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1、当当控制要求较高控制要求较高时，在如下情况下，时，在如下情况下，单回单回路不能满足路不能满足要求。要求。n过程可控程度较差，如对象有大滞后。过程可控程度较差，如对象有大滞后。n对象有较明显的时变性或非线性特性。对象有较明显的时变性或非线性特性。n扰动剧烈，而且幅度大。扰动剧烈，而且幅度大。n控制性能要求较高。控制性能要求较高。n过程参数之间存在严重关联。过程参数之间存在严重关联。 定义定义:通常复杂控制系统是多变量的通常复杂控制系统是多变量的，具有具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控制阀所组成的多个回路的控制系统制阀所组成的多个回路的控制系统
2、，所以又称为所以又称为多回路控制系统。多回路控制系统。 常见的复杂控制系统有常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、串级、均匀、比值、分程、三冲量、前馈、选择性分程、三冲量、前馈、选择性等系统等系统。主要内容n了解串级控制系统的了解串级控制系统的概念概念与与特点特点；n掌握掌握串级控制系统的方框图串级控制系统的方框图表示法；表示法；n结合控制原理，掌握结合控制原理，掌握串级系统的分析串级系统的分析方法；方法；n了解串级控制系统的了解串级控制系统的设计原则设计原则；n掌握串级控制系统的掌握串级控制系统的参数整定方法参数整定方法;n掌握串级控制系统的掌握串级控制系统的投运投运 ;n了解串级控制系统的
3、防积分饱和措施。了解串级控制系统的防积分饱和措施。反应釜温度单回路控制系统反应釜温度单回路控制系统控制目标控制目标:反应釜温度恒定反应釜温度恒定操纵变量：冷却剂流量操纵变量：冷却剂流量被控变量：反应温度被控变量：反应温度扰动变量：扰动变量： D2冷却剂温度以冷却剂温度以及及D1工艺介质流量工艺介质流量控制规律：控制规律：PID?反应釜温度单回路控制响应曲线反应釜温度单回路控制响应曲线单回路控制系统分析问题问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。冷却水入口温度冷却水入口温度 夹
4、套内夹套内冷却水温度冷却水温度 T2 （经对流（经对流传热）槽壁温度传热）槽壁温度 反应槽反应槽温度温度T1 （经反馈回路）（经反馈回路）冷却水量冷却水量系统控制与扰动的分析n干扰变量的影响干扰变量的影响：冷却水入：冷却水入口温度变化口温度变化 夹套内冷却夹套内冷却水温度水温度变化变化 槽壁温度变槽壁温度变化化 反应槽温度变化反应槽温度变化n控制变量的影响控制变量的影响：冷却水调：冷却水调节阀开度变化节阀开度变化 冷却水流冷却水流量变化量变化 夹套内冷却水温夹套内冷却水温度度变化变化 槽壁温度变化槽壁温度变化 反应槽温度变化反应槽温度变化解决方法夹套冷却水温度夹套冷却水温度T2比反应槽温度比反
5、应槽温度T1能更快地感受能更快地感受到来自到来自干扰干扰（冷却水入口温度）以及来自（冷却水入口温度）以及来自控制控制的的影响。因而可设计影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统夹套水温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的扰动。但以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定的设定值应根据值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器可用反应温度调节器TC1来自动实现）来自动实现）。“串级控制串级控制” 反应器温度的串级控制方案特点特点：两个调节器串在一起工作，两个调节器串在一起工作，调节器调节器TC2通过调节冷却剂通过调节冷却剂量以克服冷却水
6、方面的扰动；量以克服冷却水方面的扰动；调节器调节器TC1通过调节夹套内通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一度维持在工艺所希望的某一给定值。给定值。 反应器温度的串级控制响应反应器温度串级控制框图讨论讨论: 主副控制器的主副控制器的“正反作用正反作用”选择。选择。串级控制系统常用术语 串级控制系统方框图串级控制系统方框图串级控制系统定义串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器其中由两个测量变送器、两个控制器其中一个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制一个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制阀组成的阀组成的双闭环定值系统双闭环定值
