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1、会计学1串级控制系统串级控制系统(kn zh x tn)与比值控与比值控制系统制系统(kn zh x tn)第一页，共48页。21)单回路(hul)控制系统的组成2)单回路控制系统(kn zh x tn)的不足一个输入信号，一个输出(shch)信号，一个调节器，组成一个闭环 对象的动态特性使其难以进行控制，同时对调节质量要求较高 如：/T1 控制任务特殊 生产过程的发展,对操作条件要求更加严格,参数间关系更加复杂,对控制精度和功能有许多新的要求Gc(s)Gv(s)G(s)Gm(s)R(s)Y(s)单回路控制系统方框图在单回路的基础上,采取其他措施,组成复杂控制系统(多回路系统)第1页/共48页
2、第二页，共48页。3 第五章 串级控制系统(kn zh x tn)与比例控制系统(kn zh x tn)第2页/共48页第三页，共48页。4定义:在多回路(hul)控制系统中,有两个被控过程,两套测量变送装置,两台控制器和一个调节阀构成的双闭环系统5-1 串级控制系统(kn zh x tn)的概念例5-1 连续(linx)槽反应器温度控制1)生产过程(扰动)2)控制系统方框图反应器温度控制系统夹套槽壁3)缺点物料方面扰动D1:流量,入口温度,化学成分冷却水扰动D2:入口温度,阀前压力D1调节器调节阀夹套槽壁反应槽温度测量D21r12三个热容积第3页/共48页第四页，共48页。5采用(ciyng
3、)串级控制 反应器的温度(wnd)串级控制方案特点:两个(lin)调节器串在一 起工作,调节器C2通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动;调节器C1 通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值.第4页/共48页第五页，共48页。6副调节器温度测量环路2主调节器调节阀夹套槽壁反应槽D2D11r21温度测量环路1第5页/共48页第六页，共48页。7例5-2 精馏塔提馏段的温度控制精馏塔提馏段温度控制方案(fng n)1)生产(shngchn)过程2)控制系统(kn zh x tn)方框图3)缺点调节器调节阀蒸汽管路再沸器塔底温度测量D2(蒸汽压力)rD1(液相加料方面)Q
4、第6页/共48页第七页，共48页。8两种改进(gijn)方案：(1)附加蒸汽(zhn q)压力控制方案附加蒸汽(zhn q)压力控制方案缺点：不经济,增加了管道的压力损失把蒸汽压力的干扰克服在入塔前,提高了温度调节品质,但需增加一个调节阀,且增加了蒸汽管路的压力损失,经济上不合理.第7页/共48页第八页，共48页。9(2)串级控制(kngzh)方案优点:有效(yuxio)地克服蒸汽压力波动对温度 的影响。C2控制流量稳定(wndng)，C1控制温度稳定(wndng)。副调节器流量测量流量自稳定系统主调节器调节阀蒸汽管路系统再沸器塔底温度测量D2rD1QrQ温度控制系统第8页/共48页第九页，共
5、48页。10例5-3 炼油厂管式加热炉温度控制 (略)1)生产(shngchn)过程2)控制系统(kn zh x tn)方框图3)缺点(qudin)串级控制使用特点:被控过程延迟较大第9页/共48页第十页，共48页。11串级控制系统(kn zh x tn)的组成及工作过程1)在结构上，串级控制系统由两个闭环组成2)每个闭环都有各自(gz)的调节对象，调节器和变送器3)调节阀由副调节器直接控制主参数(cnsh)主调节器调节阀副对象主对象主变送器二次扰动一次扰动副调节器副变送器主参数设定副参数一般串级控制系统副回路随动控制系统定值控制系统 主回路第10页/共48页第十一页，共48页。12串级控制系
6、统(kn zh x tn)中的名词:主变量:工艺控制指标(zhbio),在串级控制系统中起主导作用的被控变量.副变量:串级控制系统(kn zh x tn)中为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量.主对象:为主变量表征其特性的生产设备。副对象:为副变量表征其特性的工艺生产设备。主控制器:按主变量的测量值与给定值而工作,其输出作为副变量给定值 的那个控制器，称为主控制器。副控制器:其给定值来在主控制器的输出,并按副变量的测量值与给定值 的偏差而工作的那个控制器称为副控制器。一次干扰:进入主回路的干扰称为一次干扰二次干扰:进入副回路的干扰称为二次干扰第11页/共48页第十二页，共48页。135-2
