串级控制系统与比值控制系统

夹套
图3.1反应器温度控制系统
D1 夹套 θ2 槽壁 反应槽 θ1
－
温度测量 图3.2 反应器单回路控制系统
2）采用串级控制
特点：两个调节器串在一 起工作，调节器θC2通过 调节冷却剂量以克服冷却 水方面的扰动；调节器 θC1 通过调节夹套内水温的设定 值以保证反应温度 维持在工 艺所希望的某一给定值。
处于主回路中的控制器称为主控制器；
处于副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副变量 主回路的被控变量称为主被控变量，也称为主变量或 主参数； 副回路的被控变量称为副被控变量，也称为副变量或 副参数
串级控制系统中的名词：
④主、副对象 主回路所包括的对象称为主对象； 副回路所包括的对象称为副对象。 ⑤主、副变送器 检测和变送主变量的称为主检测变送器；
精馏塔提馏段温度控制的不同串级方案
（1）副参数为加热蒸汽（作用线1） 分析：可保持加热量稳定，它 只能快速消除因蒸汽汽源压力 或冷凝压力变化引起的扰动。 由于蒸汽流量对象的滞后非常 小，当用流量作副变量时，并 不能使串级系统的频率有多少 提高，对克服其它扰动不明显。
θr
－
主调 Qr 节器
D2
副调 节器 调节 阀 流量测量 温度测量 蒸汽管 Q 路系统 再沸 器
尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含 于副回路中。
串级系统副参数的选择举例
1、反应器温度控制系统
θ1r
主调节器
θ2r
副调节器 调节阀
D2
夹套
θ2
槽壁
D1
反应槽
θ1
－
－ 温度测量 温度测量
选择夹套温度作为副参数,可迅速反映冷水侧的干扰，然后 加以克服。
串级系统副参数的选择举例
2、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
y2,sp ＋ － Gc2 ym2 Gv Gm2 Gp2
＋ ＋
D2 y2
D2(s) 1 1 + Gc 2 Gv G p 2 G m 2
y2,sp
Gc 2 Gv G p 2 1 + Gc 2 Gv G p 2 G m 2
＋ ＋
' D2 ( s )
y2(s)
Gp2’(s)
串级控制系统的特点
（1）副回路（内环）具有快速调节作用， 它能有效地克服二次扰动的影响； 由于
流量比值
副流量
K
F2 F1
主流量
例 3-6 合成塔比值控制系统
工艺要求：A, B两种物料的流量保持一定比例，物料B 的流量QB不可控．
决定流量比值
比值器
压差变送器
实现目标: 副流量随主流量而变化, 其流量是主流量的K倍．
调节器给定值IB*: 主流量的K倍
两种流量的比值通过设定比值器R实现
合成炉比值控制系统方框图
3-2 比值控制系统
定义: 用来实现两个或以上物料之间保持一定比值关系 的过程控制系统 . 主物料和从物料:
主物料-----处于主导地位的物料，表征该物料的参数为主动量F1 (主流量) 从物料-----随主物料的变化呈比例变化的另一种物料 表征该物料的参数从动量F2 (副流量) 流量比值----副流量与主流量的比值K
测量变送装置, 两台控制器和一个调节阀构成
的系统．
例3-1 连续槽反应器温度控制
1) 采用单回路控制 对象有三个热容积：夹套、槽 壁、槽中的物料。
物料方面扰动D1: 流量,入口温度,化学成分 冷却水扰动D2: 入口温度, 阀前压力
槽壁
分析：当冷却水方面发生扰动，需 相继通过3个容积后，θ1才升高， 调节器才动作。 D2 θ1r 调节器 调节阀
D1
塔底
θ
－
控制方案1方框图
（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力 （作用线2）： 分析：把加热蒸汽侧的扰动完 全包括在副环之内，与1相比， 副环中包括了更大的时间常数， 有助于改善主环的调节性能。
D2 主调 Qr 节器 － 副调 节器 调节 阀 流量测量 温度测量 控制方案2方框图 蒸汽管 Q 路系统 再沸 P 器 D1 塔底
y1sp(t)
＋ －
e(t) KC
TD s + 1 AD TD s + 1
u
＋ ＋
ym1(t) 串级系统主控制器 防积分饱和连接方法
1 TI s + 1
ym2(t)
串级系统中调节器正反作用方式的选择
总为
r
主调节器
副调节器
调节阀
副对象
主对象
y
－
－
副变送器 主变送器
1) 根据工艺安全要求，选择调节阀的气开，气关形式 2) 将副回路当作一个独立的闭回路，按照使副环形成一个负反馈的原 则确定副调节器的正反作用方式 3) 将整个副回路当作主回路的一个环节, 其作用方式总为正. 再来确定 主调节器的作用方式.
