计算机过程控制-第五章

在串级中采用了两级调节器，这两级调节 器串在一起工作，各有其特殊任务。调节阀直接 受调节器θC2的控制，而调节器θC2的设定值则受 调节器θC1的控制， θC1称为主调节器， θC2称为副 调节器。串级控制的方框图如图5.4所示。
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例5－2 精馏塔提馏段的温度控制 图5.5是精馏塔底部示意图，在再沸器中，用 蒸汽加热塔釜液产生蒸汽，然后在塔釜中与下降 物料流进行传热传质。为了保证生产过程顺利进 行，需要把提馏段温度θ保持恒定。为此，在蒸 汽管路上装一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流 量。从调节阀动作到温度θ发生变化，需要相继 通过很多热容积。实践证明，加热蒸汽压力的波 动对温度θ的影响很大。此外，还有来自液相加 料方面的各种扰动，包括它的流量、温度和组分 等，它们通过提馏段的传热传质过程，以及再沸 器中的传热条件（塔釜温度、再沸器液面等）， 最后也影响到温度θ。 11
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在图5· 2中，用D1和D2分别代表来自 物料方面和冷却水方面的扰动，它们的作 用地点不同，因此对于温度θ1的影响也很 不一样。
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当冷却水方面发生扰动，例如冷却水入口温度突
然增高时，它需要相继通过三个容积以后才会使 反应温度θ1升高，而只有这时调节器才开始动作， 把冷却水加大。很明显，从扰动开始到调节器动 作，这中间白白浪费了一段时间。 在这段时间 里，夹套冷却水温度的升高已使温度θ1出现很大 偏差。如果把这段时间争取过来让调节器提前动 作，那么调节的效果就改善了。由于冷却水方面 的扰动D2很快就在夹套温度θ2上表现出来，因 此如果把从这个温度测量出并送入调节器θC2 （图5.3），让它来控制调节阀，那么调节动作 就提前了很多，失去的时间就会争取过来，从而 加快了速度。 7
复杂控制系统，也称为多回路系统： 或是由多个测量值、多个调节器；或者由多个测量 值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦器等等组成多 个回路的控制系统。 本篇内容：将从原理、结构和应用等方面讨论目前 已在生产过程中采用的串级控制系统、带有补偿器的控 制系统以及解耦系统。
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第五章
§5-l串级控制系统的概念 串级控制是改善调节过程极为有效的 方法，并且得到了广泛的应用。什么 叫串级控制，它是怎样提出来的呢？ 举例说明。
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最后一个特点是由于副环的存在，使串级系 统有一定的自适应能力。 众所周知，生产过程往往包含一些非线性因 素。因此，在一定负荷下，即在确定的工作点情 况下，按一定控制质量指标整定的调节器参数只 适应于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化 过大，超出这个范围，那么控制质量就会下降。 在单回路控制中若不采取其它措施是难以解决的。 但在串级系统中情况就不同了，负荷变化引起副 回路内各环节参数的变化，可以较少影响或不影 响系统的控制质量。一方面可以用式（5－5）所 表示的等效副对象的增益公式来说明，等效对象 的增益为 28
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其次，由于副环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大
主调节器的增益，提高系统的工作频率。
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由图可见，闭环副回路的增益可能大于或小于开环 时的增益，这取决于输入信号的周期。当Td1／ Td2较 大时，闭环副回路增益将小于开环时的增益。此时若组 成串级系统，可以加大主调节器的增益，应当指出，在 Td1／ Td2 ＞ 5以后，闭环副回路增益接近1.0，相角 接近00，这就是说当Td1足够大时，可以把副回路等效 成为一个增益为1的放大环节，形成1：l的随动系统。 然而在Td1减小时，闭环副回路的增益增加而开环时的 增益却要下降，此时若闭合副回路，主调节器的增益就 不得不减少，在这种情况下组成串级控制系统将会降低 系统的性能。因此，在串级系统中要避免闭环副回路的 高增益区，即主、副回路自然振动周期Td1／ Td2＝ 1～3的区域。此外，为避免主、副回路之间的“共振” 现象，也要求主、副回路的周期成一定的比例，这一点 将在串级系统的设计中加以讨论。 26
