[學(xué)習(xí)]宋彤過程控制工程3串級控制系統(tǒng)

1、3. 串級控制系統(tǒng),主要內(nèi)容3.1 串級控制系統(tǒng)基本概念和構(gòu)成3.2 串級控制系統(tǒng)特性3.3 串級控制系統(tǒng)設(shè)計3.4 串級控制系統(tǒng)的投運,3.1 串級控制系統(tǒng)構(gòu)成及動作分析3.1.1 構(gòu)成例1：管式加熱爐例：,主要擾動： 1) 原料方面的擾動（物料的流量和溫度的變化）；2) 燃料方面的擾動（燃料流量、壓力及熱值波動）；3) 燃燒條件方面的擾動（供風(fēng)量、引風(fēng)量、燃料霧化狀態(tài)等）。,操作及控制目的： 保證

2、原料出口溫度及其穩(wěn)定性（±2℃）。,3,被控變量：爐出口溫度操作變量：燃料流量特點：各種干擾對出口溫度的影響本回路均具有抑制作用。問題：調(diào)節(jié)通道的時間常數(shù)過大(15min左右)，控制作用不及時,超調(diào)量過大，不能滿足控制要求。,,單回路控制方案及問題,方案1：,方案2：,設(shè)定：主要干擾來自燃料熱值波動,被控變量：爐膛溫度操作變量：燃料流量特點：增強了控制靈敏度（T≈3min），對爐膛溫度有較好的控制能力；可間接保證出口

3、溫度的穩(wěn)定性。問題：對工藝要求的被控變量無監(jiān)測。,4,,,,串級控制方案,方案特點：選取主、副兩個被控變量，主變量是要求嚴(yán)格監(jiān)控的工藝變量（出口溫度），副變量為爐膛溫度為輔助變量，由爐膛溫度控制器的輸出操縱燃料量.,,爐出口溫度與爐膛溫度 串級控制系統(tǒng),存在問題： a方案：能克服各種干擾，但是干擾控制滯后大 b方案：對于除加熱蒸氣之外的干擾無克服能力,例2：精餾塔釜溫度控制 (主要干擾：蒸汽壓

4、力波動) 單回路控制方案,串級控制——精餾塔釜溫度控制,,1）串級控制基本構(gòu)成,構(gòu)成及方案特點：具有主、副兩個或多個被控變量。主變量是要求嚴(yán)格監(jiān)控的工藝變量（出口溫度、塔釜溫度）；副變量是為保證主變量的穩(wěn)定而選擇的輔助變量（爐膛溫度、蒸汽壓力）。每個被控變量分別由不同的控制器負責(zé)監(jiān)控；各控制器串聯(lián)連接，一個控制器的輸出作為另一個控制器的設(shè)定值。具有多層回路的控制系統(tǒng)由最內(nèi)環(huán)回路的副變量控制器的輸出操縱執(zhí)行器。最常用的復(fù)雜控制

5、系統(tǒng),,,,,2）串級控制系統(tǒng)方框圖① 加熱爐串級控制系統(tǒng)方框圖,系統(tǒng)控制圖,方框圖,②串級控制系統(tǒng)一般方框圖,3）串級控制主要參數(shù)及環(huán)節(jié),主要變量,主被控變量（主參數(shù)） 工藝要求嚴(yán)格控制的系統(tǒng)變量。 例如：例中精餾塔塔釜溫度副被控變量（副參數(shù)） 為穩(wěn)定主參數(shù)而設(shè)定的中間（輔助）被控變量。 例如：例中精餾塔再沸器加熱蒸汽壓力。,,,構(gòu)成單元環(huán)節(jié),被控對象主：反映主被控變

6、量與副被控變量的通道關(guān)系特性，生 產(chǎn)中所控制的由主變量表征其特性的工藝設(shè)備。 如例中的精餾塔釜副：反映副被控變量與操作變量的通道關(guān)系特性，由 副變量表征其特性的工藝設(shè)備。 如例中的蒸氣管道,,,控制器：主控制器：接受主測量變送器來的主被控變量的信號，輸出作為副控制器的給定。 如例中的溫度控制器副控制器：接受副測量變送器來的副被

