1、第七讲：串级控制系统设计 Process Control System,主讲老师：廉迎战 副教授,2019/6/4,过程控制与仪表,2,重点内容,串级控制系统=对象+双回路控制系统 内容： 系统分析 控制方案 系统整定 系统投运,2019/6/4,过程控制与仪表,3,一、基本概念,1串级控制系统结构： 例：炼油厂管式加热炉温度控制系统。管式加热炉是石油工业生产中常用的设备之一。工艺要求被加热物料的出口温度（即炉出口温度）保持为某一定值，所以选定炉出口温度为被控参数。 影响因素： 被加热物料的流量和初温f1(t)； 燃料油压力的波动、流量的变化、燃料热值的变化f2(t)； 烟囱抽力变化f3(t)
2、； 配风、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t)等等。,2019/6/4,过程控制与仪表,4,一、基本概念,1串级控制系统结构： 例：炼油厂管式加热炉温度控制系统。 系统结构： 为满足生产工艺要求，选择炉出口温度为主被控参数，炉膛温度为中间辅助被控参数。采取串级结构进行控制，见图8-23。这样扰动f2(t) ，f3(t)对炉出口温度的影响，主要由炉膛温度控制器T2C构成的控制回路来克服，扰动f1(t)、f4(t)对炉出口温度的影响由炉出口温度控制器T1C构成的控制回路来消除。,2019/6/4,过程控制与仪表,5,一、基本概念,1串级控制系统结构： 例：炼油厂管式加热炉温度控制系统。 系统结构：
3、T1 C和T2C两个控制器串联工作，炉出口温度由控制器T1C的输出作为炉膛温度控制器 T2C的给定值，这样的系统就称为串级控制系统，其框图,2019/6/4,过程控制与仪表,6,一、基本概念,1串级控制系统结构： 例：炼油厂管式加热炉温度控制系统。 系统结构： 串级系统即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。 无论主环或副环都有各自的控制对象、测量变送元件和控制器。 在主环内的控制对象、控制参数和控制器被称为主调节对象，主参数和主控制器。 在副环内则相
4、应地被称为副调节对象、副参数和副控制器。 主控制器具有自己独立的设定值，它的输出作为副控制器的设定值，而副控制器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。作用在主被控过程下的、而不包括在副回路范围内的扰动被称为一次扰动。作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动被称为二次扰动。 比较串级系统和单回路系统区别是：前者只比后者多了一个测量变送元件和一个控制器，增加的仪表投资不多，但控制效果有显著的提高。,2019/6/4,过程控制与仪表,7,一、基本概念,2串级控制系统的工作过程 ： 假定调节阀为气开式，调节器Wc1(s)和W c2(s)均为反作用。当生产过程在稳定工况时，被加热物料的流量和温度
5、不变，燃料的流量与热值为常数，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值上。 当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分三种情况讨论。 （1）二次扰动来自燃料压力、热值f2(s)和烟囱抽力f3(s)。 （2）一次扰动来自被加热物料的流量和初温f1(s)和环境温度f4(s)。 （3）一次扰动和二次扰动同时存在。 综上分析可知，串级控制系统副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。,2019/6/4,过程控制与仪表,8,二、串级控制系统的特点,1改善过程动态特性
6、 串级控制系统可以被看作是一个改变了过程特性的单回路系统。由于副回路的存在，相当于改善了部分过程的动态特性，使过程时间常数和放大系数都减小了，由于过程的动态特性有所改善，使系统的反应速度加快，控制更为及时，提高了系统的控制质量。 2克服二次扰动 串级控制系统比单回路控制系统多一个副回路。当二次扰动进入副回路，还没有等它影响到主被控参数时，副调节器就开始动作，因而对主被控参数的影响较小，从而提高了主参数的控制质量。对于进入副回路的扰动，串级控制系统比在相同条作下的单回路控制系统具有较强的抗扰动能力。另外，由于串级控制系统副回路的存在，控制作用的总放大系数提高了，抗扰动能力比单回路控制系统强，克服
7、扰动更为迅速有效，因而控制质量较高。 3系统工作频率 由于串级控制系统副回路的存在，改善了过程的动态特性，其等效过程W01(s) W02(s)中，W02(s)的时间常数T02(s)是W02(s)的时间常数T02(s)的1/（1+ K2 KV K02 Km2）倍，从而提高了系统的工作频率。这个工作频率可以由串级控制系统的特征方程式来求取。串级控制系统工作频率的提高，可以使振荡周期缩短，从而改善了系统的控制质量。 4有一定的自适应能力 串级控制系统，就其主回路来看是一定值系统，副回路则为一个随动系统。主控制器能按照负荷和操作条件的变化不断改变副控制器的给定值，使副控制器的给定值适应负荷和操作条件的