7、 串级控制系统(kn zh x tn)的分析及特点1)副回路的引入对二次扰动(rodng)的影响串级控制系统方框图Gc1(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm1(s)Gc2(s)Gm2(s)R1(S)Y1(s)R2(S)Y2(s)Gd2(s)D2(s)Gp2(s)第12页/共48页第十三页，共48页。14Gc1(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm1(s)R1(S)Y1(s)R2(S)Gd2(s)D2(s)单回路(hul)控制系统方框图结论:串级控制系统(kn zh x tn)的结构使二次扰动对主控参数的动态增益明显减小,二次扰动出现后,很快就被副调节器克服,与单回路控制系统(kn
8、 zh x tn)相比,被调量受二次扰动的影响可以减小10100倍.第13页/共48页第十四页，共48页。152)副回路(hul)的引入对被控对象响应速度的影响结论(jiln):引入副回路,使等效副对象时间常数减小,快速性得到改善,调节速度加快,使迟延大的问题得到了改善.Tp2=Tp2/(1+Kc2KvKm2Kp2)Gc1(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm1(s)Gc2(s)Gm2(s)_R1(S)Y1(s)R2(S)Y2(s)Gp2(s)D2(s)等效副对象第14页/共48页第十五页，共48页。163)副回路的引入对系统负荷变化(binhu)的影响对于内环等效对象(duxing)的
9、增益Gv(s)Gp2(s)Gc2(s)Gm2(s)R2(S)Y2(s)Gp2(s)等效副对象结论:当副回路增益足够(zgu)大时,使主回路的特性基本上和副对象,调节阀的增益无关(系统的“鲁棒性”强).第15页/共48页第十六页，共48页。17Kp2=2ku/K*h1/2=0.2h1/21/KmhKp第16页/共48页第十七页，共48页。18串级控制(kngzh)特点1)在系统结构上,它是由两个(lin)串接工作的控制器构成的双闭环控制系统.其中主回路是定值控制，副回路是随动控制2)副回路的引入,大大(d d)克服了二次扰动对系统被调量的影响3)副回路的引入,提高了整个系统的响应速度,使其快速性
10、得到了提高4)串级控制系统对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力串级控制系统主要应用于:对象滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合.由于内环起了改善对象动态特性的作用,因此可以加大主调节器的增益,提高系统的工作频率引入内环,使得等效对象的增益接近为常数,控制系统适应能力强第17页/共48页第十八页，共48页。195-3 串级控制系统设计(shj)和实施中的几个问题考虑的问题:副回路的设计,副参数的选择.主副回路之间的关系,两个(lin)调节器可能产生的问题.一 副回路(hul)的设计副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键.其设计主要是如何选择副参数其
11、设计的原则为：1)副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏串级控制系统主要用于迟延较大的场合简单控制系统中从扰动产生到调节阀开始动作需要较长时间的迟延，引入副回路就是要使扰动发生后调节阀能尽快作出调整，因此就需要副回路的时间常数小，调节通道短，使调节阀阀对扰动的反应灵敏因此，设计中需要找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大提高第18页/共48页第十九页，共48页。201选择副参数,使得副回路时间常数小,调节(tioji)通道短,使等效对象的时间常数大大减小,提高系统的工作频率,加速反应速度,缩短控制时间,最终