但是我们又不能简单地仅仅依靠这一个调节 器θC2来代替图5.1中的调节器θC的全部作用。 是因为最后的 目标是要保持温度θ不变，调节器 θC2只能起稳定温度θ2的作用，而在发生物料方 面的扰动D1的情况下，并不能保证温度θ1符合 要求。为解决这个问题，可以设想用人工来改变 调节器θC2的给定值θ2r,通过它来改变夹套温度 θ2这样就可以在物料方面发生扰动的情况下，也 能把温度θ1调节到所需要的数值上。实际上，这 个工作当然不是用人工而是由另一个自动调 节 器θC1来完成的。它的主要任务就是根据温 度 θ1（相对它的给定值θ1r）的偏差来改变给定值 θ2r ， 基本思想。 8
当加热蒸汽压力波动较大时，如果采 用图5.5 所示的简单控制系统，调节品质一般 都不能满足生产要求。如果采用一个 附加的蒸汽压力控制系统（图5.6）， 把蒸汽压力的干扰克服在入塔前，这 样也提高 了温度调节的品质，但这样 就需要增加一只调节阀，并且增加了 蒸汽管路的压力损失，在经济上很不 合理。
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比较好的方法是采用串级控制：如图5.7所示。副调 节器QC2根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，这样就可 以在加热蒸汽压力波动的情况下，仍能保持蒸汽流量稳 定。但副调节器QC2的给定值则受主调节器θ C1的控制， 后者根据温度θ改变蒸汽流量给定值Qr，从而保证在发 生进料方面的扰动的情况下，仍能保持温度θ满足要求。 用这个方法可以非常有效地克服蒸汽压力波动对于温度 θ的影响，因为流量自稳定系统的动作很快，蒸 汽压力变化所引起的流量波动在2至3S以内就消除了， 而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度θ的影响是很 微小的。对于来自进料方面的扰动来说，这种串级方案 则并不能带来很显著的好处（下面将要进一步分析这一 点）。 串级控制系统方块图如图5．8所示，它有两个闭环系 统：副环是流量自稳定系统，主环是温度控制系统。13
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从表中可以看到，由于采用了串级控制，系统工作 频率由单回路的0.087增加到0.23，加快了2.6倍；二 次扰动下的短期最大偏差由单回路控制时的0.24减小 到0.011，大约减小了22倍之多；即使是在一次扰动下， 短期最大偏差也由单回路控制时的0.3减小到0．11， 减小了近三倍。可见串级系统对控制效果的改善是十 分明显的，但是必须指出，上述估算结果没有考虑非 线性因素的影响。实际上，由于串级系统的副调节器 增益往往很大，调节阀的动作幅度也相应增大，有时 可能处于饱和状态，因此串级控制系统的实际效果要 32 比表5-l中估算的结果略为差一些。
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如§5-1中所作的几个例子，它们的共同点就 是对象容积迟延比较大。如例5－l反应器的反应 温度控制小，在组成串级系统时，选择夹套温度 作为副参数时，副对象是一个一阶对象，它可以 迅速反映冷水侧方面的干扰，然后加以克服。例 5－2精馏塔提馏段温度控制中，选择加热蒸汽人 量为副参数，此时副回路几乎没有什么容积迟延， 可以立即克服蒸汽侧的干扰。又例如例5－3加热 炉温度控制中，副参数是炉膛温度，它也是一个 一阶对象，对燃料侧干扰有较慢的克服作用。总 之，它们都设法找到一个反映灵敏的副参数，使 得在干扰影响主参数之前就得到克服，副回路的 这种超前控制作用，必然使控制质量有很大提高。
第二篇 复杂控制系统
最简单的控制系统——单回路控制系统： 只用了一个调节器，调节器也只有一个输入信号。 只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统能够满 足工艺生产的要求。因此，它是一种最基本的使用最广 泛的控制系统。 单回路控制系统无能为力： 如调节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；或者调节对象的动态特性虽 然并不复杂，但控制的任务却比较特殊。另外还应看到， 随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对操作 条件要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制 系统的精度和功源自文库提出许多新的要求，对能源消耗和环 境污染也有明确的限制。为此，需要在单回路的基础上， 采取其它措施. 1
θr θr
Qr Qr
蒸汽 管路 系统 流量测量
Q 再沸 器 塔底
图5.8 提馏段温度串级控制系统
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送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却有显著的提高