8、变化，即具有一定的自适应能力，串级系统的控制将随着负荷的变化具有很强的适应性。,2019/6/4,过程控制与仪表,9,三、串级控制系统的工业应用,1.应用于容量滞后较大的过程 2.应用于纯时延较大的过程 3.应用于扰动变化激烈的过程 4.应用于参数互相关联的过程 5.应用于非线性的过程 串级控制系统的工业应用范围较广泛，但是必须结合具体的工业生产情况与要求设计系统，合理运用串级控制系统的特点，才能收到预期的效果。,2019/6/4,过程控制与仪表,10,四、串级控制系统设计,在系统设计时，须解决主、副参数的选择，主、副回路的设计，主、副回路之间的关系以及主、副调节器控制规律的选择及其正、反作用
9、方式的确定等问题。 1主参数的选择和主回路的设计 串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数，均可选作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则，应选一具与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的变化灵敏度，并须符合工艺过程的合理性。,2019/6/4,过程控制与仪表,11,四、串级控制系统设计,2副参数的选择和副回路的设计 （1）副参数的选择： 副参数的选择应使副回路的时间常数
10、小，时延小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而加快系统的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。为了充分发挥副回路的超前、快速作用，在扰动影响主参数之前就能予以克服，必须设计选择一个可测的、反应灵敏的参数作为副参数。 （2）副回路必须包括被控对象的主要扰动 串级控制系统副回路具有调节快，抗扰动能力强的特点。在设计串级控制系统时，要充分发挥这一特点，应把主要扰动、并尽可能把其他一些扰动包括在副回路中，以提高主参数的控制精度。并不是说在副回路中包含的扰动愈多愈好，而应该是合理的。因为包括的扰动愈多，其通道愈长，时间常数也愈大，副回路就不能起迅速克服扰动的作用
11、。在实际工业生产过程中，副回路的范围大小，取决于整个过程的特性及各种扰动影响。一般应使副回路的频率比主回路高得多。当副回路的时间常数加在一起大于或者等于主回路时间常数时，系统的控制效果将受到很大的影响，甚至没有控制效果。,2019/6/4,过程控制与仪表,12,四、串级控制系统设计,2副参数的选择和副回路的设计 （3）主、副回路的时间常数适当匹配 由于主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路，在一定条件下，如果受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副回路时会引起副回路副参数的幅度变化增加，而副参数的变化传送到主回路后，又迫使主参数的变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间地大幅度地波动
12、，这就是所谓串级系统的共振现象。 为保证串级控制系统的控制性能，应避免副回路进入高增益、幅度变化快的区域。为此，主、副回路的时间常数T01/T02应当适当匹配。根据实践经验和理论确定：T01/T02=310 （4）副回路设计应考虑生产工艺的合理性 过程控制系统是为生产工艺服务的，设计串级控制系统应满足生产工艺要求，所设置的系统是否会影响到工艺过程的正常运行。注意：系统的控制参数必须是先影响副参数、再去影响主参数的这种串联对应关系，然后再考虑其他方面的要求，如主、副回路时间常数匹配等。 （5）副回路设计应同时考虑经济性原则 在副回路设计时，若有几种可供选择的控制方案，则应同时把经济性原则和控制品
13、质要求结合起来，进行分析比较，在满足系统设计要求的前提下，力求节约。,2019/6/4,过程控制与仪表,13,四、串级控制系统设计,3串级控制系统和控制参数选择 串级控制系统和控制参数的选择基本上与单回路系统类似，对控制参数的选择还应考虑如下因素： （1）选择可控性良好的参数作为控制参数。 （2）所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数，并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要扰动进行有效控制并提高控制质量。 （3）所选控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间常数适当小一些。 （4）选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性,2019/6/4,过程控制与仪表,14,四、串
