第 2章 串级控制系统

null问题的提出: 1、当对象的容量滞后较大,负荷或干扰变化比较、剧烈,工艺对产品质量提出很高的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ,采用单回路控制的方法无法解决问题时,出现复杂控制系统。 2、串级、比值、均匀、前馈、选择、分程等控制系统。 问题的提出: 1、当对象的容量滞后较大,负荷或干扰变化比较、剧烈,工艺对产品质量提出很高的要求,采用单回路控制的方法无法解决问题时,出现复杂控制系统。 2、串级、比值、均匀、前馈、选择、分程等控制系统。 第二章 串级控制系统第二章 串级控制系统2.1 概述 2.2 串级控制系统的实施 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.4 串级控制系统的特点 2.5 串级系统副回路的设计2.1概述2.1概述举例：一、串级控制系统的基本原理及结构null单回路控制系统设计： 塔釜出料 提馏段温度控制 通过控制再沸器加热蒸汽量维持提馏段温度的恒定， 保证塔底产品质量 存在问题： 该方案只适用于主要干扰来自进料的波动，而加热蒸汽压力比较平稳的场合。 如果主要干扰是加热蒸汽压力的波动，而这种波动又比较频繁、比较大，如果塔釜容量又比较大，控制很不及时的情况，控制效果将会很差，塔底产品质量将得不到保证。null 设计思路变化： 考虑系统“平衡”状态的破坏完全是由于压力变化而导致蒸汽流量发生变化，如蒸汽流量不变化，那么系统将会仍然维先的“平衡”状态，能否在蒸汽管线上再增设一个蒸汽流量控制系统，用以稳定蒸汽流量呢? 回答是否定的 1、两套系统相互关联，两个系统都无法工作。例如当进料量增大时，提馏段温度将会下降，为了保持这一温度度控制器将使控制阀V1开度增大，以增大蒸汽的供给量。随着蒸汽量的增大，流量控制器将动作，将控制阀V2关小，力图使流量回到给定值。这样两套控制系统就“打架”了，结果哪一套系统都不能正常运行. null2、控制系统的目的是维持提馏段温度的稳定，从而保证塔底产品质量，而维持蒸汽量恒定却并不是目的，流量的大小是允许改变的，至于何时变何时不变，以及变化多少，要由温度控制的需要而定。 null 将两个控制阀合为一个，用温度控制器的输出作为流量控制器的给定值，而用后者的输出去控制控制阀。这样就构成了一种新的控制形式，即所谓串级控制系统， 串级控制系统方案(温度---流量)串级控制系统方案(温度---流量)null串级控制系统：用两台控制器相串接，一个控制器的输出 作为另一个控制器的输入。方框图标准形式如下：null 从串级系统方块图可以看出，该系统有两个环路：一个内环和一个外环。 内环==副环 外环==主环 处于副环内的控制器、对象和变送器分别称副控制器、副对象和副变送器。副对象的输出称副被控变量，简称副变量。 处于主环内的控制器、对象和变送器分别称主控制器、主对象和主变送器。主对象的输出称主被控变量，简称主变量。对于本例流量控制器为副控制器，流量为副变量，而温度控制器为主控制器，温度则为主变量。 null 主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。 主控制器的给定值是由工艺规定的，它是一个定值，因此，主环是一个定值控制系统。 副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副回路是一个随动系统。二、常用名词：二、常用名词：主被控变量（主参数、主变量）Y1(S) 副被控变量（副参数、副变量）Y2(S) 主控制器Gc1(S) 副控制器Gc2(S) 主回路（主环） 副回路（副环）Y2(S)Y1(S)三、串级控制系统的工作过程三、串级控制系统的工作过程1）、干扰作用于副环（副控制器起“粗调”，主控制器起“细调”） 2）、干扰作用于主环（蒸汽量随温度控制的要求随时改变） 3）、干扰同时作用于主环和副环 a.作用方向相同 b.作用方向相反分析温度---流量串级控制系统 设：控制阀为气开，温度和流量两控制器选为反作用，1）干扰作用于副环1）干扰作用于副环2）干扰作用于主环3）干扰同时作用于主环和副环3）干扰同时作用于主环和副环a.作用方向相同b.作用方向相反2.2 串级控制系统的实施2.2 串级控制系统的实施选择 实施方案 关于机房搬迁实施方案高中班级自主管理实施方案公交公司安全生产实施方案成立校园管乐队的实施方案中层管理人员竞聘上岗实施方案 时，需考虑的问题： 1）、所选用的仪表信号必须匹配。 2）、所选用的副控制器必需具有外给定输入接口。 3）、在选择实施方案，应考虑是否增加一只切换开关，作“串级”与“主控”的切换之用。 4）、实施方案应力求实用，少花钱多办事。 