串级控制系统.ppt
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1、最简单的控制系统单回路控制系统系统中只用了一个调节器,调节器也只有一个输入信号。从系统方框图看,只有一个闭环。复杂控制系统 多回路控制系统。由多个测量值、多个调节器;或者由多个测量值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦器等等组成多个回路的控制系统。从系统方框图看,有多个闭环。,6. l 串级控制系统的概念,6.2.l 串级控制的提出例6-1 隔焰式隧道窑温度控制系统。(见图6-1)。隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。,制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结,烧结温度一般为1300,偏差不得超过5C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一,因此将窑道烧成带的温度作为
2、被控变量,将燃料的流量作为操纵变量。如果火焰直接在窑道烧成带燃烧,燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色,所以就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧,热量经过隔焰板辐射加热烧成带。,图6-l即为隔焰隧道窑烧成带温度简单控制系统工艺流程图,原理方框图如图6-2所示。,按照我们前面学过的简单控制系统,影响烧成带温度 l的各种干扰因素都被包括在控制回路当中,只要干扰造成 l偏离设定值,控制器就会根据偏差的情况,通过控制阀改变燃料的流量,从而把变化了的 l 重新调回到设定值。,但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大,如果燃料的压力发生波动,尽管控制阀门开度没变,但燃料流量将发生变化,必将引起燃
3、烧室温度的波动,再经过隔焰板的传热、辐射,引起烧成带温度的变化。 因为只有烧成带温度出现偏差时,才能发现干扰的存在,所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后,控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度,改变燃料流量,对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道,当调节过程起作用时,烧成带的温度已偏离设定值很远了。 也就是说,即使发现了偏差,也得不到及时调节,造成超调量增大,稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现,对于单回路控制系统,不论控制器采用PID的什么控制作用,还是参数如何整定,都得不到满意的控制效果。
4、,假定燃料的压力波动是主要干扰,发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短,而且还有一些次要干扰,例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等(如图6-2中用D2表示),都是首先进人燃烧室。人们会想,能否通过控制燃烧室温度 2的方法来达到稳定烧成带的温度呢?于是就出现了图6-3所示的以燃烧室温度 2为被控变量的单回路控制系统。,原料成分、窑车上装载制品的数量以及春夏秋冬、刮风下雨带来环境温度的变化等等(如图6-2中用D1表示)。由于在这个控制系统中,烧成带温度不是被控变量,所以对于干扰D1造成烧成带温度的变化,控制系统无法进行调节。,这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用,不等
5、到它们影响烧成带温度,就被较早发现,及时进行控制,将它们对烧成带温度的影响降低到最小限度。但是,我们也知道,还有直接影响烧成带温度的干扰,例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的,的温度稳定不变,所以烧成带温度控制器应该是定值控制,起主导作用。而燃烧室温度控制器则起辅助作用 它在克服干扰D2的同时,应该受烧成带温度控制器的操纵,操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值,从而就形成了图6-4所示的串级控制系统。,比较上述两个控制系统,它们各有自己的长处。第一种控制系统包括了所有干扰,第二种控制系统能对主要的和一些次要干上扰提前发现,及早控制。如果能将两个控制系统结合起来,发挥各
6、自优势,另外,控制燃烧室的温度2并不是目的,真正的目的是烧成带,例6-2 以连续槽反应器 温度控制为例,下图是单回路控制系统,扰动冷却水温度、压力物料流量、温度、 组分等。,例6-3 精馏塔提馏段温度控制,扰动:物料蒸汽压力波动控制目标:温度稳定,串级控制方案,串级系统控制框图,问题:控制通道容量滞后很大,控制缓慢。,燃料压力或燃料的热值变化,影响炉膛温度,热传导给原料,影响出口温度,15min,3min,例6-4 以炼油厂管式加热炉的出口温度控制,(1)扰动 燃料油方面-组分、油压; 喷油用过热蒸汽压力; 被加热油料流量、温度; 配风、炉膛漏风。(2)、采用单回路控制方案:如上图所示。 优点
