串级控制系统

由于串级控制系统具有上述特点,使得它在实际生产 中解决了许多简单控制系统所不能解决的控制问题。 在工艺要求高、对象的滞后和时间常数大、干扰作 用强而频繁、负荷变化大的场合,简单控制系统满足 不了控制质量的要求时,可以采用串级控制系统,尤 其当主要干扰来自调节阀方面时,应用串级控制是很 适宜的。
加热炉出口温度与燃料流量串级控制系统
2.由于副回路的引入,改善了对象特性。串级控制系统 可以把副回路看作主回路的一个环节，或把副回路称 为等效对象。由于副回路的作用，等效对象的时间常 数减小了，因而改善了这部分对象的动态特性，使系 统的反应速度加快，控制更为及时。如果是单回路控 制系统，对象包括主对象和副对象两部分，因此整个 对象容量大 反应慢 使得控制不及时。

根据操作原理，当温度高时，应该把燃料气流量 控制器设定值减少一些，当温度偏低的时候，则 应将燃料气流量控制器的设定值增加一些。据此 将两个控制器串联起来，流量控制器的设定值由 温度控制器的输出值来决定，即流量控制器的设 定值不是固定的，这样既能迅速克服影响流量的 的扰动作用，又能使温度在其他扰动作用的情况 下保持在设定值，这种系统就是串级控制系统。
所谓“复杂”控制系统，是相对于“简单”控制 系统而言。通常指由两个或两个以上测量变送器 （或控制器、控制阀）组成的控制系统都可称为 复杂控制系统。目前常用的常规复杂控制控制常 使用的有串级、均匀、比值、前馈、分程、选择 性控制系统等。这些系统有的是已他们的结构命 名，有的以其工作原理命名，而且他们还可以相 互结合在一起使用。




串级控制系统中常用的的一下几个名词。 主变量：是工艺控制指标，在串级控制系统中起到主导作用 的被控变量，如上例中加热炉出口温度。 副变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引 入的辅助变量，如上例中的燃料气流量。 主对象：为主变量表征器特性的生产设备，反映了主变量与 副变量之间的关系。如上例中从燃料气流量检测点到炉出口 温度测点间的工艺生产设备，只要指燃料气烧嘴和炉内物料 受热管道，图中标为温度对象。

我们拿加热炉出口温度 控制系统来说明，加热 炉的被控变量是炉出口 温度，用燃料气作为操 作变量。可以组成右图 的所示的简单控制系统。 如果燃料气上游压力发 生波动，即使燃料气阀 门开度不变，也会影响 燃料气流量，从而逐渐 影响出口温度。

由于加热炉炉管热熔较大，从操作变量到被控变 量时间常数较大，温度控制器发现偏差后再进行 控制，显然不够及时，必然引起炉出口温度差生 较大的动态偏差。如果改用下图的所示的流量控 制系统，虽然可以迅速的克服阀前压力等扰动， 但对温度来说是开环的，所以对 进料负荷、燃料 气热值变化等扰动就完全无能为力。
串级控制系统的构成及方块图： 串级控制系统是由两个检测变送器、两个调节器、 一个调节阀组成。两个调节器是串联工作的，其 中主调节器可以独立给定设定值，输出作为副调 节器的设定值，副调节器输出控制调节阀执行控 制动作。这种结构的控制系统叫做串级控制系统。
串级控制系统方块图：
从上图可以看出，在这个控制系统中有两个控制器，温 度控制器和流量控制器，分别接收两个来自对象不同部 位的测量信号炉出口温度和燃料气流量。其中温度控制 器的输出作为流量控制器的给定值，而流量控制器的输 出去控制执行器，以改变操作变量。
流量作为副回路控制器为反作用，出口物料温度作为主回路控制器为反作用 当副回路调节流量测量值上升时，副回路控制器作出调节，OP输出阀门关小， 流量下降，主回路出口物料温度上升时,主控制器输出变小，主控制器输出作 为副控制SP值变小输出PV-SP 变小，反作用输出变小，阀门开度变小，物料 出口温度下降。
左边图片是霍尼韦尔PKS系统， 串级控制系统的控制面板， 3LIC3354是控制系统的主回路 控制对话框，3FIC3357 是控制 系统的副控制对话框，主回路的 输出值，作为副回路的设定值。 副回路的输出值控制阀门动作。 从两个控制面板可以看出，主回 路控制是液位控制，副回路控制 是流量控制，而主回路的输出是 百分比，副回路接收的是一个流 量的实际控制数值，不能直接使 用。需要经过转换，副回路的总 量成60t/h*主回路的输出百分 比63.82%等于38.29t/h。
简单控制系统只有一个被控变量和一个操作 变量，虽然其结构简单，但它能满足石油化工生 产中大多数情况前控制需要。但简单控制系统有 一定局限性，不能解决纯滞后较大，时间常数较 大，干扰多而强烈的变量的控制问题，为了解决 这些问题，在这个基础上发展出了众多的复杂控 制系统。
1、串级控制系统
TT：温度 检测变送 设备 TC； 温度 控制器 TV：控制 阀 TV


