第三章串級控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)—簡單控制系統(tǒng)：在一般情況下能夠滿足生產(chǎn)控制要求特殊情況：當(dāng)控制要求較高時，在如下情況下，單回路不能滿足要求。*過程可控程度較差，如對象有大滯后。*對象有較明顯的時變性或非線性特性。*擾動劇烈，而且幅度大。*控制性能要求較高。*過程參數(shù)之間存在嚴(yán)重關(guān)聯(lián)。復(fù)雜系統(tǒng)--隨著控制理論與工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，包含的內(nèi)容也不同，例如 復(fù)雜大系統(tǒng)--人口系統(tǒng)，環(huán)境控制，能源控制，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營控制等?！駨?fù)雜控制系統(tǒng)

定義:通常復(fù)雜控制系統(tǒng)是多變量的，具有兩個以上變送器、兩個以上控制器或兩個以上控制閥所組成的多個回路的控制系統(tǒng)，所以又稱為多回路控制系統(tǒng)。多回路系統(tǒng)特征：基于PID控制策略；由多個控制回路組成的系統(tǒng)。

常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級、均勻、比值、分程、三沖量、前饋、選擇性等系統(tǒng)?！駨?fù)雜控制系統(tǒng)80-90%控制系統(tǒng)是基于PID控制的系統(tǒng)，包括多回路系統(tǒng)。多回路系統(tǒng)應(yīng)用狀況以乙烯生產(chǎn)廠為例，它共有421個控制回路其中：常規(guī)PID單回路 347個 串級、比值等 74個（串級24） 多回路系統(tǒng)占17.5%●多回路系統(tǒng)的發(fā)展主要內(nèi)容了解串級控制系統(tǒng)的概念與特點；掌握串級控制系統(tǒng)的方框圖表示法；結(jié)合控制原理，掌握串級系統(tǒng)的分析方法；了解串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則；掌握串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法;掌握串級控制系統(tǒng)的投運

;了解串級控制系統(tǒng)的防積分飽和措施。反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)控制目標(biāo):反應(yīng)釜溫度恒定操縱變量：冷卻劑流量被控變量：反應(yīng)溫度擾動變量：D2冷卻劑溫度以及D1工藝介質(zhì)流量控制規(guī)律：PID?反應(yīng)釜溫度單回路控制響應(yīng)曲線單回路控制系統(tǒng)分析問題：從擾動開始至調(diào)節(jié)器動作，調(diào)節(jié)滯后較大，特別對于大容量的反應(yīng)槽，調(diào)節(jié)滯后更大。冷卻水入口溫度↑→夾套內(nèi)冷卻水溫度T2↑→（經(jīng)對流傳熱）槽壁溫度↑→反應(yīng)槽溫度T1↑→（經(jīng)反饋回路）冷卻水量↑系統(tǒng)控制與擾動的分析干擾變量的影響：冷卻水入口溫度變化→夾套內(nèi)冷卻水溫度變化→槽壁溫度變化→反應(yīng)槽溫度變化控制變量的影響：冷卻水調(diào)節(jié)閥開度變化→冷卻水流量變化→夾套內(nèi)冷卻水溫度變化→槽壁溫度變化→反應(yīng)槽溫度變化解決方法夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到來自干擾（冷卻水入口溫度）以及來自控制的影響。因而可設(shè)計夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動。但TC2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T1的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC1來自動實現(xiàn)）?！按壙刂啤狈磻?yīng)器溫度的串級控制方案特點：兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器TC2通過調(diào)節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調(diào)節(jié)器TC1通過調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設(shè)定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值。反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)反應(yīng)器溫度串級控制框圖討論:主副控制器的“正反作用”選擇。串級控制系統(tǒng)常用術(shù)語

串級控制系統(tǒng)方框圖串級控制系統(tǒng)定義:由兩個測量變送器、兩個控制器其中一個控制器的輸出是另一個控制器的給定、一個控制閥組成的雙閉環(huán)定值系統(tǒng).串級控制系統(tǒng)常用術(shù)語主被控變量（Yl)：是工藝控制指標(biāo)或與工藝控制指標(biāo)有直接關(guān)系，在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量。

副被控變量（Y2）：大多為影響主被控變量的重要參數(shù)。

主控制器：在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用，按主被控變量和其設(shè)定值之差進行控制運算，并將其輸出作為副控制器給定值。

