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转 复杂控制系统--串级控制系统  

2014-11-05 17:30:27|  分类: 自动化 |  标签: |举报 |字号 订阅

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根据系统的结构和所担负的任务
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第一节 串级控制系统
一、概述
        当对象的滞后较大,干扰比较剧烈、频繁时,可考虑采用串级控制系统。
举例 说明串级控制系统的结构及其工作原理
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                                         图8-1 管式加热炉出口温度控制系统
根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 
控制好温度:可延长炉子寿命,防止炉管烧坏; 可保证后面精馏分离的质量。 

在实际生产过程中,特别是当加热炉的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时,该简单控制系统的控制质量往往很差,原料油的出口温度波动较大,难以满足生产上的要求。 

原因:
        当燃料压力或燃料本身的热值变化后,先影响炉膛的温度,然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温度,这个通道容量滞后很大,时间常数约15min左右,反应缓慢,而温度控制器TC是根据原料油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作用在对象上后,并不能较快地产生控制作用以克服干扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度非常严格时,为了解决容量滞后问题,还需对加热炉的工艺作进一步分析。

        以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统 
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 图8-2 管式加热炉出口温度串级控制系统
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 图8-3 管式加热炉出口温度串级控制系统的方块图

        在上述控制系统中,有两个控制器T1C和T2C,接收来自对象不同部位的测量信号θ1和θ2。T1C的输出作为T2C的给定值,而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。从系统的结构看,这两个控制器是串接工作的。

几个串级控制系统中常用的名词 
主变量:工艺控制指标,在串级控制系统中起主导作用的被控变量。
副变量:串级控制系统中为了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。
副控制器:其给定值来自主控制器的输出,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。
主回路:由主变量的测量变送装置,主、副控制器,执行器和主、副对象构成的外回路。
副回路:由副变量的测量变送装置,副控制器执行器和副对象所构成的内回路。

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 图8-4 串级控制系统典型方块图

二、串级控制系统的工作过程
        以管式加热炉为例,来说明串级控制系统是如何有效地克服滞后提高控制质量的。假定执行器采用气开形式,断气时关闭控制阀,以防止炉管烧坏而酿成事故,温度控制器T1C和T2C都采用反作用方向。
 
1.干扰进入副回路
        F2引起θ2变化,控制器T2C及时进行控制,使其很快稳定下来如果干扰量小,经过副回路控制后,F2一般影响不到温度θ1;如果干扰量大,其大部分影响为副回路所克服,波及到被控变量温度θ1再由主回路进一步控制,彻底消除干扰的影响,使被控变量回复到给定值。

小结
        由于副回路控制通道短,时间常数小,所以当干扰进入回路时,可以获得比单回路控制系统超前的控制作用,有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油出口温度的影响,从而大大提高了控制质量。 

2.干扰作用于主对象
         F1变化 → θ1 ↑ →T1C输出↓→T2C设定值↓ → T2C输出↓ → 恢复给定值

          所以,在串级控制系统中,如果干扰作用于主对象,由于副回路的存在,可以及时改变副变量的数值,以达到稳定主变量的目的。 

3.干扰同时作用于副回路和主对象
        在干扰作用下,主、副变量的变化方向相同。
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主、副变量的变化方向相反,一个增加,另一个减小。
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小结
        在串级控制系统中,由于引入一个闭合的副回路,不仅能迅速克服作用于副回路的干扰,而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路具有先调、粗调、快调的特点;主回路具有后调、细调、慢调的特点,并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此,在串级控制系统中,由于主、副回路相互配合、相互补充,充分发挥了控制作用,大大提高了控制质量。 

三、串级控制系统的特点
(1)在系统结构上,串级控制系统有两个闭合回路:主回路和副回路;有两个控制器;主控制器和副控制器;有两个测量变送器,分别测量主变量和副变量。在串级控制系统中,主回路是个定值控制系统,而副回路是个随动控制系统。  
(2)在串级控制系统中,有两个变量:主变量和副变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。
(3)在系统特性上,串级控制系统由于副回路的引入,改善了对象的特性,使控制过程加快,具有超前控制作用,从而有效地克服滞后,提高了控制质量。 
(4)串级控制系统由于增加了副回路,因此具有一定的自适应能力,可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。 

