串级控制系统

串级控制系统

第⼆章串级控制系统

2.1概述⼀、串级控制系统的基本原理及结构举例：

串级控制系统⽅案(温度---流量)

串级控制系统：⽤两台控制器相串接，⼀个控制器的输出作为另⼀个控制器的输⼊。⽅框图标准形式如下：

⼆、常⽤名词：主被控变量（主参数、主变量）Y1(S)

副被控变量（副参数、副变量）Y2(S)

主控制器G c1(S)

副控制器G c2(S)

主回路（主环）

副回路（副环）三、串级控制系统的⼯作过程

分析温度---流量串级控制系统

设：控制阀为⽓开，温度和流量两控制器选为反作⽤

1）、⼲扰作⽤于副环（副控制器起“粗调”，主控制器起“细调”）

2）、⼲扰作⽤于主环（蒸汽量随温度控制的要求随时改变）

3）、⼲扰同时主环和副环

a.作⽤⽅向相同

b.作⽤⽅向相反

1）⼲扰作⽤于副环蒸汽压⼒↑→FT↑→FC↓(反作⽤)→FV↓(⽓开阀) →FT↓FT的变化对精馏塔塔釜温度的影响就很⼩，并且可由温度控制器进⾏微调。

2）⼲扰作⽤于主环⼲扰使得

T↓←F↓

由于有主副两个控制器相串联，系统总的放⼤倍数将增⼤，⼯作频率提⾼克服⼲扰的⼤⼤增⼤。

3）⼲扰同时同时主环和副环

a.作⽤⽅向相同

⼲扰同时使TT↑→TC↓)

FV↓↓

F↓↓

b.作⽤⽅向相反

⼲扰作⽤使TT↑→TC↓(反作⽤)→FC↓FC↑(反作⽤)

FV变化很⼩

蒸汽流量F变化不⼤

2.2 串级控制系统的实施选择实施⽅案时，需考虑的问题：

1）、所选⽤的仪表信号必须匹配。

2）、所选⽤的副控制器必需具有外给定输⼊接⼝。

3）、在选择实施⽅案，应考虑是否增加⼀只切换开关，作“串级”与“主控”的切换之⽤。4）、实施⽅案应⼒求实⽤，少花钱多办事。

5）、实施⽅案应便于操作。

⼀、⽤电动Ⅲ型仪表构成串级控制⽅案串级控制⼀般⽅案：

精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统的组成

能实现主控—

变送器安全栅热电偶控制阀

在串级与主控切换过程中，必须考虑去控制阀的控制信号⽅向的⼀致性，也就是组成的控制系统必须是负反馈控制系统，这就是串级与主控直接切换的条件。

只有当副控制器为反作⽤时才能由串级与主控之间直接切换。如果副控制器为正作⽤，必须在向主控切换的同时改变主控制器的正反作⽤；⽽当由主控切回到串级时，⼜必须将主控制器恢复到原来的作⽤型式。⼆、串级控制系统的实施1. 主、副控制器的控制规律的选择

（1）控制规律的选择根据控制要求进⾏主变量是⽣产⼯艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量或⽣产的安全，⼯艺上要求⽐较严格，主变量不允许有余差。

副变量要求不严格，允许有波动和有余差，设置副变量的⽬的在于保证和提⾼主变量的控制质量。

（2）主回路是⼀个定值系统，主控制器起着定值控制作⽤。保持主变量的稳定是⾸要任务，主控制器必须有积分作⽤，因此采⽤PI或PID。

（3）副回路是⼀个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化⽽变化，为了能快速跟踪，副控制器⼀般不⽤积分作⽤，微分作⽤也不需要，采⽤⽐例作⽤。