Km2
结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上 和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。
串级控制特点总结：
1) 在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环 控制系统. 其中主回路是定值控制，副回路是随动控制． 2) 副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影 响 3) 副回路的引入, 提高了整个系统的响应速度,使其快速性得 到了提高． 4) 串级控制系统对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能 力． 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干 扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。
θr －
θ
（3）副参数为再沸器的蒸发量（作用线3）：
把再沸器侧的扰动包括在副环内（再沸器液位、塔釜温度 等），有助于改善主环的调节性能，但副环克服蒸汽方面的 扰动要慢些。
二、 主,副回路工作频率的选择 目的：避免副环进入高增益区，避免产生串级共振 现象. 共振现象：如果主回路的工作频率接近副回路的谐 振频率，则副回路将呈现出很高的增益和较大的相 位滞后，这时反过来将严重影响主回路的稳定性， 从而使主副参数长时间地大幅度地波动的现象。 结论： 一般取：
二、串级控制系统的整定
1、 逐步逼近法 (比较费时) 它是一种依次整定副环，主环，然后循环进行，逐步接近主，副环的最 佳整定的一种方法．其步骤为：
① 首先整定副环. 断开主环,按单回路整定副环,求取副调节器的整定参数. ② 整定主环．整定好的副环作为主环中的一个环节，按单回路方法整定
主环，得到主调节器整定参数． ③ 再次整定副环。在主调节器已经整定一次的条件下,按单回路整定方法, 重新求取副调节器的整定参数.此时主副回路都已经闭合． ④ 重新整定主环．在两个环都闭合，副调节器第二次整定情况下重新整 定主调节器． ⑤ 如果调节过程还未达到品质要求，按③④步继续进行，直到控制效果
蒸汽管路 Q 再沸器
D1 塔底 θ
θr
温度测量
2、两种改进方案：
(1) 附加蒸汽压力控制方案
把蒸汽压力的干扰 克服在入塔前，提 高了温度调节品质， 但需增加一个调节 阀，且增加了蒸汽 管路的压力损失， 经济上不合理。
图3.6 附加蒸汽压力控制方案
(2) 串级控制方案（好） θC2控制流量稳定， θC1控制温度稳定。 优点：有效地克服蒸汽 压力波动对温度θ的影 响。
第三章 串级控制系统与比值控制系统
R(s)
Y(s)
Gc(s)
—
Gv(s)
G(s)
Gm(s)
单回路控制系统方框图
组成： 一个调节器，一个控制阀，一个被控制对象，一个 测量变送器
3-1 串级控制系统的概念
定义:就是采用两个控制器串联工作，主控制 器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器 的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有 更好的控制效果。 在多回路控制系统中,有两个被控过程,两套
检测和变送副变量的称为副检测变送器。
⑥一、二次干扰 进入主回路的干扰称为一次干扰； 进入副回路的干扰称为二次干扰。
串级控制系统方块图
Gp2’(s)
y1,sp
＋ －
D2
＋ ＋
D1 y2
＋ ＋
y2,sp Gc1 ＋ － Gc2 ym2 Gv Gm2 Gp2
Gp1
y1
副回路 主回路
ym1
Gm1
串级系统副环的等效性
定值控 制系统
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路 起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。 2) 每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器 3) 调节阀由副调节器直接控制
串级控制系统中的名词：
①主、副回路 在外面的闭合回路称为主回路(主环)， 在里面的闭合回路称为副回路(副环)。 ②主、副控制器
串级控制系统设计和实施中的几个问题
