过程控制系统及仪表(第版)：第章节_复杂控制系统(串级)

7
串级控制系统中常见的专用名词介绍： 主变量 — 串级控制系统中起主导作用的被控变量，是 过程中主要控制的工艺指标。 副变量 — 串级控制系统中为了稳定主变量而引入的辅 助变量。 炉出口温度 炉膛温度
8
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。 副对象 — 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。 炉出口温度对象
串级控制系统的适应场合： 主要适合于被控对象的容量滞后或纯滞后时间较大，干扰作 用强而且频繁，或者生产负荷经常大范围波动，简单控制系 统无法满足生产工艺要求的场合。
25
五、串级控制系统设计中的几个问题 1．副回路的确定 （1）应将生产中的主要干扰纳入到副回路中。
（2）在可能前提下，应将尽可能多的干扰纳入副回 路中。 （3）应使主、副回路的时间常数适当匹配 。 选择使副回路时间常数小一些，有利加快控制。 主、副对象时间常数相近，可能发生“共振”现 象。通常，主、副对象时间常数之比在 3 ～10 倍 之间。
14
二、主、副控制器正、反作用的确定 主、副控制器确定顺序：“先副后主”的原则 副控制器的选择原则： 副控制器的正、反作用只与副回路中的各个环节 有关，而与主回路无关。 在简单控制系统中介绍的各环节规定符号“乘积 为负”的判别准则，同样适用于串级控制系统副控制 器正、反作用的选择。 （副控制器±）（执行器±）（副对象±）（副变送 器±）=（一）
执行器—从锅炉安全考虑，防止因断水导致锅炉烧爆，应选择 气关式，“-”。 对象—当流入量增加，液位是增加的，符号取为“+”。 变送器—输出信号随液位的升高增加，符号为“+”。 控制器—必须选择正作用“+”，才能构成负反馈控制系统。
29
答： 问题2：
采用锅炉液位与给水流 量串级控制系统来提高 控制精度。 串级控制设计方案如图 所示。 串级控制系统方块图如 图：
3
§7-1 串级控制系统
一、串级控制系统的结构 管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热 油料炉出口温原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）； （2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）； （3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃 料的雾化状态的影响等）。 传热的滞后性，以及调节通道的时间常数过大（15min左右）， 5 控制作用不及时。
主回路： 当蒸汽流量增大时，主变量提馏段的温度将上 升，故主对象的符号为“+”。 所以，主控制器应选择“-”，反作用。
19
【练习题】如图的串级控制系统，执行器选为气 开阀，试确定主、副控制器的正、反作用。
-
+
-
+
+
+
20
三、串级控制系统的工作过程
工艺要求执行器选为气开式，炉出口温度控制器T１C和炉膛温 度控制器 T２C 均采用反作用工作方式，分析系统的工作过程。
34
目录 { 第1篇 } 过程控制基础知识 第1章 绪论 1.1 生产过程自动化概述 1.1.1 生产过程及其特点 1.1.2 生产过程对控制的要求 1.1.3 生产过程自动化的发展历程 1.2 过程控制系统的组成及分类 1.2.1 过程控制系统的组成 1.2.2 过程控制系统的分类 1.3 过程控制系统的方块图与工艺控制流程图 1.3.1 过程控制系统的方块图 1.3.2 过程控制系统的工艺控制流程图 1.4 过程控制系统的过渡过程和性能指标 1.4.1 过程控制系统的过渡过程 1.4.2 过程控制系统的性能指标 习题
{ 第2篇 } 过程自动化装置 第3章 过程测量仪表 3.1 测量仪表中的基本概念 3.1.1 测量过程及测量仪表 3.1.2 检测系统的基本特性及性能指标 3.2 温度测量 3.2.1 概述 3.2.2 热电偶温度计 3.2.3 热电阻温度计 3.2.4 温度测量仪表的选用 3.2.5 温度交迭器 3.2.6 一体化温度变送器 3.2.7 智能温度变送器 3.3 压力测量 3.3.1 概述 3.3.2 弹性式压力表 3.3.3 电容武压力变送器 3.3.4 扩散硅压力变送器 3.3.5 智能差压变送器 3.3.6 压力表的选择和使用 3.4 流量测量 3.4.1 概述 3.4.2 差压式流量计 3.4.3 容积式流量计 3.4.4 浮子式流量计 3.4.5 电磁流量计 35 3.4.6 涡街流量计
第2章 被控对象的特性 2.1 概述 2.1.1 基本概念 2.1.2 被控对象的阶跃响应特性 2.2 被控对象特性的数学描述 2.2.1 一阶对象的机理建模及特性分析 2.2.2 二阶对象的机理建模及特性分析 2.2.3 纯滞后对象的机理建模及特性分析 2.3 被控对象的实验测试建模 2.3.1 阶跃响应曲线的获取 2.3.2 一阶纯滞后对象特性参数的确定 2.3.3 二阶对象特性参数的确定习题
-
+
24
四、串级控制系统的特点及应用场合 串级控制系统与简单控制系统相比，由于在结构上多了一 个副回路，因而，在相同的干扰作用下，其控制质量是单回 路控制系统无法比拟的。
