过程控制：串级控制系统

结果：温度控制不稳定
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。
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。
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
- PID正反作用确定 . 先确定副控制器 调节阀选为气开型(故障关FC),特性为正作用; 流
量偏大时,阀门流通量应少, 对象特性为反作用; 所以 PID控制器应选正作用;
调节阀选为气关型(故障关FO),特性为反作用, PID控制器应选反作用;
串级控制系统
. 再确定主控制器 主控制器PID特性,不再需要考虑阀门特性和
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ຫໍສະໝຸດ 述温度控制器流量控制器
控制阀
流量变送器
温度变送器
流量对象
温度对象
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 （流量） 外环：主环，主控制器、主对象、主变送器 （温度）
概述
主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制
例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰
串级控制系统的特点
串级系统具有一定的自适应能力
自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条 件的变化，不断修改副控制器的给定值——自适应能力 “能力有限”，自适应控制（现代控制技术）

（1）扰动幅值大而频繁，对被控量影响强烈，反馈控制难于达到工艺要求的场合。
（2）主要扰动可测，但对反馈控制又是不可控的参数。
（3）当控制系统的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差，可考虑采用前馈或前馈——反馈控制系统，以提高控制质量。
06年
四、分析与应用题（本题28分，第1小题15分，第2小题13分）
一、分析与应用题（本题40分，每小题10分）
1、请判定图所示温度控制系统中，调节阀和调节器的作用型式。
（1）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为过热蒸汽时；
（2）当物料为温度过高时易结焦或分解的介质，调节介质为过热蒸汽时；
（3）当物料为温度过低时易析出结晶颗粒的介质，调节介质为待加热的软化水时；
⑤本例采用的是单冲量控制，结构简单，但当负荷变换较大时，会出现控制其输出误动作、控制不及时等缺陷。针对这些缺陷，可进一步改进控制系统以改进控制品质。如，考虑到蒸汽负荷波动的影响，可将蒸汽流量作为前馈信号，与汽包水位组成前馈-反馈控制系统，通常称为双冲量水位控制系统。或再考虑其他扰动因素，设计相应的多冲量控制系统。
双重控制系统是一个被控变量采用两个或两个以上的操众变量进行控制的控制系统。这类控制系统采用不止一个控制器，其中，一个控制器的输出作为另一个控制器的测量信号。
两者区别：双重控制系统主控制器的输出作为副控制器的测量，串级控制系统中作为副控制器的设定。因此，串级控制系统中两个控制回路是串联的，双重控制系统中两个控制回路是并联的。它们都具有急则治标，缓则治本的控制功能，但解决的问题不同。
对于DDZ-III型差压变送器，其输出信号为4-20mA，输入信号为差压，与流量的平方成比例。因此对于F1T和F2T，其输出信号分别为：
比值系数：K，=（I2-4）/（I1-4）

' 02
G02 ( s )
K 02 1 T02 s
K 02 1 K C 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 K C 2 KV K 02 K m 2
T02 T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2

通常情况下，副调节器的比例增益可以取得很大， 这样，等效时间常数就可以减到很小的数值，从而加 快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。

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结论（二）
等效对象的增益也减小 使主控制器增益可增大，提高抗干扰能力。
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6.2.3 对负荷变化有一定的自适应能力
(1) 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控制器参数只适应于工作点 附近的一个小范围。 (2)如果负荷变化过大，超出这个范围，那么控制 质量就会下降。 (3) 在单回路控制中若不采取其它措施是难以解决 的。 (4) 但在串级系统中情况就不同了，负荷变化引起 副回路内个各环节参数的变化，可以较少影响或不影 响系统的控制质量。
K 02 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 64 常数都比原副对象的要小
结论（一）
把整个副回路看成是一个等效对象。 等效对象的时间常数缩小了( 1 K K K K )倍， c 2 v m2 o2 而且随着副调节器比例增益的增大而减小。
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串级控制系统
两个控制器串联工作 主控制器的输出作为副控制器的设定值 副控制器的输出去操纵控制阀 从而对主被控变量具有更好的控制效果。

y
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
§5-3 串级系统设计和实施中的几个问题
•正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其 正确合理地设计， 特点。 特点。 设计包括主、副回路选择， •设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制 规律选型和正、反作用的确定。 规律选型和正、反作用的确定。
一、副回路的设计
1、副参数的选择应使副回路时间常数最小，调节通 副参数的选择应使副回路时间常数最小， 道短，反应灵敏。 道短，反应灵敏。 •选择原则主要有： 选择原则主要有： (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。 (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。
x2(t) x1 ＋ － 主控制器 ＋ － 温度变送器2 温度变送器1 θ2(t) 副控制器 调节阀 f3、f4 炉膛 管壁 f1、f2 θ1(t)Байду номын сангаас原料油
沈阳理工大学
3．干扰同时作用于副回路和主回路 ． 主副回路干扰的综合影响有两种情况： 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： ）主副回路的干扰影响方向相同。 燃料压力f ↑→炉膛温度↑ →出口温度 ↑→炉膛温度 出口温度↑ 燃料压力 3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑ →副控制器开始调节 原油流量f ↓→出口温度↑ ↓→出口温度 原油流量 1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节
二次干扰 一次干扰
干扰 给定 ＋ － 主控制器 ＋ － 副变送器 主变送器 副控制器 执行器 副对象 副变量 主对象 主变量
三、串级控制系统的工作过程
沈阳理工大学
1．燃料压力f3(t)、燃料热值 4(t)发生扰动 ．燃料压力 发生扰动—— 、燃料热值f 发生扰动 干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度， 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送 器提前测出，副控制器立即开始控制， 器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大 为缩短。 为缩短。