第二章_串级控制系统

第 章
串级控制系统
2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计
2
实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究
教学进程
2.2 串级控制系统的实施
组成控制系统的设备不同，实施方法也有差异 目前主要是： 电动Ⅲ型仪表系统、 气动Ⅲ型仪表系统、 计算机控制系统（DCS、PLC）
→提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温 度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小） →流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减 小。 流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调”
2.1 概述
● 情况2: —— 主环内出现干扰 进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降→ 温度控制器负偏差，输出增大→（流量控制器负偏差， 流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加） →提馏段温度回升
2.2.2 串级控制系统的实施 （2）主、副控制器正反作用的选择 选择顺序：先副后主
副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系
即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号 主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。
副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 —— 随动系统，跟踪主 控制器的输出。
过程控制系统及工程
第二章 串级控制系统 信息学院自动化系：孙洪程 Email:Sunhc@mail.buct.edu.cn
第 章
串级控制系统
2.1 概述 2.2 串级控制系统 2.3 投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计 (改错:公式2—23a、2—24a中2β、1β为2c、1c) 实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究
G02(s)
GC2(s)GV(s)
Gm2(s)
Gm1(s) GC1(s) GC2(s) GV(s)
G’02(s)
G01（s）
Gm1(s)
2.4 串级控制系统的特点
GC 2 ( s ) KC 2
GV ( s ) KV
G02 ( s) G (s) 1 G02 ( s)Gm 2 ( s)GC 2 ( s)GV ( s)
K02 K 02
结论
T02 T02
比较可知，串级系统的等效副对象的放大倍数和时间 常数都比原副对象的要小
2.4 串级控制系统的特点
（2）串级控制系统具有较强的抗干扰能力
串级系统的内环具有快速作用，能有效地克服二次扰动的影响
Gd 2 ( s )G p1 ( s ) Y1 ( s) D2 ( s)串 1 Gc 2 ( s)Gv ( s )G p 2 ( s )Gm 2 ( s ) Gc 2 ( s )Gv ( s )G p 2 ( s ) 1 Gc1 ( s)Gm1 ( s )G p1 ( s ) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s )G p 2 ( s )Gm 2 ( s ) Gd 2 ( s )G p1 ( s ) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s )Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gm1 ( s )G p1 (s )Gc 2 (s )Gv (s )G p 2 (s )
FC
const 副控制器为正作Βιβλιοθήκη Baidu（正）：
sp
FC
const
可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。
sp
FC
const
此时主、副控制器输出信号变化不一致
const
2.2.2 串级控制系统的实施
条件 如副控是反作用，可执行切换；如副控是正作用，需先 改变主控的方向，再切换。 结论 如对控制阀的开闭形式没有要求，应选择使副控为反作用 的开、闭形式。
第 章
串级控制系统
2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计
2
实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究
教学进程
2.3 串级控制系统的投运和整定
2.3.1 串级控制系统的投运
根据组成系统的仪表类型有所不同 基本原则：先投副环，后投主环，保证投运 无扰动 （Ⅲ型以上仪表、计算机控制）
2.2.2 串级控制系统的实施
例2 精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统
副控制器： 控制阀选“气闭”式——负 正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大——正 变送器一般均为正
FC TC
主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加， 提馏段温度上升——正
2.2.2 串级控制系统的实施 结论 （1）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关； （2）直接先确定主控的正反作用。
FC
TC
问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾 温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制 系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。
2.1 概述
串级控制系统：两套控制系统的协调控制
FC
TC
特点：两个控制器，一个调节阀 一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器 （副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀
2.1 概述
温度控制器
流量控制器
控制阀
流量对象
温度对象
流量变送器
温度变送器
特点：两个闭环环路，内环和外环 内环：副环，副控制器、副对象、副变送器 外环：主环，主控制器、主对象、主变送器
（流量） （温度）
2.1 概述

形成两个环: 副环或副回路－－“ 粗调”作用 主环或主回路－－“ 细调”作用 主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控 制器输出作为副控制器的设定 副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给 定，副控制器输出控制阀
2.1 概述
●情况3: ——主环和副环同时
sp
（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度降低；
FC
（1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度升高。
sp
FC
2.1 概述
结论：
流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调”
串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，控 制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产 过程中应用比较普遍。
G01（s）
Gm（s）
GC1(s)
GC2(s)
GV（s） Gm2（s）
G02（s）
G01（s）
Gm1（s）
系统方块图的比较，串级系统和单回路系统，可见串级系统的 特点: ①多了一个副回路； ②多了一个控制器。
2.4 串级控制系统的特点
（1）副回路的存在，改善了对象特性，提高了系统工作频率
GC1(s) GC2(s) GV(s) G01（s）
2.2 串级控制系统的实施
● 实施前要考虑的几个问题 （1）系统设备间的传输信号要匹配，电信号4~20mA, 1~5V， 气信号0.02~0.1Mpa，混合时需要转换装置（电-气转换） （2）副控制器必须具有外给定功能 （3）是否需要切换开关，即切换成： a 主控制器直接控制控制阀； b 副控制器不接受主控制器的外给定，实现其独立控制， 并且要考虑无扰动切换。 （4）实施方案力求简洁实用，便于操作。
TC
2.1 概述
分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路 可控制温度 情况一，很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会 有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀 门开度情况下，加热蒸汽量不同。
结果：温度控制不稳定
2.1 概述
解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定 ？