考虑的问题: 副回路的设计, 副参数的选择. 主副回路之间的 关系, 两个调节器可能产生的问题. 一 副回路的设计
副回路的设计主要是如何选择副参数．其设计原则为：
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，反应灵敏；

副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；
1＋KC2KVKP2Km2>1
TP2’<TP2
等效对象的时间常数缩小了，加快了副环的响应速度， 提高了系统的工作频率。
（3）对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力
对于内环等效对象的增益
K
' p2

Kc2 Kv K p2 1 + Kc2 Kv K p2 K m2
' K p2 1
当
K c 2 K v K p 2 K m 2 1
满意为止．
如果在第③步甚至第②步就已经满足品质要求，整定无需继续进行．
2、 两步整定法 先整定副环，再整定主环．具体步骤为： （1）先整定副环。主副环均闭合，得副调节器 的衰减率为0.75时的比例带δ2S和振荡周期T20
（2）整定主环。主副环仍闭合，副调节器置于 δ2S，得主调节器在衰减率为0.75时的比例带 δ1S和振荡周期T10 （3）由衰减曲线法的计算公式，查表求出各调 节器的整定参数。
θr －
QC1
QC2
主调 Qr 节器 －
副调 节器
调节 阀
D2 蒸汽管 Q 再沸 路系统 器
D1
塔底
θ
流量测量 温度测量 图3.8 提馏段温度串级控制系统
通用的串级控制系统
副回路
二次扰动
主参数设定
随动控 制系统
一次扰动
主参数
主调 节器
－
－
副调 节器
调节 阀
副对象
副参数
主对象
副变送器 主变送器
主回路
' D2 ( s) 1 D2 ( s) 1 + Gc 2Gv G p 2Gm 2
而对于动态滞后较小的副回路，有
Gc 2GvG p 2Gm 2 1
D D2
' 2
（2）由于内环起了改善对象动态特性的作用，因此可以 加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。 设副回路中各环节传递函数为
K P2 GP 2 ( S ) ; GC 2 ( S ) K C 2 ; TP 2 S + 1 GV ( S ) KV ; Gm 2 ( S ) K m 2 G C2 S）G（S）G P2 S） （ （ Y2 S） （ V 则G’ S）＝ （ ＝ P2 R（S） 1＋G C2 S）G（S）G P2 S）G m2 (S) （ （ 2 V K C2 K V K P2 1 + K C2 K V K P2 K M2 K P2 ' TP2S 1 + TP 2 ' S 1＋ （1＋K C2 K V K m2 K P2 )
d 2 3d 1 或 Td 1 3Td 2
Td 1 (3 ~ 10)Td 2 或 d2 =(3 ~ 10)d1
Td1为主回路时间常数，Td2为副回路时间常数
三、防止调节器积分饱和的措施 1、若副调节器是P作用，主调节器是PI或PID作用时， 抗积分饱和措施与单回路系统相同。 2、若主副调节器均有积分作用，积分饱和比单回路系 统更严重。 措施：根据副回路的偏差来防止主调节器积分饱和的 方案。
QB
主流量
变送器
IB
比值器R
IB* IA
反应器的温度串级控制方框图
θ1r
D2
主调节器
副调节器 调节阀
夹套θ2D1 Nhomakorabea槽壁 反应槽
θ1
温度测量 温度测量
例3-2 精馏塔提馏段的温度控制
1、 简单控制系统方案 被调量：提馏段温度θ 扰动D2：加热蒸汽压力 扰动D1：加料方面的扰动， 如温度、流量、组分等 缺点：从调节阀动作到温度 变化，需通过很多热容积。 调节滞后。 D2(蒸汽压力) 调节器 调节阀
调节器的选型和整定方法
一、主副控制器的控制规律选择
副调节器：副调节器常选择P或PI控制律 原因：消除副回路内的二次扰动，快速性，不要求无差 一般选P调节器，当主副环频率相差很大，可选PI调节器。 主调节器：一般采用PI或PID控制规律 原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。因而 对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加入较强的 积分作用（除主参数为液位的串级均匀控制系统以外）。 当主对象的调节滞后较大，而主参数变化较平缓时，可加 入通常大小的微分作用。