过程控制系统第四章 串级控制系统

4.1 串级控制基本概念
单回路控制系统解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题，在大多数 情况下，这种简单系统能满足生产工艺的要求。但是，当被控过程的时滞或扰 动量很大，或者工艺对控制质量的要求很高或很特殊时，采用单回路控制系统 就无法满足生产的要求。此外，随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、 质量，对提高生产效率、节能降耗以及环境保护提出了更高的要求，这使工业 生产过程对操作条件要求更加严格，对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系 统的精度和功能要求更高。在这样的情况下，产生了串级控制系统。
4.1 串级控制基本概念
4.1.2 串级控制系统的工作过程
加热炉串级控制系统的工作过程是：当处在稳定工况时，被加热物料的流 量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温 度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值 上，当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同的 扰动，分三种情况讨论。
4.1 串级控制基本概念
x1
主调节器
x2
副调节器

z1
z2
调节阀
f3 f2 炉 膛 y2
副测量变送器
管壁
主测量变送器
图 4-3 串级控制系统框图
f1
物料
y1
2. 被加热物料的流量和初温变化 f1 t ——一次扰动或主回路扰动
扰动 f1 t 使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服f1 t
4.1 串级控制基本概念
T1C
T1T
热物料
T2C
T2 T
热物料
加热炉
燃料
冷物料
加热炉
燃料
冷物料
a）单回路系统（控制出口温度） b）单回路系统（控制炉膛温度） 图4-l 加热炉温度控制系统
4.1 串级控制基本概念
另一种控制方案是选择炉膛温度为被控参数，设计图4-lb所示控制系统。此
时炉出口温度为间接被控量。该系统的特点是能及时有效地克服扰动 f2 t、f3 t ，
但是扰动f1(t) 未包括在系统内，系统不能克服扰动f1 t 对炉出口温度的影响，仍
然不能达到生产工艺要求。
若充分利用上述两种方案的优点，即选取炉出口温度为主被控量（简称主参
数），炉膛温度为副被控量（简称副参数），将炉出口温度调节器的输出作为炉
膛温度调节器的给定值，就构成了图4-2和图4-3所示的炉出口温度与炉膛温度的
3.副回路对包含的二次扰动以及非线性与参数、负荷变化有很强的抑制能力与一 定的自适应能力。因此，副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁且幅度大的主 要扰动。
本章内容要点
4.主、副过程时间常数之比应在3~10范围之内。副过程时间常数比主过程小得太 多，虽然副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路包含的扰动少，对于过程特性 的改善也就减少了。相反，如果副回路的时间常数接近于甚至大于主过程的时间 常数，副回路反映就比较迟钝，不能及时有效地克服扰动。
5.与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个调节器， 但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰 动的副回路，从而改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，增强了 对二次扰动和一次扰动的克服能力，对副回路参数变化具有一定的自适应能力。
6.串级控制系统能克服被控过程的容量时滞、克服被控过程的纯时滞、克服被控 过程的非线性、抑制大幅度剧烈变化的扰动等，其整定有两步整定法、逐步逼近 法。
对炉出口温度的影响，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对
炉出口温度的影响比单回路系统时要小。
4.1 串级控制基本概念
3. 一次扰动和二次扰动同时存在
假设加热炉串级系统中调节阀为气开式，主、副调节器均为反作用。如果一、 二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大或同时减小，主、副调节器对调节阀 的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温度 很快调回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大（炉 出口温度升高），另一个减小（燃料量减少，即炉膛温度降低），此时主、副调 节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。
串级控制系统。这样，扰动 f2(t) 、f3(t) 对出口温度的影响主要由炉（称为副回路）来克服，扰动 f1(t) 对炉出
口温度的影响由出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）
来消除。
T1C
T1T
热物料
T2C
T2T
加热炉
燃料
冷物料
图 4-2 串级控制系统
4.1 串级控制基本概念
4.1.1串级控制系统的结构
串级控制系统是改善控制质量的有效方法之—，在过程控制中得到了广泛的 应用，下面以工业生产中常见的加热炉控制为例，介绍串级控制思想是如何提出 的，以及串级控制系统的结构、基本术语与工作过程。
加热炉是工业生产中常用的设备，工艺要求被加热物料的温度为某一定值。 因此，常选取炉出口温度为被控参数，燃料量为控制参数，构成如图4-la所示的 单回路系统。影响炉出口温度的因素有很多，主要有被加热物料的流量和初 温 f1(t) ，燃料热值的变化、压力的波动、流量的变化 f2(t) ，烟囱挡板位量的改变、 抽力的变化 等f3(。t) 图4-1a所示系统的特点是所有对被控参数的扰动都包含在这 个回路中，理论上都可以由温度调节器予以克服。但是，控制通道的时间常数和 容量时滞较大，控制作用不及时，系统克服扰动的能力较差，不能满足生产工艺 要求。
1. 燃料压力、热值变化f2 t和烟囱抽力变化 f3 t ——二次扰
动或副回路扰动
扰动 f2 t和 f3 t 先影响炉膛温度，于是副调节器立即发出校正信号，控制
调节阀的开度，改变燃料量，克服上述扰动对炉膛温度的影响。如果扰动 量不大，经过副回路的及时控制一般不影响炉出口温度；如果扰动的幅值 较大，虽然经过副回路的及时校正，仍影响炉出口温度，此时再由主回路 进一步调节，从而完全克服上述扰动，使炉出口温度调回到给定值上来。
本章内容要点
1.影响被控量（被控参数）的因素有很多，单闭环控制系统将所有对被控量（被 控参数）的扰动都包含在一个回路中，理论上都可以由调节器予以克服。但是， 控制通道的时间常数和容量时滞较大时，控制作用不及时，系统克服扰动的能力 较差，往往不能满足生产工艺要求。
2.串级控制系统在结构上比单回路控制系统多了一个副回路，形成了两个闭环。 主回路（外环）是一个定值控制系统，副回路（内环）为一个随动控制系统。在 控制过程中，副回路起着对被控量的“粗调”作用，而主回路则完成对被控量的 “细调”任务。