14、级控制系统设计,4主、副控制器控制规律的选择 在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的。主控制器起定值控制作用。副控制器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。 主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。 副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。一般不引入积分控制规律，因为副参数允许有余差，而且副控制器的放大系数较大。控制作用强，余差小，若采用积分规律会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。但是，在选择流量为副被控参数时，为了保持系统稳定，比例度
15、必须选得较大，这样，比例控制作用偏弱，为此引入积分作用，采用PI控制规律。此时引入积分作用的主要目的不是消除余差，而是增强控制作用。副控制器一般也不引入微分控制规律，副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。,2019/6/4,过程控制与仪表,15,四、串级控制系统设计,5主、副调节器正、反作用方式的确定 为了满足生产工艺指标的要求，为了确保串级控制系统的正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确选择。在具体选择时，是在调节阀气开、气关形式已经选定的基础上进行的。 首先根据工艺生产安全等原则选择调节阀的气开、气关形式； 然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器
16、的正、反作用方式； 最后再根据主、副参数的关系，决定主调节器的正、反作用方式。,2019/6/4,过程控制与仪表,16,四、串级控制系统设计,5主、副调节器正、反作用方式的确定 为了满足生产工艺指标的要求，为了确保串级控制系统的正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确选择。在具体选择时，是在调节阀气开、气关形式已经选定的基础上进行的。 首先根据工艺生产安全等原则选择调节阀的气开、气关形式； 然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正、反作用方式； 最后再根据主、副参数的关系，决定主调节器的正、反作用方式。,2019/6/4,过程控制与仪表,17,五、串级控制系统整定,在整定串级控制系
17、统调节器参数时，首先必须明确主、副回路的作用，以及主、副参数的控制要求，然后通过调节器参数整定，才能使系统运行在最佳状态。 从整体上来看，串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。但副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准确地跟随主调节器的输出变化即可。 在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有：逐步逼近法、一步整定法和两步整定法等。,2019/6/4,过程控制与仪表,18,五、串级控制系统整定,1、 逐步逼近法 在串级控制系统中，当主、副过程的时间常数相差不大，主回路与副回路的动态联系密切时，则系统整定可以反复进行，逐步逼近。
18、 具体整定步骤如下： （1）主回路断开，把副回路作为一个单回路控制系统，并按单回路控制系统的参数整定法（如衰减曲线法），求取副调节器的整定参数值W2(s)1。 （2）副调节器参数值置于W2(s)1数值上，把主回路闭合，副回路作为一个等效环节，这样，主回路又成为一个单回路控制系统。再按单回路衰减曲线整定方法，求取主调节器的整定参数值W1(s)1。 （3）主调节器参数置于W1(s)1上，主回路闭合，再按上述方法求取副调节器的整定参数值W2(s)2。至此，完成了一次逼近循环。若控制质量已达到工艺要求，整定即告结束。主、副调节器的整定参数值分别为W1(s)1和W2(s)2。否则，将副调节器的参数置于W
19、2(s)2上，再按上述方法求取主调节器整定参数值W1(s)2。如此循环下去，逐步逼近，直到满足质量指标要求为止。 对于不同的过程控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以，往往费时较多。,2019/6/4,过程控制与仪表,19,五、串级控制系统整定,2两步整定法 所谓两步整定动，第一步整定副调节器，第二步整定主调节器 两步整定步骤： （1）在工况稳定、主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法整定，求取副调节器的比例度 2s和操作周期T2s。 （2）将副调节器的比例度置于所求得的数值2s上，把
