1、過程控制過程控制第六章第六章 復雜控制系統復雜控制系統簡單控制系統簡單控制系統（單回路控制系統）單回路控制系統）：在一般情況下能夠滿足生產控制要求特殊情況：特殊情況：系統干擾因素多、干擾量很大，滯后很大，以及工藝特殊要求復雜控制系統復雜控制系統復雜控制系統串級、前饋、均勻、比值、分程 、選擇、大滯后、解耦等控制系統6.1串級控制系統6.1.1 串級控制系統的基本結構與工作原理 6.1.2 串級控制系統的特點及其分析 6.1.3 串級控制系統的設計與參數整定6.1.4 串級控制系統的應用影響爐出口溫度的因素： f1(t) ：被加熱物料的流量和初溫f2 (t) ：燃料的壓力、流量和成份的變化f3

2、(t) ：煙道風抽力的變化等等 物料 TT 燃料 產品 TC 6.1.1 串級控制系統的基本結構與工作原理物料出口溫度控制系統被控變量：出口溫度控制變量：燃料量特點：所有對被控參數的擾動都包含在這個回路中，理論上都可由溫度調節器對這些擾動予以克服；缺點：該系統控制通道的時間常數（約15min左右）和容量滯后較大，控制作用不及時，系統克服擾動能力較差；方案1控制效果不能達到生產 工藝要求特點：能及時有效地克服f2(t)燃料的壓力、流量和成份的變 化和f3(t)煙道風抽力的變化； f1(t)被加熱物料的流量和初溫的變化未包括在系統內。 物料 TT TC 燃料 產品 方案2被控變量：爐膛溫度 不能克

3、服f1(t)對爐出口溫度的影響，控制效果仍然不能達到生產工藝要求物料 T1T 燃料 產品 T2C T2T T1C SP 方案3：串級控制主被控參數：物料出口溫度副被控參數：爐膛溫度 擾動f1(t)對爐出口溫度的影響，由出口溫度調節器（稱為主調節器）構成的控制回路來消除。 擾動f2(t)、f3(t)對出口溫度的影響主要由爐膛溫度調節器(稱為副調節器)構成的控制回路來克服。 把物料出口溫度調節器的輸出作為爐膛溫度調節器的給定值。串級控制方框圖 ：串級控制方框圖 主變量副變量主對象副對象副回路（內環）：由副調節器、調節閥、副對象、副測量變送器 組成的回路。主回路（外環）：把副回路看成一個等效環節后組

4、成的單回路。一次擾動F1 ：作用在主被控過程上，不包括在副回路范圍內的擾動二次擾動F2 ：作用在副被控過程上，包括在副回路范圍內的擾動調節閥選氣開式還是氣關式？二、二、串級控制系統的工作原理物料 T1T 燃料 產品 T2C T2T T1C SP 反作用反作用氣開式副調節器選正作用還是反作用方式？主調節器？ 根據擾動引入不同的位置，分三種情況1、干擾作用于副環 2、干擾作用于主環3、干擾同時作用于主、副環 1.干擾作用于副環即干擾f2(t) 、f3(t)使爐膛溫度升高，串級控制系統的調節過程如下：爐膛溫度 T2T2TT2C(反作用)V(氣開閥) T2 可見副回路起著對物料出口溫度 “先調”、“粗

5、調”的作用 擾動小：經過副回路的控制一般不會影響爐出口溫度擾動大：經過副回路的控制仍影響爐出口溫度，此時再由主回路進一步調節，從而克服上述擾動。主回路起著對物料出口溫度“后調”、“細調”的作用 2. 干擾作用于主環即干擾f1(t)使爐膛溫度升高 ，串級控制系統的調節過程如下：副回路的存在加快了校正作用，使擾動對物料出口溫度的影響比單回路系統時要小得多 a.干擾作用方向相同： 干擾同時使 T1TT1C(反作用)T2C(反作用) T2TT2C(反作用) V T1 F b.干擾作用方向相反： 干擾同時使 T1TT1C(反作用)T2C(反作用) T2TT2C(反作用) V 變化較小（+或-） F 變化

