过程控制系统及仪表(第3版)：14-10第7章1节_复杂控制系统(串级)

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二、主、副控制器正、反作用的确定 主、副控制器确定顺序：“先副后主”的原则 副控制器的选择原则： 副控制器的正、反作用只与副回路中的各个环节 有关，而与主回路无关。 在简单控制系统中介绍的各环节规定符号“乘积 为负”的判别准则，同样适用于串级控制系统副控制 器正、反作用的选择。 （副控制器±）（执行器±）（副对象±）（副变送 器±）=（一）
串级控制系统的适应场合： 主要适合于被控对象的容量滞后或纯滞后时间较大，干扰作 用强而且频繁，或者生产负荷经常大范围波动，简单控制系 统无法满足生产工艺要求的场合。
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五、串级控制系统设计中的几个问题 1．副回路的确定 （1）应将生产中的主要干扰纳入到副回路中。
（2）在可能前提下，应将尽可能多的干扰纳入副回 路中。 （3）应使主、副回路的时间常数适当匹配 。 选择使副回路时间常数小一些，有利加快控制。 主、副对象时间常数相近，可能发生“共振”现 象。通常，主、副对象时间常数之比在 3 ～10 倍 之间。
第2章 被控对象的特性 2.1 概述 2.1.1 基本概念 2.1.2 被控对象的阶跃响应特性 2.2 被控对象特性的数学描述 2.2.1 一阶对象的机理建模及特性分析 2.2.2 二阶对象的机理建模及特性分析 2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析 2.3 被控对象的实验测试建模 2.3.1 阶跃响应曲线的获取 2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定 2.3.3 二阶对象特性参数的确定习题
执行器—从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择 气关式，“-”。 对象—当流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。 变送器—输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。 控制器—必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。
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答： 问题2：
采用锅炉液位与给水流 量串级控制系统来提高 控制精度。 串级控制设计方案如图 所示。 串级控制系统方块图如 图：
【例题】 如图所示的精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串 级控制系统中，执行器选为气关式，试确定主、副控制器的 正、反作用。
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“先副后主”的原则
副回路： 执行器 — 气关式，符号为“-”； 副对象 — 执行器的阀门开度增大时，副变量蒸汽 流量也增大，故副对象的符号为“+”。 副变送器 — 符号也为“ + ”。 根据回路各环节符号“乘积为负”的判别公式，副 控制器的符号必须取“ + " ，即应选择正作用。 18
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主控制器的选择原则： 主控制器的正、反作用只与主对象有关，而与副回路 无关。 分析： 副回路是一个随动系统，它的最终控制结果总是要使副 变量（副回路的输出）跟随主控制器的输出（副回路的输 入）而变化，也就是说，当副同路的输入增加时，副回路 的输出也要增加，由此可见，副回路也是一个“ + ”环 节。 主测量变送是一个“ + ”环节。 所以，主控制器的正、反作用就只取决于主对象的符号。 为了保证回路中各环节总的符号乘积为负，当主对象的符 号为 “+”时，主控制器必须是“－”号，即选择反作 用；而当主对象的符号为“－”时，主控制器必须是“+” 16 号，选择正作用。
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工艺控制流程图：
方块图：
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串级控制系统通用方块图:
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串级控制系统在结构上具有如下特点： 在串级控制系统中，有两个闭环负反馈回路，每个回路都有自 己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器。 两个控制器采用串联控制方式，主控制器的输出作为副控制器 的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作。 主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。
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第3版 2010-07
第2版
出版日期： 2006-08-01
内容简介 《过程控制系统及仪表(第3版)》内容简介： 过程控制系统的理论分析和设计需要较 多的数学知识，自动化仪表在设计制造 方面也有许多技术问题值得探讨。但是 ，对于工艺技术人员来说，主要关心的 问题是控制系统和仪表的基本原理及其 应用特性。因此，《过程控制系统及仪 表(第3版)》尽量避免繁杂的数学推导 ，力求用简明扼要的文字和插图使读者 对所学知识有更多的定性了解，通俗易 懂，这是《过程控制系统及仪表(第3版 )》的另一个特色。 过程控制系统和仪表涉及的领域十分广 阔，研究内容也极其丰富。本着理论联 系实际、学以致用的原则，《过程控制 系统及仪表(第3版)》在取材方面，不 追求包罗万象、面面俱到，而是力争把 最基本、最常用的内容都包含进来。突 出重点，注重实用是《过程控制系统及 仪表(第3版)》的第三个特色。
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目录 { 第1篇 } 过程控制基础知识 第1章 绪论 1.1 生产过程自动化概述 1.1.1 生产过程及其特点 1.1.2 生产过程对控制的要求 1.1.3 生产过程自动化的发展历程 1.2 过程控制系统的组成及分类 1.2.1 过程控制系统的组成 1.2.2 过程控制系统的分类 1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图 1.3.1 过程控制系统的方块图 1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图 1.4 过程控制系统的过渡过程和性能指标 1.4.1 过程控制系统的过渡过程 1.4.2 过程控制系统的性能指标 习题