20、副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度1s和操作周期T1s。 （3）根据求得的1s、T1s，2s、T2s数值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度、积分时间T1和微分时间TD的数值。 （4）按先副后主、先比例后积分最后微分的程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。,2019/6/4,过程控制与仪表,20,五、串级控制系统整定,3、一步整定法 所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。 一步整定法的理论根据是：串级控制系统可以等
21、价为单回路反馈控制系统，其等效调节器总的放大系数Kc为主调节器放大系数Kc1与副回路等效放大系数Ko2的乘积，即Kc1 Ko2=Kc=Ks 式中，Ks为纯比例作用下，产生4：1衰减比过程的总放大系数。 确定副调节器的比例度21/Kc2时，根据Kc1 Ko20.5这一关系式，通过副过程放大系数，求取副调节器比例放大系数，或按经验选取。,2019/6/4,过程控制与仪表,21,五、串级控制系统整定,3、一步整定法 整定步骤： （1）在生产稳定，系统为纯比例作用的情况下，由副过程K02确定副调节器的比例度，并将其设置在副调节器上。 （2）按照单回路控制系统的整定方法，整定主调节器参数。 （3）观察控
22、制过程，根据Kc1与Kc2互相匹配的原理，适当调整调节器参数，使主参数品质指标最佳。 （4）在调节器参数的整定过程中，若出现“共振”，只要加大主、副调节器中任何一个调节器的参数，便可以消除“共振”。若“共振”剧烈，可以先切换至手动遥控，待生产稳定后，将调节器参数置于比产生“共振”时略大的数值上，重新整定调节器参数。 由此可见，一步整定法整定调节器参数，如同单回路控制系统整定一样简便，因此，在实际工程中被广泛应用。,2019/6/4,过程控制与仪表,22,五、串级控制系统整定,4、应用举例 【例】 某工厂在石油裂解气冷却系统中，通过液态丙烯的气化来吸收热量，以保持裂解气出口温度的稳定。组成以出口
23、温度为主参数、气化压力为副参数的温度与压力串级控制系统。现在采用一步整定法整定调节器参数，其整定步骤如下： 在本系统中，副参数为压力，该参数反应快，滞后小，比例度可以选得小一些，根据本例的具体情况，选取副调节器的比例度为40%。 将副调节器的比例度2置于40%的刻度上，按4：1衰减曲线法整定主调节器参数，得到1s30%，TI13min。 按4：1衰减曲线法的经验公式计算主调节器参数，即 10.81s0.830%24% TI10.3 TI1s=0.33=0.9min TD10.1 TI1s=0.13=0.3min 副调节器的比例度240%。 按照“先比例后积分再微分”的程序，将主调节器的参数置于
24、计算求得的数值上，使系统投入运行，实践证明，系统主参数稳定，完全满足工程要求。,2019/6/4,过程控制与仪表,23,五、串级控制系统整定,4、应用举例 【例】 在硝酸生产过程中，有一个氧化炉与氨气流量的串级控制系统，炉温为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过50C，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。系统调节器参数采用两步整定法，其过程为： 在系统设计时，主调节器选用PI控制规律，副调节器选用P控制规律，在系统稳定运行条件下，主、副调节器均置于纯比例作用，主调节器的比例度置于100%上，用4：1衰减曲线法整定副调节器参数，得2s32%，T2s15s。 将副调节器的比例度置于32%上，用相同的整定方法，将主调节器的比例度由大到小逐渐调节，求得主调节器的1s50%，T17min。 根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公式，计算主、副调节器的整定参数为： 主调节器（温度调节器）： 比例度11.21s60% 积分时间T10.5T1s3.5min 副调节器（流量调节器）： 比例度22s32%。 把上述计算的参数，按先比例后积分的次序，分别设置在主、副调节器上，并使串级控制系统在该参数下运行，经实际运行表明，氧化炉温度稳定，完全满足生产工艺要求。,2019/6/4,过程控制与仪表,24,讨论,设计方案？ 系统设计思路？ 整定步骤？,
