反馈。通过主控制器作用方式选择使主回路构成负反馈。通过主控制器作用方式选择使主回路构成负反馈。 n n选择方法：选择方法：选择方法：选择方法：l
40、l利用等效副环模块，将串级系统等效为一个单回利用等效副环模块，将串级系统等效为一个单回利用等效副环模块，将串级系统等效为一个单回利用等效副环模块，将串级系统等效为一个单回路系统。路系统。路系统。路系统。l l根据等效副环的作用方式及主对象的作用方式，根据等效副环的作用方式及主对象的作用方式，根据等效副环的作用方式及主对象的作用方式，根据等效副环的作用方式及主对象的作用方式，按照单回路系统控制器选择方法选择主控制器的按照单回路系统控制器选择方法选择主控制器的按照单回路系统控制器选择方法选择主控制器的按照单回路系统控制器选择方法选择主控制器的作用方式作用方式作用方式作用方式等效方框图等效方框图等效
41、方框图等效方框图vv注意：注意：注意：注意： 串级控制系统副环属于随动控制，串级控制系统副环属于随动控制，串级控制系统副环属于随动控制，串级控制系统副环属于随动控制， 其整体作用方式为正作用。其整体作用方式为正作用。其整体作用方式为正作用。其整体作用方式为正作用。l l选择方法：选择方法：选择方法：选择方法： 主控制器作用方式主控制器作用方式主控制器作用方式主控制器作用方式()= ()= 主对象作用方式主对象作用方式主对象作用方式主对象作用方式() () (+)3.3.3 3.3.3 串级控制系统的投运串级控制系统的投运串级控制系统的投运串级控制系统的投运a.a.基本要求：无扰动切换基本要求：
42、无扰动切换基本要求：无扰动切换基本要求：无扰动切换b.b.投运顺序：先副环后主环投运顺序：先副环后主环投运顺序：先副环后主环投运顺序：先副环后主环c.c.操作操作操作操作主、副控制器置手动，主控制器为内给定，副控制主、副控制器置手动，主控制器为内给定，副控制主、副控制器置手动，主控制器为内给定，副控制主、副控制器置手动，主控制器为内给定，副控制器为外给定器为外给定器为外给定器为外给定正确放置控制器的正、反作用方式，参数置于预定正确放置控制器的正、反作用方式，参数置于预定正确放置控制器的正、反作用方式，参数置于预定正确放置控制器的正、反作用方式，参数置于预定数值。数值。数值。数值。副控制器手动操
43、作，主变量接近给定值，副变量稳副控制器手动操作，主变量接近给定值，副变量稳副控制器手动操作，主变量接近给定值，副变量稳副控制器手动操作，主变量接近给定值，副变量稳定时，手动调节主控制器输出，使副控制器的给定定时，手动调节主控制器输出，使副控制器的给定定时，手动调节主控制器输出，使副控制器的给定定时，手动调节主控制器输出，使副控制器的给定值等于其测量值（偏差等于值等于其测量值（偏差等于值等于其测量值（偏差等于值等于其测量值（偏差等于0 0），副环切到自动。），副环切到自动。），副环切到自动。），副环切到自动。同方法，手操主控制器，使主变量处于给定值位置，同方法，手操主控制器，使主变量处于给定值位
44、置，同方法，手操主控制器，使主变量处于给定值位置，同方法，手操主控制器，使主变量处于给定值位置，调整主控制器的给定值等于测量值（偏差等于调整主控制器的给定值等于测量值（偏差等于调整主控制器的给定值等于测量值（偏差等于调整主控制器的给定值等于测量值（偏差等于0 0），），），），主环切到自动。主环切到自动。主环切到自动。主环切到自动。3.4 3.4 串级控制系统应用范围串级控制系统应用范围串级控制系统应用范围串级控制系统应用范围 根据串级控制系统的特点，串级控制适用于如下根据串级控制系统的特点，串级控制适用于如下根据串级控制系统的特点，串级控制适用于如下根据串级控制系统的特点，串级控制适用于如下
45、对象系统的控制需要：对象系统的控制需要：对象系统的控制需要：对象系统的控制需要：滞后较大的对象系统滞后较大的对象系统滞后较大的对象系统滞后较大的对象系统具有非线性环节的对象系统具有非线性环节的对象系统具有非线性环节的对象系统具有非线性环节的对象系统用于克服变化激烈和幅值大的干扰。用于克服变化激烈和幅值大的干扰。用于克服变化激烈和幅值大的干扰。用于克服变化激烈和幅值大的干扰。串级控制系统举例串级控制系统举例串级控制系统举例串级控制系统举例如图某连续反应器，通过向夹套内如图某连续反应器，通过向夹套内如图某连续反应器，通过向夹套内如图某连续反应器，通过向夹套内通冷却水的方式控制反应器内温度。通冷却水