7、系统双闭环定值系统双闭环定值系统. . 串级控制系统常用术语串级控制系统常用术语n主被控变量（主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标：是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。n 副被控变量（副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参：大多为影响主被控变量的重要参数。数。 n 主控制器主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器给设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。定值。n 副控制器副控
8、制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器，简称为于控制阀的控制器，简称为“副控副控”。串级控制系统常用术语串级控制系统常用术语n主变送器主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。：测量并转换主被控变量的变送器。n副变送器副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。：测量并转换副被控变量的变送器。n主对象主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其变量表征其主要特性的生产设备或过程。主要特性的生产设备或
9、过程。n副对象副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。征其特性的辅助生产设备或辅助过程。n副回路副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路回路 , 又称为又称为“ 副环副环” 或或“内环内环”。n主回路主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路，又称为成的闭环回路，又称为“主环主环”或或“外环外环”。 串级控制系统方块图注：D1、D2 综合反映了一次扰动、
10、二次扰动对控制系统副参数与主参数综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参数的动态影响；的动态影响； 主回路主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是一个等效的控制阀）是一个等效的控制阀）。串级系统串级系统副环副环的等效性的等效性串级控制系统的特点串级控制系统的特点（1）n副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；地克服二次扰动的影响；由于假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有串级控制系统的特点串级控制系统的特点反应器温度的串级控制响应反应器温度的串
11、级控制响应串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（2）n能自动地能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非克服副对象增益或调节阀特性的非线性线性对控制性能的影响（系统的对控制性能的影响（系统的“鲁棒性鲁棒性”增强）增强） 。对于内环等效对象的稳态增益：串级控制系统的特点串级控制系统的特点串级控制系统的特点（串级控制系统的特点（3）n改善了改善了对象的动态特性对象的动态特性，提高了系统的工作，提高了系统的工作频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显著加大。可显著加大。副回路等效对象副回路等效对象为：若：串级控制系统的特点（串
12、级控制系统的特点（3）结论结论：由于副回路由于副回路的存在，使的存在，使主控制通道主控制通道的动态特性的动态特性得到改善得到改善（时间常数（时间常数显著减少显著减少）反应器温度的串级控制响应串级控制系统的设计原则串级控制系统的设计原则n单回路控制不能满足性能要求；单回路控制不能满足性能要求；n有反映系统主要干扰的可测副参数；有反映系统主要干扰的可测副参数；n调节阀与副参数之间具有因果关系；调节阀与副参数之间具有因果关系；n副参数的选择应使副对象的时间常数比副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；应灵敏；n尽可能将带有非线性或
13、时变特性的环节尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。包含于副回路中。常用的串级控制系统：常用的串级控制系统：温度温度+流量、温度流量、温度+压力、液位压力、液位+流量、温度流量、温度+温度等。温度等。串级系统副参数的选择分析分析问题分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾。围之间的矛盾。串级方案设计举例加热炉出口温度控制加热炉出口温度控制TC-FC串级控制串级控制：用于克服燃油上游侧压力干扰的影：用于克服燃油上游侧压力干扰的影响燃油黏度大，易堵，不常采用响燃油黏度大，易堵，不常采用 TC-PC串级控制串级控制：取压点在控制阀