串级控制系统在工作性能上的主要特点： 1．对于进入副回路的干扰具有极强的克服能力。 2．改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率。 3. 对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力。
11
工艺控制流程图：
方块图：
12
串级控制系统通用方块图:
13
串级控制系统在结构上具有如下特点： 在串级控制系统中，有两个闭环负反馈回路，每个回路都有自 己的控制器、测量变送器和对象，但只有一个执行器。 两个控制器采用串联控制方式，主控制器的输出作为副控制器 的给定值，而由副控制器的输出来控制执行器的动作。 主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动控制系统。
1
第7章 复杂控制系统
3 1 2 3 4 5 6 7 串级控制系统
比值控制系统
前馈控制系统 均匀控制系统
分程控制系统
选择性控制系统
多冲量控制系统
2
第7章 复杂控制系统
复杂控制系统 凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较 特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。
特点： 通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行 器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系 统又称为多回路控制系统。
书名:过程控制系统及仪表(第3版) 出版社: 大连理工大学出版社; 第3版 (2010年7月1日) 编著者：李亚芬；主审：邵诚, 丛书名: 高等学校理工科化学工类规划教材 平装: 259页; 语种: 简体中文 开本: 16 ISBN: 9787561115015, ISBN：7-5611-1501-6 条形码: 9787561115015 尺寸: 25.6 x 18.2 x 1.2 cm 重量: 522 g 原价:25.00元
15
主控制器的选择原则： 主控制器的正、反作用只与主对象有关，而与副回路 无关。 分析： 副回路是一个随动系统，它的最终控制结果总是要使副 变量（副回路的输出）跟随主控制器的输出（副回路的输 入）而变化，也就是说，当副同路的输入增加时，副回路 的输出也要增加，由此可见，副回路也是一个“ + ”环 节。 主测量变送是一个“ + ”环节。 所以，主控制器的正、反作用就只取决于主对象的符号。 为了保证回路中各环节总的符号乘积为负，当主对象的符 号为 “+”时，主控制器必须是“－”号，即选择反作 用；而当主对象的符号为“－”时，主控制器必须是“+” 16 号，选择正作用。
33
第3版 2010-07
第2版
出版日期： 2006-08-01
内容简介 《过程控制系统及仪表(第3版)》内容简介： 过程控制系统的理论分析和设计需要较 多的数学知识，自动化仪表在设计制造 方面也有许多技术问题值得探讨。但是 ，对于工艺技术人员来说，主要关心的 问题是控制系统和仪表的基本原理及其 应用特性。因此，《过程控制系统及仪 表(第3版)》尽量避免繁杂的数学推导 ，力求用简明扼要的文字和插图使读者 对所学知识有更多的定性了解，通俗易 懂，这是《过程控制系统及仪表(第3版 )》的另一个特色。 过程控制系统和仪表涉及的领域十分广 阔，研究内容也极其丰富。本着理论联 系实际、学以致用的原则，《过程控制 系统及仪表(第3版)》在取材方面，不 追求包罗万象、面面俱到，而是力争把 最基本、最常用的内容都包含进来。突 出重点，注重实用是《过程控制系统及 仪表(第3版)》的第三个特色。
27
练习题
锅炉供水控制系统如图所示， 1，从锅炉安全考虑，防止因 断水导致锅炉烧爆，选择气开， 气关阀？选择控制器+-，构 成负反馈系统。 2，若锅炉给水流量波动频繁 且为主要干扰，原来的液位控 制系统很难满足控制要求，试 问应采取何种措施来提高控制 精度？设计控制方案？画出系 统方块图？
28
答： 问题1：
【例题】 如图所示的精馏塔提馏段温度与加热蒸汽流量串 级控制系统中，执行器选为气关式，试确定主、副控制器的 正、反作用。
17
“先副后主”的原则
副回路： 执行器 — 气关式，符号为“-”； 副对象 — 执行器的阀门开度增大时，副变量蒸汽 流量也增大，故副对象的符号为“+”。 副变送器 — 符号也为“ + ”。 根据回路各环节符号“乘积为负”的判别公式，副 控制器的符号必须取“ + " ，即应选择正作用。 18
26
2．主、副控制器控制规律的选择 (1)主变量是生产工艺的重要指标，副回路不要求 为了保证过渡过程没有余差，主控制器至少应选择 比例积分（Pl）控制规律。主对象的容量滞后较大， 必要时也可引入微分作用，即 PID 控制规律。 若副控制器要求不高，可选用比例（P）作用。 (2)工艺对主变量要求较高，对副变量也有一定的要 求。 保证主变量的控制精度，主控制器需选择PI作用。 副变量在干扰作用下需达到一定的控制质量，副控 制器也应该选择PI作用。