第五章-串级控制系统与比值控制系统.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章 串级控制系统与比值控制系统,了解串级控制系统的概念与特点；,掌握串级控制系统的方框图表示法；,结合控制原理，掌握串级系统的分析方法；,了解串级控制系统的设计原则；,掌握串级控制系统的参数整定方法,;,了解串级控制系统的抗积分饱和措施。,了解比值控制系统的几种控制方案,掌握比值系数的计算,基本要求:,2,1)单回路控制系统的组成,2)单回路控制系统的不足,一个输入信号，一个输出信号，一个调节器，组成一个闭环,对象的动态特性使其本身难以进行控制，但对调节质量要求较高,如：,/T1,控制任务特殊,生产过程的发展,对操作条件要求更加严格,参数间关系更加复杂,对控制精度和功能有许多新的要求,G,c,(s),G,v,(s),G(s),G,m,(s),R(s),Y(s),单回路控制系统方框图,在单回路的基础上,采取其他措施,组成复杂控制系统(多回路系统),3,第五章 串级控制系统与比例控制系统,4,定义:在多回路控制系统中,有,两个,被控过程,两套,测量变送装置,两台,控制器和,一个,调节阀构成的,双闭环,系统,5-1 串级控制系统的概念,例5-1 连续槽反应器温度控制,1)生产过程,(扰动),2)控制系统方框图,反应器温度控制系统,夹套,槽壁,3)缺点,物料方面扰动D1:流量,入口温度,化学成分,冷却水扰动D2:入口温度,阀前压力,D1,调节器,调节阀,夹套,槽壁,反应槽,温度测量,D2,1r,1,2,三个热容积,5,采用串级控制,反应器的温度串级控制方案,特点:两个调节器串在一 起工作,调节器,C2,通过调节冷却水流量以克服冷却水方面的扰动;,调节器,C1,通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值.,6,副调节器,温度测量,环路2,主调节器,调节阀,夹套,槽壁,反应槽,D2,D1,1r,2,1,温度测量,环路1,7,例5-2 精馏塔提馏段的温度控制,精馏塔提馏段温度控制方案,1)生产过程,2)控制系统方框图,3)缺点,调节器,调节阀,蒸汽管路,再沸器,塔底,温度测量,D2,(,蒸汽压力,),r,D1,(,液相加料方面,),Q,D1:液相加料方面扰动，流量、温度和组分；D2:蒸汽压力,8,两种改进方案：,(1)附加蒸汽压力控制方案,附加蒸汽压力控制方案,缺点：,不经济,增加了管道的压力损失,把蒸汽压力的干扰克服在入塔前,提高了温度调节品质,但需增加一个调节阀,且增加了蒸汽管路的压力损失,经济上不合理.,9,(2)串级控制方案,优点:,有效地克服蒸汽压力波动对温度,的影响。,C2控制流量稳定，,C1控制温度稳定。,副调,节器,流量测量,流量自稳定系统,主调,节器,调节,阀,蒸汽管,路系统,再沸,器,塔底,温度测量,D2,r,D1,Qr,Q,温度控制系统,10,例5-3 炼油厂管式加热炉温度控制 (略),1)生产过程,2)控制系统方框图,3)缺点,串级控制使用特点:,被控过程延迟较大,11,串级控制系统的组成及工作过程,1)在结构上，串级控制系统由两个闭环组成,2)每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器,3)调节阀由副调节器直接控制,主参数,主调,节器,调节,阀,副对象,主对象,主变送器,二次扰动,一次扰动,副调,节器,副变送器,主参数设定,副参数,一般串级控制系统,副回路,随动控制系统,定值控制系统,主回路,4)串级控制系统的命名:,主参数-副参数串级系统,如温度-流量串级系统,12,串级控制系统中的名词:,主变量:工艺控制指标,在串级控制系统中起主导作用的被控变量.,副变量:串级控制系统中为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量.,主对象:为主变量表征其特性的生产设备。,副对象:为副变量表征其特性的工艺生产设备。