12、改善系统的控制品质.主调节器调节阀夹套槽壁反应槽温度测量D2D11r副调节器温度测量2r2反应器温度(wnd)控制系统选择夹套温度(wnd)作为副参数,副对象是一个一阶对象,可以迅速反映冷水侧方面的干扰,加以克服.第19页/共48页第二十页，共48页。212)副回路应包含(bohn)被控对象所受到的主要干扰 副环尽可能多的包括一些扰动 与副回路的时间常数小，调节通道短的矛盾(modn)不可能包括所有扰动，主回路无 作用原则:要使系统(xtng)的主要干扰被包围在副回路内在可能的情况下,应使副环包围更多的次要干扰应使副回路的工作频率比主回路高,当副环的时间常数超过主环 时,采用串级调节无效果.精
13、馏塔提馏段温度控制的不同串级方案发挥对二次干扰的强克服能力第20页/共48页第二十一页，共48页。22主调节器调节阀蒸汽管路系统再沸器塔底温度测量D2rD1副调节器流量测量QrQ控制方案1方框图主调节器调节阀蒸汽管路系统再沸器塔底温度测量D2rD1副调节器压力测量QrQ控制方案2方框图P第21页/共48页第二十二页，共48页。23二 主,副回路(hul)工作频率的选择目的:避免(bmin)闭环进入高增益区,避免(bmin)产生串级共振现象.结论(jiln):主环(Td1,d1)与副环(Td2,d2)应满足关系一般取：共振现象:如果主回路的工作频率接近副回路的谐振频率,则副回路将呈现出很高的增益
14、和较大的相位滞后,这时反过来将严重影响主回路的稳定性,从而使主副参数长时间地大幅度地波动的现象危害:系统失去控制,控制品质恶化,甚至导致产生事故第22页/共48页第二十三页，共48页。24广义(gungy)共振区1/32第23页/共48页第二十四页，共48页。25串级系统中调节器正反作用(zuyng)方式的选择1)根据工艺安全(nqun)要求，选择调节阀的气开，气关形式2)将副回路当作一个独立的闭回路，按照使副环形成一个负反馈的原则确定副调节器的正反作用方式3)将整个副回路当作主回路的一个环节,其作用方式总为正.再来确定主调节器的作用方式.y主调节器调节阀副对象主对象主变送器r副调节器副变送器
15、总为第24页/共48页第二十五页，共48页。26主调节器在串级控制和单独(dnd)控制两种方式的切换副调节器为反作用方式(fngsh)-副调节器为正作用(zuyng)方式(主调节器无需改换)(主调节器需改换)主调节器调节阀副对象主对象主变送器r副调节器副变送器y-主变送器主调节器调节阀副对象主对象r副调节器副变送器y-第25页/共48页第二十六页，共48页。275-3 调节器的选型和整定方法(fngf)在串级控制系统(kn zh x tn)中，主调节器和副调节器的任务不同副调节器：消除副回路内的二次扰动,快速性,不要求无残差一般选P调节器,主副环频率相差很大,可选PI调节器1)选型主调节器：准
16、确(zhnqu)保持被调量符合生产要求不允许存在偏差一般采用 PI调节器，如果副环外容积数目较多，有主要扰动落在副环外，可用 PID调节器第26页/共48页第二十七页，共48页。282)串级控制系统(kn zh x tn)的整定复杂性(相互影响)原则:尽量加大副调节器增益(Kc,)以提高(t go)副环频率,使主,副环 频率错开,最好相差三倍以上当主,副回路频率相差较大时,相互之间的影响不大,可以在主环开路(kil)的情况下,按整定简单控制系统的方法整定副调节器然后,在投入副调节器的情况下,按通常方法整定主调节器。当主副回路频率比较接近时，相互之间的影响较大需要在主副环之间反复进行凑试，才能达
17、到最佳的整定第27页/共48页第二十八页，共48页。29一 逐步逼近法(比较(bjio)费时)它是一种依次整定主环，副环，然后循环进行，逐步接近主，副环的最佳(zu ji)整定的一种方法其步骤为：首先整定副环.断开主环,按单回路(hul)整定副环,求取副调节器的整定参数.整定主环整定好的副环作为主环中的一个环节，按单回路方法整定 主环，得到主调节器整定参数 在主调节器已经整定一次的条件下,按单回路整定方法,重新求取副调节 器的整定参数.此时主副回路都已经闭合 重新整定主环在两个环都闭合，副调节器第二次整定情况下重新整 定主调节器 如果调节过程还未达到品质要求，按步继续进行，直到控制效果 满意为