7、控變量的信號，輸出作為執(zhí)行器的控制信號。 如例中的壓力控制器,,,測量變送：主測量變送：檢測主參數(shù)狀態(tài)，并將其變成標(biāo)準(zhǔn)信號送給主控制器。 例中的溫度變送器副測量變送：檢測副參數(shù)狀態(tài)，并將其變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)信號送給副控制器。 例中的壓力變送器,,,回路：副回路：由副控制器、執(zhí)行器、副對象構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng) 如圖中的蒸汽壓力控制回路主回路：由主控制器、副回路、主對象構(gòu)成的閉環(huán)系

8、統(tǒng) 如例中的溫度控制回路,,,回路動作特性,主回路：定值控制 給定值為常數(shù) R1(s) =count 副回路：隨動控制 給定值是主控制器輸出 R2(s)=u1(s) 如圖中壓力控制器的給定值是溫度控制器輸出值，副參數(shù)跟隨給定值(主控制器輸出)變動而變動。,R1(s),R2(s),3.1.2 精餾塔塔

9、釜溫度串級控制動作分析,1）系統(tǒng)設(shè)定方塊圖,設(shè)定元件作用方式： 溫度對象：正作用（＋）壓力對象：正作用（＋）調(diào)節(jié)閥門：氣關(guān)閥（－）,(-),(+),(-),(+),(+),(+),(+),測量變送器：正作用（＋）壓力控制器：正作用（＋）溫度控制器：副作用（－）,2）動作分析,副環(huán)動作過程：,,干擾進入副回路 f2 → P↑ → T↑,主環(huán)動作過程：,干擾進入主回路,,設(shè)定： f1 →T↓,動作過程：,f1,副回路：依據(jù)

10、主回路控制要求動作（隨動控制）。,干擾同時進入主、副回路,設(shè)：同向干擾， f1 → T↓; f2 → P↓ → T↓動作過程：,,,f1,f2,設(shè)：反向干擾， f1 → T↓; f2 → P↑ 動作過程,,,f2,f1,3.2 串級控制系統(tǒng)特性分析,3.2.1 應(yīng)用例氨氧化工藝,1）基本狀況：氧化反應(yīng)式： 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + Q控制要求：

11、 反應(yīng)塔內(nèi)溫度誤差為 840±5℃。氨氣流量的影響： 氨氣變化1% 溫度變化 △T=64℃,,2）控制方案,3）控制效果對比單回路控制：控制通道過長，引起控制滯后，不能滿足控制要求（±10℃）串級控制： 作為副環(huán)，引入氨氣壓力控制，縮短了控制通道（時間常數(shù)減?。?，減小了氨氣壓力對主參數(shù)溫度的影響?？梢詽M足控制要求。,方框圖等效變換,,3.2.

12、2 串級控制特性分析1）對干擾的抑制力度 串級控制方框圖,與單回路控制的干擾影響之比為,結(jié)論：在串級控制中，由于副環(huán)的存在，使進入副環(huán)的干擾對被控變量的影響大大降低。,單回路系統(tǒng)方框圖,串級控制等效方框圖,,串級控制系統(tǒng)等效方框圖,2）提高系統(tǒng)的工作頻率,等效副對象傳遞函數(shù)：,令：GC2 = KC2, GV = KV, Gm2 = Km2， 代入前式：,,串級控制系統(tǒng)等效副對象的時間常數(shù)縮小了

13、 倍。,結(jié)論：由于副回路的存在，對象系統(tǒng)容量滯后減小。,提高系統(tǒng)的工作頻率----時間常數(shù),由等效方框圖，得串級控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為,,②工作頻率a.串級控制系統(tǒng)工作頻率,特征方程：,代入特征方程,,得：,,b. 單回路控制系統(tǒng)工作頻率單回路控制系統(tǒng)方框圖,傳遞函數(shù),特征方程,根據(jù)特征方程有：,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)二階函數(shù)有工作頻率：,結(jié)論：副回路的存在可