副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀
主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀
2.1 概述
●串级控制系统工作过程
FC
进料
TC
蒸汽
● 情况1:—— 副环内出现干扰 ● 情况2:——主环内出现干扰
● 情况3:——主环和副环同时出现干扰
2.1 概述
● 情况1:
—— 副环内出现干扰
蒸汽流量突然增大→（一段时间：提馏段温度不变， 温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流 量测量增大→（流量控制器正偏差，流量控制器输出 减小，控制阀关小）→蒸汽流量减小，削弱对提馏段 温度的影响）
2.2.2 串级控制系统的实施 因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即， 主对象偏差为正，则主控制器控制阀门关小，主对象 偏差为负，则主控制器开大阀门；
例1 加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统
PC TC
燃料
物料
2.2.2 串级控制系统的实施 副控制器： 控制阀选“气开”式——正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升——正 变送器一般均为正 主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升——正
2.2.2 串级控制系统的实施 （3）串级与主控的切换条件
串级→主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀
主控→串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀 无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确——直接切换条件
2.2.2 串级控制系统的实施
副控制器为反作用（负）：
sp
FC
sp
2
教学进程
2.1 概述
单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况下能 够满足生产控制要求 特殊情况：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及 工艺特殊要求
2.1 概述
●复杂控制系统
• 复杂系统--随着控制理论与工业应用的发 展，包含的内容也不同，例如
复杂大系统--人口系统，环境控制， 能源控制，企业生产经营控制等。 • 复杂系统--多回路系统 • 多回路系统特征：基于PID控制策略；由 多个控制回路组成的系统。
一般不允许有余差
副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差； 主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服 对象滞后，也加入微分作用； 副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用， 只选择比例控制规律； 只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰 出现在什么位置。
2.3.2 串级控制系统的工程整定方法 逐步逼近法、两步法、一步法，先副环，后主环
● 两步法
分两步整定两个控制器
●主环控制器比例度100%，积分时间最大，微分时间最小，
按 4：1整定方法直接整定副环，确定副环4：1振荡过程
时的比例度和振荡周期；
●放好副控制器4：1的比例度，积分时间最大，微分时间最小，
2.1 概述
●多回路系统的发展
• 80-90%控制系统是基于PID控制的系统， 包括多回路系统。 • 多回路系统应用状况 以乙烯生产厂为例，它共有421个控制回 路 其中：常规PID单回路 347个 串级、比值等 74个（串级24） 多回路系统占17.5%
2.1 概述
●串级控制系统原理 精馏控制过程： 提馏段温度控制 — 通过控制再沸器加热蒸汽量 来维持提馏段温度恒定 精馏塔提馏段温度控制：
2.3.1 串级控制系统的投运 ● 投运步骤
1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器 外给定，正反作用正确，PID参数正确 2、副控制器手动操作 3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数 变化也比较平稳
4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零 5、分别将副、主控制器切入自动
同样方法整定主控制器，确定副环4：1振荡过程时的比例度和
振荡周期；
●按照得到的四个参数，可按单回路系统的公式计算PID参数； ●先副后主、先比例次积分后微分投入，再小范围调整。
2.3.2 串级控制系统的工程整定方法 ● 一步法 主要整定主控制器，比两步法简单、实用 ●表2-1 副控制器参数经验设置值； ●按单回路方法直接整定主控制器； ●观察控制过程，适当调整主控制器K值，或适当调整副 控制器的参数
2.2.1 串级控制系统控制方案
电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机
（1）一般的串级方案
（2）能实现主控 – 串级切换的串级方案
温度控制器
流量控制器
控制阀
流量对象
温度对象
流量变送器
温度变送器
2.2.2 串级控制系统的实施 （1）主、副控制器控制规律的选择
主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，
' 02
K 02 G02 ( s ) 1 T02 s
K 02 1 KC 2 KV K 02 K m 2 T02 s
' K 02 ' 1 T02 s
Gm 2 ( s ) K m 2
K 02 K 02 1 KC 2 KV K 02 K m 2
T02
T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
第 章
串级控制系统
2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计
2
实验：串级控制系统连接、投运和整定、 主、副环抗干扰能力比较、质量研究
教学进程
2.4 串级控制系统的特点
R（s） GC(s)
GV（s）
G02（s）