在石油化工生产中，一些对象的滞后和时间常数较 大，工艺上却要求将变量控制在较高的精度上。这 是，可以考虑采用串级控制系统。 把两个各自具有测量输入的控制器串联起来，其中 具有独立给定值的控制器成为主控制，它的输出可 给被称为副控制器的另一的控制器的给定值，而副 控制器的输出可给调节阀执行控制动作，这种结构 的控制系统叫做串级控制系统。



副回路：由副变量的测量变送装置，副控制器，执 行器和副对象所构成的闭环回路，也称为内回路、 内环或副环。 主回路：由主变量的测量变送装置，主控制器副回 路和主对象构成的闭环回路，也称为外回路、外环 或主环。
串级控制系统从总体上来看，仍然是一个定值控制系 统，但是控制系统在系统的结构上增加了一个随动的副 回路，因此与单回路控制系统相比具有下列特点： 1、由于副回路的作用，使系统具有较强的克服干扰的能 力。串级控制系统对于副回路进入系统的干扰比主回路 进入系统的干扰有较强的抵抗能力。干扰经过副对象进 入副回路，在它影响主变量之前，付控制器就开始动作 客服干扰，因而削弱了这一干扰对主变量的影响，提高 控制质量。



副对象：为副变量表征特性的工艺生产设备，如上上图 中执行器至燃料气流量监测点间的工艺生产设备，主要 指燃料气管线部分，图标为流量对象。 主控制器：按主变量测量值与给定值的偏差进行工作的 控制器，其输出信号为副变量给定值，如上例中的温度 控制器。 副控制器：按副变量的测量值与给定值的偏差进行工作 的控制器，其给定值来自主控制器的输出，如上例的中 流量控制器。
单回路管式加热炉出口温度控制系统
影响加热炉出口温度的干扰因素： (1)、原料气的流量和温度 (2)、原料气的压力和成分 (3)、烟囱的抽力（炉膛负压的控制） 采用单回路控制系统的控制作用不及时，致使最 大偏差大，过渡时间长，抗扰动能力差，控制精 度低，难以满足工艺要求，需要寻求别的控制方 案。

同样左图也是一个串级控制系统 的两个对话框，这个控制系统是 横河CS3000控制系统。 LIC601为主回路控制对话框， FIC601为副回路控制对话框。 横河控制系统串级控制系统的主 回路输出值MV是直接转换的为 副回路的设定值SV。想要知道 主回路的输出百分数是多少一样 也上面的方式。副回路设定值 SV25.29t/h/总量成是100t/h 等于25.29%。主回路的输出百 分数为25.29%。
3. 由于增加了副回路,系统具有了一定的自适应能力。对于一个控制 系统来说,控制例中的器参数是在一定的负荷,一定的操作条件下,按一 定的质量指标整定得到的。因此,一组控制器参数只能适应一定的负 荷和操作条件。如果对象具有非线性,随着负荷和操作条件的改变,原 先整定好的控制器参数就不再适用了,需要重新整定。如果仍用原先 的参数,控制质量就会下降。这一问题,在单回路控制系统中是难于解 决的。在串级控制系统中,主回路是个定值系统,副回路却是一个随动 系统。主控制器能够按照负荷或操作条件的变化而变化,从而不断改 变副控制器的给定值,使副控制器的给定值能随负荷及操作条件的变 化而变化,这就使串级控制系统对负荷的变化和操作条件的改变具有 一定的自适应能力。