方案：将炉膛温度作为被控变量，组成如图7-2 所示的控 制系统。 方案的优点:调节通道的时间常数缩短为3分钟左右。 缺点：原料的流量或原料入口温度波动使炉出口温度变化 时，系统无法使炉出口温度再调回到给定值上，所以该方案 仍不能达到生产工艺要求。
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方案：构成炉出口温度为被控变量，炉膛温度为辅助变量， 由炉膛温度控制器的输出去操纵燃料量的控制方案. 这就是炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。
主回路： 当蒸汽流量增大时，主变量提馏段的温度将上 升，故主对象的符号为“+”。 所以，主控制器应选择“-”，反作用。
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【练习题】如图的串级控制系统，执行器选为气 开阀，试确定主、副控制器的正、反作用。
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三、串级控制系统的工作过程
工艺要求执行器选为气开式，炉出口温度控制器T１C和炉膛温 度控制器 T２C 均采用反作用工作方式，分析系统的工作过程。
炉膛温度对象
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主控制器 — 按主变量的测量值与给定值的偏差进行 工作的控制器，其输出作为副控制器的 给定值。 副控制器 — 按副变量的测量值与主控制器的输出信 号的偏差进行工作的控制器，其输出直 接控制执行器的动作。 炉出口温度控制器 炉膛温度控制器
பைடு நூலகம்
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主回路 — 由主测量变送器、主控制器、副回路等效 环节和主对象组成的闭合回路，又称外环 或主环。 副回路 — 由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。
书名:过程控制系统及仪表(第3版) 出版社: 大连理工大学出版社; 第3版 (2010年7月1日) 编著者：李亚芬；主审：邵诚, 丛书名: 高等学校理工科化学工类规划教材 平装: 259页; 语种: 简体中文 开本: 16 ISBN: 9787561115015, ISBN：7-5611-1501-6 条形码: 9787561115015 尺寸: 25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量: 522 g 原价:25.00元
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四、串级控制系统的特点及应用场合 串级控制系统与简单控制系统相比，由于在结构上多了一 个副回路，因而，在相同的干扰作用下，其控制质量是单回 路控制系统无法比拟的。
串级控制系统在工作性能上的主要特点： 1．对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。 2．改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。 3. 对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。
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干扰作用于副回路：当燃料管网压力增大， 导致燃料量↑
炉膛T2↑， T2T ↑，
T2C↓， 阀门开度↓，
炉膛T2 ↓
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+
+
+
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干扰作用于主回路：当原料流量增加，导致出料温度T1↓ ， T1T
↓
，
T1C↑，
副环随动+，T2↑， T1 ↑
副环为随 动控制系 统+
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+
+
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干扰同时作用于主、副回路： 当原料温度升高，导致出料温度T1 ↑ ；当燃料管网压力增大， 炉膛T2↑； 主回路：T1T ↑ ， T1C ↓ ， 副回路：T2T↑，偏差↑ ↑， T2C ↓ ↓ ，阀开度↓，T1 ↓ + + +
2 和T2；
b）将副回路的比例度置于 2，同样的方法求得1和T1；
c）按衰减曲线法经验公式，分别计算TI1 , TD1 , TI2 , TD 2；
d）按先副后主,先比例后积分，再微分的次序投入运行，观 察修改到满意。
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课程小结
串级控制系统 掌握串级控制系统的工艺控制流程图，会画串 级控制系统的方块图； 了解串级控制系统的工作过程及应用场合； 掌握串级控制的特点； 掌握串级控制主、副控制器正反作用的确定。
FC
FT
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答： 问题2：
给水流量
液位控制器 流量控制器
流量对象
锅炉液位
液位对象
流量变送
液位变送
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六、串级控制系统参数的整定
1）逐步逼近法； 2）两步整定法；
1、两步整定法
3）一步整定法。
1 a) 工况稳定,主副回路均闭合, 1 100%, TI1 , TD1 0, 用4：
衰减曲线法求得
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2．主、副控制器控制规律的选择 (1)主变量是生产工艺的重要指标，副回路不要求 为了保证过渡过程没有余差，主控制器至少应选择 比例积分（Pl）控制规律。主对象的容量滞后较大， 必要时也可引入微分作用，即 PID 控制规律。 若副控制器要求不高，可选用比例（P）作用。 (2)工艺对主变量要求较高，对副变量也有一定的要 求。 保证主变量的控制精度，主控制器需选择PI作用。 副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量，副控 制器也应该选择PI作用。