5）、实施方案应便于操作。一、 用电动Ⅲ型仪表构成串级控制方案一、 用电动Ⅲ型仪表构成串级控制方案串级控制一般方案：null 精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统的组成mVmV4~20mA1~5V1~5V1~5V1~5V4~20mA4~20mA4~20mA4~20mA20~100KPaΔp能实现主控—串级切换的串级方案：能实现主控—串级切换的串级方案：主控串级null 在串级与主控切换过程中，必须考虑去控制阀的控制信号方向的一致性，也就是组成的控制系统必须是负反馈控制系统，这就是串级与主控直接切换的条件。 只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间直接切换。如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控制器的正反作用；而当由主控切回到串级时，又必须将主控制器恢复到原来的作用型式。二、 串级控制系统的实施二、 串级控制系统的实施 1. 主、副控制器的控制规律的选择 （1）控制规律的选择根据控制要求进行 主变量是生产工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量或生产的安全，工艺上要求比较严格，主变量不允许有余差。 副变量要求不严格，允许有波动和有余差，设置副变量的目的在于保证和提高主变量的控制质量。 null（2）主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用，因此采用PI或PID。 （3） 副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器一般不用积分作用，微分作用也不需要，采用比例作用。 null关于主控制器、副控制器采用积分作用时： （1）只有当主控制器采用具有积分作用的控制器时，不论干扰在副回路还是主回路，都能保证主变量无余差。 （2）当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时，只有干扰作用于副回路，主变量无余差；干扰作用于主回路，主变量仍然存在余差。 主控制器：PI、PID 副控制器：P、PD（副对象的容量滞后T较大）2. 主、副控制器正反作用的选择。2. 主、副控制器正反作用的选择。主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。 （1） 副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用。 （2） 主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一样。 null例1. 确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统主、 副控制器的正反作用。副环：控制阀应选气开（正特性）→副对象放大倍数为正特性→副变送器放大倍数为正特性→副控制器应为正特性（选反作用）。 主环：主对象放大倍数为正特性→主控制器应选反作用 （主控制器放大倍数应取主对象放大倍数的特性符号控制阀：气开阀，+ 副对象：+ 主对象：+null副控制器特性为+，应为反作用 主控制器特性为+，应为反作用null例2.氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统主、 副控制器的正反作用GO1(S): + GO2(S): + GV(S): + GC2(S): + GC1(S): +气开840 ± 5 ℃氨气流量变化1%，氧化炉温度改变64℃ TC：反作用 FC：反作用2.3 串级控制系统的投运和整定 2.3 串级控制系统的投运和整定 2.3.1 串级系统的投运 2.3.2 串级系统的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 整定方法2.3.1 串级系统的投运 2.3.1 串级系统的投运 一、系统的投运 投运的原则： （1）投运顺序 先投副环，后投主环。 （2）无扰动切换 预置给定等于测量。 特别说明：投运过程中应切除微分作用 null以电动Ⅱ型仪表为例,组成串级控制系统的投运步骤： 1、主、副控制器均放于手动位置；主控制器放内给定，副控制器放外给定；将主、副控制器正、反作用开关放于正确位置；主、副控制器参数放于预定数值(如无预定值，比例度可放100％，积分时间放适当数值，微分时间放于零)。 2、用副控制器的手操器进行手操(遥控)。