14、后，用于克服压力：取压点在控制阀后，用于克服压力影响喷嘴易堵，使用时要增加报警系统影响喷嘴易堵，使用时要增加报警系统串级方案设计举例（续）讨论讨论：副回路所能副回路所能包括的扰动越多，包括的扰动越多，副对象与主对象的副对象与主对象的动态特性的差别越动态特性的差别越小，越容易引起内小，越容易引起内外回路之间的外回路之间的“共共振振”（系统稳定性（系统稳定性越差）。越差）。TC-TC 串级控制串级控制：炉内温度作为副被：炉内温度作为副被控变量，常用于克服燃料影响，例如，控变量，常用于克服燃料影响，例如，成份、热值等。温度点不易找准成份、热值等。温度点不易找准串级控制系统设计n1. 副变量的选择副变
15、量的选择从对象中能引出中间变量是设计串级系统从对象中能引出中间变量是设计串级系统的前提条件。的前提条件。 当对象有多个中间变量可引出时当对象有多个中间变量可引出时, 就有一个副变量如何选择的问题。就有一个副变量如何选择的问题。 副变量的选副变量的选择原则是要充分发挥串级系统的优点择原则是要充分发挥串级系统的优点, 为此为此, 我们总是希望我们总是希望: (1) 将主要干扰包括在副回路内。将主要干扰包括在副回路内。 (2) 将更多的干扰包括在副回路内将更多的干扰包括在副回路内n(3) 副对象的滞后不能太大副对象的滞后不能太大, 以保持副回路的快速响应以保持副回路的快速响应性能。性能。(4) 将副
16、对象中具有显著非线性或时变特性的一部分将副对象中具有显著非线性或时变特性的一部分归于副对象中。归于副对象中。 (5) 需要流量实现精确的跟踪时需要流量实现精确的跟踪时, 可选流量为副变量。可选流量为副变量。(6) 主、主、 副对象的时间常数应相差副对象的时间常数应相差3倍以上倍以上, 以防主、以防主、 副回路产生共振。副回路产生共振。 应该指出应该指出, 以上几条都是从某个局部角度来考虑以上几条都是从某个局部角度来考虑的的, 如如(2)与与(3)就相互矛盾就相互矛盾, 在具体选择时需要兼顾各种在具体选择时需要兼顾各种因素进行权衡因素进行权衡。 n2. 主、主、 副调节器的调节规律选择副调节器的
17、调节规律选择主调节器常选择主调节器常选择PI或或PID控制律控制律凡是凡是设计串级控制系统的场合设计串级控制系统的场合, 对象特性总有较大的滞后对象特性总有较大的滞后, 主调节器采用三作用主调节器采用三作用PID控制规律控制规律是必要的。是必要的。 而而副回路副回路是随动回路是随动回路, 允许存在余差。允许存在余差。 从这个角度来讲从这个角度来讲, 副调节器不需要积分作用副调节器不需要积分作用, 一般只一般只采用采用P作用作用。n 如当如当温度作副变量温度作副变量时时, 副调节器不宜加积分副调节器不宜加积分, 这样可这样可以将副回路的开环静态增益调整得较大以将副回路的开环静态增益调整得较大,
18、以提高克服以提高克服干扰的能力。干扰的能力。n如果要加入如果要加入微分微分作用作用, 一定要采用一定要采用“微分先行微分先行”方式方式, 因为副回路是个随动系统因为副回路是个随动系统, 设定值是经常变化的设定值是经常变化的, 调节调节器的微分作用会引起调节阀的大幅跳动器的微分作用会引起调节阀的大幅跳动, 并引起很大并引起很大的超调。的超调。 n但是当但是当副回路副回路是是流量流量(或液体压力或液体压力)系统时系统时, 它们的开环它们的开环静态增益、静态增益、 时间常数都较小时间常数都较小, 并且系统存在高噪声。并且系统存在高噪声。 因此在实际生产中因此在实际生产中, 流量流量(或液体压力或液体
19、压力)副调节器常采副调节器常采用用PI作用作用, 以减少系统的波动以减少系统的波动。 n3. 主副调节器正、主副调节器正、 反作用选择反作用选择调节器的正、调节器的正、 反作用选择原则反作用选择原则是要使系统成为一是要使系统成为一个负反馈系统。个负反馈系统。 n一般有一般有两种选择两种选择方法方法, 即即逻辑推理法逻辑推理法和和方框图法方框图法。 因为仪表制造行业与控制理论对偏差的定义正好因为仪表制造行业与控制理论对偏差的定义正好相反相反, 为了避免混淆为了避免混淆, 这里不用偏差这里不用偏差, 而用测量值与调而用测量值与调节器的输出关系来定义节器的输出关系来定义调节器的正反作用调节器的正反作
20、用。n 具体定义为具体定义为: 当测量信号增加当测量信号增加(隐含的假定是设定值隐含的假定是设定值不变不变)时时, 调节器比例作用的输出也增加的调节器比例作用的输出也增加的, 称为正作称为正作用用; 否则，否则， 称为反作用称为反作用n1) 逻辑推理法逻辑推理法对于对于单回路单回路, 确定调节器的正反作用的步骤为确定调节器的正反作用的步骤为: 根据生产安全要求根据生产安全要求, 确定确定调节阀调节阀气开、气开、 气关的形式气关的形式; 确定当被调参数变化时确定当被调参数变化时, 调节器输出调节器输出实现负反馈实现负反馈的作用方向的作用方向; 确定确定调节器调节器的正、的正、 反作用反作用(当被
21、测参数变化与调节器输当被测参数变化与调节器输出变化同向时为正作用出变化同向时为正作用, 否则否则, 为反作用为反作用)。 对于对于串级系统串级系统, 因为主、因为主、 副回路都可以看成是一个单回副回路都可以看成是一个单回路路, 所以确定串级系统主、所以确定串级系统主、 副调节器的正反作用的步副调节器的正反作用的步骤为骤为: 根据生产安全要求根据生产安全要求, 确定确定调节阀调节阀气开、气开、 气关的形式气关的形式 确定确定副调节器副调节器的正、的正、 反作用反作用; 确定确定主调节器主调节器的正、的正、 反作用。反作用。 n下面以图所示的下面以图所示的氧化炉反应温度氧化炉反应温度串级控制系统为
