串级控制系统

干扰 F2 表示燃料油压力、组分等的变化，它通过温度对象 2首先影响炉膛温度，然后再通过温度对象1影响原料制口温 度； 干扰Fl 表示原料油本身的流量、进口温度等的变化，它通过 温度对象1直接影响燃料油出口温度。
1. 干扰进入副回路
干扰只是燃料油的压力或组分波动时 F1不存在，只有F2作用在温度对象2上
串级控制系统常用名词和术语
主变量、副变量、副对象、主对象、副控
制器、主控制器、主回路、副回路
串级控制系统的工作过程
以管式加热炉为例，来说明串级控制系统是如何有 效地克服滞后，提高控制质量。
执行器采用气开型式，断气时关闭控制阀，以防止炉 管烧坏而酿成事故；
温度控制器 负反馈。
T1C
和
T2C
都采用反作用方向，构成
副控制器控制规律
副变量目的：保证和提高主变量的控制质量。 控制过程中副变量的要求一般都不很严格，允许 它有波动。 副控制器一般采用比例控制规律、不带积分作用， 不需微分作用。
副控制器正、反作用方向的确定
串级控制系统中顺序：即先确定执行器的开、关型式及 副控制器的正、反作用，然后确定主控制器的作用方向； 副控制器正、反作用的选择方法： 1.根据工艺安全等要求，选定执行自气开、气关型式； 2.副对象特性； 3.按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定；
被控对象的动态特性虽然并不复杂，但控制的任务 却比较特殊；
复杂控制系统目的
1.为提高响应曲线的性能指标而开发的控制系统开 发这类系统的目的，获得比单回路PID控制更优越 的过渡过程质量。 2.按某些特殊目的而开发的控制系统。这是为满足 不同的化工生产工艺、操作方式、乃至特殊的控 制性能指标而开发的控制系统。
简单控制系统控制器正、反作用
在控制系统中，被控对象、控制器、测量元件及变送器 和执行器都有各自作用方向。如果组合不当，使总的作 用方向构成正反馈，则控制系统不但不能起控制作用， 而且破坏了生产过程的稳定。
正作用及反作用
作用方向：输入变化后，输出的变化方向。 正作用方向： 当某个环节的输入增加时，其输出增加，则称该环节 为正作用方向；
主回路：具有后调、细调、慢调的特点，对于副回 路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。
串级控制系统特点（性能）
能改善被控对象的特性。
被控对象分为两部分：一是副回路等效对象，二是主 对象。 整个被控对象的滞后时间近似等于主对象的滞后时间。 使对象的动态特性有了很大的改善，有利于提高系统 克服干扰的能力。
连续槽反应器温度控制系统
被控对象具有三个热容积：夹套中的冷却水、槽壁、 槽中的物料
连续槽反应器温度控制系统（控制通道）
工艺上对反应温度T的要求很高，不希望波动太大。实 践中证明, 采用上述简单控制系统达不到这个要求。
连续槽反应器温度控制系统工艺分析（干扰通道）
引起温度T变化的扰动因素:
1.物料：流量、入口温度和物料化学组分D1；
精馏塔塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统
副变量：操纵变量(加热蒸汽量)本身。 干扰来自蒸汽压力或 流量的波动时，副回 路能及时加以克服， 以大大减少这种干扰 对主变量的影响，使 塔釜温度的控制质量 得以提高。
2.主要干扰被包围在副回路内
确定副变量时： 1) 将对主变量影响最严重、变化最剧烈的干扰包 围在副回路内； 2)副对象的时间常数很小；
例 水槽液位控制
正作用： 操作变量为输入流量，被控变量为水位
反作用： 操作变量为输出流量，被控变量为水位
控制器正、反作用的确定
控制器的作用方向： 当给定值不变，被控变量测量值增加时，控制器的输 出也增加，或者当测量值不变，给定值减小时，控制 器的输出增加的称为“正作用”方向。
“反作用”方向。
控制系统作用方向确定步骤
管式加热炉工艺再分析（干扰通道）
引起油料出口温度 T 变化的扰动因素很多： 1.被加热油料的流量和温度的扰动D1； 2.燃料油压力的波动、热值的变化D2； 3.喷油用的过热蒸汽压力的波动D3； 4.配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D4等。
各干扰因素的特点： 除被加热油料的流量和温度外，D2、D3和D4的变化及 其进入系统的位置，都是首先影响炉膛温度，而后经过 加热管管壁影响被加热油料的温度T。
2.冷却水：它的入口温度以及调节阀前的压力D2；
D1与D2分别作用于系统的不同地点。 当冷却水方面发生扰动时，例如冷却水入口温度升高， 它首先影响反应器夹套温度，而后经槽壁影响反应器内 的温度。
连续槽反应器温度控制系统