null3、当遥控使主变量接近或等于给定值而副变量也较平稳时，调节主控制器的手操旋钮，使副控制器的偏差表指示为零，这时副控制器的自动电流将跟踪等于手动电流，于是可将副控制器切入自动。由于切换前控制器的自动电流等于手动电流，因此切换是无扰动的。 4、当副环切入自动后控制稳定，主变量接近或等于给定值时，调整主控制器的内给定旋钮，使主控制器偏差表指示为零，此时主控制器的自动输出电流跟踪等于手动输出电流，于是可将主控制器切入自动。 系统则处于串级工作状态，而切换是无扰动的。null以电动Ⅲ型仪表为例，说明系统的投运： 电动Ⅲ型控制器具有跟踪保持电路，使得在软手动时自动输出跟踪等于手动输出；而在自动时手动输出又跟踪等于自动输出。因此，无论偏差存在与否，随时都可以将控制器从软手动切入自动而不会造成扰动，反之亦然，这称之为双向无平衡无扰动切换。 null由电动Ⅲ型仪表组成的串级系统投运工作步骤如下： 将主控制器给定值设置好，主控制器放内给定，副控制器放外给定，再将主、副控制器正反作用放于正确位置。 在副控制器处于软手动状态下进行遥控，等待主变量慢慢在给定值附近稳定下来。这时则可以按先副后主的顺序，依次将副控制器和主控制器切入自动，即完成了串级系统的投运工作，而且投运过程是无扰动的。 二、 串级系统的工程整定方法二、 串级系统的工程整定方法1. 两步法（先副环后主环的方法） 1）在主副回路闭合时，将主控制器δ置100%、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副环，找出副变量出现4:1振荡过程的比例度记录下δ2s 及振荡周期T 2s 。 2） 将副控制器置δ2s 、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定主环，找出主变量出现4:1衰减振荡过程的比例度记录下δ1s 及振荡周期T 1s。 null 3）根椐得到的δ1s 、 T 1s 、 δ2s 、 T 2s值，结合主、副控制器的选型，按单回控制系统整定计算公式，可以计算出主、副控制器的δ、Ti 、Td。 4）将计算所得参数按先副环后主环、先比例再积分后微分的顺序在控制器上放好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地进行一些微小的调整。null 2.一步法： 根据经验先将副控制器参数一次放好（如下表），不再变动，然后按一般单回路系统整定方法，直接整定主控制器参数。 在整定过程中以牺牲副参数的质量指标的原则（副参数在允许的范围内），使主参数达到规定的质量指标的要求。 2.4 串级控制系统的特点2.4 串级控制系统的特点图2-9 单回路控制系统方框图图2-10 串级控制系统方框图null 比较图2-9和2-10两种不同的控制方案,可看出两点不同 1、串级控制系统中多了一个副回路； 2、串级系统比单回路系统多了一个控制器。 串级控制系统的特点： 1、由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率 提高。 2、串级控制回路具有较强的抗干扰能力。 3、串级控制系统具有一定的自适应能力。 图2-10 串级控制系统方框图（1）、由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率提高null图2-12 串级控制系统等效方框图null根据副回路各环节传递函数分别为：null由于1+Kc2KvKo2Km2>1, K’o2>1。这时K2≈1/Km2 ，等效副回路的放大倍数只取决于测量变送环节的放大倍数Km2，而与副对象的放大倍数Ko2无关。2.5 串级系统副回的设计2.5 串级系统副回的设计副回路设计是根据生产工艺的具体情况，选择一个合适的副变量，从而组成一个以副变量为被控变量的副回路。串级控制系统副回路的设计原则：串级控制系统副回路的设计原则：（1）使系统中主要干扰包含在副环内。 （2） 在可能情况下，应使副环包含更多一些的干扰。 （3）当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。 （4） 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。 （5） 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。 （6）所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。 举例：加热炉出口温度的控制举例：加热炉出口温度的控制主要干扰： 1.燃料气压力 2.燃料气热值 3.燃烧效果 4.环境温度 5.原油流量 6.原油温度本章作业本章作业2.7 2.8 2.9