过程控制及仪表课件.ppt

2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,第四章 串级控制系统,过程控制及仪表,（过程控制系统篇）,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,本节重点： 用于克服对象的纯滞后 用于克服对象的容量滞后 用于克服幅值大、变化剧烈的干扰 用于克服对象的非线性。,第三节 串级控制系统的应用范围,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,串级控制系统副回路对一次干扰无能为力。,，从而提高控制质量。,最大偏差）减小，过渡过程周期时间减短,制作用及时，使超调量（,通道短，滞后时间相对较小，控,时克服掉。由于副回路,检测并及,，经过副变量时，由副环检,干扰未到达主变量之前,纳入副回路，在,副变量，把干扰,间较小的地方选择一个,在离阀较近，纯滞后时,用串级系统。,回路不能满足要求，可,纯滞后时间较长时，单,滞后,一、用于克服对象的纯,串级系统用于下列场合：,量要求时，就不用串级。,用单回路能满足控制质,应用原则：,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,炉的燃烧情况。,锅炉的液位，锅,、流量、温度,二次干扰：减温水压力,变化。,一次干扰：汽轮机负荷,效果满足要求。,点蒸汽温度为副变量，,串级，,能满足要求。,不,点通道长，纯滞后大，,至,方案选择：单回路，阀,点温度恒定,后,设计要求：过热器,制系统。,。过热蒸汽温度串级控,例：图,B,A,A,II,13,4,-,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,，利用副回路的特,的辅助变量组成副回路,选择一个滞后时间较小,佳的缺陷。,统对大容量滞后效果不,克服单回路系,，可用串级系统来,象，如温度或质量对象,对于容量滞后较大的对,量滞后,二、用于克服对象的容,充分发挥串级系统的作用，过多时可能使系统发生共振。,使其包含的干扰多少适中。过少时不,时间常数，,来。但要选择好副环的,下，串级效果可更好发挥出,情况频繁、复杂的情况,容量滞后大，干扰,。对象,统。图,度炉膛温度串级控制系,例：管式加热炉出口温,好的控制质量。,缩短调整时间，获得较,工作频率提高，加快响应速度，,对象的时间常数减小，,点，使等效副,15,4,-,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,克服容量滞后,时间常数3分钟,时间常数15分钟,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,定的比较大，就会使系统抗干扰,副控制器的放大倍数整,回路中，并把,大的干扰包含在副,点，把变化剧烈和幅值,根据串级系统的第三特,和幅值大的干扰,三、用于克服变化剧烈,。,压力控制系统。图,例：中间脱气槽液位与,变量的影响减小到最小程度。,大大提高，把干扰对主,能力,16,4,-,主要干扰 P,干扰：含CO2量波动,干扰：负荷变化,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,性影响较小。,统的稳定,有所影响，但对整个系,这样对副回路的衰减比,的开度。,设定副控制器的设定值，由副控制器来改变阀,控制器的输出自动重新,由主,荷变化引工作点变化时，,包含在副回路中，当负,将具有非线的对象部分,串级系统。,负荷变化较大且频繁时,，但是有限的。,可选择阀的特性来补偿,负荷变化较大,可用单回路控制系统。,大,负荷比较稳定，变化不,对象有非线性时：,线性,四、用于克服对象的非,1,2,2,2,m,o,c,o2,K,K,K,K,1,K,+,=,u,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,选择换热器出口温度为副变量，反应器中部温度为主变量.,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,本节重点： 主回路的选择 副回路的选择 主、副控制器的选择 串级系统的实施,第四节：串级控制系统的设计：,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,。,数都可以被选为主变量,性能的参,生产过程质量或者安全,凡能直接或间接的反映,致。