,主控制器:按主变量的测量值与给定值而工作,其输出作为副变量给定值,的那个控制器，称为主控制器。,副控制器:其给定值来在主控制器的输出,并按副变量的测量值与给定值,的偏差而工作的那个控制器称为副控制器。,一次干扰:进入主回路的干扰称为一次干扰,二次干扰:进入副回路的干扰称为二次干扰,13,5-2 串级控制系统的分析及特点,1)副回路的引入对二次扰动的影响,串级控制系统方框图,G,c1,(s),G,v,(s),G,p2,(s),G,p1,(s),G,m1,(s),G,c2,(s),G,m2,(s),R,1,(S),Y,1,(s),R,2,(S),Y,2,(s),G,d2,(s),D,2,(s),G,p2,(s),14,G,c1,(s),G,v,(s),G,p2,(s),G,p1,(s),G,m1,(s),R,1,(S),Y,1,(s),R,2,(S),G,d2,(,s),D,2,(s),单回路控制系统方框图,15,结论:串级控制系统的结构使,二次扰动,对主控参数的动态增益明显减小,二次扰动出现后,很快就被副调节器克服,与单回路控制系统相比,被调量受二次扰动的影响可以减小10100倍.,16,2)副回路的引入对被控对象响应速度的影响,结论:,引入副回路,使等效副对象时间常数减小,快速性得到改善,调节速度加快,使迟延大的问题得到了改善.,T,p2,=T,p2,/(1+K,c2,K,v,K,m2,K,p2,),G,c1,(s),G,v,(s),G,p2,(s),G,p1,(s),G,m1,(s),G,c2,(s),G,m2,(s),_,R,1,(S),Y,1,(s),R,2,(S),Y,2,(s),G,p2,(s),D,2,(s),等效副对象,17,3)副回路的引入对系统负荷变化的影响,对于内环等效对象的增益,G,v,(s),G,p2,(s),G,c2,(s),G,m2,(s),R,2,(S),Y,2,(s),G,p2,(s),等效副对象,结论:当副回路增益足够大时,等效副对象的静态增益基本上,和副,对象,调节阀的增益无关(系统的“鲁棒性”强).,18,K,p2,=2k,u,/K*h,1/2,=0.2h,1/2,1/K,m,h,K,p,19,串级控制特点,1)在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统.,其中主回路是定值控制，副回路是随动控制,2)副回路的引入,大大克服了二次扰动对系统被调量的影响,3)副回路的引入,提高了整个系统的响应速度,使其快速性得到了提高,4)串级控制系统对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力引入内,串级控制系统主要应用于,:对象滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合.,由于内环起了改善对象动态特性的作用,因此可以加大主调节器的增益,提高系统的工作频率,环,使得等效对象的增益接近为常数,控制系统适应能力强,20,5-3 串级控制系统设计和实施中的几个问题,考虑的问题:,副回路的设计,副参数的选择.主副回路之间的关系,两个调节器可能产生的问题.,一 副回路的设计,副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键.其设计主要是如何选择副参数其设计的原则为：,1)副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏,串级控制系统主要用于迟延较大的场合,简单控制系统中从扰动产生到调节阀开始动作需要较长时间的迟延，引入副回路就是要使扰动发生后调节阀能尽快作出调整，因此就需要副回路的时间常数小，调节通道短，使调节阀阀对扰动的反应灵敏,因此，设计中需要找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大提高,21,1,选择副参数,使得副回路时间常数小,调节通道短,使等效对象的时间常数大大减小,提高系统的工作频率,加速反应速度,缩短控制时