采用串级控制系统可以大大提高调节品质。
串级控制系统
串级控制系统与简单控制系统有一个显著的区别：它 在结构上形成了两个闭环。 副环在控制过程中起着“粗调”的作用；主环用来完 成“细调”任务，以保证被控变量满足工艺要求。
3.副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数 的匹配，以防“共振”的发生
主、副对象的时间常数不能太接近： 主、副对象的时间常数之比为 3～10, 以减少主、副 回路的动态联系。 不能盲目追求减小副对象的时间常数，否则可能使副回 路包围的干扰太少，使系统抗干扰能力反而减弱了。
串级控制系统控制规律
串级控制系统的目：高精度地稳定主变量 主变量是生产工艺的主要控制指标，一般来说主变量 不允许有余差。 主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量 的无差控制。 对象控制通道容量滞后比较大，可以选择比例积分微分 控制规律。
从燃料油调节阀动作到出口温度T改变：
1.炉膛 2.管壁 3.被加热油料所代表的热容积 缺点: 整个控制通道的容量滞后大，15min，时间常数大，导 致控制系统的控制作用不及时，反应迟钝、最大偏差大、 过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度降低。
怎么解决？
以炉膛温度作为被控变量组成单回路控制系统： 优点：控制通道容量滞后减少，时间常数约为 3min。 控制作用比较及时。 缺点：炉膛温度控制好了，但原料油的出口温度并不一 定就满足生产的要求。为什么？
管式加热炉中，主要干扰来自燃料油的压力波动时： 加热炉原料油出口温度与燃料油压力串级控制系统。
思考：
如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分(或热值) 波动，采用以前的温度—温度串级控制系统？
副环尽可能包围更多的次要干扰
思考：比较上述两个的控制方案 温度—温度串级控制系统包围的干扰更多一些：凡 是能影响炉膛温度的干扰都能在副环中加以克服， 从这一点上更理想串级控制方案为：温度—温度串 级控制系统
总结：串级控制特点
(2) 在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回 路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器；有两 个测量变送器 , 分别测量主变量和副变量。 主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。
串级控制系统特点（性能）
主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制 作用, 大大提高了控制质量。 副回路：不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而 且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。
反作用方向：当环节的输入增加时，输出减少的称 反作用方向 。 测量元件及变送器，其作用方向一般都是正的。
控制器、执行器和被控对象三个环节的作用 方向。
执行器及被控对象的正、反作用
执行器的作用方向： 1.气开阀是正作用方向。 2.气关阀是反作用方向。 3.气开或气关型式从工艺安全角度来确定。
被控对象的作用方向： 1.被控变量随操纵变量增加而增加的对象是正作 用方向。 2.被控变量随操纵变量的增加而降低的对象是反 作用方向。
控制器就应该是反作用：当炉温升高时，控制器TC 的 输出减小，因而关小燃料气的阀门，使炉温降下来。
控制器正、反作用的确定
思考：液位控制系统 执行器采用气开阀，是“正”方向。 对象是反作用方向。
控制器的作用方向必须为 “正”。
单回路控制系统不适用以下场合：
被控对象的动态特性决定了它很难控制，而工艺对 调节质量的要求又很高；
2. 干扰作用于主对象
某一时刻，由于原料油的进口流量或温度变化，F2不存 在，只有F1作用于温度对象1上。
结论：在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由 于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到 稳定主变量的目的。
干扰同时作用于副回路和主对象
1.在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同，即同 时增加或同时减小。 加强了控制作用，加快了控制过程。