即,路被控量的选择原则一,即确定主变量。与单回,一、主回路的选择,。,小到,一次干扰，最大偏差减,；,小到,二次干扰，最大偏差减,做到：,理，与单回路相比可以,如串级控制系统设计合,用方式的确定。,反作,副控制器的选型，正、,主、副回路选择，主、,串级系统的设计包括：,3,1,10,1,5,1,100,1,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,小。,主变量受其影响大大减,最低程度，使,由副回路把他们克服到,干扰包括在副回路内，,繁的主要,变化剧烈、幅值大、频,研究干扰来源，把那些,尽可能多的主要干扰,（一）、副回路应包含,几个原则：,变量的选择应遵循下面,级系统成败的关键。副,设计是串,源于副回路，副回路的,串级系统的特点主要来,二、副回路的选择,可能性。,和实践上的,，应考虑工艺上合理性,数必须考虑足够灵敏度,量；所有参,应关系的参数作为主变,个与产品质量有单值对,，应选择一,择质量指标做主变量时,它做主变量；当不能选,可时可选,最直接有效，在条件许,用质量指标作为被控量,具体的选择原则有：,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,2,o,1,o,2,o,1,o,2,o,1,o,2,m,2,o,2,c,T,/,T,16,-,4,T,/,T,1,T,/,T,K,K,K,K,1,1,16,-,4,15,-,4,数比,与主、副对象的时间常,上式说明，频率的提高,）,（,）,（,）：,由式（,间常数应匹配,（二）、主、副对象时,。,克服干扰的灵敏度下降,，使副回路,，副变量就靠近主变量,副回路包括的干扰太多,好。如,含干扰，但并非越多越,副回路应尽可能多的包,为合理。,二方案更,是主要干扰时，上述第,当燃油压力和原料油都,副回路中。,扰也包含在,的粘度、成分等次要干,合理。同时还将原料油,串级方案更,，出口温度与炉膛温度,时，上面方案就不合适,原料油处理量经常变动,。当燃料油经常变换或,图,单,串,+,+,+,=,w,w,u,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,较大时增长慢下来。,较快，而在,增长,较小时，,。可见，在,有关。见图,单,串,2,o,1,o,2,o,1,o,T,/,T,/,T,/,T,18,4,w,w,-,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,易共振。,联系十分紧密，极,时，主、副对象的动态,反映慢，控制不及时。,扰太多，,过大，副回路包含的干,时，表明,不好。,的稳定性也,能发挥出来，并且系统,少，副回路的特点就不,扰已太,太小，副回路包含的干,时，表明,之间比较合适。,般,数比例应选择适当，一,路的时间常,择副回路时，主、副回,而不稳定。因此，在选,敏,过小将使副回路过于灵,大。,统的工作频率意义已不,便增大，此时对提高系,过小，,作用快一点。但,些，控制,小些，以使副回路灵敏,系统设计时，希望,1,T,/,T,T,3,T,/,T,T,10,T,/,T,10,3,T,/,T,T,T,/,T,T,T,2,o,1,o,2,o,2,o,1,o,2,o,2,o,1,o,2,o,1,o,2,o,2,o,1,o,2,o,2,o,=,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,。,、,制系统。图,例：冷却口出口温度控,控制质量要求的方案。,选用即省投资，又满足,的经济性,（四）、要注意生产上,器温度的控制。,。流化床催化裂化反应,例：图,的合理性与可能性,（三）、应考虑工艺上,拉开一些好。,、,的，,以克服对象非线性为目,大一些好。,环,和较大滞后为目的，副,以克服对象大时间常数,小一些好；,目的，副环,以克服对象主要干扰为,一般：,21,-,4,20,-,4,19,4,T,T,T,T,2,o,1,o,2,o,2,o,-,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,循环风,加热,设计方案：反映器温度增压风流量串级控制系统存在问题：催化剂循环量不稳定,实用控制方案： 1. 增压风流量单回路控制系统。用以稳定催化剂循环量。 2. 进料预热控制系统。稳定反映器温度。