1、2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆第四章第四章 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)過程控制及儀表過程控制及儀表（過程控制系統(tǒng)篇過程控制系統(tǒng)篇）2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆本節(jié)重點：本節(jié)重點： 用于克服對象的純滯后用于克服對象的純滯后 用于克服對象的容量滯后用于克服對象的容量滯后 用于克服幅值大、變化劇烈的干擾用于克服幅值大、變化劇烈的干擾 用于克服對象的非線性。用于克服對象的非線性。第三節(jié)第三節(jié) 串級控制系統(tǒng)的應用范圍串級控制系統(tǒng)的應用范圍2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆串級控制系統(tǒng)副回路對一次干擾無能為力。，從而提高控制質(zhì)量。最大偏差）減小，過渡過程周期時間

2、減短制作用及時，使超調(diào)量（通道短，滯后時間相對較小，控時克服掉。由于副回路檢測并及，經(jīng)過副變量時，由副環(huán)檢干擾未到達主變量之前納入副回路，在副變量，把干擾間較小的地方選擇一個在離閥較近，純滯后時用串級系統(tǒng)?；芈凡荒軡M足要求，可純滯后時間較長時，單滯后一、用于克服對象的純串級系統(tǒng)用于下列場合：量要求時，就不用串級。用單回路能滿足控制質(zhì) 應用原則：應用原則： 2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆爐的燃燒情況。鍋爐的液位，鍋、流量、溫度二次干擾：減溫水壓力變化。一次干擾：汽輪機負荷效果滿足要求。點蒸汽溫度為副變量，串級，能滿足要求。不點通道長，純滯后大，至方案選擇：單回路，閥點溫度恒定后設

3、計要求：過熱器制系統(tǒng)。過熱蒸汽溫度串級控例：圖, B A AII 134- -2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆，利用副回路的特的輔助變量組成副回路選擇一個滯后時間較小佳的缺陷。統(tǒng)對大容量滯后效果不克服單回路系，可用串級系統(tǒng)來象，如溫度或質(zhì)量對象對于容量滯后較大的對量滯后二、用于克服對象的容 充分發(fā)揮串級系統(tǒng)的作用，過多時可能使系統(tǒng)發(fā)生共振。使其包含的干擾多少適中。過少時不時間常數(shù)，來。但要選擇好副環(huán)的下，串級效果可更好發(fā)揮出情況頻繁、復雜的情況容量滯后大，干擾。對象統(tǒng)。圖度爐膛溫度串級控制系例：管式加熱爐出口溫好的控制質(zhì)量。縮短調(diào)整時間，獲得較工作頻率提高，加快響應速度，對象的時

4、間常數(shù)減小，點，使等效副154-2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆克服容量滯后克服容量滯后時間常數(shù)時間常數(shù)3分鐘分鐘時間常數(shù)時間常數(shù)15分鐘分鐘2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆定的比較大，就會使系統(tǒng)抗干擾副控制器的放大倍數(shù)整回路中，并把大的干擾包含在副點，把變化劇烈和幅值根據(jù)串級系統(tǒng)的第三特和幅值大的干擾三、用于克服變化劇烈 。壓力控制系統(tǒng)。圖例：中間脫氣槽液位與變量的影響減小到最小程度。大大提高，把干擾對主能力164-主要干擾主要干擾 P干擾：含干擾：含CO2量波動量波動干擾：負荷變化干擾：負荷變化2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆性影響較小。統(tǒng)的穩(wěn)定有

5、所影響，但對整個系這樣對副回路的衰減比的開度。設定副控制器的設定值，由副控制器來改變閥控制器的輸出自動重新由主荷變化引工作點變化時，包含在副回路中，當負將具有非線的對象部分串級系統(tǒng)。負荷變化較大且頻繁時，但是有限的。可選擇閥的特性來補償負荷變化較大可用單回路控制系統(tǒng)。大負荷比較穩(wěn)定，變化不對象有非線性時：線性四、用于克服對象的非 1222moco2KKKK1K+=u2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆選擇換熱器出選擇換熱器出口溫度為副變口溫度為副變量，反應器中量，反應器中部溫度為主變部溫度為主變量量. .。溫度控制系統(tǒng)。圖溫度控制系統(tǒng)。圖例：合成反映器溫度與例：合成反映器溫度與174