副控制器：在系統(tǒng)中起輔助作用，按所測得的副被控變量和主控輸出之差來進行控制運算，其輸出直接作用于控制閥的控制器，簡稱為“副控”。串級控制系統(tǒng)常用術(shù)語主變送器：測量并轉(zhuǎn)換主被控變量的變送器。副變送器：測量并轉(zhuǎn)換副被控變量的變送器。主對象：大多為工業(yè)過程中所要控制的、由主被控變量表征其主要特性的生產(chǎn)設(shè)備或過程。副對象：大多為工業(yè)過程中影響主被控變量的、由副被控變量表征其特性的輔助生產(chǎn)設(shè)備或輔助過程。副回路:由副變送器、副控制器、控制閥和副對象所構(gòu)成的閉環(huán)回路,又稱為“副環(huán)”或“內(nèi)環(huán)”。主回路：由主變送器、主控制器、副回路等效環(huán)節(jié)、主對象所構(gòu)成的閉環(huán)回路，又稱為“主環(huán)”或“外環(huán)”。 形成兩個環(huán):副環(huán)或副回路－－“粗調(diào)”作用主環(huán)或主回路－－“細(xì)調(diào)”作用串級控制系統(tǒng)方塊圖注：D1、D2綜合反映了一次擾動、二次擾動對控制系統(tǒng)副參數(shù)與主參數(shù)的動態(tài)影響；

主回路是指：副回路閉合狀態(tài)下等效的單回路（將副回路看成是一個等效的控制閥）。串級系統(tǒng)副環(huán)的等效性串級控制系統(tǒng)的特點（1）副回路（有時稱內(nèi)環(huán)）具有快速調(diào)節(jié)作用，它能有效地克服二次擾動的影響；由于假設(shè)副回路的動態(tài)滯后較小，對于低頻干擾，有串級控制系統(tǒng)的特點反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)串級控制系統(tǒng)的特點

串級控制系統(tǒng)的特點（2）能自動地克服副對象增益或調(diào)節(jié)閥特性的非線性對控制性能的影響（系統(tǒng)的“魯棒性”增強）。對于內(nèi)環(huán)等效對象的穩(wěn)態(tài)增益：串級控制系統(tǒng)的特點

串級控制系統(tǒng)的特點（3）改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率。在相同的衰減比下，主調(diào)節(jié)器的增益可顯著加大。副回路等效對象為：若：串級控制系統(tǒng)的特點（3）結(jié)論：由于副回路的存在，使主控制通道的動態(tài)特性得到改善（時間常數(shù)顯著減少）P44提高了系統(tǒng)的工作頻率反應(yīng)器溫度的串級控制響應(yīng)串級控制系統(tǒng)的設(shè)計原則單回路控制不能滿足性能要求；有反映系統(tǒng)主要干擾的可測副參數(shù)；調(diào)節(jié)閥與副參數(shù)之間具有因果關(guān)系；副參數(shù)的選擇應(yīng)使副對象的時間常數(shù)比主對象的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏；盡可能將帶有非線性或時變特性的環(huán)節(jié)包含于副回路中。常用的串級控制系統(tǒng)：溫度+流量、溫度+壓力、液位+流量、溫度+溫度等。串級系統(tǒng)副參數(shù)的選擇分析分析問題：副回路的快速性與副回路所能包括的擾動范圍之間的矛盾。串級方案設(shè)計舉例加熱爐出口溫度控制TC-FC串級控制：用于克服燃油上游側(cè)壓力干擾的影響燃油黏度大，易堵，不常采用

TC-PC串級控制：取壓點在控制閥后，用于克服壓力影響噴嘴易堵，使用時要增加報警系統(tǒng)串級方案設(shè)計舉例（續(xù)）討論：副回路所能包括的擾動越多，副對象與主對象的動態(tài)特性的差別越小，越容易引起內(nèi)外回路之間的“共振”（系統(tǒng)穩(wěn)定性越差）。TC-TC串級控制：爐內(nèi)溫度作為副被控變量，常用于克服燃料影響，例如，成份、熱值等。溫度點不易找準(zhǔn)串級控制系統(tǒng)設(shè)計1.副變量的選擇

從對象中能引出中間變量是設(shè)計串級系統(tǒng)的前提條件。當(dāng)對象有多個中間變量可引出時,就有一個副變量如何選擇的問題。副變量的選擇原則是要充分發(fā)揮串級系統(tǒng)的優(yōu)點,

為此,我們總是希望:

(1)將主要干擾包括在副回路內(nèi)。

(2)將更多的干擾包括在副回路內(nèi)(3)

副對象的滯后不能太大,以保持副回路的快速響應(yīng)性能。

(4)

將副對象中具有顯著非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。

(5)

需要流量實現(xiàn)精確的跟蹤時,可選流量為副變量。

(6)