18、止如果在第步甚至第步就已经满足品质要求，整定无需继续进行第28页/共48页第二十九页，共48页。30二 两步整定法(自学(zxu)第29页/共48页第三十页，共48页。31某串级控制系统方框图如下(rxi)所示，已知各环节的传递函数为：对象(duxing)特性调节器调节阀变送器(1)用稳定边界法先对副调节器进行整定,求得Kc2,然后对主调节器进行整定，求出主调节器参数Kc1,TI(2)若主调节器采用纯比例作用,求二次扰动D2和一次扰动D1在单位阶跃变化时主参数的余差，从中可得出什么结论(3)若采用简单控制系统(kn zh x tn),调节器为比例作用,用工程整定法求得调节器的比例增益为Kc=5
19、.4,求单位阶跃D2和D1扰动时主参数的余差第30页/共48页第三十一页，共48页。32Gc1(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm1(s)D2(s)D1(s)Gc2(s)Gm2(s)R(s)Y(s)对象(duxing)特性调节器调节阀变送器第31页/共48页第三十二页，共48页。335-3 比值(bzh)控制系统定义:用来实现两个或以上参数(cnsh)之间保持一定比值关系的过程控制系统.主要是流量浓度的混合 ,实现两种物料的流量保持一定的比值关系.用途：尿素合成塔：二氧化碳压缩气，液氮流量成比例锅炉(gul)燃烧：燃料量和空气量等主物料-处于主导地位的物料 表征该物料的参数为主动量F1
20、(主流量)从物料-随主物料的变化呈比例变化的另一种物料 表征该物料的参数从动量F2 (副流量)流量比值副流量主流量如：控制 CO的完全燃烧流量比值-副流量与主流量的比值K第32页/共48页第三十三页，共48页。34例 5-6 合成塔比值(bzh)控制系统工艺要求：A,B两种物料的流量保持一定(ydng)比例，物料 B的流量QB不可控调节(tioji)过程两种流量的比值通过设定比值器R实现压差变送器比值器决定流量比值调节器给定值IB*:主流量的K倍实现目标:副流量随主流量而变化,其流量是主流量的K倍第33页/共48页第三十四页，共48页。35简单的比值控制系统是一个单回路控制，是一个流量自稳定系
21、统其设定值不是定值，是与流量QB成一定比例的变量(binling)QB-主流量(不可控)QA副流量(被控量)系统传递函数QA(s)/QB(s)体现(txin)了副流量和主流量之间的关系变送器比值器R调节器调节阀管路变送器QBIBIB*QAIA合成炉比值控制系统方框图主流量副流量实现K倍调节副流量第34页/共48页第三十五页，共48页。36一 比值系数(xsh)的计算工艺要求两个物料流量之比为KQA/QB,可通过设置比值器的输出输入信号之比来实现(shxin).即比值系数仪表(ybio)类型：DDZ-II:010mADDZ-III,DDZ-S:420mA线性环节的增益:K=输出范围/输入范围=输
22、出增量输入增量温度变送器量程为0100,为DDZ-III型仪表，则其增益(转换系数)为 Kt=(20-4)/(100-0)=0.16mA/压差变送器比值器实现流量比K比值系数比值器R输出增量比值器R输入增量输入输出第35页/共48页第三十六页，共48页。37压差(y ch)变送器DT将压差(y ch)信号线性地转换为电信号采用DDZ-III型有对于节流(ji li)元件，压差与流量的平方成正比，则KA,KB-节流(ji li)元件放大系数1.流量与测量信号之间是非线性关系第36页/共48页第三十七页，共48页。38B物料的流量信号IB经比值器R后变为IB*,为调节器的设定值，稳定后与实际(sh
23、j)值IA相等，即IB*=IA,则比值系数为虽然流量与其测量信号成非线性关系，但是比值(bzh)系数却是常数压差变送器比值器实现流量比K第37页/共48页第三十八页，共48页。392 流量与其测量(cling)信号之间呈线性关系在有些系统中,在变送器后加上开方(ki fng)器,使流量与测量信号间不再是非线性关系开方器比值器第38页/共48页第三十九页，共48页。40结论：流量比值K与比值系数是两个不同的概念(ginin)比值系数的大小与流量比K,最大流量有关 线性测量与非线性测量情况下比值系数关系：非=(线)2 3 主流量(liling)与副流量(liling)的选择 一般情况下,总是把生产
