过程控制系统及仪表第版节复杂控制系统串级.ppt
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1、1,2,第7章 复杂控制系统,3,第7章 复杂控制系统 复杂控制系统 凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较特殊的控制系统,都称为复杂控制系统。 特点: 通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行器,构成的回路数也多于一个,所以,复杂控制系统又称为多回路控制系统。,4,7-1 串级控制系统 一、串级控制系统的结构 管式加热炉是石化工业中的重要装置之一,工艺上要求被加热油料炉出口温度的波动范围应控制2内。,5,主要扰动: (1)原料方面的扰动(包括物料的流量和入口温度的变化); (2)燃料方面的扰动(包括燃料的流量、热值及压力的波动); (3)燃烧条件方面的扰动(包括供风量和炉膛漏风量的变化
2、、燃料的雾化状态的影响等)。 传热的滞后性,以及调节通道的时间常数过大(15min左右),控制作用不及时。,6,方案:将炉膛温度作为被控变量,组成如图7-2 所示的控制系统。 方案的优点:调节通道的时间常数缩短为3分钟左右。 缺点:原料的流量或原料入口温度波动使炉出口温度变化时,系统无法使炉出口温度再调回到给定值上,所以该方案仍不能达到生产工艺要求。,7,方案:构成炉出口温度为被控变量,炉膛温度为辅助变量,由炉膛温度控制器的输出去操纵燃料量的控制方案. 这就是炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统。,8,串级控制系统中常见的专用名词介绍: 主变量 串级控制系统中起主导作用的被控变量,是 过程中主要
3、控制的工艺指标。 副变量 串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅 助变量。,炉出口温度,炉膛温度,9,主对象 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程,其输入量为副变量,输出量为主变量。 副对象 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程,其输入量为系统的操纵变量,输出量为副变量。,炉出口温度对象,炉膛温度对象,10,主控制器 按主变量的测量值与给定值的偏差进行 工作的控制器,其输出作为副控制器的 给定值。 副控制器 按副变量的测量值与主控制器的输出信 号的偏差进行工作的控制器,其输出直 接控制执行器的动作。,炉出口温度控制器,炉膛温度控制器,11,主回路 由主测量变送器、主控制器、副回路等效
4、环节和主对象组成的闭合回路,又称外环 或主环。 副回路 由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路,又称内环或副环。,12,方块图:,工艺控制流程图:,13,串级控制系统通用方块图:,14,串级控制系统在结构上具有如下特点: 在串级控制系统中,有两个闭环负反馈回路,每个回路都有自己的控制器、测量变送器和对象,但只有一个执行器。 两个控制器采用串联控制方式,主控制器的输出作为副控制器的给定值,而由副控制器的输出来控制执行器的动作。 主回路是一个定值控制系统,副回路则是一个随动控制系统。,15,二、主、副控制器正、反作用的确定 主、副控制器确定顺序:“先副后主”的原则 副控制器的选
5、择原则: 副控制器的正、反作用只与副回路中的各个环节有关,而与主回路无关。 在简单控制系统中介绍的各环节规定符号“乘积为负”的判别准则,同样适用于串级控制系统副控制器正、反作用的选择。 (副控制器)(执行器)(副对象)(副变送器)=(一),16,主控制器的选择原则: 主控制器的正、反作用只与主对象有关,而与副回路无关。 分析: 副回路是一个随动系统,它的最终控制结果总是要使副变量(副回路的输出)跟随主控制器的输出(副回路的输入)而变化,也就是说,当副同路的输入增加时,副回路的输出也要增加,由此可见,副回路也是一个“ + ”环节。 主测量变送是一个“ + ”环节。 所以,主控制器的正、反作用就只