6、不大 3.干擾同時作用于主環和副環 主、副調節器對調節閥控制方向一致，即大幅度關小閥門，控制作用加強，使溫度很快調到給定值。主、副調節器對調節閥控制方向相反，調節閥較小變化即可滿足控制要求。特點：1. 改善了被控對象的動態特性6.1.2 串級控制系統的特點及其分析串級控制系統的特點及其分析兩個閉環主回路：定值控制系統（作用：后調、細調、慢調）副回路：隨動控制系統（作用：先調、粗調、快調）R(S)-w1(S)wm1(S)wo1(S)Y2(S)Y1(S)wO2(S)222222( )( )( )( )1( )( )( )( )voovomW S W S WSWSW S W S WS WS等效副回路

7、:假設副回路各環節傳遞函數分別為：2222222)(,1)(,)(,)(mmooovvKSWSTKSWKSWKSW等效020202( )1KW sT s 02K0220220221vvmK K KKK K K K02T202202021mvKKKKTT 副環等效的被控過程的放大系數副環等效的被控過程的時間常數 0202KK222( )1oooKWST S0202TT原副對象：可證明：響應加快、控制及時、提高了控制質量若K2增加，匹配得當，則02( )1Ws其等效被控過程只剩下不包括在副回路之內的一部分被控對象，所以容量滯后減小了，過程的動態特性顯著改善。可證明：串級控制系統的工作頻率高于單回路

8、控制系統。系統工作頻率提高，則過渡過程的時間縮短，控制質量提高。 w1(S) wO2(S) wm1(S)wV(S) wO1(S) R(S) - F2 F1 Y2(S) Y1(S) 單回路系統串級系統：)()()()()(1)()()()()(101021010221sWsWsWsWsWsWsWsFsYsWmvDD)()()()()()()()()()(1)()()()()(10102212022010221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsFsYsWmVmVC2. 大大增強了對二次擾動 的克服能力單回路系統)()()()()()()()()()(1)()()()()(10102

9、212022010221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsFsYsWmVmVC串級系統對比以上兩式分母中，串級系統多了一項 )()()()(2022sWsWsWsWmV實際整定后的主調節器 | )(| )(|11sWsWD1| )(|2sW同時 故有 )()()()()()()()()()()(1010211010221sWsWsWsWsWsWsWsWsWsWsWmVDmV)()()()()(1)()()()()(101021010221sWsWsWsWsWsWsWsFsYsWmvDD12( )( )?( )Y sW sF s取值越小越好，希望值“0”( )CWs可證明：抗二次

10、擾動能力強( )DWs10時，則T副很小，副回路過程的通道短，包括的干擾很少，作用未發揮。 (2)當T主/T副3時，說明T副過大，副回路的控制作用不及時。 (3)當T主/T副1時，主、副回路易出現“共振效應”。共振：當一個參數發生振蕩時，另一個參數也發生振蕩。共振會使控制質量下降，嚴重時會導致系統的發散而無法工作。二. 主、副控制器的控制規律的選擇a、主回路：定值控制定值控制作用。主變量是生產工藝的主要操作指標，工藝上要求比較嚴格，不允許有余差不允許有余差。必須有積分作用，因此采用PI或或PID。b、副回路：隨動隨動系統，副變量要求不嚴格，允許有波動和有余差，它的給定值隨主控制器輸出的變化而變

11、化，為了能快速跟蹤，副控制器采用比例比例作用。若采用積分規律，會延長控制過程、減弱副回路的快速作用。 也不引入微分規律，副回路本身起快速作用，再引入微分會使調節閥動作過大，對控制不利。 (2) 主控制器的正、反作用根據主回路所包括的各環節來確定。 三. 主、副控制器正反作用的選擇選擇順序：先副后主。副回路按照單回路控制系統確定副控制器正、反作用（與主回路無關）。 確定原則：保證控制系統為負反饋系統。即各環節靜態 放大系數極性相乘為正（已知測量變送環節為正作用方向）。（副回路的放大倍數可視為“正”） 。例1.說明氧化爐溫度與氨氣流量的串級控制系統主、 副控制器的正反作用。FCTC空氣氨氣混合氧化

12、爐預熱840 5 已知：混和氣中氨氣的含量每增加1%，氧化爐溫度上升64 （主要擾動：氨氣流量）穩定氧化爐操作的關鍵條件：氧化爐內的反應溫度W1(S)WO2(S)Wm1(S)Wm2(S)W2(S)WV(S)WO1(S)R(S)-F2F1+?氣開式?反作用反作用PPI工作原理：氨氣和空氣混合后在預熱器中預熱，再進入氧化爐內生成一氧化氮，同時放出大量的熱。方法：兩步法、一步法； (先副環，后主環) 四、 串級控制系統調節器參數的整定主調節器：Wc1(s)副調節器：Wc2(s)參數整定相互關聯反復整定要求：主回路：定值，主參數有較高控制精度（同單回路）副回路：隨動，副參數快速、準確跟隨主調節器輸出的