精馏塔塔釜温度的控制
精馏塔塔釜温度：保证产品分离纯度(主要指塔底产品的 纯度)的重要间接控制指标，一般要求它保持在一定的数 值。 通常采用改变进入再沸器的加热蒸汽量来克服干扰(如精 馏塔的进料流量、温度及组分的变化等)对塔釜温度的影 响，从而保持塔釜温度的恒定。 温度对象滞后比较大，由加热蒸汽量到塔釜温度的通道 比较长。当蒸汽压力波动比较厉害时，控制不及时，使 控制质量不够理想。
管式加热炉串级控制系统
生产实践中，往往根据炉膛温度的变化，先改变燃料量， 然后再根据原料油出口温度与其给定值之差，进一步改 变燃料量，保持原料油出口温度的恒定。
管式加热炉串级控制系统基本工作原理
“粗调”作 用。 “细调”作用。 两个控制器协同工作直到原料油出口温度重 新稳定在给定值。
管式加热炉串级控制系统的方框图
复杂控制系统
串级控制系统 均匀控制系统 比值控制系统 选择性控制系统 分程控制系统 多冲量控制系统
串级控制系统
在对象滞后较大、干扰作用强烈而且频繁的主控制系 统中，对局部参数（副参数）进行预先控制以提高系 统总体控制水平的复合控制系统。 串级控制系统由两个调节器、一个调节阀、两个变送 器和两个对象组成。两个调节器控制一个调节阀，适 用于当对象的滞后较大，干扰比较剧烈的对象。
炉膛温度控制系统对干扰的克服能力
以炉膛温度为被控变量，燃料油为操纵变量构成单回 路控制系统，则该系统控制通道的容量滞后大大减少； 能够及时克服的干扰包括：
燃料油压力的波动、热值的变化D2； 喷油用的过热蒸汽压力的波动D3； 配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D4等
由于干扰D1并没有包含在内，同时系统也没有对出口 温度构成闭环控制。不能保证出口温度稳定在要求的 值上。
管式加热炉出口温度控制系统
主要的控制参数是加热炉出口温度，将温度控制好，一 方面可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；另一方面可保证 后面精馏分离的质量。
管式加热炉温度控制系统
简单控制系统。在燃料油管道上装设了一个调节阀， 用它来控制燃油量以达到控制被加热油料出口温度 的目的。
管式加热炉温度控制系统分析（控制通道）
可不考虑主控制器的作用方向，将主控制器的输出作为 副控制器的给定就行了。
副控制器正、反作用的选择
副控制器正、反作用的选择
主控制器正、反作用的选择
串级控制系统中主控制器作用方向的选择方法： 当主、副变量在增加(或减小)时，如果由工艺分析得出， 为使主、副变量减小(或增加), 要求控制阀的动作方向一 致的时候 , 主控制器应选“反”作用；反之，则应选 “正”作用。为什么？ 当由于工艺过程的需要，控制阀由气开改为气关；或由 气关改为气开时，只要改变副控制器的正反作用而不需 改变主控制器的正反作用。为什么？
干扰同时作用于副回路和主对象
2.主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。 两者增加量虽不相等，由于能互相抵消掉一部分，因而 偏差也不大，只要控制阀稍稍动作一点，即可使系统达 到稳定。
总结：串级控制特点
(1) 在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。 主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺 变量。主变量的选择原则与简单制控制系统中介绍的被 控变量选择原则是一样的。
串级控制系统中副回路的确定
1.主、副回路应有一定的内在联系； 2.副回路应尽可能多地包含干扰因素；
主要干扰应包含在副回路中；在可能条件下，使副回 路包含较多的次要干扰； 3.注意主、副回路的时间匹配，防止“共振”；
1.主副wk.baidu.com量间应有一定的内在联系
1)选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量； 管式加热炉的温度串级控制系统中，选择的副变量是燃 料进入量至原料油出口温度通道中间的一个变量，即炉 膛温度。由于它的滞后小、反应快, 可以提前预报主变量 的变化。 2)选择的副变量就是操纵变量本身，这样能及时克服它的 波动，减少对主变量的影响。
1.对象的作用方向由工艺机理可以确定；
2.执行器的作用方向自工艺安全条件可以选定； 3.控制器的作用方向要根据对象及执行器的作 用方向来确定，以使控制系统构成负反馈的闭 环系统
控制器正、反作用的确定
例如：加热炉出口温度控制系统。 对象：加热炉；正作用方向。
执行器：从工艺安全条件出发 选定执行器是气开阀。执行器 是正作用方向。