主、副對象的時間常數(shù)應(yīng)相差3倍以上,以防主、副回路產(chǎn)生共振。

應(yīng)該指出,以上幾條都是從某個局部角度來考慮的,如(2)與(3)就相互矛盾,在具體選擇時需要兼顧各種因素進行權(quán)衡。2.主、副調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律選擇

主調(diào)節(jié)器常選擇PI或PID控制律凡是設(shè)計串級控制系統(tǒng)的場合,對象特性總有較大的滯后,主調(diào)節(jié)器采用三作用PID控制規(guī)律是必要的。而副回路是隨動回路,允許存在余差。從這個角度來講,副調(diào)節(jié)器不需要積分作用,一般只采用P作用。如當(dāng)溫度作副變量時,副調(diào)節(jié)器不宜加積分,這樣可以將副回路的開環(huán)靜態(tài)增益調(diào)整得較大,以提高克服干擾的能力。如果要加入微分作用,一定要采用“微分先行”方式,因為副回路是個隨動系統(tǒng),設(shè)定值是經(jīng)常變化的,調(diào)節(jié)器的微分作用會引起調(diào)節(jié)閥的大幅跳動,并引起很大的超調(diào)。但是當(dāng)副回路是流量(或液體壓力)系統(tǒng)時,它們的開環(huán)靜態(tài)增益、時間常數(shù)都較小,并且系統(tǒng)存在高噪聲。因此在實際生產(chǎn)中,流量(或液體壓力)副調(diào)節(jié)器常采用PI作用,以減少系統(tǒng)的波動。3.主副調(diào)節(jié)器正、反作用選擇

調(diào)節(jié)器的正、反作用選擇原則是要使系統(tǒng)成為一個負(fù)反饋系統(tǒng)。一般有兩種選擇方法,即邏輯推理法和方框圖法。

用測量值與調(diào)節(jié)器的輸出關(guān)系來定義調(diào)節(jié)器的正反作用。具體定義為:當(dāng)測量信號增加(隱含的假定是設(shè)定值不變)時,調(diào)節(jié)器比例作用的輸出也增加的,稱為正作用;否則，稱為反作用（1）

邏輯推理法

對于單回路,確定調(diào)節(jié)器的正反作用的步驟為:①根據(jù)生產(chǎn)安全要求,確定調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)的形式;②確定當(dāng)被調(diào)參數(shù)變化時,調(diào)節(jié)器輸出實現(xiàn)負(fù)反饋的作用方向;③確定調(diào)節(jié)器的正、反作用(當(dāng)被測參數(shù)變化與調(diào)節(jié)器輸出變化同向時為正作用,否則,為反作用)。

對于串級系統(tǒng),因為主、副回路都可以看成是一個單回路,所以確定串級系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的正反作用的步驟為:①根據(jù)生產(chǎn)安全要求,確定調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)的形式②確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用;③確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。下面以圖所示的氧化爐反應(yīng)溫度串級控制系統(tǒng)為例來討論。

(1)副回路調(diào)節(jié)器的選擇。

①為保證調(diào)節(jié)閥出故障時,生產(chǎn)處于安全狀態(tài),調(diào)節(jié)閥應(yīng)選擇氣開閥。

②設(shè)干擾使氨氣流量增加,即調(diào)節(jié)器測量值大于給定值,為保證系統(tǒng)的副反饋作用,調(diào)節(jié)器的輸出必須減小,才能使調(diào)節(jié)閥開度減小,最終使流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的氨氣流量減小,恢復(fù)到給定值。

③根據(jù)以上分析可知,為滿足調(diào)節(jié)系統(tǒng)的負(fù)反饋作用,調(diào)節(jié)器的測量值增大,

而輸出值減小,與測量值成反比,因此調(diào)節(jié)器定為反作用。(2)主回路調(diào)節(jié)器的選擇。

①調(diào)節(jié)閥的開關(guān)形式保持副回路選擇形式,即選為氣開閥。

②副調(diào)節(jié)器的正反作用保持不變。

③設(shè)主回路測量值氧化爐溫度增加,即主調(diào)節(jié)器測量值大于給定值,先假設(shè)主調(diào)節(jié)器為正作用,調(diào)節(jié)器輸出必然增大,也就是副調(diào)節(jié)器的給定值也增大。由于副調(diào)節(jié)器已選定為反作用,因此副調(diào)節(jié)器的輸出增大,使調(diào)節(jié)閥開度增大,最終使流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的氨氣流量增大,從而使氧化爐的溫度更高,整個系統(tǒng)成為正反饋,主參數(shù)恢復(fù)不到給定值。這說明主調(diào)節(jié)器作用選錯了,應(yīng)采用反方向作用,即反作用選擇順序：先副后主副控制器：副回路按單回路獨立考慮，與主回路沒有關(guān)系