7、:所有对温度的干扰都包括在控制回路之中。 缺点:对燃油流量变化等干扰控制不及时,总滞后较大。,炉膛温度变化,2T、2C回路先改变燃料量,1T、 1C回路再改变燃料量,出料温度变化,解决措施:在影响出口温度的通道中,加测炉膛温度的变化,提前控制。,燃料压力变化,3min,原料出口温度1(t),原料,1C,1T,燃料,管式加热炉,2T,2C,所谓串级控制系统,就是采用两个控制器串联工作,主控制器的输出作为副控制器的设定值,由副控制器的输出去操纵控制阀,从而对主被控变量具有更好的控制效果。这样的控制系统被称为串级控制系统。与图6-4串级控制系统的工艺流程图对应的原理方框图如图 6-5所示。,从图中可
8、以看到,串级系统和简单系统有一个显著的区别,即其在结构上形成了两个闭环。 一个闭环在里面,被称为副环或者副回路,在控制过程中起着“粗调”的作用; 一个环在外面,被称为主环或主回路,用来完成“细调”任务,以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。,6.1.2 串级控制系统的组成1串级控制系统的方框图 根据隔焰式隧道窑串级控制系统的方框图,可得串级控制系统标准方框图如图6-6所示。,2. 串级控制系统有关的术语 主、副回路 在外面的闭合回路称为主回路(主环),在里面的闭合回路称为副回路(副环)。 主、副控制器 处于主回路中的控制器称为主控制器;处于副回路
9、中的控制器称为副控制器。 主、副被控变量 主回路的被控交量称为主被控变量,也称为主变量或主参数;副回路的被控变量称为副被控变量,也称为副变量或副参数。,主、副对象 主回路所包括的对象称为主对象;副回路所包括的对象称为副对象。 主、副检测变送器 检测和变送主变量的称为主检测变送器;检测和变送副变量的称为副检测变送器。 一、二次干扰进入主回路的干扰称为一次干扰;进人副回路的干扰称为二次干扰。,应该指出,系统中尽管有两个调节器,它们的作用各不相同。主调节器具有自己独立的设定值,它的输出作为副调节器的设定值,副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。比较串级系统和简单系统,前者只比后者多了一个测
10、量变送元件和一个调节器,增加的仪表投资并不多,但控制效果却有显著的提高。,6l3 串级控制系统的工作过程 串级控制系统是由两个控制器串联工作的,只有副控制器的输出去操纵控制阀,两个控制器能否协调一致地工作,会不会发生矛盾,我们仍以隔焰式隧道窑温度串级控制系统为例来加以说明。考虑到生产的安全,控制阀选择“气开”工作方式。两个控制器都选择“反”作用方式。(1)只存在二次干扰 (2)只存在一次干扰 (3)一次干扰和二次干扰同时存在,1. 只存在二次干扰 假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路,所以属于二次干扰D2。例如整个系统处于稳定状态下,突然燃料压力升高,这时尽管控制阀门开度没变
11、,可燃料的流量增大了,首先将引起燃烧室温度2升高,经副温度检测变送器后,副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化,并不能立即引起烧成带温度T1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化,因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的“反”作用,其输出将减小,“气开”式的控制阀门将被关小,燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。,2. 只存在一次干扰 假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰,比如窑车的速度加快,必然导致窑道中烧成带温度1的降低。对于定值控制的主控制器来说,其测量值减小,由于主控制器的“反”作用,它的输出必然增大,也就是说副控制器的设定值增大了。因为窑车的速度属于一次干扰,它对副
12、变量(燃烧室的温度2)没有影响,所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。对于副控制器来说,设定值增大而测量值没变,可以等效为其设定值不变而测量值减小。根据副控制器的“反”作用,其输出将增大,“气开”式的控制阀门开度增大,从而加大燃料的流量,使燃烧室温度2升高,进而使窑道烧成带温度回升至设定值。,3. 一次干扰和二次干扰同时存在 两种干扰同时存在又可分为两种不同情况。 一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化,即同时增大或同时减小。 假定一次干扰为窑车的前进速度减小,将引起主变量(烧成带温度) l升高;二次干扰为燃料压力增大,导致副变量(燃烧室温度) 2也升高。对于主控制器来讲,由于它的测
13、量值升高,根据它的“反作用关系,它的输出将在稳态时的基础上减小,也就是副控制器的设定值将减小。而对于副控制器来讲,由于它的测量值增大,其输出的变化应该根据它的“反”作用以及设定值和测量值的变化方向共同决定。不妨将设定值的变化等效为设定值不变而测量值变化的情况,设定值减小可以等效为设定值不变而测量值增大。根据副控制器的“反”作用关系,上述两种干扰都将使副控制器的输出减小,都要求阀门开度关小。,一次干扰和二次干扰引起主、副变量反方向变化,即一个增大而另一个减小。 假定一次干扰为窑车前进速度增大,引起主变量(烧成带温度) l下降;二次干扰为燃料压力增大,导致副变量(燃烧室温度)T2升高。对主控制器来