关于主控制器、副控制器采⽤积分作⽤时：

（1）只有当主控制器采⽤具有积分作⽤的控制器时，不论⼲扰在副回路还是主回路，都能保证主变量⽆余差。

（2）当副控制器有积分作⽤时⽽主控制器⽆积分作⽤时，只有⼲扰作⽤于副回路，主变量⽆余差；⼲扰作⽤于主回路，主变量仍然存在余差。主控制器：PI、PID

副控制器：P、PD（副对象的容量滞后T较⼤）

2. 主、副控制器正反作⽤的选择。主、副控制器正、反作⽤的选择顺序应是先副后主。（1）副控制器的正、反作⽤要根据副回路的具体情况决定，⽽与主回路⽆关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作⽤的⽅法来确定副控制器的正、反作⽤。

（2）主控制器的正、反作⽤根据主主回路所包括的各环节来确定。副回路的放⼤倍数可视为“正”，因变送器⼀般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性⼀样。

例1. 确定下图所⽰加热炉出⼝温度与燃料油压⼒串级控制系统主、副控制器的正反作⽤。副环：控制阀应选⽓闭（正特性）→副对象放⼤倍数为正特性→副变送器放⼤倍数为正特性→副控制器应为正特性（选反作⽤）。

主环：主对象放⼤倍数为正特性→主控制器应选反作⽤

（主控制器放⼤倍数应取主对象放⼤倍数的特性符号

控制阀：⽓开阀，+ 副对象：+ 主对象：+

副控制器特性为+，应为反作⽤

主控制器特性为+，应为反作⽤

例2.氧化炉温度与氨⽓流量的串级控制系统主、副控制器的正反作⽤

G O1(S): + G O2(S): + G V(S): + G C2(S): +

G C1(S): +

FC：反作⽤

所以TC：反作⽤

2.3 串级控制系统的投运和整定2.

3.1 串级系统的投运

⼀、系统的投运

投运的原则：

（1）投运顺序先投副环，后投主环。

（2）⽆扰动切换预置给定等于测量。

特别说明：投运过程中应切除微分作⽤⼆、串级系统的⼯程整定⽅法1. 两步法（先副环后主环的⽅法）

1）在主副回路闭合时，将主控制器δ置100%、Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定⽅法整定副环，找出副变量出现4:1振荡过程的⽐例度记录下δ2s 及振荡周期T 2s。

2）、将副控制器置δ2s 、Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定⽅法整定主环，找出主变量出现4:1衰减振荡过程的⽐例度记录下δ1s 及振荡周期T 1s。

3）、根椐得到的δ1s 、T 1s 、δ2s 、T 2s值，结合主、副控制器的选型，按单回控制系统整定计算公式，可以计算出主、副控制器的δ、Ti、Td。

4）、将计算所得参数按先副环后主环、先⽐例再积分后微分的顺序在控制器上放好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地进⾏⼀些微⼩的调整。 2.⼀步法：

根据经验先将副控制器参数⼀次放好（如下表），不再变动，然后按⼀般单回路系统整定⽅法，直接整定主控制器参数。

在整定过程中以牺牲副参数的质量指标的原则（副参数在允许的范围内），使主参数达到规定的质量指标的要求。

2.4 串级控制系统的特点

1、由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的⼯作频率提⾼。

2、串级控制回路具有较强的抗⼲扰能⼒。

3、串级控制系统具有⼀定的⾃适应能⼒。 2.5 串级系统副回的设计副回路设计是根据⽣产⼯艺的具体情况，选择⼀个合适的副变量，从⽽组成⼀个以副变量为被控变量的副回路。串级控制系统副回路的设计原则：（1）使系统中主要⼲扰包含在副环内。

（2）在可能情况下，应使副环包含更多⼀些的⼲扰。

（3）当对象具有⾮线性环节时，在设计时应使⾮线性环节于副环之中。

（4）当对象具有较⼤纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。（5）副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。（6）所设计的副回路需考虑到⽅案的经济性和⼯艺的合理性。举例：加热炉出⼝温度的控制主要⼲扰： 1.燃料⽓压⼒ 2.燃料⽓热值 3.燃烧效果

4.环境温度

5.原油流量

6.原油温度

5～1.25 20～80 液位 3～1.4

30～70 压⼒ 2.5～1.25 5～1.7

40～80 流量 20～60 温度副控制器⽐例放⼤倍数Kc2 副控制器⽐例度δ2% 变量类型