串级控制系统.ppt

串级控制系 统参数整定
2.1.1串级控制系统基本概念
串级控制系统基本概念
串级控制系 统工作过程 分析
串级控制系 统的工程设 计
2.1.1串级控制系统基本概念
串级控制系统的基本原理
串级控制系统（Cascade Control System） 是一种常用的复杂控制系统，它由两个或两 个以上的控制器串联组成，一个控制器的输 出作为另一个控制器的设定值。
此调整过程是温度（主）调节器根据偏差 进行调节输出，改变氨气流量（副）调节 器给定值，副调节器随动改变其自身的输 出值，使调节阀关小阀门开度，减小进入
图2.1-4 干扰进入副回路串级调节系统方框图
2.1.1串级控制系统基本概念
开始：假设副回路给定值不变，氨气流量干 扰F2使氨气流量y2增加，流量调节器（反 作用）输出减小，从而使调节阀开度（气 开阀）减小，通过副回路的调节，最终使 氨气流量y2恢复到给定值。
继而：由于氨气流量y2增加进入主回路后， 使氧化炉的温度y1增加，温度调节器（反 作用）输出减小，也就是流量调节器给定 值减小，由于流量调节器为反作用，因此 输出到调节阀膜头信号减小，这样引起调 节阀开度减小，使氨气流量y2减小，通过
2.1.1串级控制系统基本概念
串级调节系统原理图
图2.1-2 串级调节系统原理图
2.1.1串级控制系统基本概念
串级控制系统的结构特点
两个调节器，两个变送器，一个调节阀，主 调节器的输出作为副调节器的给定，副调节 器输出到调节阀。
2.1.1串级控制系统基本概念
1.方块图及常用名词 串级调节系统的方块图如图2.1-3所示
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
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2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
为了认识串级控制系统，先详细地介绍一 下氧化炉温度调节系统（见图2.1-1）。
图2.1-1 氨氧化过程的温度控制
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2.1.1串级控制系统基本概念
在硝酸生产中，氧化炉是关键设备之一， 氨气和空气在铂触媒的作用下，在氧化炉 内进行氧化反应：
4NH3+5O2→4NO+6H2O+Q 反应结果得到NO气体。工艺要求：氧化率 达到97%以上，为此要将氧化炉温度控制在 840±5℃。 几种控制方案：
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❖主被控 对象（Gp1(s)）：为生产中所要控制 的，由主参数表征其主要特性的工艺生产设 备（如氧化炉）。一般指副参数检测点到主 参数检测点的全部工艺设备。
❖副被控对象（Gp2(s)）：调节阀到副参数测 量点之间的工艺设备。
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❖主调节器（Gc1(s)）：在系统中起主导作用， 为恒定主参数设置的控制器。主调节器， 按主参数与给定值的偏差而动作，其输出 作为副参数的给定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
图2.1-5 干扰进入主回路串级调节系统方框图
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
目录
❖绪
论
❖简单控制系统
❖复杂控制系统
❖流体输送设备
❖传热设备控制
❖精馏塔的控制
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第二章 目 录
2.1 串级控制系统 2.2 均匀控制系统 2.3 比值控制系统 2.4 前馈控制系统 2.5 分程控制系统 2.6 选择性控制系统
第二章 复杂控制系统
一般情况下，单回路控制系统都能满足 大部分生产控制要求。但当被控对象的容量 滞后比较大、负荷变化比较剧烈、频繁，或 工艺对产品质量要求很高时，需要设计复杂 控制系统对生产流程加以控制。
2.1.1串级控制系统基本概念
主回路的调节，最终使氧化炉的温度y1恢 复到给定值。
结论：当干扰进入副回路，由于主、副回路 的共同作用（作用方向相同，都是使氨气 流量调节阀开度减小），使副调节器的给 定与测量两方面变化加在一起，加速了克 服干扰的能力。
2.1.1串级控制系统基本概念
2)干扰作用于主回路（设空气流量干扰F1增加）
❖副调节器（Gc2(s)）：给定值由主调节器的 输出所决定，输出直接控制阀门。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖主回路：把副回路等效起来看的整个回路 ❖副回路：断开主环时，由副调节器，调节
阀，副对象，副测量元件组成的内环。
2.1.1串级控制系统基本概念
2.串级控制系统的工作过程
以氨氧化炉反应温度与流量串级调节系统为例 1）干扰作用于副回路（设氨气流量干扰F2增加）
图2.1-3串级调节系统的方块图
2.1.1串级控制系统基本概念
串级控制系统中常用的几个术语
❖主参数（主被控变量y1）：生产工艺过程中 主要控制的工艺指标，在串级控制系统中起 主导作用的那个被调参数即为主参数，如氧 化炉反应温度。
❖副参数（副被控变量y2）：影响主参数的主 要变量和中间变量（如上述系统的氨气流 量）。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。