14、说,由于其测量值减小,根据其“反”作用关系,它的输出将增大,也将使副控制器的设定值增大。对副控制器来说,由于其测量值增大,设定值也增大,如果它们同步增大,幅度相同,即副控制器的输入信号偏差没有改变,控制器的输出当然也就不变,控制阀开度不变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰,阀门无需调节。 如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不相同,也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时,副控制器再根据偏差的性质作小范围调节可将主变量稳定在设定值上。,从串级控制系统的工作过程可以看出:两个控制器串联工作,以主控制器为主导,保证主变量稳定为目的,两个控制器协调一致,互相配合。尤其是对于二次干扰,副
15、控制器首先进行“粗调”,主控制器再进一步“细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统。,6.2 串级控制系统的分析,串级控制系统与简单控制系统相比,只是在结构上增加了一个副回路,但是实践证明,对于相同的干扰,串级控制系统的控制质量是简单控制系统所无法比拟的。本节将从理论上对串级控制系统的特点加以分析。,6.2.1 增强系统的抗干扰能力,串级控制系统的副环具有快速作用,它能够有效地克服二次扰动的影响。可以说串级系统主是用来克服进入副回路的二次干扰的。,现在对图6-7所示方框图进行分析,可进一步揭示问题的本质。 当二次干扰经过干扰通道环节Gd2(s)后,进入副环,首先影响副参数y2,于是副调节器立即
16、动作,力图消弱干扰对y2的影响。显然,干扰经过副环的抑止后再进入主环,对y1的影响将有较大的减弱。,按图6-7所示串级系统,可以写出二次干扰 D 2至主参数y1的;传递函数是,(6-1),为了与一个简单回路控制系统相比较,由图6-8可以很容易地得到单回路控制下D 2至y1的传递函数为,(6-2),串级控制,单回路控制,串级控制增加项,副调节器Gc2(s)大于1,增加项远大于1,使得串级控制的抗干扰能力增强。,比较式(6-l)和(6-2)。先假定 Gc(s)Gcl(s),且注意到单回路系统中的 Gm(s)就是串级系统中的Gm1(s),可以看到,串级中Y1(s)D2(s)的分母中多了一项,即Gc2
17、(s)Gv(s)Gp2(s)Gm2(s)。在主环工作频率下,这项乘积的数值一般是比较大的,而且随着副调节器比例增益的增大而加大;另外式(6-l)的分母中第三项比式(6-2)分母中第二项多了一个Gc2(s)。一般情况下,副调节器的比例增益是大于 l的。串级控制系统的结构使二次干扰 D2对主参数y1这一通道的动态增益明显减小。当二次干扰出现时,很快就被副调节器所克服。与单回路控制系统相比,被调量受二次干扰的影响往往可以减小10-100倍,这要视主环与副环中容积分布情况而定。,6.2.2 改善对象的动态特性,分析比较图6-7和图6-8,可以发现串级系统中的副环似乎代替了单回路中的一部分对象,亦即可以
18、把整个副回路看成是一个等效对象。等效对象的时间常数缩小了( )倍,而且随着副调节器比例增益的增大而减小。通常情况下,副对象是单容或双容对象,因此副调节器的比例增益可以取得很大,这样,等效时间常数就可以减到很小的数值,从而加快了副环的响应速度,提高了系统的工作频率。 由于副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。,因此,由于副回路的存在,改善系统的动态特性,提高了系统的工作频率,由于等效副回路时间常数的缩短,系统的工作频率提高了(可使振荡周期缩短)。 通过对串级和单回路控制系统传函方程的分析(P154),可知:串单。,6.2.3 对负荷变化有一定的自适应能力
19、,众所周知,生产过程往往包含一些非线性因素。随着操作条件和负荷的变化,对象的静态增益也将发生变化。因此,在一定负荷下,即在确定的工作点情况下,按一定控制质量指标整定的控制器参数只适应于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化过大,超出这个范围,那么控制质量就会下降。在单回路控制中若不采取其它措施是难以解决的。但在串级系统中情况就不同了,负荷变化引起副回路内个各环节参数的变化,可以较少影响或不影响系统的控制质量。,一方面可以用式(6-3)所表示的等效副对象的来表示,即等效对象的传递函数为一般情况下, ,因此 (6-13),由式(6-13)可知: 串级系统中的等效对象仅与测量变送装置有关。如果副对象或
20、调节阀的特性随负荷变化时,对等效对象的影响不大。只要测量变送环节进行了线性化处理,副对象和调节阀的非线性特性对整个系统的控制品质影响是很小的。 因而在不改变控制器整定参数的情况下,系统的副回路能自动地克服非线性因素的影响,保持或接近原有的控制质量。,另一方面,由于副回路通常是一个流量随动系统,当系统操作条件或负荷改变时,主控制器将改变其输出值,副回路能快速跟踪及时而又精确地控制流量,从而保证系统的控制品质。 从上述两个方面看,串级控制系统对负荷的变化有一定自适应能力。,综上所述,可以将串级控制系统具有较好的控制性能的原因归纳为: 对二次干扰有很强的克服能力;改善了对象的动态特性,提高了系统的工
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