,反应温度480530,压力0.14MPa,再生温度为600730,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,副变量灵敏度高,副变量灵敏度低,多一套液位控制系统，使成本增加,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,择,（一）、控制作用的选,择,三、主、副控制器的选,较大时，可引入积分。,较小，,作用。当,副控制器：,提高控制质量。,克服容量滞后，进一步,或,主控制器：,类型。,。这是串即系统的基本,保证主变量的控制精度,是用来提高和,故，副变量的引入主要,定范围就要出次品或事,高，超出规,要指标，控制质量要求,主变量是生产工艺的重,种情况：,，有下列四,器的控制作用也就不同,不同，因而主、副控制,控制要求,产工艺对主、副变量的,在串级系统中，由于生,T,P,PID,PI,.,1,o2,d,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,虑这一点。,。整定时应考,定在工艺要求的数值上,作用，副变量也不能稳,制器有积分,变化太剧烈，即使副控,注意：如主控制器输出,。,副控制器：,主控制器：,较高。,高，对副变量要求也比,工艺对主变量要求比较,PI,PI;,.,2,PI,P;,.,3,。,副控制器：,主控制器：,而变化。,控制器的输出,能快速、准确地跟随主,内波动，但要求副变量,一定的范围,求不高，甚至允许它在,对主变量的控制质量要,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,),(,),(,),(,),(,P,PI;,P,4.,-,=,主对象,副对象,主控制器,主控制器：,积为“负”。,副回路：同单回路，乘,式的选择,（二）、正、反作用方,。,副控制器：,或,主控制器：,的仅是互相兼顾。,都不高，采用串级的目,对主、副变量控制要求,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,气开阀:KV0,气关阀:KV0,控制器正作用:Kp0,控制器反作用:Kp0,检测量增大变送器输出增大:KM0,检测量减小变送器输出增大:KM0,当=Xi-Xs 时 ，必须满足：KpKvK0KM0,当=Xs-Xi 时 ，必须满足：KpKvK0KM0,控制器正反作用判别依据:,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,。,、,实例：图,入手动。,。故障时，应能立即切,系统维修方便，投资少,、报警；,各种数据的显示、记录,是否有积分饱和现象；,，或选择遥控方案；,主、副环是否单独运行,仪表选型；,的具体构成方案。,考虑串级系统,制器选型确定之后，可,主、副变量，主、副控,案,四、串级系统的实施方,23,4,22,4,-,-,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,本节重点： 串级系统的投运 串级系统的参数整定： 逐步逼近法、两步法、一步法,第五节：串级控制系统的运行,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,少用。,先主后副,普遍采用；,先副后主,种方法：,串级控制系统投运有两,手动无扰切换。,自动、自动,动,系统投运主要是保证手,一、串级控制系统的投运,2.,1.,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,器变化即可。,速跟随主控制,制质量要求不高，能快,副回路：随动系统，控,。,，控制质量指标要求高,主回路：定值控制系统,些。,参数整定较单回路复杂,串级系统有两个回路，,定,二、串级系统的参数整,。,器整定参数,整定方法求取主控制,系统，按单回路,样，系统可视为单回路,路视为一等效对象。这,副回,值上，将主环闭合，把,副控制器整定参数置于,。,求取副控制器整定参数,路整定方法,是一个单回路，按单回,主环断开，把副环看成,整定步骤：,（一）、逐步逼近法,一 步法。,逐步逼近法、两步法、,常用方法：,1,1,c,1,2,c,1,2,c,W,W,.,2,W,1.,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,束，主、副控制器参数分,。如达到要求，整定结,完成一次逼近循环,，至此,器整定参数,，再求取更好的副控制,器整定参数,，副控制,控制器整定参数置于,系统处于串级状态，主,2,2,c,1,2,c,1,1,c,W,W,W,.,3,控制器。