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§5-2 串级控制系统的分析
扰动以其作用位置的不同分为两类
二次扰动：包括在副回路内的扰动； 一次扰动：作用于副环之外的扰动（参见图 5.11）。这两类扰动对串级控制效果有本质 的差别。 串级控制系统只是在结构上增加了一个副回 路，为什么会收到如此明显的效果呢？
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一、副回路的设计 串级系统的种种特点都是因为增加了副回路的缘故。 可以说，副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的 关键所在。从结构上看，副回路也是一个单回路，问题 的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象， 然后组成一个副控制回路，这也可以归纳为如何选择副 参数。下面是有关副回路设计的几个原则。 1．副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道 短，反应灵敏 通常串级系统被用来克服对象的容积滞后和纯 迟延。也就说，总是这样来选择副参数，使得副回路时 间常数小，调节通道短，从而使等效对象的时间常数大 大减小，提高了系统的工作频率，加速了反应速度，缩 短控制时间，最终改善系统的控制品质。
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当二次干扰经过干扰通道环节Gd2(s)后，进 入副环，首先影响副参数y2，于是副调节器立即 动作，力图消弱干扰对y2的影响。显然，干扰经 过副环的抑止后再进入主环，对y1的影响将有较 大的减弱。按图5.12所示串级系统，可以写出二 次干扰D2至主参数y1的传递函数是 为了与一个简单回路控制系统相比较，由图 5.13可以很容易地得到单回路控制下D2至y1的 传递函数为：
串级控制系统 与比值控制系统
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例5－1 连续槽反应器温度控制 图5.1表示一个连续槽反应器，物料自顶部连 续进入槽中，经反应后从底部排出。反应产生的 热量由冷却夹套中的冷却水带走。为了保证产品 质量，必须严格控制反应温度θ1，为此采用调节 阀来改变冷却水流量，调节对象具有三个热容积， 即夹套中的冷却水、槽壁和槽中的物料。
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为简单起见，在图5.2中，把这三个容积画成 了串联的形式，即忽略了它们之间的相互作用 （容积之间的相互作用有助于改善调节对象的调 节性能）。 引起温度θ1变化的扰动因素两方面：物料方 面，流量、入口温度和物料化学组分；在冷却水 方面有它的入口温度以及调节阀前的压力。在图 5· 2中，用D1和D2分别代表来自物料方面和冷却 水方面的扰动，它们的作用地点不同，因此对 于温度θ1的影响也很不一样。
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首先是副环具有快速作用，它能够有效地克 服二次扰动的影响。可以说串级系统主要是用来 克服进入副回路的二次干扰的。 现在对图5.12所示方框图进行分析，可进一 步揭示问题的本质。图中：Gc1(S)、Gc2(S)是 主、副调节器传递函数；Gp1(s)、 Gp2(s)是主、 副对象传递函数；Gm1(s)、 Gm2(s)是主、副变 送器传递函数，Gv(s)是调节阀传递函数。 Gd2(s)是二次干扰通道的传递函数。
一般情况下，
因此，如果副对象增益或调节阀的特性随
负荷变化时，对等效增益K。。’的影响不大，因而在不改变调节 器整定参数的情况下，系统的副回路能自动地克服非线性因素的影 响，保持或接近原有的控制质量；从另一方面看，由于副回路通常 是一个流量随动系统，当系统操作条件或负荷改变时，主调节器将 改变其输出值，副回路能快速跟踪及时而又精确地控制流量，从而 保证系统的控制品质。从上述两个方面看，串级控制系统对负荷的 变化有一定自适应能力。 综上所述，可以将串级控制系统具有较好的控制性能的原因归纳 为： ①对二次干扰有很强的克服能力； ②改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率； ③对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。 为了对串级控制系统的控制效果有一定量的概念，下面用频率法 29 来估算一个实例。
§5-3 串级系统设计和实施
中的几个问题
如果把串级系统中整个闭环副回路作为一个 等效对象来考虑，可以看到主回路与一般单回路 控制系统没有什么区别，无须特殊讨论。 但是副回路应该怎样设计，副参数又如何选 择，主、副回路之间又有什么关系，一个系统中 有两个调节器会产生什么问题等等，这是系统设 计和实施中应予以考虑的问题。