14、以提高控制系統(tǒng)的工作頻率， 改善控制質(zhì)量。,,,,c.串級控制與單回路控制系統(tǒng)工作頻率比較,魯棒性：控制系統(tǒng)對于被控對象特性改變的不靈敏 度的描述。不靈敏度高則魯棒性好。控制儀表參數(shù)是依據(jù)對象特性整定的。對象特性的變化將影響整定的儀表參數(shù)的適應(yīng)性。串級控制主環(huán)是定值控制，副環(huán)是隨動控制。主控制器能根據(jù)主變量控制要求改變副控制器的給定值，如此可以適應(yīng)操作條件、

15、負荷變化，克服副回路中廣義對象（副對象、調(diào)節(jié)閥）特性變化的影響。,3）自適應(yīng)能力（魯棒性）,自適應(yīng)能力分析,副回路傳遞函數(shù)：,若KC2KV乘積較大時，副對象參數(shù)KP2對副環(huán)等效增益影響不大。有：,,,即：允許副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)特性在一定范圍內(nèi)變動而不影響整個系統(tǒng)的控制質(zhì)量， 亦可以減小控制閥流量特性不合適帶來的影響。,結(jié)論：串級控制系統(tǒng)對于副環(huán)的廣義對象特性變化 有一定的自適應(yīng)性。注意：副環(huán)本身

16、對于副被控變量無此性質(zhì)。,,串級控制系統(tǒng)基本特性：,在串級控制中，由于副環(huán)的存在，使得進入副環(huán)的干擾對被控變量的影響大大降低。由于副回路的存在，對象容量滯后減小。副回路的存在可以提高控制系統(tǒng)的工作頻，改善控制質(zhì)量。串級控制系統(tǒng)對于副環(huán)的廣義對象特性變化有一定的自適應(yīng)性。注意：副回路的加入是為了很好地保證主變量的控制。 由于副回路是隨動控制系統(tǒng)，可以根據(jù)主變量的控制要求，隨時、快速、有效地調(diào)整副變量狀態(tài)

17、，保證主變量的穩(wěn)定性。,控制演示,1) 選擇原則主要干擾包含在副環(huán)內(nèi)將更多的干擾納入副環(huán)純滯后不要包含在副環(huán)內(nèi)保證副環(huán)的靈敏度注意主副環(huán)時間常數(shù)匹配注意工藝合理性,3.3 串級控制系統(tǒng)設(shè)計3.3.1副被控變量選擇,注意：上述原則之間的矛盾性，應(yīng)根據(jù)過程及控制的實際進行選擇。,例1 精餾塔釜溫度串級控制設(shè)計（主要干擾處理）,副變量候補：,1)蒸汽流量 F ；,2)閥后蒸汽壓力 P ；,3)釜液循環(huán)流量F,2) 副被控變

18、量選擇及串級控制系統(tǒng)設(shè)計舉例,,控制目標(biāo)：保證精餾塔底溫度及其穩(wěn)定性主要干擾:塔底蒸汽量,串級控制系統(tǒng)設(shè)計方案1：塔釜溫度-蒸汽流量串級,特點： 包含干擾：蒸汽流量，換熱器壓力變化調(diào)節(jié)速度： 時間常數(shù)較小， 能快速克服上述干擾的影響對其他干擾無克服能力,串級控制系統(tǒng)設(shè)計2 ：塔釜溫度-蒸汽閥后壓力串級,特點：包含干擾： 蒸汽源壓力、換熱器壓力及壁 溫的影響調(diào)節(jié)

19、速度： 壁溫變化時間常數(shù)(幾秒)納入副環(huán)，提高整體系統(tǒng)工作頻率不足： 副參數(shù)對主參數(shù)間接影響時間常數(shù)較大。塔釜溫度控制要求較嚴(yán)格時，不能保證工藝側(cè)蒸汽流的恒定完全保證控制要求指標(biāo),串級控制系統(tǒng)設(shè)計3： 塔釜溫度-工藝蒸汽流量串級,特點：包含干擾： 增加了再沸器液位、溫度， 以及傳熱系數(shù)干擾不足： 副環(huán)時間常數(shù)較大，對蒸汽氣源壓力的波動的克 服能力減弱。,例2 造紙工藝網(wǎng)前箱溫度控制（純滯后處理