6、- -2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆本節(jié)重點：本節(jié)重點： 主回路的選擇主回路的選擇 副回路的選擇副回路的選擇 主、副控制器的選擇主、副控制器的選擇 串級系統(tǒng)的實施串級系統(tǒng)的實施第四節(jié)：串級控制系統(tǒng)的設計：第四節(jié)：串級控制系統(tǒng)的設計：2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆。數(shù)都可以被選為主變量數(shù)都可以被選為主變量性能的參性能的參生產(chǎn)過程質(zhì)量或者安全生產(chǎn)過程質(zhì)量或者安全凡能直接或間接的反映凡能直接或間接的反映致。即致。即路被控量的選擇原則一路被控量的選擇原則一即確定主變量。與單回即確定主變量。與單回一、主回路的選擇一、主回路的選擇。小到小到一次干擾，最大偏差減一次干擾，最大

7、偏差減；小到小到二次干擾，最大偏差減二次干擾，最大偏差減做到：做到：理，與單回路相比可以理，與單回路相比可以如串級控制系統(tǒng)設計合如串級控制系統(tǒng)設計合用方式的確定。用方式的確定。反作反作副控制器的選型，正、副控制器的選型，正、主、副回路選擇，主、主、副回路選擇，主、串級系統(tǒng)的設計包括：串級系統(tǒng)的設計包括： 31 101 5110012022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆小。主變量受其影響大大減最低程度，使由副回路把他們克服到干擾包括在副回路內(nèi)，繁的主要變化劇烈、幅值大、頻研究干擾來源，把那些盡可能多的主要干擾（一）、副回路應包含幾個原則：變量的選擇應遵循下面級系統(tǒng)成敗的關鍵。副設計是串源

8、于副回路，副回路的串級系統(tǒng)的特點主要來二、副回路的選擇可能性。和實踐上的，應考慮工藝上合理性數(shù)必須考慮足夠靈敏度量；所有參應關系的參數(shù)作為主變個與產(chǎn)品質(zhì)量有單值對，應選擇一擇質(zhì)量指標做主變量時它做主變量；當不能選可時可選最直接有效，在條件許用質(zhì)量指標作為被控量具體的選擇原則有： 2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆確的。燃油流量串級方案是正與主要干擾時，出口溫度。當燃油壓力、流量是圖度控制系統(tǒng)例：管式加熱爐出口溫3-4 2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆2o1o2o1o2o1o2m2o2cT/T16-4 T/T1T/TKKKK1116-4 15-4 數(shù)比與主、副對象的時間

9、常上式說明，頻率的提高）（）（）：由式（間常數(shù)應匹配（二）、主、副對象時。克服干擾的靈敏度下降，使副回路，副變量就靠近主變量副回路包括的干擾太多好。如含干擾，但并非越多越副回路應盡可能多的包為合理。二方案更是主要干擾時，上述第當燃油壓力和原料油都副回路中。擾也包含在的粘度、成分等次要干合理。同時還將原料油串級方案更，出口溫度與爐膛溫度時，上面方案就不合適原料油處理量經(jīng)常變動。當燃料油經(jīng)常變換或圖單串+=wwu2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆較大時增長慢下來。較快，而在增長較小時，?？梢姡谟嘘P。見圖單串2o1o2o1oT/T/T/T184w ww w- -2022-3-18遼寧科

10、技大學電信學院 王玉昆易共振。聯(lián)系十分緊密，極時，主、副對象的動態(tài)反映慢，控制不及時。擾太多，過大，副回路包含的干時，表明不好。的穩(wěn)定性也能發(fā)揮出來，并且系統(tǒng)少，副回路的特點就不擾已太太小，副回路包含的干時，表明之間比較合適。般數(shù)比例應選擇適當，一路的時間常擇副回路時，主、副回而不穩(wěn)定。因此，在選敏過小將使副回路過于靈大。統(tǒng)的工作頻率意義已不便增大，此時對提高系過小，作用快一點。但些，控制小些，以使副回路靈敏系統(tǒng)設計時，希望1T/T T3T/T T10T/T 103T/T TT/TTT 2o1o2o2o1o2o2o1o2o1o2o2o1o2o2o = =2022-3-18遼寧科技大學電信學院

11、王玉昆。、制系統(tǒng)。圖例：冷卻口出口溫度控控制質(zhì)量要求的方案。選用即省投資，又滿足的經(jīng)濟性（四）、要注意生產(chǎn)上器溫度的控制。流化床催化裂化反應例：圖的合理性與可能性（三）、應考慮工藝上拉開一些好。、的，以克服對象非線性為目大一些好。環(huán)和較大滯后為目的，副以克服對象大時間常數(shù)小一些好；目的，副環(huán)以克服對象主要干擾為一般：21-420-4 19194 4T TT TT T T T 2 2o o1 1o o2 2o o2 2o o- -2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆循環(huán)風循環(huán)風加熱加熱設計方案：反映設計方案：反映器溫度增壓風流器溫度增壓風流量串級控制系統(tǒng)量串級控制系統(tǒng)存在問題：催化存在