适用范围:当对象的滞后和时间常数很大,干扰作用强而频繁,负荷变化大,简单控制系统满足不了控制质量的要求时,采用串级控制系统是适宜的。

四、串级控制系统中副回路的确定
副回路的确定:根据生产工艺的具体情况,选择一个合适的副变量,从而构成一个以副变量为被控变量的副回路。 

确定的原则:
1.主、副变量间应有一定的内在联系
            选择副变量的两类情况:选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;
                                                  选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动,减少对主变量的影响。 
举例:
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 图8-5 精馏塔塔釜温度串级控制系统
         1—精馏塔;2—再沸器

       通过这套串级控制系统,能够在塔釜温度稳定不变时,蒸汽流量能保持恒定值,而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时,又要求蒸汽流量能作相应的变化,以使能量的需要与供给之间得到平衡,从而保持釜温在要求的数值上。

        在上例中,选择的副变量就是操纵变量(加热蒸汽量)本身。这样,当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时,副回路能及时加以克服,以大大减少这种干扰对主变量的影响,使塔釜温度的控制质量得以提高。

2.要使系统的主要干扰被包围在副回路内
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 图8-6 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统

         在本系统中,由于选择了燃料油压力作为副变量,副对象的控制通道很短,时间常数很小,因此控制作用非常及时,比起图8-2所示的控制方案,能更及时有效地克服由于燃料油压力波动对原料油出口温度的影响,从而大大提高了控制质量。

注意:如果管式加热炉的主要干扰来自燃料油组分(或热值)波动时,就不宜采用图8-6所示的控制方案,因为这时主要干扰并没有被包围在副环内,所以不能充分发挥副环抗干扰能力强的这一优点。 

3. 在可能的情况下,应使副环包围更多的次要干扰
         如果在生产过程中,除了主要干扰外,还有较多的次要干扰,或者系统的干扰较多且难于分出主要干扰与次要干扰,在这种情况下,选择副变量应考虑使副环尽量多包围一些干扰,这样可以充分发挥副环的快速抗干扰能力,以提高串级控制系统的控制质量。 

注意:在考虑到使副环包围更多干扰时,也应同时考虑到副环的灵敏度。 
 
         随着副回路包围干扰的增多,副环将随之扩大,副变量离主变量也就越近。这样一来,副对象的控制通道就变长,滞后也就增大,从而会削弱副回路的快速、有力控制的特性。 

结论
       在选择副变量时,既要考虑到使副环包围较多的干扰,又要考虑到使副变量不要离主变量太近。 

4.副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配,以防“共振”的发生
       在串级控制系统中,主、副对象的时间常数不能太接近。
* 是为了保证副回路具有快速的抗干扰性能;
* 是由于串级系统中主、副回路之间是密切相关的,副变量的变化会影响到主变量,而主变量的变化通过反馈回路又会影响到副变量。 

小结
        在选择副变量时,应注意使主、副对象的时间常数之比为3~10,以减少主、副回路的动态联系,避免“共振”。当然,也不能盲目追求减小副对象的时间常数,否则可能使副回路包围的干扰太少,使系统抗干扰能力反而减弱了。

5. 当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时,在选择副变量时应使副环尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后
         对于含有大纯滞后的对象,可采用串级控制系统,并通过合理选择副变量将纯滞后部分放到主对象中去,以提高副回路的快速抗干扰功能,及时克服干扰的影响,将其抑制在最小限度内,从而可以使主变量的控制质量得到提高。 

举例: 某化纤厂胶液压力的控制问题
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 图8-7 压力与压力串级控制系统
1—计量泵;2—板式热交换器;3—过滤器

        在计量泵和冷却器之间,靠近计量泵的适当位置,选择压力测量点,并作为副变量组成一个压力与压力的串级控制系统,以提高控制质量。
        图中主控制器P1C的输出作为副控制器P2C的给定值,由副控制器的输出来改变计量泵的转速,从而控制纺丝胶液的压力。 

该法有很大局限性。

五、主、副控制器控制规律及正、反作用的选择
1.控制规律的选择
           控制规律是根据控制的要求来进行选择的。
目的: 为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律,以实现主变量的无差控制。  
          副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。 
2.控制器正、反作用的选择
(1)串级控制系统中的副控制器作用方向的选择,根据工艺安全等要求,选定执行器的气开、气关形式后,按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。 
        例如: 图8-2所示的管式加热炉温度-温度串级控制系统中的副回路。 
        气源中断,停止供给燃料油时,执行器选气开阀, “正”方向。燃料量加大时,炉膛温度θ2(副变量)增加,副对象 “正”方向。为使副回路构成一个负反馈系统,副控制器T2C选择“反” 方向。

