串级控制系统..

练习题 1
Tsp
TC
Tm Pm
PC
Psp u Pv
T 塔 底 部
加热蒸汽
P
再 沸 器
精馏塔提馏段温度控制系统 如图所示，图中，Pv为调节 阀阀前压力。 （1）为保证再沸器的安全， 蒸汽调节阀应选用气关阀还 是气开阀？为什么？ （2）确定调节器TC、PC的 正反作用，并画出该系统完 整的方框图（尽可能在图上 表明相应的信号）。
串级控制系统 Cascade Control System
本讲基本要求



了解串级控制系统的概念与特点； 掌握串级控制系统的方框图表示法； 结合控制原理，掌握串级系统的分析方 法； 了解串级控制系统的设计原则；
反应釜温度单回路控制系统
控制变量：冷却剂量
TC 出料
被控变量：反应温度 控 制 阀：气关阀
其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD 为微分时间常数



PID（比例-积分-微分）控制器作为最早 实用化的控制器已有70多年历史，现在 仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控 制器简单易懂，使用中不需精确的系统 模型等先决条件，因而成为应用最为广 泛的控制器。这个理论和应用自动控制 的关键是，做出正确的测量和比较后， 如何才能更好地纠正系统。

PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I） 和微分单元（D）组成。其输入e 与输出p的关 系为： p=kp(e+∫edt/TI+TDde/dt)式中积分的上下限 分别是0和t
串级系统副调节器选型

副调节器常选择PI控制律
原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一 般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快 速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能 力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级 系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分 作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗 干扰能力。
阀 夹套
D1 T2
槽壁 反应槽
T1
夹套水温测量
反应器温度测量
TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。
串级控制系统典型方框图
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器
调节阀
副对象
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1
串级系统的设计原则
对调节滞后的解决方法之一
对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口 温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反 应槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水 温单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面 的扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作 相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1 来自动实现）。 “串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
特点：两个调节器串在一 起工作，调节器TC2通过 调节冷却剂量以克服冷却 水方面的扰动；调节器 TC1通过调节夹套内水温 的设定值以保证反应温度 维持在工艺所希望的某一 给定值。
反应器温度串级控制方框图
D2 T1sp ＋ － TC1 T2sp ＋ － TC2


副参数的选择应使副对象的时间常数比主对 象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏； 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰； 尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含 于副回路中。
常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、 液位+流量、温度+温度等。
串级方案设计举例
TC 出料
TC
燃料油
进料
讨论：副回路所能 包括的扰动越多， 副对象与主对象的 动态特性的差别越 小，越容易引起内 外回路之间的“共 振”（系统稳定性 越差）。
串级系统主调节器选型

Байду номын сангаас
主调节器常选择PI或PID控制律
原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。 因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加 入较强的积分作用（除主参数为液位的串级均匀控制 系统以外）。当主对象的调节滞后较大，而主参数变 化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。
结论
介绍了串级控制系统的概念与特点； 结合控制原理，具体分析了串级系 统的抗干扰性能； 讨论了串级控制系统的设计原则；
冷却剂 进料
控制规律：PID
D2
调节阀 夹套
T1sp ＋ －
调节器
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
单回路控制系统扰动分析
冷却水入口温度↑→ 夹套内
TC 出料
冷却水温度 T2 ↑→ （经对流
传热）槽壁温度↑→ 反应槽 温度T1 ↑→（经反馈回路）
冷却剂 进料
冷却水量↑
问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大， 特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。