6、取决于主对象的符号。为了保证回路中各环节总的符号乘积为负,当主对象的符号为 “+”时,主控制器必须是“”号,即选择反作用;而当主对象的符号为“”时,主控制器必须是“+”号,选择正作用。,17,【例题】 如图所示的精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串级控制系统中,执行器选为气关式,试确定主、副控制器的正、反作用。,18,副回路: 执行器 气关式,符号为“-”; 副对象 执行器的阀门开度增大时,副变量蒸汽 流量也增大,故副对象的符号为“+”。 副变送器 符号也为“ + ”。 根据回路各环节符号“乘积为负”的判别公式,副控制器的符号必须取“ + “ ,即应选择正作用。,“先副后主”的原则,19,主回路:
7、 当蒸汽流量增大时,主变量提馏段的温度将上升,故主对象的符号为“+”。 所以,主控制器应选择“-”,反作用。,20,【练习题】如图的串级控制系统,执行器选为气开阀,试确定主、副控制器的正、反作用。,-,+,+,+,+,-,21,三、串级控制系统的工作过程 工艺要求执行器选为气开式,炉出口温度控制器TC和炉膛温度控制器 TC 均采用反作用工作方式,分析系统的工作过程。,22,干扰作用于副回路:当燃料管网压力增大,,-,+,+,+,+,-,炉膛T2,,炉膛T2 ,阀门开度,,T2C,,T2T ,,导致燃料量,23,干扰作用于主回路:当原料流量增加,,-,+,+,+,+,-,导致出料温度T1 ,,T
8、1 ,副环随动+,T2,,T1C,,T1T ,,24,干扰同时作用于主、副回路:,当原料温度升高,导致出料温度T1 ;当燃料管网压力增大,炉膛T2;,副回路:T2T,偏差 , T2C ,阀开度,T1 ,T1C ,,主回路:T1T ,,25,四、串级控制系统的特点及应用场合 串级控制系统与简单控制系统相比,由于在结构上多了一个副回路,因而,在相同的干扰作用下,其控制质量是单回路控制系统无法比拟的。 串级控制系统在工作性能上的主要特点: 1对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。 2改善了控制系统的动态特性,提高了工作频率。 3. 对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。 串级控制系统的适应场合
9、: 主要适合于被控对象的容量滞后或纯滞后时间较大,干扰作用强而且频繁,或者生产负荷经常大范围波动,简单控制系统无法满足生产工艺要求的场合。,26,五、串级控制系统设计中的几个问题 1副回路的确定 (1)应将生产中的主要干扰纳入到副回路中。 (2)在可能前提下,应将尽可能多的干扰纳入副回路中。 (3)应使主、副回路的时间常数适当匹配 。 选择使副回路时间常数小一些,有利加快控制。 主、副对象时间常数相近,可能发生“共振”现象。通常,主、副对象时间常数之比在 3 10 倍之间。,27,2主、副控制器控制规律的选择 (1)主变量是生产工艺的重要指标,副回路不要求 为了保证过渡过程没有余差,主控制器至
10、少应选择比例积分(Pl)控制规律。主对象的容量滞后较大,必要时也可引入微分作用,即 PID 控制规律。 若副控制器要求不高,可选用比例(P)作用。 (2)工艺对主变量要求较高,对副变量也有一定的要求。 保证主变量的控制精度,主控制器需选择PI作用。 副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量,副控制器也应该选择PI作用。,28,练习题,锅炉供水控制系统如图所示,1,从锅炉安全考虑,防止因断水导致锅炉烧爆,选择气开,气关阀?选择控制器+-,构成负反馈系统。 2,若锅炉给水流量波动频繁且为主要干扰,原来的液位控制系统很难满足控制要求,试问应采取何种措施来提高控制精度?设计控制方案?画出系统方块图?,2
11、9,执行器从锅炉安全考虑,防止因断水导致锅炉烧爆,应选择气关式,“-”。 对象当流入量增加,液位是增加的,符号取为“+”。 变送器输出信号随液位的升高增加,符号为“+”。 控制器必须选择正作用“+”,才能构成负反馈控制系统。,答: 问题1:,30,答: 问题2:,采用锅炉液位与给水流量串级控制系统来提高控制精度。 串级控制设计方案如图所示。 串级控制系统方块图如图:,31,液位控制器,流量控制器,流量变送,液位变送,液位对象,流量对象,锅炉液位,给水流量,答: 问题2:,32,1、两步整定法,工况稳定,主副回路均闭合, 衰减曲线法求得,d)按先副后主,先比例后积分,再微分的次序投入运行,观察修
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