         如图8-5所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。 
        基于工艺上的考虑,选择执行器为气关阀。
       为使副回路是一个负反馈控制系统,副控制器FC的作用方向应选择为“正”作用。 
(2)串级控制系统中主控制器作用方向的选择:
         当主、副变量增加(减小)时,如果由工艺分析得出,为使主、副变量减小(增加),要求控制阀的动作方向是一致的时候,主控制器应选“反”作用;反之,则应选“正”作用。

        例如图8-2所示的管式加热炉串级控制系统。 
        主变量θ1或副变量θ2增加时,都要求关小控制阀,减少供给的燃料量,才能使θ1或θ2降下来,所以此时主控制器T1C应确定为反作用方向。 
         如图8-5所示的精馏塔塔釜温度与蒸汽流量的串级控制系统。 
         蒸汽流量(副变量)或塔釜温度(主变量)增加时,都需要关小控制阀,它们对控制阀的动作方向要求是一致的,所以主控制器TC也应为反作用方向。

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                                       图8-8 冷却器温度串级控制系统
         冷却器温度串级控制系统是以被冷却物料出口温度为主变量,冷剂流量为副变量的串级控制系统。
         分析冷却器的特性可以知道,当主变量即被冷却物料出口温度增加时,需要开大控制阀,而当副变量即冷剂流量增加时,需要关小控制阀,它们对控制阀动作方向的要求是不一致的,因此主控制器TC的作用方向应选用正作用。 

(3)当由于工艺过程的需要,控制阀由气开改为气关,或由气关改为气开时,只要改变副控制器的正反作用而不需改变主控制器的正反作用。 

         在有些生产过程中,要求控制系统既可以进行串级控制,又可以实现主控制器单独工作。
         即若系统由串级切换为主控时,是用主控制器的输出代替原先副控制器的输出去控制执行器,而若系统由主控切换为串级时,是用副控制器的输出代替主控制器的输出去控制执行器。

         无论哪一种切换,都必须保证当主变量变化时,去控制阀的信号完全一致。

系统串级与主控切换的条件: 当主变量变化时,串级时副控制器的输出与主控时主控制器的输出信号方向完全一致。     

六、控制器参数的工程整定
       串级控制系统主、副控制器的参数整定的两种方法。
1.两步整定法
         按照串级控制系统主、副回路的情况,先整定副控制器,后整定主控制器的方法。 
         整定过程
(1)在工况稳定,主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下,将主控制器的比例度先固定在100%的刻度上,逐渐减小副控制器的比例度,求取副回路在满足某种衰减比(如4∶1)过渡过程下的副控制器比例度和操作周期,分别用δ2s和T2s表示。
(2)在副控制器比例度等于δ2s的条件下,逐步减小主控制器的比例度,直至得到同样衰减比下的过渡过程,记下此时主控制器的比例度δ1s和操作周期T1s。  
(3)根据上面得到的δ1s、T1s、δ2s、T2s,按表7-2(或表7-3)的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。
(4)按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律,将计算出的控制器参数加到控制器上。
(5)观察控制过程,适当调整,直到获得满意的过渡过程。 

共振问题
        如果主、副对象时间常数相差不大,动态联系密切,可能会出现“共振”现象。 
        可适当减小副控制器比例度或积分时间,以达到减小副回路操作周期的目的。同理,可以加大主控制器的比例度或积分时间,以期增大主回路操作周期,使主、副回路的操作周期之比加大,避免“共振”。 
         如果主、副对象特性太接近,就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。

2.一步整定法
        根据经验将副控制器一次放好,不再变动,然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。 

实践证明 
         这种整定方法,对于对主变量要求较高,而对副变量没有什么要求或要求不严,允许它在一定范围内变化的串级控制系统,是很有效的。 

表 8-1 采用一步整定法时副控制器参数选择范围
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一步整定法的整定步骤: 
(1)在生产正常,系统为纯比例运行的条件下,按照表8-1所列的数据,将副控制器比例度调到某一适当的数值。
(2)利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。
(3)如果出现“共振”现象,可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值,一般即能消除。
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