46、的方式控制反应器内温度。通冷却水的方式控制反应器内温度。通冷却水的方式控制反应器内温度。已知冷却水压力波动频繁，请为此已知冷却水压力波动频繁，请为此已知冷却水压力波动频繁，请为此已知冷却水压力波动频繁，请为此过程设计一串级控制系统。要求：过程设计一串级控制系统。要求：过程设计一串级控制系统。要求：过程设计一串级控制系统。要求：a. a. 在图中完成所设计的控制方案在图中完成所设计的控制方案在图中完成所设计的控制方案在图中完成所设计的控制方案（绘出工艺控制流程图）。（绘出工艺控制流程图）。（绘出工艺控制流程图）。（绘出工艺控制流程图）。b. b. 为保证反应器内温度在任何时刻为保证反应器内温度在
47、任何时刻为保证反应器内温度在任何时刻为保证反应器内温度在任何时刻都不超高。试选定调节阀的气开、都不超高。试选定调节阀的气开、都不超高。试选定调节阀的气开、都不超高。试选定调节阀的气开、气关形式；主、副控制器正、反作气关形式；主、副控制器正、反作气关形式；主、副控制器正、反作气关形式；主、副控制器正、反作用方式。用方式。用方式。用方式。c.c.若冷却水温度波动是主要干扰，若冷却水温度波动是主要干扰，若冷却水温度波动是主要干扰，若冷却水温度波动是主要干扰，上面所设计的控制回路能否满足控上面所设计的控制回路能否满足控上面所设计的控制回路能否满足控上面所设计的控制回路能否满足控制要求？若不能满足应作如
48、何改动制要求？若不能满足应作如何改动制要求？若不能满足应作如何改动制要求？若不能满足应作如何改动？画出控制流程图。？画出控制流程图。？画出控制流程图。？画出控制流程图。 a. a. 在图中完成所设计的控制方案在图中完成所设计的控制方案在图中完成所设计的控制方案在图中完成所设计的控制方案n n被控变量选择被控变量选择被控变量选择被控变量选择l l主：主：主：主： （尽可能选用直接参数）（尽可能选用直接参数）（尽可能选用直接参数）（尽可能选用直接参数） 反应器内温度（反应器内温度（反应器内温度（反应器内温度（T T）l l副：副：副：副： （将主要干扰纳入副环）（将主要干扰纳入副环）（将主要干扰纳
49、入副环）（将主要干扰纳入副环） 冷却水压力（冷却水压力（冷却水压力（冷却水压力（P P） ( (取阀后压力取阀后压力取阀后压力取阀后压力) )n n绘出工艺控制流程图绘出工艺控制流程图绘出工艺控制流程图绘出工艺控制流程图TPb. b. 确定调节阀、控制器的工作方式确定调节阀、控制器的工作方式确定调节阀、控制器的工作方式确定调节阀、控制器的工作方式n n调节阀调节阀开关形式：开关形式：开关形式：开关形式： 反反反反应应器内温度不允器内温度不允器内温度不允器内温度不允许许超高，冷却水不超高，冷却水不超高，冷却水不超高，冷却水不能中断：能中断：能中断：能中断： 选调节阀为选调节阀为气气气气( (电电
50、) )关式关式关式关式调节阀调节阀(-)(-)n n控制器作用形式控制器作用形式控制器作用形式控制器作用形式l l 副控制器（副控制器（副控制器（副控制器（PCPC）：）：）：）： 副副副副对对象作用形式：象作用形式：象作用形式：象作用形式： qP qP 正作用正作用正作用正作用(+)(+) 副副副副测测量量量量变变送送送送环节环节默默默默认为认为正作用正作用正作用正作用(+)(+) 判定：判定：判定：判定：选择选择正作用式副控制器正作用式副控制器正作用式副控制器正作用式副控制器TPl l主控制器（主控制器（主控制器（主控制器（TCTC）：）：）：）： 等效副环作用形式为正作用形式等效副环作用
51、形式为正作用形式等效副环作用形式为正作用形式等效副环作用形式为正作用形式 主对象作用形式：主对象作用形式：主对象作用形式：主对象作用形式： P T P T 反作用形式反作用形式反作用形式反作用形式 判定：判定：判定：判定：选择正作用式主控制器选择正作用式主控制器选择正作用式主控制器选择正作用式主控制器TPn n冷却水温度是主要干扰，上述控制方案能否满足控冷却水温度是主要干扰，上述控制方案能否满足控冷却水温度是主要干扰，上述控制方案能否满足控冷却水温度是主要干扰，上述控制方案能否满足控制要求制要求制要求制要求l l不能满足不能满足不能满足不能满足l l方案改动：方案改动：方案改动：方案改动： a