20、）,,工藝過程純滯后時間：90秒 單回路控制： 紙漿波動：35kg/min 或者 蒸汽波動：0.12MPa/cm2 最大偏差：±8.5℃ 過渡時間：450s 設(shè)計串級控制，將純滯后環(huán)節(jié)置于副環(huán)之外。 串級控制效果： 紙漿波動：35kg/min 或者 蒸汽波動：0.12MPa/cm2

21、 最大偏差：±1℃ 過渡時間：200s,例3：合成反應(yīng)器溫度串級控制系統(tǒng) （非線性環(huán)節(jié)處理）,非線性環(huán)節(jié)：換熱器 非線性環(huán)節(jié)影響： 整個對象特性隨負荷、溫度變化而變化，控制質(zhì)量不高處理方法 設(shè)計串級控制系統(tǒng)，將非線性環(huán)節(jié)包含在副環(huán)內(nèi) 利用串級控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力克服非線性影響,控制要求： 保證反應(yīng)溫度的穩(wěn)定性，（要求嚴(yán)格）,控制要求：保證出口溫度防止液態(tài)丙烯隨

22、氣態(tài)丙烯被吸出方案a： * 靈敏度較低，比較遲鈍， * 日常操作：經(jīng)濟性較好 * 不能確保氣態(tài)丙烯不帶液方案b： * 靈敏度較高， * 氣態(tài)丙烯出口壓力不穩(wěn)定。 * 冷量利用不足 抽吸氣態(tài)丙烯的壓縮機入口壓力相同情況下：方案b的蒸發(fā)壓力高于方案a * 需要增加一套液位控制系統(tǒng),例4 冷凝器溫度控制 （經(jīng)濟性）,方案a,方案b,建議：溫度控制質(zhì)量要求不高時應(yīng)用方案

23、a,3.3.2 控制器選擇兩方面的問題： 1) 控制規(guī)律選擇 控制規(guī)律的選擇應(yīng)考慮兩方面的問題一般要求主被控變量無余差。利用串級控制方法克服容量滯后問題。,,a. 控制規(guī)律b. 作用方式,a. 主控制器控制規(guī)律選擇： 一般串級控制的場合對參數(shù)的控制要求較高，并且對象特性總是存在較大的容量滯后。 主控制器一般選擇PI

24、D作用注意： 若對象的容量滯后較小，則應(yīng)該選擇PI作用的控制器,b. 副控制器控制規(guī)律選擇： 副回路允許存在余差，可采用純比例控制器。但是：流量和液體壓力作為副變量時，由于其開環(huán)靜態(tài)增益較小，應(yīng)適當(dāng)加入積分作用 目的：加強控制作用。溫度的場合，可加入微分控制作用。,注意： 由于副回路是隨動系統(tǒng)，應(yīng)采用具有微分先行的控制器,,2) 控制器作用方式選擇a. 副控制器

25、作用方式選擇： 選擇的結(jié)果應(yīng)使副環(huán)構(gòu)成負反饋工作方式。方式選擇同單回路系統(tǒng)控制器選擇方法,(控制器±) · (執(zhí)行器±) · (對象特性±) · (測量變送±) = (－),b. 主控制器作用方式選擇：原則： 通過主控制器作用方式選擇使主回路構(gòu)成負反饋。 選擇方法：利用等效副環(huán)模塊，將串級系統(tǒng)等效為一個單回路系統(tǒng)。根據(jù)等效副環(huán)的作用方式及

26、主對象的作用方式，按照單回路系統(tǒng)控制器選擇方法選擇主控制器的作用方式,等效方框圖,注意： 串級控制系統(tǒng)副環(huán)屬于隨動控制， 其整體作用方式為正作用。選擇方法： 主控制器作用方式(±)= －主對象作用方式(±),,(+),3.3.3 串級控制系統(tǒng)的投運,基本要求：無擾動切換投運順序：先副環(huán)后主環(huán)操作主、副控制器置手動，主控制器為內(nèi)給定，副控制器為外給定正確放置控制器的