即從穩(wěn)定性考慮，開環(huán)放大倍數(shù)必須為“負(fù)”要求，知道副對象的符號，以及控制閥的符號主控制器：考慮主環(huán)內(nèi)各個環(huán)節(jié)的符號情況主控制器、主對象，以及副回路。

副回路可以看作是一個符號為“正”的環(huán)節(jié)——隨動系統(tǒng)，跟蹤主控制器的輸出。

（2）主、副控制器正反作用的選擇方框圖法因此，主控制器的符號主要取決于主對象的符號，即，主對象為“正”，則主控制器取“反”作用，主對象為“負(fù)”，則主控制器取“正”作用

例1

加熱爐出口溫度與燃料壓力的串級控制系統(tǒng)PCTC副控制器：

控制閥選“氣開”式——正副對象，壓力對象，閥門開大，負(fù)，反作用壓力上升——正變送器一般均為正主控制器：

副環(huán)——正主對象，溫度對象，燃料壓力增大時，燃料量增加，負(fù)，反作用出口溫度上升——正例2精餾塔提餾段溫度與再沸器加熱蒸汽流量串級控制系統(tǒng)FCTC副控制器：

控制閥選“氣閉”式——負(fù)正對象，流量對象，閥門開大，流量增大——正變送器一般均為正主控制器：

副環(huán)——正主對象，溫度對象，蒸汽流量增大時，加熱量增加，提餾段溫度上升——正結(jié)論（1）主控制器的正、反作用與閥的開、閉形式無關(guān)；（2）直接先確定主控的正反作用。串級控制系統(tǒng)的實施組成控制系統(tǒng)的設(shè)備不同，實施方法也有差異目前主要是：電動Ⅲ型儀表系統(tǒng)、氣動Ⅲ型儀表系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)（DCS、PLC）●實施前要考慮的幾個問題

（1）系統(tǒng)設(shè)備間的傳輸信號要匹配，電信號4~20mA,1~5V，氣信號0.02~0.1Mpa，混合時需要轉(zhuǎn)換裝置（電-氣轉(zhuǎn)換）

（2）副控制器必須具有外給定功能

（3）是否需要切換開關(guān)，即切換成：

a主控制器直接控制控制閥；

b副控制器不接受主控制器的外給定，實現(xiàn)其獨立控制，并且要考慮無擾動切換。

（4）實施方案力求簡潔實用，便于操作。串級控制系統(tǒng)的實施串級控制系統(tǒng)控制方案

電動儀表、氣動儀表（很少用）、計算機

（1）一般的串級方案（2）能實現(xiàn)主控–串級切換的串級方案溫度控制器流量控制器控制閥流量對象溫度對象溫度變送器流量變送器串級控制系統(tǒng)的實施

串級→主控：用主控制器代替原副控制器的輸出，直接控制控制閥主控→串級：用副控制器代替原主控制器的輸出，直接控制控制閥

無論哪種切換，必須保證閥的控制方向正確——直接切換條件

串級與主控的切換條件串級控制系統(tǒng)的實施FCspconstFCspconst副控制器為反作用（負(fù)）：FCspconstFCspconst副控制器為正作用（正）：可見，此時主、副控制器輸出信號變化一致。此時主、副控制器輸出信號變化不一致如副控是反作用，可執(zhí)行切換；如副控是正作用，需先改變主控的方向，再切換。條件結(jié)論如對控制閥的開閉形式?jīng)]有要求，應(yīng)選擇使副控為反作用的開、閉形式。串級控制系統(tǒng)的實施主控制器的防積分飽和形式串級PID系統(tǒng)的積分飽和問題情況1：副回路出現(xiàn)“積分飽和”，采用單回路抗積分飽和方法；情況2：當(dāng)主副控制器均采用單回路抗積分飽和方法時，可能出現(xiàn)限位參數(shù)不一致的情形，同樣存在發(fā)生“積分飽和”的可能性。為什么？如何克服？串級控制系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器的連接法串級控制系統(tǒng)的防積分飽和串級控制系統(tǒng)的投運和整定串級控制系統(tǒng)的投運根據(jù)組成系統(tǒng)的儀表類型有所不同基本原則：先投副環(huán)，后投主環(huán)，保證投運無擾動（Ⅲ型以上儀表、計算機控制）

串級控制系統(tǒng)的投運●投運步驟4、調(diào)節(jié)主控制器手操輸出，使副控制器的偏差為零5、分別將副、主控制器切入自動

1、主、副控制器手動位置，主控制器內(nèi)給定、副控制器外給定，正反作用正確，PID參數(shù)正確2、副控制器手動操作3、通過副參數(shù)的變化，使主參