22、例来串级控制系统为例来讨论。讨论。 (1) 副回路调节器的选择。副回路调节器的选择。 为保证调节阀出故障时为保证调节阀出故障时, 生产处于安全状态生产处于安全状态, 调节阀应选择调节阀应选择气开阀气开阀。 设干扰使设干扰使氨气流量氨气流量增加增加, 即调节器测量值大于即调节器测量值大于给定值给定值, 为保证系统的副反馈作用为保证系统的副反馈作用,调节器的输出必须调节器的输出必须减小减小, 才能使调节阀开度减小才能使调节阀开度减小, 最终使流经调节阀的最终使流经调节阀的氨气流量减小氨气流量减小, 恢复到给定值。恢复到给定值。 根据以上分析可知根据以上分析可知, 为满足调节系统的负反馈为满足调节系
23、统的负反馈作用作用, 调节器的调节器的测量值增大测量值增大, 而而输出值减小输出值减小, 与测量值与测量值成反比成反比, 因此调节器定为因此调节器定为反作反作用。用。n(2) 主回路调节器的选择。主回路调节器的选择。 调节阀的开关形式保持副回路选择形式调节阀的开关形式保持副回路选择形式, 即选即选为气开阀。为气开阀。 副调节器的正反作用保持不变。副调节器的正反作用保持不变。 设主回路测量值氧化炉温度增加设主回路测量值氧化炉温度增加, 即主调节器即主调节器测量值大于给定值测量值大于给定值, 先假设主调节器为正作用先假设主调节器为正作用, 调节器调节器输出必然增大输出必然增大, 也就是副调节器的给
24、定值也增大。也就是副调节器的给定值也增大。 由由于副调节器已选定为反作用于副调节器已选定为反作用, 因此副调节器的输出增因此副调节器的输出增大大, 使调节阀开度增大使调节阀开度增大, 最终使流经调节阀的氨气流量最终使流经调节阀的氨气流量增大增大, 从而使氧化炉的温度更高从而使氧化炉的温度更高, 整个系统成为正反馈整个系统成为正反馈, 主参数恢复不到给定值。主参数恢复不到给定值。 这说明主调节器作用选错了这说明主调节器作用选错了, 应采用反方向作用应采用反方向作用, 即反作用即反作用n2）、）、方框图法方框图法：n主控制器的防积分饱和形式主控制器的防积分饱和形式串级PID系统的积分饱和问题情况情
25、况1：副回路出现“积分饱和”，采用单回路抗积分饱和方法；情况情况2：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，可能出现限位参数不一致的情形，同样存在发生“积分饱和”的可能性。为什么？如何克服？串级控制系统主调节器的连接法串级控制系统的防积分饱和n串级控制系统的投运与参数整定的方法有关，两步法整定参串级控制系统的投运与参数整定的方法有关，两步法整定参数的系统投运步骤下。数的系统投运步骤下。n1、设置主控制器为、设置主控制器为“内给内给”、“手动手动”，设置副控制器为，设置副控制器为“外给外给”、“手动手动”。n2、主控制器手动输出，调整副控制器手动输出至偏差为零、主控制器手动输出，调整副控制器手
26、动输出至偏差为零时，将副控制器切时，将副控制器切“自动自动”n3、整定副控制器参数整定副控制器参数，使副被控变量的响应满足所需性能，使副被控变量的响应满足所需性能指标（例如衰减比指标）指标（例如衰减比指标）n4、调整主控制器手动输出至偏差为零时调整主控制器手动输出至偏差为零时，将主控制器切，将主控制器切“自动自动”n5、整定主控制器参数整定主控制器参数，使主被控变量的响应满足所需性能，使主被控变量的响应满足所需性能指标（例如衰减比指标、余差等）串级控制系统的投运宜先指标（例如衰减比指标、余差等）串级控制系统的投运宜先副后主，由于设置副环的目的是提高主被控变量的控制品质，副后主，由于设置副环的目
27、的是提高主被控变量的控制品质，因此，对副控制器参数整定的结果不应作过多限制，应以快因此，对副控制器参数整定的结果不应作过多限制，应以快速、准确跟踪主控制器输出为整定参数的目标。当工艺过程速、准确跟踪主控制器输出为整定参数的目标。当工艺过程对副被控变量也有一定控制指标要求时（例如精确流量测量对副被控变量也有一定控制指标要求时（例如精确流量测量等），可采用逐步逼近法整定参数，使副被控变量也能够满等），可采用逐步逼近法整定参数，使副被控变量也能够满足所需控制指标。足所需控制指标。本节总结：n了解串级控制系统的概念与特点；n掌握串级控制系统的方框图表示法；n结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；n了解串级控制系统的设计原则；n掌握串级控制系统的参数整定方法与仿真实现;n了解串级控制系统的防积分饱和措施。练习题 1精馏塔提馏段温度控制系统精馏塔提馏段温度控制系统如图所示，图中，如图所示，图中，Pv为调节为调节阀阀前压力。阀阀前压力。（1）为保证再沸器的安全，）为保证再沸器的安全，蒸汽调节阀应选用气关阀还蒸汽调节阀应选用气关阀还是气开阀？为什么？是气开阀？为什么？（2）确定调节器）确定调节器TC、PC的的正反作用，并画出该系统完正反作用，并画出该系统完整的方框图（尽可能在图上整的方框图（尽可能在图上表明相应的信号）。表明相应的信号）。
