串级控制系统

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这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们 影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成 带温度的影响降低到最小限度。但是，我们也知道，还有直接影 响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的 原料成分、窑车上装载制品的数 量以及春夏秋冬、刮风下雨带来 环境温度的变化等等（如图6-2 中用D1表示）。由于在这个控制 系统中，烧成带温度不是被控变 量，所以对于干扰D1造成烧成带 温度的变化，控制系统无法进行 调节。
θ1T
θ1C
θ1T、 θ1C
回路再改
变燃料量
原料
管式加热炉
θ2T θ2C
燃料
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所谓串级控制系统，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。这样 的控制系统被称为串级控制系统。与图6-4串级控制系统的工 艺流程图对应的原理方框图如图 6-5所示。
第6章 串级控制系统
目录
6.1 串级控制系统的基本概念 6.2 串级控制系统的分析 6.3 串级控制系统的设计 6.4 串级控制系统的整定 6.5 串级控制系统的投运 6.6 MATLAB对串级控制系统进行仿真 本章小结
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最简单的控制系统——单回路控制系统 系统中只用了一个调节器，调节器也只有一
个输入信号。 从系统方框图看，只有一个闭环。 复杂控制系统—— 多回路控制系统。 由多个测量值、多个调节器；或者由多个测
量值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦 器等等组成多个回路的控制系统。 从系统方框图看，有多个闭环。
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6. l 串级控制系统的概念
6.2.l 串级控制的提出
例6-1 隔焰式隧道 窑温度控制系统。 （见图6-1）。 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。
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从图中可以看到，串级系统和简单系统有 一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭 环。
一个闭环在里面，被称为副环或者副回路， 在控制过程中起着“粗调”的作用；
一个环在外面，被称为主环或主回路，用 来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足 工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对 象、测量变送元件和调节器。
也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量 增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控 制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定 ，都得不到满意的控制效果。
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假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃 烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次 要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变 以及排烟机抽力的波动等等（如图6-2中用D2表示） ，都是首先进人燃烧室。人们会想，能否通过控制 燃烧室温度 2的方法来达到稳定烧成带的温度呢？ 于是就出现了图6-3所示的以燃烧室温度 2为被控变 量的单回路控制系统。
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但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压 力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化， 必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起 烧成带温度的变化。
因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以 对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后， 控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量， 对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的 燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的 通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了 。
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制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧 结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。所 以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标 之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃 料的流量作为操纵变量。如果火焰直接在窑道烧成带 燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和 颜色，所以就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中 燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
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比较上述两个控制系统，它们各有自己的长处。第一种控制系统包 括了所有干扰，第二种控制系统能对主要的和一些次要干＿上扰提 前发现，及早控制。如果能将两个控制系统结合起来，发挥各自优
势，另外，控制燃烧室的温度2并不是目的，真正的目的是烧成带
的温度稳定不变，所以烧成 带温度控制器应该是定值控 制，起主导作用。而燃烧室 温度控制器则起辅助作用 它在克服干扰D2的同时，应 该受烧成带温度控制器的操 纵，操纵方法就是烧成带温 度控制器的输出作为燃烧室 温度控制器的设定值，从而 就形成了图6-4所示的串级 控制系统。
串级系统控制框图
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例6-4 以炼油厂管式加热炉的度θ1(t)
θ1T θ1C
料的热值变化
3min 影响炉膛温度
燃料
原料
热传导给原料
问题： 控制通道容量滞后 很大，控制缓慢。
15min
影响出口温度
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（1）扰动 • 燃料油方面---组分、油压； • 喷油用过热蒸汽压力； • 被加热油料—流量、温度； • 配风、炉膛漏风。
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例6-2 以连续槽反应器 温度控制为例
下图是单回路控制系统
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扰动
•冷却水温度、压 力 •物料流量、温度 、
组分等。
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例6-3 精馏塔提馏段温度控制
扰动： 物料
蒸汽压力波 动
控制目标： 温度稳定
Q 蒸汽
V-1
θC
θ
再 沸 器
E-3
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串级控制方案
θC
QC Q
V -1
θ
E -3 13
(2)、采用单回路控制方案：如上图所示。 •优点：所有对温度的干扰都包括在控
制回路之中。 •缺点：对燃油流量变化等干扰控制不
及时，总滞后较大。
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燃料压力 变化
炉膛温度 变化
解决措施：在影响出口温度的通
道中，加测炉膛温度的变化，提前控
制。 θ2T、θ2C回路先改变燃料量 3min
出料温度 变化
原料出口温度θ1(t)
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图6-l即为隔焰隧道窑烧成带温度简单控制系统工 艺流程图，原理方框图如图6-2所示。
按照我们前面学过的简单控制系统，影响烧成带 温度 l的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只 要干扰造成 l偏离设定值，控制器就会根据偏差的情 况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的 l 重新调回到设定值。