52、. a. 取加套温度作为副被控变量取加套温度作为副被控变量取加套温度作为副被控变量取加套温度作为副被控变量b. 在温度控制器与压力控制器之间加一级夹套在温度控制器与压力控制器之间加一级夹套 温度控制回路，构成三级串级控制系统。温度控制回路，构成三级串级控制系统。考虑的问题：考虑的问题：考虑的问题：考虑的问题：若冷却液是液氨，在夹套内若冷却液是液氨，在夹套内若冷却液是液氨，在夹套内若冷却液是液氨，在夹套内蒸发吸热，应如何选择副被蒸发吸热，应如何选择副被蒸发吸热，应如何选择副被蒸发吸热，应如何选择副被控变量控变量控变量控变量l l设计例设计例设计例设计例2 2：某原油加热炉如图要求控制某原油加热炉
53、如图要求控制某原油加热炉如图要求控制某原油加热炉如图要求控制原油出口温度，已知该工原油出口温度，已知该工原油出口温度，已知该工原油出口温度，已知该工艺过程的主要干扰是燃料艺过程的主要干扰是燃料艺过程的主要干扰是燃料艺过程的主要干扰是燃料压力的波动，请为此工艺压力的波动，请为此工艺压力的波动，请为此工艺压力的波动，请为此工艺过程设计一串级控制系统过程设计一串级控制系统过程设计一串级控制系统过程设计一串级控制系统保证原油出口温度的稳定。保证原油出口温度的稳定。保证原油出口温度的稳定。保证原油出口温度的稳定。选：选：选：选：主被控变量：出口温度主被控变量：出口温度主被控变量：出口温度主被控变量：出口
54、温度副被控变量：燃料流量调副被控变量：燃料流量调副被控变量：燃料流量调副被控变量：燃料流量调节阀的阀后压力节阀的阀后压力节阀的阀后压力节阀的阀后压力l l由于对象时间常数过大，上述控制系统不能满由于对象时间常数过大，上述控制系统不能满由于对象时间常数过大，上述控制系统不能满由于对象时间常数过大，上述控制系统不能满足控制要求，现修改为如下串级控制系统，请足控制要求，现修改为如下串级控制系统，请足控制要求，现修改为如下串级控制系统，请足控制要求，现修改为如下串级控制系统，请分析二串级控制系统的特点。分析二串级控制系统的特点。分析二串级控制系统的特点。分析二串级控制系统的特点。分析要点：分析要点：分
55、析要点：分析要点：副环包含的干扰副环包含的干扰副环包含的干扰副环包含的干扰时间常数变化时间常数变化时间常数变化时间常数变化本章主要知本章主要知识点：点：l l串串级控制系控制系统构成特点（系构成特点（系统图、方框、方框图）l l内内环的作用的作用l l控制控制过程程动作分析，区作分析，区别干干扰进入点入点l l主、副控制器作用方式主、副控制器作用方式选择l l串串级控制系控制系统设计l l串级控制系统投运串级控制系统设计练习串级控制系统设计练习l l某换热器利用饱和蒸汽对某换热器利用饱和蒸汽对某换热器利用饱和蒸汽对某换热器利用饱和蒸汽对物料加热（如图），工艺物料加热（如图），工艺物料加热（如图
56、），工艺物料加热（如图），工艺要求对换热器出口物料温要求对换热器出口物料温要求对换热器出口物料温要求对换热器出口物料温度进行严格控制。度进行严格控制。度进行严格控制。度进行严格控制。问问问问: :1.1.若物料波动是主要干扰时若物料波动是主要干扰时若物料波动是主要干扰时若物料波动是主要干扰时应采用何种控制方案应采用何种控制方案应采用何种控制方案应采用何种控制方案? ?2.2.若蒸汽压力波动是主要干若蒸汽压力波动是主要干若蒸汽压力波动是主要干若蒸汽压力波动是主要干扰时应采用何种控制方案扰时应采用何种控制方案扰时应采用何种控制方案扰时应采用何种控制方案? ?3.3.若物料流量允许调节，并若物料流量允许调节，并若物料流量允许调节，并若物料流量允许调节，并且无聊流量波动和蒸汽压且无聊流量波动和蒸汽压且无聊流量波动和蒸汽压且无聊流量波动和蒸汽压力的波动影响均不可忽视力的波动影响均不可忽视力的波动影响均不可忽视力的波动影响均不可忽视时应采用何种控制方案时应采用何种控制方案时应采用何种控制方案时应采用何种控制方案? ?