12、問題：催化劑循環(huán)量不穩(wěn)定劑循環(huán)量不穩(wěn)定實用控制方案：實用控制方案： 1. 增壓風流量單回增壓風流量單回路控制系統(tǒng)。用路控制系統(tǒng)。用以穩(wěn)定催化劑循以穩(wěn)定催化劑循環(huán)量。環(huán)量。 2. 進料預熱控制進料預熱控制系統(tǒng)。穩(wěn)定反映系統(tǒng)。穩(wěn)定反映器溫度。器溫度。反應溫度反應溫度480480530,530,壓壓力力0.14MPa0.14MPa再生溫度為再生溫度為6006007307302022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆副變量靈敏度高副變量靈敏度高副變量靈敏度低副變量靈敏度低多一套液位控制系多一套液位控制系統(tǒng)，使成本增加統(tǒng)，使成本增加2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆擇（一）、控制作用的選

13、擇三、主、副控制器的選較大時，可引入積分。較小，作用。當副控制器：提高控制質(zhì)量?？朔萘繙?，進一步或主控制器：類型。這是串即系統(tǒng)的基本保證主變量的控制精度是用來提高和故，副變量的引入主要定范圍就要出次品或事高，超出規(guī)要指標，控制質(zhì)量要求主變量是生產(chǎn)工藝的重種情況：，有下列四器的控制作用也就不同不同，因而主、副控制控制要求產(chǎn)工藝對主、副變量的在串級系統(tǒng)中，由于生TP PIDPI . 1 o2d d2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆慮這一點。整定時應考定在工藝要求的數(shù)值上作用，副變量也不能穩(wěn)制器有積分變化太劇烈，即使副控注意：如主控制器輸出。副控制器：主控制器：較高。高，對副變量要求

14、也比工藝對主變量要求比較 PI PI; . 2PIPI P;P; . .3 3。副控制器：主控制器：而變化?？刂破鞯妮敵瞿芸焖?、準確地跟隨主內(nèi)波動，但要求副變量一定的范圍求不高，甚至允許它在對主變量的控制質(zhì)量要2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆)()()()( P PI;P 4.- -= =主對象副對象主控制器主控制器：積為“負”。副回路：同單回路，乘式的選擇（二）、正、反作用方。副控制器：或主控制器：的僅是互相兼顧。都不高，采用串級的目對主、副變量控制要求2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆氣開閥:KV0氣關閥:KV0控制器反作用:Kp0檢測量減小變送器輸出增大:KM0

15、當=Xi-Xs 時 ，必須滿足：KpKvK0KM0控制器正反作用判別依據(jù)控制器正反作用判別依據(jù):2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆。、實例：圖入手動。故障時，應能立即切系統(tǒng)維修方便，投資少、報警；各種數(shù)據(jù)的顯示、記錄是否有積分飽和現(xiàn)象；，或選擇遙控方案；主、副環(huán)是否單獨運行儀表選型；的具體構(gòu)成方案?？紤]串級系統(tǒng)制器選型確定之后，可主、副變量，主、副控案四、串級系統(tǒng)的實施方234224 - - -2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆本節(jié)重點：本節(jié)重點： 串級系統(tǒng)的投運串級系統(tǒng)的投運 串級系統(tǒng)的參數(shù)整定：串級系統(tǒng)的參數(shù)整定： 逐步

16、逼近法、兩步法、一步法逐步逼近法、兩步法、一步法第五節(jié)：串級控制系統(tǒng)的運行第五節(jié)：串級控制系統(tǒng)的運行2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆少用。先主后副普遍采用；先副后主種方法：串級控制系統(tǒng)投運有兩手動無擾切換。自動、自動動系統(tǒng)投運主要是保證手一、串級控制系統(tǒng)的投運 2. 1. 2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆器變化即可。速跟隨主控制制質(zhì)量要求不高，能快副回路：隨動系統(tǒng)，控。，控制質(zhì)量指標要求高主回路：定值控制系統(tǒng)些。參數(shù)整定較單回路復雜串級系統(tǒng)有兩個回路，定二、串級系統(tǒng)的參數(shù)整 。器整定參數(shù)整定方法求取主控制系統(tǒng)，按單回路樣，系統(tǒng)可視為單回路路視為一等效對象。這副回值上

