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1、6.1 串级控制原理 6.2 串级控制系统的特点 6.3 串级控制系统的设计 6.4 串级控制系统的参数整定 6.5 串级控制系统的工业应用,第六章 串级控制系统,返回,例 ：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示）， 其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。,一、串级控制方式的提出及系统组成,干扰：,原料的流量、初始温度；,燃料的流量、燃料热值。,6.1 串级控制原理,方案一：管式加热炉出口温度的单回路控制,温度检测变送器,温度控制器,期望温度,由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时； 偏差大，控制质量差。,存在的问题：,方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）,存在的问题：,在这
2、个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间接控制系统无法将变化了的温度调回来；,期望流量,流量检测变送器,流量控制器,管式加热炉出口温度的间接控制（2）,期望炉膛温度,用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料油流量的扰动。,方案三：加热炉出口温度与燃料流量的串级控制,同样：加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油 流量的扰动和热值扰动。,串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个执 行阀，实现定值控制的控制系统。,串级控制系统中常见的名词术语：,温度-流量串级控制系统
3、的方框图如下：,主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、副检测变送器，主、副回路。,作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。,串级控制系统的通用方框图：,二、串级控制系统的工作过程（参见P198）,仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度-流量串级控制系统克服干扰的过程。,调节阀：气开式 温度调节器、流量调节器：反作用,内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。,情况一：干扰来自燃料油流量的变化, 初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改变执行阀的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。 当出口温度发生变化
4、时，温度控制器不断改变着流量控制器的设定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制，直到炉出口温度重新恢复到设定值 。,先副回路， 后主回路,情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高, 出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。, 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。,情况三：一次干扰和二次干扰同时存在,主、副变量同向变化 主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化，使得炉出口温度很快恢复到设定值。 主、副变量反向变化 两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。,通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必
5、然高于单回路控制系统。,返回,1、能迅速克服进入副回路的二次干扰,串级控制系统方框图如下：,6.2 串级控制系统的特点,输出对于输入的传递函数：,输出对于二次扰动的传递函数：,单回路控制系统方框图如下：,即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统（约10100倍）。 串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。,2、提高了系统的工作频率,双容对象的单回路控制系统如下图所示：,其特征方程式为：,阻尼振荡频率为：,自然振荡频率,阻尼比,双容对象的串级控制系统如下图所示：,串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率，减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间，提
6、高了系统的快速性。,同理可得：,3、减小了对象的时间常数,由特点2可知副回路的传递函数：,式中：,等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度更快。,4、对负荷变化有一定的适应能力,无串级时，开环传函：,串级时，开环传函：,所以，串级控制可以减小或消除副对象的非线性。,单回路与串级控制结果的比较:,无扰动情况下的单回路,返回,扰动情况下的单回路,与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求的参数作为主变量。,一、主变量的选择,二、副变量的选择,选择原则：,（1）在保证副回路时间
7、常数较 小的前提下，使其纳入主 要的和更多的干扰,副回路包含的干扰越多，其通道越长，克服干扰的灵敏度越低。,6.3 串级控制系统的设计,（2）应使主、副对象的时间常数匹配,副回路工作频率,为确保串级控制系统的性能，一般取：,主回路工作频率,（3）应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性,三、主、副控制器的选择,（1）控制规律的选择,主控制器：,一般用 P,精度要求较高 PI,主对象滞后较大 PID,副控制器：,一般用 P,精度要求较高，副对象时间常数过小 PI,（2）控制器正反作用方式的选择,“先副后主”,将副回路看作是一个设定值不变的单回路，用与单回路中确定调节器正反作用同样的方法进行确定； 将
8、副回路当作一个正环节，对主回路进行考虑，方法同上。,气开式,反作用,反作用,返回,副回路：是一个随动系统，一般对其控制品质要求不高，对其快速性要求较高。 主回路：是一个定值控制系统，其控制品质和单回路控制系统一样。,参数整定的方法：,逐步逼近法,两步整定法,一步整定法,自学 P211-216,6.4 串级控制系统的参数整定,返回,1、应用于容量滞后较大的过程,设计指导思想：如果用单回路控制系统能够满足控制性能要 求，就不用串级控制等复杂控制系统。,温度、质量等容量滞后较大且控制质量要求较高的系统,例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统,原料油热值变化引起炉膛温度变化只需3分钟,6.5 串级控
9、制系统的工业应用,2、应用于纯延时较大的过程,当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。,例：网前箱温度-温度串级控制系统,要求：,单回路控制：,串级控制：,3、应用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程,例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统,要求：,单回路控制：,串级控制：,4、应用于非线性过程,对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时，会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。,例：合成反应炉中部温度与进气口温度的串级控制系统,非线性设备,醋酸乙炔合 成反应炉,5、自校正设定值,串级控制系统中，副控制器的设定值是由主控制器的输出来决定的，而主控制器的输出又是随主变量的变化而产生的。因此，凡是被控量的设定值需要随另一被控量的变化而变化时，都可用串级控制系统来实现。,例：进加料器的一次风压力与一次风流量的串级控制系统,注意：此系统对主变量的要求并不严格，而主要希望副变量能够迅速地随主变量的变化而变化，在参数整定时要加以注意。,返回,进入再生器 烧焦再生,炼油厂催化 裂化装置,