24、中主要物料作为主流量,其他物料为副流量.以副流量的变化(binhu)跟随主流量的变化(binhu).如果两种物料中,一种是可控的,另一种是不可控的,选不可控物料为主流量,可控物料为副流量 如果两种物料中一种供应不成问题,另一种可能出现供应不足,应选可能供应不足的物料为主流量.否则难以实现副流量自动跟踪主流量的变化.第39页/共48页第四十页，共48页。41二 比值(bzh)系统中的非线性特性非线性:系统的静态增益(zngy)不是一个定值而是随负荷变化的.比值系数与负荷无关:由比值系数的计算可得结论,在流量和其测量信号之间呈线性或非线性关系(gun x)两种情况下,比值系数均为常数,与负荷大小无
25、关.即负荷变化时有无开方器对系统静态比值无影响.压差变送器比值器Kp对系统性能的影响:系统在较小负荷下整定好调节器参数,可以保证一定控制品质.当负荷增大时,由于测量变送部分的静态增益增加很多,而调节器参数未变，使控制品质恶化流量测量中的非线性对系统的影响第40页/共48页第四十一页，共48页。42为了保持系统的性能(xngnng)稳定，需要使系统的总增益接近常数在变送器后加入开方器后，其增益为：加入开方器后，使进入到比值器和调节器的表示流量(liling)的电流信号与流量(liling)的静态增益为常数，消除了非线性影响第41页/共48页第四十二页，共48页。43三 比值(bzh)系统的整定按
26、单回路(hul)系统整定,需满足要求:要求系统响应速度快,能对主流量(liling)的变化作出快速跟踪 要求衰减率较大,使被调量尽快稳定,波动小.整定过程1)将调节器QAC的积分时间 TI设为最大,从大到小逐渐减小比例带,直到被调流量在主流量阶跃扰动下的过渡过程处于振荡与不振荡的临界情况如右图曲线b2)确定了比例带后,逐步减小积分时间常数TI,直到被跳量稍有一点过调如曲线 c第42页/共48页第四十三页，共48页。44四 常见(chn jin)比值控制系统变送器比值器调节器调节阀管路变送器QBIBIB*QAIA 单环比值控制系统单环比值(bzh)控制系统:用一个调节器控制副流量,使它按比例跟随
27、主流量.特点:控制系统简单,能够克服单环内的各种干扰对比值(bzh)系统的影响.不足之处:一般只用于负荷变化不大的场合.单环比值(bzh)控制系统第43页/共48页第四十四页，共48页。451.双闭环比值(bzh)控制系统使用场合：在比值控制(kngzh)精度要求较高，主流量允许控制(kngzh)的情况下特点:增加了主流量控制回路,实现了主流量的定值控制,使主流量变化平稳.从而使与主流量成比例的副流量也能够平稳.可通过(tnggu)改变主流量的设定值实现负荷的变化特点：控制系统由两个闭环组成，主流量为定值控制，副流量为随动控制 两个回路之间由比值器联系 比值器接受主回路流量信号，输出作为副流量
28、回路的设定值 对主流量进行了定值控制,能够使主流量波动小,避免出现主流量波动大,变化快而副流量难以跟随的情况DTQ1CRDTQ2CQ1Q2双闭环比值控制系统主流量控制副流量控制输入为主流量信号Q2r第44页/共48页第四十五页，共48页。46Gc2(s)Gv2(s)管路2Gm2(s)Q2rQ2RGc1(s)Gv1(s)管路1Gm1(s)Q1*Q1双闭环比值控制系统方框图主流量控制回路副流量控制回路第45页/共48页第四十六页，共48页。472.变比值(bzh)控制系统变换炉触媒层温度控制方案控制目标:增加(zngji)CO的转换率生产(shngchn)过程:CO+H2OCO2+H2 CO+(5
29、8)H2OCO2+H2控制量:生产中的关键参数,工艺决定.操作量:调节阀改变的参数,通过它可 以改变控制量(副流量)控制方案：控制量:触媒层温度 CO转化率,触媒寿命操作量:水蒸气流量 蒸汽量比重大,对温度影响更显著触媒层温度控制方案:改变煤气与水蒸气流量比值实现主,副流量之比是可以变化的例5-7 变换炉触媒层温度控制第46页/共48页第四十七页，共48页。48主调节器副调节器调节阀对象除法器变送器变送器煤气变送器变换炉触媒层温度串级比值控制系统rr2*-r2r2=QH2O/QCO主流量：CO,生产中主要物料副流量：H2O蒸汽,流量大对温度(wnd)影响大,易实现对温度(wnd)的控制控制过程：通过改变两种气体流量比值r2*实现(shxin)恒温控制煤气量不可改变,当H2O不够时,r2r2*,调节器将使阀们开度,H2O,r2,保持比值r2*恒定.当实际温度出现波动时，r2*出现变化，改变两种气体流量比值，使温度回到设定值变比值控制RQsQH2O第47页/共48页第四十八页，共48页。