,节，整定主,再把副回路视为一个环,先整定副控制器参数，,（二）、两步法,时。,副控制器采用,此法特点：费时，特别,质量要求为止。,，直到达到控制,，依次循环，逐步逼近提高,数,，再求主控制器整定参,于,副控制参数置,，则继续整定下去，将,如控制质量不满足要求,。,、,别为,PI,W,W,.,4,W,W,2,1,c,2,2,c,2,2,c,1,1,c,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,此法特点：简单省时。,为止。,，再作适当调整，满意,观察过渡过程曲线,数，做扰动试验，,的顺序，设置控制器参,后,次,按先副、后主，先,的整定参数。,单回路法求取主、副控制器,结合控制器的选型，按,、,、,、,按,D,I,P,.,4,T,T,.,3,s,2,s,1,s,2,s,1,d,d,。,和,递减比下的,，求同样的,例度,逐步降低主控制器的比,副控制器的比例度,。,和,递减比时的,：,，求副回路,器的比例度,，然后逐步降低副控制,置于,比例作用，主控制器,定，主、副控制器均为,系统串级运行，工艺稳,整定步骤如下：,T,.,2,T,1,4,%,100,.,1,s,1,s,1,1,s,2,2,s,2,s,2,2,d,d,d,=,d,d,d,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,整定主回路控制器。,虑它对主控制器参数的影响，来,中的一个环节，不再考,视为主回路,，副回路整定好之后，可,很小，可以忽略。这样,副回路的动态联系,远大于副回路，主、,较大，主回路工作周期,作频率和操作周期差别,主、副回路的工,一般,设计合理的串级系统，,10,3,T,/,T,.,1,2,o,1,o,=,差一些是允许的。,，副变量控制质量,。只要主变量满足要求,为进一步提高主变量质量,回路的目的是,制回路要求低，设置副,主控制器要求高，副控,.,2,采用这种整定方法原因如下：,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,%,32,min,5,.,3,5,.,0,T,T,%,60,2,.,1,.,3,min,7,T,%,50,1,4,T,%,32,.,2,S,15,T,%,32,1,4,T,T,%,100,.,1,C,5,S,2,2,S,1,I,1,S,1,1,S,1,S,1,I,2,S,2,S,2,I,2,I,1,1,=,d,=,d,=,=,=,d,=,d,=,=,d,=,=,=,d,=,=,=,d,副控制器：,主控制器：,参数。,计算主副控制器的整定,按表,。,，操作周期,振荡过程参数为,：,主变量,，调节主控制器比例度，得,，,置,将氨流量控制器比例度,。,，操作周期,器比例度为,振荡过程，此时副控制,：,现,调比例度，使副变量呈,，,氨流量控制器,，,串级运行，炉温控制器,变化，整定过程如下：,高，允许在一定范围内,氨流量要求不,大偏差不得超过,量，对它要求较高，最,，炉温为主变,氨气流量串级控制系统,中有一套氧化炉温度与,某化肥厂硝酸生产过程,例,15,-,3,对副变量,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,为常数,要,可变化，只,、,制器的,衰减过程时，主、副控,：,当满足,实验依据：,定方法整定主控制器。,整,置好，然后按单回路,器的整定参数，将其设,根据经验先确定副控制,时、简单。,得出一步整定法，更省,对两步法进一步简化，,（三）、一步整定法,即可，见表4-1。,K,K,K,1,4,K,K,K,s,2,c,1,c,2,c,1,c,s,=,来补偿。,适，则由,如不合,来整定主控制器参数，,再调,即先确定,c1,c2,c1,c2,K,K,K,K,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,）,（,时有：,当,）有：,由式（,可在一定范围内匹配,与,为一常数，,衰减过程，,：,即满足,的乘积：,系数,系数,，等于副回路放大,器的放大倍数,其等效控制,的单回路控制系统,主、副控制器串在一起,如果把串级系统看成是,理论分析：,44,-,4,K,K,1,K,K,K,1,K,K,K,K,K,K,1,K,K,K,K,K,3,4,K,K,K,1,4,43),-,(4,K,K,K,K,K,K,K,2,o,2,c,2,o,2,c,2,2,m,2,m,2,o,2,c,2,o,2,c,2,o,2,2,c1,s,s,2,c1,c,c1,2,c,+,=,=,=,+,=,=,-,=,=,u,u,u,与主控制器放大,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,。