17、，將主環(huán)閉合，把副控制器整定參數(shù)置于。求取副控制器整定參數(shù)路整定方法是一個單回路，按單回主環(huán)斷開，把副環(huán)看成整定步驟：（一）、逐步逼近法一 步法。逐步逼近法、兩步法、常用方法：11c12c12cWW. 2W1. 2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆束，主、副控制器參數(shù)分。如達到要求，整定結(jié)完成一次逼近循環(huán)，至此器整定參數(shù)，再求取更好的副控制器整定參數(shù)，副控制控制器整定參數(shù)置于系統(tǒng)處于串級狀態(tài)，主22c12c11cWWW. 3控制器。節(jié)，整定主再把副回路視為一個環(huán)先整定副控制器參數(shù)，（二）、兩步法時。副控制器采用此法特點：費時，特別質(zhì)量要求為止。，直到達到控制，依次循環(huán)，逐步逼近提高數(shù)

18、，再求主控制器整定參于副控制參數(shù)置，則繼續(xù)整定下去，將如控制質(zhì)量不滿足要求。、別為PIWW. 4WW21c22c22c11c2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆此法特點：簡單省時。此法特點：簡單省時。為止。為止。，再作適當調(diào)整，滿意，再作適當調(diào)整，滿意觀察過渡過程曲線觀察過渡過程曲線數(shù)，做擾動試驗，數(shù)，做擾動試驗，的順序，設置控制器參的順序，設置控制器參后后次次按先副、后主，先按先副、后主，先的整定參數(shù)。的整定參數(shù)。單回路法求取主、副控制器單回路法求取主、副控制器結(jié)合控制器的選型，按結(jié)合控制器的選型，按、按按 DIP. 4TT. 3s2s1s2s1dd。和和遞減比下的遞減比下的，求同

19、樣的，求同樣的例度例度逐步降低主控制器的比逐步降低主控制器的比副控制器的比例度副控制器的比例度。和和遞減比時的遞減比時的：，求副回路，求副回路器的比例度器的比例度，然后逐步降低副控制，然后逐步降低副控制置于置于比例作用，主控制器比例作用，主控制器定，主、副控制器均為定，主、副控制器均為系統(tǒng)串級運行，工藝穩(wěn)系統(tǒng)串級運行，工藝穩(wěn)整定步驟如下：整定步驟如下：T,. 2T14%100. 1s1s11s22s2s22ddd=ddd2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆整定主回路控制器。慮它對主控制器參數(shù)的影響，來中的一個環(huán)節(jié)，不再考視為主回路，副回路整定好之后，可很小，可以忽略。這樣副回路的動態(tài)

20、聯(lián)系遠大于副回路，主、較大，主回路工作周期作頻率和操作周期差別主、副回路的工一般設計合理的串級系統(tǒng)，,103T/T. 12o1o= =差一些是允許的。，副變量控制質(zhì)量。只要主變量滿足要求為進一步提高主變量質(zhì)量回路的目的是制回路要求低，設置副主控制器要求高，副控. 2采用這種整定方法原因如下：2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆%32min5 . 35 . 0TT%,602 . 1. 3min7T%5014T%32. 2S15T%3214T,T%100. 1,C5S22S1I1S11S1S1I2S2S2I2I11=d=d=d=d=d=d=d副控制器：副控制器：主控制器：主控制器：參數(shù)。

21、參數(shù)。計算主副控制器的整定計算主副控制器的整定按表按表。，操作周期，操作周期振蕩過程參數(shù)為振蕩過程參數(shù)為：主變量主變量，調(diào)節(jié)主控制器比例度，得，調(diào)節(jié)主控制器比例度，得，置置將氨流量控制器比例度將氨流量控制器比例度。，操作周期，操作周期器比例度為器比例度為振蕩過程，此時副控制振蕩過程，此時副控制：現(xiàn)現(xiàn)調(diào)比例度，使副變量呈調(diào)比例度，使副變量呈，氨流量控制器氨流量控制器，串級運行，爐溫控制器串級運行，爐溫控制器變化，整定過程如下：變化，整定過程如下：高，允許在一定范圍內(nèi)高，允許在一定范圍內(nèi)氨流量要求不氨流量要求不大偏差不得超過大偏差不得超過量，對它要求較高，最量，對它要求較高，最，爐溫為主變，爐溫為

