串级控制系统通用方块图

3
主要扰动：
（1）原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）；
（2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）；
（3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃
料的雾化状态的影响等）。
传热的滞后性，以及调节通道的时间常数过大（15min左右），
控制作用不及时。
4
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。
6
串级控制系统中常见的专用名词介绍： 主变量 — 串级控制系统中起主导作用的被控变量，是
过程中主要控制的工艺指标。 副变量 — 串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅
助变量。 炉出口温度
炉膛温度
7
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。
副对象 — 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。 炉出口温度对象
20
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 ↓
-
+
+
+ +
21
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+
-
+
+
+
22
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 ↓ ，
串级控制系统通用方块图
第7章 复杂控制系统
复杂控制系统 ➢凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较 特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。
特点： ➢通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行 器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系 统又称为多回路控制系统。
2
§7-1 串级控制系统
一、串级控制系统的结构 管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热 油料炉出口温度的波动范围应控制±2℃内。
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。
10
方块图：
工艺控制流程图：
11
串级控制系统通用方块图:
12
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。
16
“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。 17
主回路： 当蒸汽流量增大时，主变量提馏段的温度将上
13
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）
(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。
26
练习题
锅炉供水控制系统如图所示， 1，从锅炉安全考虑，防止因 断水导致锅炉烧爆，选择气开， 气关阀？选择控制器+-，构 成负反馈系统。 2，若锅炉给水流量波动频繁 且为主要干扰，原来的液位控 制系统很难满足控制要求，试 问应采取何种措施来提高控制 精度？设计控制方案？画出系 统方块图？
27
答：
问题1：
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。
28
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。
炉膛温度对象
8
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
9
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。
升，故主对象的符号为“+”。 所以，主控制器应选择“-”，反作用。
18
【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。
-
+
+
+ +
19
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。
衰减曲线法求得 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
,
TI
2
,
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。
31
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。
串级控制设计方案如图 所示。
串级控制系统方块图如 图：29 Nhomakorabea答： 问题2：
液位控制器
流量控制器
给水流量 锅炉液位
流量对象
液位对象
流量变送
液位变送
30
六、串级控制系统参数的整定
1）逐步逼近法； 2）两步整定法； 3）一步整定法。
1、两步整定法
a) 工况稳定,主副回路均闭合, 1 100%,TI1 ,TD1 0,用4：1
（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。
25
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。
副回路：T2T↑，偏差↑ ↑， T2C ↓ ↓ ，阀开度↓，T1 ↓
-
+
-
+
+
+
23
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。
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。
24
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。
32
汇报结束
谢谢大家! 请各位批评指正
➢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“+”
号，选择正作用。
15
【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。
14
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。
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。
5
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。