串級控制系統-兩只調節器串聯起來工作,其中一個調節器的輸出作為另一個調節器的給定值的系統.例:加熱爐出口溫度與爐膛溫度串級控制系統1. 基本概念即組成結構串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器,前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定,后一個調節器的輸出送往調節閥.前一個調節器稱為主調節器,它所檢測和控制的變量稱主變量(主被控參數),即工藝控制指標;后一個調節器稱為副調節器,它所檢測和控制的變量稱副變量(副被控參數),是為了穩定主變量而引入的輔助變量.整個系統包括兩個控制回路,主回路和副回路.副回路由副變量檢測變送、副調節器、調節閥和副過程構成;主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成.一次擾動:作用在主被控過程上的,而不包括在副回路范圍內的擾動.二次擾動:作用在副被控過程上的,即包括在副回路范圍內的擾動.2. 串級控制系統的工作過程當擾動發生時,破壞了穩定狀態,調節器進行工作.根據擾動施加點的位置不同,分種情況進行分析:* 1)擾動作用于副回路* 2)擾動作用于主過程* 3)擾動同時作用于副回路和主過程分析可以看到:在串級控制系統中,由于引入了一個副回路,不僅能及早克服進入副回路的擾動,而且又能改善過程特性.副調節器具有粗調的作用,主調節器具有細調的作用,從而使其控制品質得到進一步提高.3. 系統特點及分析* 改善了過程的動態特性,提高了系統控制質量.* 能迅速克服進入副回路的二次擾動.* 提高了系統的工作頻率.* 對負荷變化的適應性較強4. 工程應用場合* 應用于容量滯后較大的過程* 應用于純時延較大的過程* 應用于擾動變化激烈而且幅度大的過程* 應用于參數互相關聯的過程* 應用于非線性過程5. 系統設計* 主參數的選擇和主回路的設計* 副參數的選擇和副回路的設計* 控制系統控制參數的選擇* 串級控制系統主、副調節器控制規律的選擇* 串級控制系統主、副調節器正、反作用方式的確定串級控制系統的設計1. 主回路的設計串級控制系統的主回路是定值控制,其設計單回路控制系統的設計類似,設計過程可以按照簡單控制系統設計原則進行.這里主要解決串級控制系統中兩個回路的協調工作問題.主要包括如何選取副被控參數、確定主、副回路的原則等問題.2. 副回路的設計由于副回路是隨動系統, 對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力,二次擾動通過主、副回路的調節對主被控量的影響很小,因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中,此外要盡可能包含較多的擾動.歸納如下.(1) 在設計中要將主要擾動包括在副回路中.(2) 將更多的擾動包括在副回路中.(3) 副被控過程的滯后不能太大,以保持副回路的快速相應特性.(4) 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中.(5) 在需要以流量實現精確跟蹤時,可選流量為副被控量.在這里要注意(2)和(3)存在明顯的矛盾,將更多的擾動包括在副回路中有可能導致副回路的滯后過大,這就會影響到副回路的快速控制作用的發揮,因此,在實際系統的設計中要兼顧(2)和(3)的綜合.例如,圖1所示的以物料出口溫度為主被控參數、爐膛溫度為副被控參數,燃料流量為控制參數的串級控制系統,假定燃料流量和氣熱值變化是主要擾動,系統把該擾動設計在副回路內是合理的.3. 主、副回路的匹配1) 主、副回路中包含的擾動數量、時間常數的匹配設計中考慮使二次回路中應盡可能包含較多的擾動,同時也要注意主、副回路擾動數量的匹配問題.副回路中如果包括的擾動越多,其通道就越長,時間常數就越大,副回路控制作用就不明顯了,其快速控制的效果就會降低.如果所有的擾動都包括在副回路中,主調節器也就失去了控制作用.