22、主變氨氣流量串級控制系統(tǒng)氨氣流量串級控制系統(tǒng)中有一套氧化爐溫度與中有一套氧化爐溫度與某化肥廠硝酸生產(chǎn)過程某化肥廠硝酸生產(chǎn)過程例例 15-3 對副變量2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆為常數(shù)要可變化，只、制器的衰減過程時，主、副控：當滿足實驗依據(jù)：定方法整定主控制器。整置好，然后按單回路器的整定參數(shù)，將其設根據(jù)經(jīng)驗先確定副控制時、簡單。得出一步整定法，更省對兩步法進一步簡化，（三）、一步整定法即可，見表即可，見表4-1。KKK14KKK s2c1c2c1cs= =來補償。適，則由如不合來整定主控制器參數(shù)，再調(diào)即先確定c1c2c1c2KKKK2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉

23、昆）（時有：當）有：由式（可在一定范圍內(nèi)匹配與為一常數(shù)，衰減過程，：即滿足的乘積：系數(shù)系數(shù)，等于副回路放大器的放大倍數(shù)其等效控制的單回路控制系統(tǒng)主、副控制器串在一起如果把串級系統(tǒng)看成是理論分析：44-4 KK1KKK 1KK KKKK1KKKKK 34KKK1443)-(4 KKKK KKK 2o2c2o2c22m2m2o2c2o2c2o22c1ss2c1cc12c+ += = = =+ += = =- -= = =u uu uu u與主控制器放大2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆2o2c2o2c2o2KK1KKKK+ += = =。，

24、見表，或查表求得求出由，的線性范圍，即時，利用圖在估算衰減過程。：即可獲得可任意匹配，只要與可見在線性范圍內(nèi)，）（），有代入（的范圍也就確定了，將式（4-25）值確定，一經(jīng)確定，。的線性變化范圍將縮小，。紅線以上為非線性。率，圖中曲線直線部分的斜）（線性，即：與，的范圍（紅線以下）在的關系曲線，由圖4-25：與得作為參變量，由上式可把24KKK5 . 0KK254 14KKkKKK46-4 KkKK KK 434KkK).3KK).2kKk45-4 kKK KK5 . 0KK0 ).1KKK2c2c2o2o2c2s2c1c2c1c2c1c21cs2c2o2c2o2o2c22c2o2o2c2c2

25、o2o- -= =- -d d= = = =- - = = 2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆穩(wěn)定之后重新整定?？上惹腥胧謩?，待系統(tǒng)消除。如共振劇烈，個比例度即可主、副控制器的任何一如出現(xiàn)“共振”，加大；器參數(shù)，直到滿意為止值匹配原則，調(diào)整控制由制器參數(shù)，按單回路方法整定主控將串級系統(tǒng)投入運行，并設置在副控制器上；求取一步法整定步驟：. 3K. 2K. 12c2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆足工藝要求。，滿，過渡過程時間為其超調(diào)量為衰減，：過程的設定值擾動下，控制在的順序，設置主控制器參后次按先計算主控制器參數(shù)：按表。，到

26、整定主控制器參數(shù)，得衰減過程：在串級狀態(tài)下，按，置副控制器。 這里?。ǚ秶瑴笮?，因此在經(jīng)驗副變量是壓力，反應快驟為：用一步法整定，具體步系統(tǒng)，采丙烯蒸發(fā)壓力串級控制，冷卻系統(tǒng)出口溫度與例：如圖min2C5 . 1143% 數(shù)，數(shù)， DIP. 4min3 . 01 . 0TTmin9 . 03 . 0TT%248 . 0153. 3min3T%3014, 0T,T%40. 240%7030. 1214S11DS11IS11S1S1DI22= = = = = =d d= =d d- -= = =d d= = = = =d d= =d d- -2022-3-18遼寧科技大學電信學院 王玉昆 本

27、章小結(jié)本章小結(jié) 本章介紹了串級控制系統(tǒng)的構(gòu)成及工作過程，還比較深入的分析了串本章介紹了串級控制系統(tǒng)的構(gòu)成及工作過程，還比較深入的分析了串及控制系統(tǒng)的特點，由于副回路改善了對象的特性，使（及控制系統(tǒng)的特點，由于副回路改善了對象的特性，使（1）系統(tǒng)的時間）系統(tǒng)的時間常數(shù)減小了；（常數(shù)減小了；（2）工作頻率提高了；（）工作頻率提高了；（3）對二次干擾有很強的克服能力；）對二次干擾有很強的克服能力；（4）對負荷變化有一定的適應性。因此，串級控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速）對負荷變化有一定的適應性。因此，串級控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性都比單回路控制系統(tǒng)好，使它在所有常規(guī)復雜控制系統(tǒng)中獲得性和準確性都比單回路控制系統(tǒng)好，使它在所有常規(guī)復雜控制系統(tǒng)中獲得了最廣泛的應用。了最廣泛的應用。 由于串級控制系統(tǒng)比單回路控制