过程控制技术教学课件作者侯慧姝第5章.ppt

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1、第５章　串级控制系统５.１　串级控制系统的基本原理和结构５.２　串级控制系统的设计５.３　串级控制系统的实施返回５.１　串级控制系统的基本原理和结构5.1.1串级控制系统的组成图５－１是连续反应釜温度控制的示意图。工艺要求：物料自底部连续进入釜中，经反应后由顶部排出。反应产生的热量由夹套中的冷却水带走。为保证产品质量，对反应釜温度Ｔ１要进行严格控制。影响的反应釜温度Ｔ１的因素主要有冷却水流量、冷却水温度、阀前压力、环境温度、物料的组成成分和出料流量等。控制系统组成：被控变量为反应釜温度Ｔ１；选择冷却水流

2、量作为控制（操纵）变量；反应釜温度不允许太高，故障时冷却水进入反应釜冷却物料防止釜温过高，故控制阀采用气关阀；温度对象滞后较大，采用ＰＩＤ控制规律。系统组成的方块图如图５－２所示。下一页返回５.１　串级控制系统的基本原理和结构对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套内冷却水温度Ｔ２比反应釜温度Ｔ１能更快地感受到。因而可设计夹套水温单回路控制系统以尽快地克服冷却水方面的扰动，如图５－３所示。该系统的特点是能有效地克服来自冷却水水温串级控制系统方面的扰动，滞后小、控制及时，但对于来自环

3、境温度、物料成分等变化带来的扰动却无法克服。综上分析，为了充分应用上述两种方案的优点，选取反应釜温度Ｔ１为被控变量，夹套水温Ｔ２为中间辅助变量，把反应釜温度控制器ＴＣ１的输出作为夹套水温控制器ＴＣ２的设定值，构成了图５－４所示的反应釜温度与夹套水温的串级控制系统。上一页下一页返回５.１　串级控制系统的基本原理和结构这样物料和环境温度等方面对反应釜温度Ｔ１的影响主要由反应温度控制器ＴＣ１构成的控制回路来克服，冷却水方面的扰动对反应釜温度Ｔ１的影响由夹套水温控制器ＴＣ２构成的控制回路来消除。图５－５为该串级

4、控制系统的组成框图。串级控制系统的结构图如图５－６所示。２串联控制系统的名词术语为了便于分析问题，下面先介绍串联控制系统常用的名词术语。串级控制系统的方块图如图５－７所示。上一页下一页返回５.１　串级控制系统的基本原理和结构5.1.2串级控制系统的控制过程现在就以反应釜温度－夹套水温串级控制系统为例，说明串级控制系统的控制过程。从人身设备安全角度和生产要求出发，选控制阀为气关式，主副控制器均为反作用。当生产过程处在稳定工况时，冷却水的流量与温度不变、阀前压力不变、环境温度和物料成分不变，反应釜温度和夹

5、套水温都不变，均处在相对平衡状态，控制阀保持一定的开度，此时反应釜温度稳定在设定值上。当干扰出现破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。上一页下一页返回５.１　串级控制系统的基本原理和结构5.1.3串级控制的系统特点串级控制系统从总体上而言，仍然是一个定值控制系统。因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但由于串级控制系统从对象中引出一个中间变量构成了副回路，因此和单回路控制系统相比它具有自己的特点。串级控制系统由于其独特的系统结构而具有以下特点。１

6、具有较强的抗干扰能力图５－８是在单回路控制情况下的方块图，进入回路的干扰为Ｆ２（ｓ），Ｇｆ２（ｓ）是干扰通道的传递函数。图５－９是同一个系统在串级控制情况的方块图，图５－１０是该串级控制系统的等效方块图。上一页下一页返回５.１　串级控制系统的基本原理和结构２能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（１）等效时间常数减小，响应速度加快（２）提高了系统的工作频率３能适应负荷和操作条件的剧烈变化上一页返回５.２　串级控制系统的设计5.2.1主、副被控变量的选择１主被控变量的选择因为串级控制系统的主回路是

7、一个定值控制系统，所以对于主变量的选择和主回路的设计，可以按照单回路控制系统的设计原则进行。２副被控变量的选择副被控变量的选择必须保证它是操纵变量到主被控变量这个控制通道中的一个适当的中间变量。这是串级控制系统设计的关键问题。5.2.2主、副控制器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的。主控制器起定值控制作用；副控制器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。下一页返回５.２　串级控制系统的设计主被控变量是工艺操作的主要指标，要求比较严格，一般不允许有余差，因此，主控制器应

8、选ＰＩ或ＰＩＤ控制规律。由于副回路是一个随动系统，它的设定值随主控制器输出的变化而变化，为能使副被控变量快速跟踪设定值的变化，副控制器最好不带积分作用，因为积分作用会使跟踪变得缓慢，延长控制过程，减弱副回路的快速作用。副控制器的微分作用一般也不需要，因当控制器有微分作用时，一旦主控制器的输出稍有变化，控制阀就将大幅度的变化，对控制不利。只有当副对象容量滞后很大时，才可适当加些微分作用。所以副控制器一般采用比例控制即可。上一页下一页返回５.２