13、變化。1. 兩步法（先副環后主環的方法） 1）工況穩定，主回路閉合，主、副調節器都在純比例作用條件下，主調節器比例度置100%，用單回路控制系統的衰減曲線法（如4:1），求取副調節器的比例度2及衰減周期T 2 。 2） 將副調節器的比例度置所求得的數值2上，把副回路作為主回路的一個環節，用單回路控制系統的衰減曲線法（如4:1），求取主調節器的比例度1及衰減周期T 1 。 3）根椐得到的1 、 T 1、 2 、 T 2值，結合主、副控制器的選型，按單回路控制系統整定計算公式計算出主、副控制器的、Ti 、Td。 4）將計算所得參數按先副環后主環、先比例再積分后微分的順序，設置主、副調節器參數，觀察

14、過渡過程曲線，必要時適當調整，直到系統質量達到最佳為止。 例題：在設計某加熱爐出口溫度（主參數）與爐膛溫度（副參數）的串級控制方案中，主調節器采用PID控制規律，副調節器采用P控制規律，為了使系統運行在最佳狀態，采用兩步整定法整定主、副調節器參數，按4：1衰減曲線法測得242；T2=25s；175；T1=11min試求主、副調節器的整定參數值。控制規律比例度(%)積分時間Ti(min)微分時間Td(min)PuPI1.2u0.5Ts PID0.8u0.3Ts 0.1Ts 由4：1衰減振蕩法整定經驗公式(P193表55)副調節器s=42%Ti=0.3T1=3.3min； Td=0.1T1=1.1

15、min主調節器：0.81=60%；解： 2.一步法： 根據經驗先將副控制器參數一次放好（如下表），不再變動，然后按一般單回路系統整定方法，直接整定主控制器參數。變量類型副控制器比例度2/%副控制器比例放大倍數Kc2 溫度 2060 51.7 壓力 3070 31.4 流量 4080 2.51.25 液位 2080 51.25在整定過程中以犧牲副參數的質量指標的原則（副參數在允許的范圍內），使主參數達到規定的質量指標的要求。適用場合：對主變量要求較高，對副變量沒什么要求或要求不嚴、允許在一定范圍內變化。五、串級控制系統適用場合 1、被控對象的控制通道純滯后時間較長，用單回路控制系統不能滿足質量指

16、標； 2、對象容量滯后比較大，用單回路控制系統不能滿足質量指標； 3、控制系統內存在變化激烈且幅值很大的干擾； 4、被控對象具有較大的非線性，而負荷變化又較大； 混合器水紙漿立篩蒸氣圓篩網前箱銅網一、用于克服被控對象的純滯后一、用于克服被控對象的純滯后例：某造紙廠網前箱的溫度控制系統如下圖。紙漿用泵從儲槽送至混合器，在混合器內用蒸汽加熱至72左右，經過立篩、圓篩除去雜質后送到網前箱，再經鋼網脫水。為了保證紙張質量，工藝要求網前箱溫度保持在61左右，允許偏差不得超過1。六、應用舉例若用單回路控制系統，由于從混和器到網前箱純滯后達90s，當紙漿流量波動紙漿流量波動35kg/min(主要擾動)時，溫

17、度最大偏差達8.5，過渡過程時間達450s，控制質量差，不能滿足控制要求。 為了克服這個90s的純滯后，在調節閥較近處選擇混合器溫度為副被控變量（構成一個純滯后較小的副回路，把主要擾動紙漿流量波動包括在副回路中），網前箱出口溫度為主被控變量，構成串級控制系統 ，有效地克服純滯后。 當對象具有較大純滯后時，在設計時應使副回路盡量少包括或不包括純滯后(原因：以提高副回路的快速抗干擾能力)。造紙廠網前箱溫度控制系統 把主要擾動包括在副回路中（原因：串級控制系統對二次擾動具有很強的克服能力） 以溫度或質量作為被控量的控制對象，其容量滯后往往比較大，致使控制質量變差（容量滯后會使被控對象反應遲鈍，超調大，過渡過程長） 。二、