间,最终改善系统的控制品质.,主调节器,调节阀,夹套,槽壁,反应槽,温度测量,D2,D1,1r,副调节器,温度测量,2r,2,反应器温度控制系统,选择夹套温度作为副参数,副对象是一个一阶对象,可以迅速反映冷水侧方面的干扰,加以克服.,22,2)副回路应包含被控对象所受到的主要干扰,副环尽可能多的包括一些扰动,与副回路的时间常数小，调节通,道短的矛盾,不可能包括所有扰动，主回路无,作用,原则:,要使系统的主要干扰被包围在副回路内,在可能的情况下,应使副环包围更多的次要干扰,应使副回路的工作频率比主回路高,当副环的时间常数超过主环,时,采用串级调节无效果.,精馏塔提馏段温度控制的不同串级方案,发挥对二次干扰的强克服能力,23,主调,节器,调节,阀,蒸汽管,路系统,再沸,器,塔底,温度测量,D2,r,D1,副调,节器,流量测量,Qr,Q,控制方案1方框图,主调,节器,调节,阀,蒸汽管,路系统,再沸,器,塔底,温度测量,D2,r,D1,副调,节器,压力测量,Pr,Q,控制方案2方框图,P,24,二 主,副回路工作频率的选择,目的:,避免闭环进入高增益区,避免产生串级共振现象,.,结论:,主环(T,d1,d1,)与副环(T,d2,d2,)应满足关系,一般取：,共振现象,:如果主回路的工作频率接近副回路的谐振频率,则副回路将呈现出很高的增益和较大的相位滞后,这时反过来将严重影响主回路的稳定性,从而使主副参数长时间地大幅度地波动的现象,危害:,系统失去控制,控制品质恶化,甚至导致产生事故,25,广义共振区,1/3,2,26,串级系统中调节器正反作用方式的选择,1)根据工艺安全要求，选择调节阀的气开，气关形式,2)将副回路当作一个独立的闭回路，按照使副环形成一个负反馈的原,则确定副调节器的正反作用方式,3)将整个副回路当作主回路的一个环节,其作用方式总为正.再来确定,主调节器的作用方式.,y,主调节器,调节阀,副对象,主对象,主变送器,r,副调节器,副变送器,总为,27,主调节器在串级控制和单独控制两种方式的切换,副调节器为反作用方式,副调节器为正作用方式,(主调节器无需改换),(主调节器需改换),主调节器,调节阀,副对象,主对象,主变送器,r,副调节器,副变送器,y,主变送器,主调节器,调节阀,副对象,主对象,r,副调节器,副变送器,y,28,5-3 调节器的选型和整定方法,在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同,1)选型,主调节,器：,准确保持被调量符合生产要求.不允许存在偏差,一般采用PI调节器,如果副环外容积数目较多,有主要扰动落在副环外，可用PID调节器,副调,节器：,消除副回路内的二次扰动,快速性,不要求无残 差一般选P调节器,主副环频率相差很大,可选PI调节器,29,2)串级控制系统的整定,复杂性(相互影响),原则:尽量加大副调节器增益(K,c,)以提高副环频率,使主,副环,频率错开,最好相差三倍以上,当主、副回路频率相差较大时,相互之间的影响不大,可以在主环开路的情况下,按整定简单控制系统的方法整定副调节器然后,在加入副调节器的情况下,按通常方法整定主调节器。,当主副回路频率比较接近时，相互之间的影响较大需要在主副环之间反复进行凑试，才能达到最佳的整定,30,一 逐步逼近法(比较费时),它是一种依次整定主环，副环，然后循环进行，逐步接近主，副环的最佳整定的一种方法其步骤为：,首先整定副环.断开主环,按单回路整定副环,求取副调节器的整定参数.,整定主环整定好的副环作为主环中的一个环节，按单回路方法整定,主环，得到主调节器整定参数,在主调节器已经整定一次的条件下,按单回路整定方法,重新求取副调,节器的整定参数.此时主副回路都已经闭合,重新整定主环在两个环都闭合，副调节器第二次整定情况下重新整,定主调节器,如果调节过程还未达到品质要求,按步继续进行,直到控制效果满,意为止,如果在第,步甚至第步就已经满足品质要求，整定无需继续进行,31,二 两步整定法(自学),32,例5-4 副回路中包括了一个积分环节加纯迟延的对象和一个比例调节器，其开环频率特性为,将副回路整定到4:1的振幅衰减,G,p2,(s),1/,R,2,(S),Y,2,(s),G,p2,(s),等效副对象,33,当T,d1,T,d2,时，副环等效为一个增益为1的放大环节，形成1:1的随动系统。