27、正、反作用方式，參數(shù)置于預(yù)定數(shù)值。副控制器手動操作，主變量接近給定值，副變量穩(wěn)定時，手動調(diào)節(jié)主控制器輸出，使副控制器的給定值等于其測量值（偏差等于0），副環(huán)切到自動。同方法，手操主控制器，使主變量處于給定值位置，調(diào)整主控制器的給定值等于測量值（偏差等于0），主環(huán)切到自動。,3.4 串級控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍,根據(jù)串級控制系統(tǒng)的特點，串級控制適用于如下對象系統(tǒng)的控制需要：滯后較大的對象系統(tǒng)具有非線性環(huán)節(jié)的對象系統(tǒng)用于克服變化激烈和幅

28、值大的干擾。,串級控制系統(tǒng)舉例,如圖某連續(xù)反應(yīng)器，通過向夾套內(nèi)通冷卻水的方式控制反應(yīng)器內(nèi)溫度。已知冷卻水壓力波動頻繁，請為此過程設(shè)計一串級控制系統(tǒng)。要求：a. 在圖中完成所設(shè)計的控制方案（繪出工藝控制流程圖）。b. 為保證反應(yīng)器內(nèi)溫度在任何時刻都不超高。試選定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式；主、副控制器正、反作用方式。c.若冷卻水溫度波動是主要干擾，上面所設(shè)計的控制回路能否滿足控制要求？若不能滿足應(yīng)作如何改動？畫出控制流程圖。,a. 在

29、圖中完成所設(shè)計的控制方案被控變量選擇主： （盡可能選用直接參數(shù)） 反應(yīng)器內(nèi)溫度（T）副： （將主要干擾納入副環(huán)） 冷卻水壓力（P） (取閥后壓力)繪出工藝控制流程圖,T,P,b. 確定調(diào)節(jié)閥、控制器的工作方式,調(diào)節(jié)閥開關(guān)形式： 反應(yīng)器內(nèi)溫度不允許超高，冷卻水不能中斷： 選調(diào)節(jié)閥為氣(電)關(guān)式調(diào)節(jié)閥(-)控制器作用形式

30、副控制器（PC）： 副對象作用形式： q↑→P↑ 正作用(+) 副測量變送環(huán)節(jié)默認為正作用(+) 判定：選擇正作用式副控制器,,主控制器（TC）： 等效副環(huán)作用形式為正作用形式 主對象作用形式： P ↑→T↓ 反作用形式 判定：選擇正作用式主控制器,,,冷卻水溫度是主要干擾，上述控制

31、方案能否滿足控制要求不能滿足方案改動： a. 取加套溫度作為副被控變量,,,b. 在溫度控制器與壓力控制器之間加一級夾套 溫度控制回路，構(gòu)成三級串級控制系統(tǒng)。,考慮的問題：,若冷卻液是液氨，在夾套內(nèi)蒸發(fā)吸熱，應(yīng)如何選擇副被控變量,設(shè)計例2：某原油加熱爐如圖要求控制原油出口溫度，已知該工藝過程的主要干擾是燃料壓力的波動，請為此工藝過程設(shè)計一串級控制系統(tǒng)保證原油出口溫度的穩(wěn)定。,選：主被控變量：出口溫度副

32、被控變量：燃料流量調(diào)節(jié)閥的閥后壓力,由于對象時間常數(shù)過大，上述控制系統(tǒng)不能滿足控制要求，現(xiàn)修改為如下串級控制系統(tǒng)，請分析二串級控制系統(tǒng)的特點。,分析要點：副環(huán)包含的干擾時間常數(shù)變化,本章主要知識點：串級控制系統(tǒng)構(gòu)成特點（系統(tǒng)圖、方框圖）內(nèi)環(huán)的作用控制過程動作分析，區(qū)別干擾進入點主、副控制器作用方式選擇串級控制系統(tǒng)設(shè)計串級控制系統(tǒng)投運,串級控制系統(tǒng)設(shè)計練習(xí),某換熱器利用飽和蒸汽對物料加熱（如圖），工藝要求對換熱器出口物料溫