,，见表,，或查表求得,求出,由,，,的线性范围，即,时，利用图,在估算,衰减过程。,：,即可获得,可任意匹配，只要,与,可见在线性范围内，,）,（,），有,代入（,的范围也就确定了，将式（4-25）,值确定，,一经确定，,。,的线性变化范围将缩小,，,。红线以上为非线性。,率，,图中曲线直线部分的斜,）,（,线性，即：,与,，,的范围（红线以下）,在,的关系曲线，由图4-25：,与,得,作为参变量，由上式可,把,2,4,K,K,K,5,.,0,K,K,25,4,1,4,K,K,kK,K,K,46,-,4,K,kK,K,K,K,43,4,K,k,K,).,3,K,K,).,2,k,K,k,45,-,4,kK,K,K,K,5,.,0,K,K,0,).,1,K,K,K,2,c,2,c,2,o,2,o,2,c,2,s,2,c,1,c,2,c,1,c,2,c,1,c,2,1,c,s,2,c,2,o,2,c,2,o,2,o,2,c,2,2,c,2,o,2,o,2,c,2,c,2,o,2,o,-,=,-,d,=,=,=,-,=,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,稳定之后重新整定。,可先切入手动，待系统,消除。如共振剧烈，,个比例度即可,主、副控制器的任何一,如出现“共振”，加大,；,器参数，直到满意为止,值匹配原则，调整控制,由,制器参数，,按单回路方法整定主控,将串级系统投入运行，,并设置在副控制器上；,求取,一步法整定步骤：,.,3,K,.,2,K,.,1,2,c,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,足工艺要求。,，满,，过渡过程时间为,其超调量为,衰减，,：,过程,的设定值扰动下，控制,在,的顺序，设置主控制器参,后,次,按先,计算主控制器参数：,按表,。,，,到,整定主控制器参数，得,衰减过程,：,在串级状态下，按,，,置副控制器,。,这里取,）,（,范围,，滞后小，因此在经验,副变量是压力，反应快,骤为：,用一步法整定，具体步,系统，采,丙烯蒸发压力串级控制,，冷却系统出口温度与,例：如图,min,2,C,5,.,1,1,4,3%,数，,D,I,P,.,4,min,3,.,0,1,.,0,T,T,min,9,.,0,3,.,0,T,T,%,24,8,.,0,15,3,.,3,min,3,T,%,30,1,4,0,T,T,%,40,.,2,40%,%,70,30,.,1,21,4,S,1,1,D,S,1,1,I,S,1,1,S,1,S,1,D,I,2,2,=,=,=,=,=,d,=,d,-,=,=,d,=,=,=,d,=,d,-,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,本章小结 本章介绍了串级控制系统的构成及工作过程，还比较深入的分析了串及控制系统的特点，由于副回路改善了对象的特性，使（1）系统的时间常数减小了；（2）工作频率提高了；（3）对二次干扰有很强的克服能力；（4）对负荷变化有一定的适应性。因此，串级控制系统的稳定性、快速性和准确性都比单回路控制系统好，使它在所有常规复杂控制系统中获得了最广泛的应用。 由于串级控制系统比单回路控制系统多用一套检测和控制仪表，投资费用有所提高，并且控制器的参数整定也麻烦一些，因此，凡是用单回路控制系统能满足工艺提出的控制质量要求的，就不必用串级控制系统。只有在对象的控制通道的时间常数较长，容量滞后较大，系统存在变化剧烈和幅值很大的干扰，负荷变化较大，而被控对象又有较大非线性的场合，才选用串级控制系统。,2022/12/6,辽宁科技大学电信学院 王玉昆,为了使串级控制系统的特点得到充分的发挥，在系统设计时首先注意到副回路的选择，其原则是： 1、首先应将主要干扰尽量包含在副回路中； 2、其次，应使主、副对象时间常数匹配合理，以防共振； 3、此外，还应保证工艺的合理性、实现的可能性和经济性等。 在串级控制系统中，一般对主变量的控制质量要求较高，所以主控制器选用PI作用，以达到对主变量的无差控制；对温度对象则选用PID作用；而副控制器多为P作用，有时候也为PI作用。控制器正、反作用方式的选择是系统设计内容之一，也应重视。 串级控制系统控制器的参数整定有逐步逼近法、两步法和一步法三种，尤其是一步法更显得简单，因而获得广泛应用。,