,副回路开环增益,副回路闭环增益,34,5-3 比值控制系统,定义:,用来实现两个或以上参数之间保持一定比值关系的过程控制系统.,主要是流量浓度的混合,实现两种物料的流量保持一定的比值关系.,尿素合成塔：二氧化碳压缩气、液氮流量成比例,主物料,处于主导地位的物料,表征该物料的参数为主流量,Q,B,从物料,随主物料的变化呈比例变化的另一种物料,表征该物料的参数,如：控制 CO的完全燃烧,流量比值,K,副流量与主流量的比值,为副流量,Q,A,。,副流量,主流量,锅炉燃烧：燃料量和空气量等,35,例 5-6 合成塔比值控制系统,工艺要求：A,B两种物料的流量,保持一定比例，物料B的流量Q,B,不可控,调节过程,两种流量的比值通过设定比值器R实现,压差变送器,比值器,决定流量比值,调节器给定值I,B,*:,主流量的K倍,实现目标:,副流量随主流量而变化,其流量是主流量的K倍,36,简单的比值控制系统为单回路控制,是一个流量自稳定系统。其设定值不是定值，而是与流量Q,B,成一定比例的变量,Q,B,-主流量(不可控)Q,A,副流量(被控量),系统传递函数Q,A,(s)/Q,B,(s)体现了副流量和主流量间的关系,变送器,比值器R,调节器,调节阀,管路,变送器,Q,B,I,B,I,B,*,Q,A,I,A,合成炉比值控制系统方框图,主流量,副流量,实现K倍,调节副流量,37,一 比值系数的计算,工艺要求两个物料流量之比为,KQ,A,/Q,B,可通过设置比值器的输出输入信号之比来实现.即,比值系数,仪表类型：,DDZ-II:010mA,DDZ-III,DDZ-S:420mA,线性环节的增益:K=输出范围/输入范围=输出增量输入增量,温度变送器量程为0100,为DDZ-III型仪表，则其增益(转换系数)为,K,t,=(20-4)/(100-0)=0.16mA/,压差变送器,比值器,实现流量比K,比值系数,比值器R输出增量,比值器R输入增量,输入,输出,38,压差变送器DT将压差信号线性地转换为电信号采用DDZ-III型有,对于节流元件，压差与流量的平方成正比，则,K,A,K,B,-节流元件放大系数,1.流量与测量信号之间是非线性关系,39,B物料的流量信号I,B,经比值器R后变为I,B,*,为调节器的设定值，稳定后与实际值I,A,相等，即I,B,*=I,A,则,比值系数,为,虽然流量与其测量信号成非线性关系，但是比值系数却是常数,压差变送器,比值器,实现流量比K,40,2 流量与其测量信号之间呈线性关系,在有些系统中,在变送器后加上开方器,使流量与测量信号间不再是非线性关系,开方器,比值器,41,结论：,流量比值K与比值系数,是两个不同的概念,比值系数,的大小与流量比K、最大流量有关,线性测量与非线性测量情况下比值系数关系:,非,=(,线,),2,3 主流量与副流量的选择,一般情况下,总是把生产中,主要物料作为主流量,其他物料为副流量.以副流量的变化跟随主流量的变化.如果两种物料中,一种是可控的,另一种是不可控的,选不可控物料为主流量,可控物料为副流量,如果两种物料中一种供应不成问题,另一种可能出现供应不足,应选可能,供应不足的物料为主流量,.否则难以实现副流量自动跟踪主流量的变化.,42,二 比值系统中的非线性特性,非线性,:系统的静态增益不是一个定值而是随负荷变化的.,比值系数与负荷无关,:,由比值系数的计算可知,在流量和其测量信号之间呈线性或非线性关系两种情况下,比值系数均为常数,与负荷大小无关,.,即,负荷变化时有无开方器对系统静态比值无影响.,压差变送器,比值器,流量测量中的非线性对系统的影响,43,为了,保持系统的性能稳定，需要使系统的总增益接近常数,.在变送器后加入开方器后，其增益为：,加入开方器后，使变送器、开方器总的静态增益为常数，消除了非线性影响,K,m,对系统性能的影响,:,系统在小负荷下整定好调节器参数,可以保证一定控制品质.