原則上,在設計中要保證主、副回路擾動數量、時間常數之比值在310之間.比值過高,即副回路的時間常數較主回路的時間常數小得太多,副回路反應靈敏,控制作用快,但副回路中包含的擾動數量過少,對于改善系統的控制性能不利;比值過低,副回路的時間常數接近主回路的時間常數,甚至大于主回路的時間常數,副回路雖然對改善被控過程的動態特性有益,但是副回路的控制作用缺乏快速性,不能及時有效地克服擾動對被控量的影響.嚴重時會出現主、副回路共振現象,系統不能正常工作.2) 主、副調節器的控制規律的匹配、選擇在串級控制系統中,主、副調節器的作用是不同的.主調節器是定值控制,副調節器是隨動控制.系統對二個回路的要求有所不同.主回路一般要求無差,主調節器的控制規律應選取PI或PID控制規律;副回路要求起控制的快速性,可以有余差,一般情況選取P控制規律而不引入 I 或D控制.如果引入 I 控制,會延長控制過程,減弱副回路的快速控制作用;也沒有必要引入 D控制,因為副回路采用 P控制已經起到了快速控制作用,引入D控制會使調節閥的動作過大,不利于整個系統的控制.3) 主、副調節器正反作用方式的確定一個過程控制系統正常工作必須保證采用的反饋是負反饋.串級控制系統有兩個回路,主、副調節器作用方式的確定原則是要保證兩個回路均為負反饋.確定過程是首先判定為保證內環是負反饋副調節器應選用那種作用方式,然后再確定主調節器的作用方式.以圖1所示物料出口溫度與爐膛溫度串級控制系統為例,說明主、副調節器正反作用方式的確定.副調節器作用方式的確定:首先確定調節閥,出于生產工藝安全考慮,燃料調節閥應選用氣開式,這樣保證當系統出現故障使調節閥損壞而處于全關狀態,防止燃料進入加熱爐,確保設備安全,調節閥的 Kv >0 .然后確定副被控過程的Ko2,當調節閥開度增大,燃料量增大,爐膛溫度上升,所以 Ko2 >0 .最后確定副調節器,為保證副回路是負反饋,各環節放大系數(即增益)乘積必須為正,所以副調節器 K 2>0 ,副調節器作用方式為反作用方式.主調節器作用方式的確定:爐膛溫度升高,物料出口溫度也升高,主被控過程 Ko1 > 0.為保證主回路為負反饋,各環節放大系數乘積必須為正,所以副調節器的放大系數 K 1> 0,主調節器作用方式為反作用方式.例如圖1所示串級控制系統示意圖,從加熱爐安全角度考慮,調節閥應選氣開閥,即如果調節閥的控制信號中斷,閥門應處于關閉狀態,控制信號上升,閥門開度增大,流量增加,是正作用方式.反之,為負作用方式.副對象的輸入信號是燃料流量,輸出信號是閥后燃料壓力,流量上升,壓力亦增加是正作用方式.測量變送單元作用方式均為正.在圖2的串級控制系統框圖中可以看到,由于副回路可以簡化成一個正作用方式環節,主對象作用方式為正,主測量變送環節為正.根據單回路控制系統設計中介紹的閉合系統必須為負反饋控制系統設計原則,即閉環各環節比例度乘積必須為正,故主調節器均選用反作用調節器,副調節器均選用反作用調節器.串級控制系統的工業應用1. 用于克服被控過程較大的容量滯后在過程控制系統中,被控過程的容量滯后較大,特別是一些被控量是溫度等參數時,控制要求較高,如果采用單回路控制系統往往不能滿足生產工藝的要求.利用串級控制系統存在二次回路而改善過程動態特性,提高系統工作頻率,合理構造二次回路,減小容量滯后對過程的影響,加快響應速度.在構造二次回路時,應該選擇一個滯后較小的副回路,保證快速動作的副回路.2. 用于克服被控過程的純滯后被控過程中存在純滯后會嚴重影響控制系統的動態特性,使控制系統不能滿足生產工藝的要求.使用串級控制系統,在距離調節閥較近、純滯后較小的位置構成副回路,把主要擾動包含在副回路中,提高副回路對系統的控制能力,可以減小純滯后對主被控量的影響.改善控制系統的控制質量.3. 用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動串級控制系統的副回路對于回路內的擾動具有很強的抑制能力.只要在設計時把變化劇烈幅度大的擾動包含在