过程控制--第七讲：串级系统设计(lyz).ppt

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1、第七讲：串级控制系统设计ProcessControlSystem主讲老师：廉迎战副教授重点内容串级控制系统=对象+双回路控制系统内容：系统分析控制方案系统整定系统投运9/17/20212过程控制与仪表一、基本概念1．串级控制系统结构：例：炼油厂管式加热炉温度控制系统。管式加热炉是石油工业生产中常用的设备之一。工艺要求被加热物料的出口温度（即炉出口温度）保持为某一定值，所以选定炉出口温度为被控参数。影响因素：被加热物料的流量和初温f1(t)；燃料油压力的波动、流量的变化、燃料热值的变化f2(t)；

2、烟囱抽力变化f3(t)；配风、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t)等等。9/17/20213过程控制与仪表一、基本概念1．串级控制系统结构：例：炼油厂管式加热炉温度控制系统。系统结构：为满足生产工艺要求，选择炉出口温度为主被控参数，炉膛温度为中间辅助被控参数。采取串级结构进行控制，见图8-23。这样扰动f2(t)，f3(t)对炉出口温度的影响，主要由炉膛温度控制器T2C构成的控制回路来克服，扰动f1(t)、f4(t)对炉出口温度的影响由炉出口温度控制器T1C构成的控制回路来消除。9/17/2021

3、4过程控制与仪表一、基本概念1．串级控制系统结构：例：炼油厂管式加热炉温度控制系统。系统结构：T1C和T2C两个控制器串联工作，炉出口温度由控制器T1C的输出作为炉膛温度控制器T2C的给定值，这样的系统就称为串级控制系统，其框图9/17/20215过程控制与仪表一、基本概念1．串级控制系统结构：例：炼油厂管式加热炉温度控制系统。系统结构：串级系统即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务

4、，以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的控制对象、测量变送元件和控制器。在主环内的控制对象、控制参数和控制器被称为主调节对象，主参数和主控制器。在副环内则相应地被称为副调节对象、副参数和副控制器。主控制器具有自己独立的设定值，它的输出作为副控制器的设定值，而副控制器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。作用在主被控过程下的、而不包括在副回路范围内的扰动被称为一次扰动。作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动被称为二次扰动。比较串级系统和单回路系统区别是：前者只比后者多了一

5、个测量变送元件和一个控制器，增加的仪表投资不多，但控制效果有显著的提高。9/17/20216过程控制与仪表一、基本概念2．串级控制系统的工作过程：假定调节阀为气开式，调节器Wc1(s)和Wc2(s)均为反作用。当生产过程在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃料的流量与热值为常数，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值上。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分三种情况讨论。（1）二次扰动来自燃

6、料压力、热值f2(s)和烟囱抽力f3(s)。（2）一次扰动来自被加热物料的流量和初温f1(s)和环境温度f4(s)。（3）一次扰动和二次扰动同时存在。综上分析可知，串级控制系统副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。9/17/20217过程控制与仪表二、串级控制系统的特点1．改善过程动态特性串级控制系统可以被看作是一个改变了过程特性的单回路系统。由于副回路的存在，相当于改善了部分过程的动态特性，使过程时间常数和放大系数都减小了，由于过程的动态特性有

7、所改善，使系统的反应速度加快，控制更为及时，提高了系统的控制质量。2．克服二次扰动串级控制系统比单回路控制系统多一个副回路。当二次扰动进入副回路，还没有等它影响到主被控参数时，副调节器就开始动作，因而对主被控参数的影响较小，从而提高了主参数的控制质量。对于进入副回路的扰动，串级控制系统比在相同条作下的单回路控制系统具有较强的抗扰动能力。另外，由于串级控制系统副回路的存在，控制作用的总放大系数提高了，抗扰动能力比单回路控制系统强，克服扰动更为迅速有效，因而控制质量较高。3．系统工作频率由于串级控制

8、系统副回路的存在，改善了过程的动态特性，其等效过程W01(s)W´02(s)中，W´02(s)的时间常数T´02(s)是W02(s)的时间常数T02(s)的1/（1+K2KVK02Km2）倍，从而提高了系统的工作频率。这个工作频率可以由串级控制系统的特征方程式来求取。串级控制系统工作频率的提高，可以使振荡周期缩短，从而改善了系统的控制质量。4．有一定的自适应能力串级控制系统，就其主回路来看是一定值系统，副回路则为一个随动系统。主控制器能按照负荷和操作条件的变化不断改变副控制器的给定值，使副控制器