当负荷增大时,测量变送部分的静态增益增加很多,而调节器参数未变，使控制品质恶化,44,三 比值系统的整定,按单回路系统整定,需满足要求:,要求系统响应速度快,能对主流量的变化作出快速跟踪,要求衰减率,较大,使被调量尽快稳定,波动小.,整定过程,1)将调节器,Q,A,C,的积分时间,T,I,设为最大,从大到小逐渐减小,直到被调流量在主流量阶跃扰动下的过渡过程处于振荡与不振荡的临界情况如右图曲线,b,2),确定比例带后,逐步减小积分时间常数T,I,直到被调量稍有一点过调如曲线c,45,四 常见比值控制系统,变送器,比值器,调节器,调节阀,管路,变送器,Q,B,I,B,I,B,*,Q,A,I,A,单环比值控制系统,单环比值控制系统:,调节器控制副流量,使它按比例跟随主流量.,特点:,系统简单,能克服单环内的各种干扰对比值系统的影响.,不足之处:,一般只用于负荷变化不大的场合.,单环比值控制系统,46,双闭环比值控制系统,使用场合:在比值控制精度要求较高，主流量允许控制的,增加了主流量控制回路,实现了主流量的定值控制,使主流量变化平稳,.从而使与主流量成比例的副流量也能够平稳.可通过改变主流量的设定值实现负荷的变化,DT,Q,1,C,R,DT,Q,2,C,Q,1,Q,2,双闭环比值控制系统,主流量控制,副流量控制,输入为主流量信号,Q,2r,情况下,47,G,c2,(s),G,v2,(s),管路2,G,m2,(s),Q,2r,Q,2,R,G,c1,(s),G,v1,(s),管路1,G,m1,(s),Q,1,*,Q,1,双闭环比值控制系统方框图,主流量控制回路,副流量控制回路,特点：,控制系统由两个闭环组成，主流量为定值控制，副流量为随动控制,两个回路之间由比值器联系,比值器接受主回路流量信号，输出作为副流量回路的设定值,对主流量进行了定值控制,能够使主流量波动小,避免出现主流量波 动大,变化快而副流量难以跟随的情况,48,变比值控制系统,变换炉触媒层温度控制方案,控制目标:增加CO的转换率,生产过程:CO+H,2,O,CO,2,+H,2,CO+(58)H,2,O,CO,2,+H,2,控制量,:生产中的关键参数,工艺决定.,操作量,:调节阀改变的参数,通过它可,以改变控制量,控制方案：,控制量:触媒层温度,CO转化率,触媒寿命,操作量:水蒸气流量蒸汽量比重大,对温度影响更显著,触媒层温度控制方案:改变煤气与水蒸气流量比值实现,主、副流量之比是可以变化的,例5-7 变换炉触媒层温度控制,49,主调节器,副调节器,调节阀,对象,除法器,变送器,变送器,煤气,变送器,变换炉触媒层温度串级比值控制系统,r,r,2,*,-,-,r,2,r,2,=Q,H2O,/Q,CO,主流量：CO,生产中主要物料,副流量：H,2,O蒸汽,流量大对温度影响大,易实现对温度的控制,控制过程：,通过改变两种气体流量比值r,2,*实现恒温控制,煤气量不可改变,当H,2,O不够时,r,2,r,2,*,调节器将使阀们开度,H,2,O,r,2,保持比值r,2,*恒定.,当实际温度出现波动时，r,2,*出现变化，改变两种气体流量比值，使温度回到设定值变比值控制,R,Qs,Q,H2O,50,某串级控制系统方框图如下所示，已知各环节的传递函数为：,对象特性,调节器,调节阀,变送器,(1)用稳定边界法先对副调节器进行整定,求得K,c2,然后对主调节器进行整定，求出主调节器参数K,c1,T,I,(2)若主调节器采用纯比例作用,求二次扰动D,2,和一次扰动D,1,在单位阶跃变化时主参数的余差，从中可得出什么结论,(3)若采用简单控制系统,调节器为比例作用,用工程整定法求得调节器的比例增益为K,c,=5.4,求单位阶跃D,2,和D,1,扰动时主参数的余差,51,G,c1,(s),G,v,(s),G,p2,(s),G,p1,(s),G,m1,(s),D,2,(s),D,1,(s),G,c2,(s),G,m2,(s),R(s),Y(s),对象特性,调节器,调节阀,变送器,52,