13-复合控制系统详解

13-2-1
控制方案
电动仪表、气动仪表（很少用）、计算机
（1）一般的串级方案 （2）能实现主控 – 串级切换的串级方案
温度控制器
流量控制器
控制阀
流量对象
温度对象
流量变送器
温度变送器
2.2.2
串级控制系统的实施 （1）主、副控制器控制规律的选择
主变量是生产工艺的主要操作指标，要求比较严格，
一般不允许有余差
FC
TC
特点：两个控制器，一个调节阀 一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器（副控制器）的 给定，副控制器的输出送到控制阀
13-2-1
温度控制器
流量控制器
控制阀
流量对象
温度对象
流量变送器
温度变送器
特点：两个闭环环路，内环和外环 内环：副环，副控制器、副对象、副变送器 外环：主环，主控制器、主对象、主变送器
副变量是粗调，一般要求不严格，允许有波动和余差； 主控制器（定值控制）一般选择比例积分控制规律，有时为了克服 对象滞后，也加入微分作用； 副控制器（随动控制）力求快速反应，所以，一般不加入积分作用， 只选择比例控制规律； 只要主控制器有积分规律，主变量就可以保证没有余差，不管干扰 出现在什么位置。
2.2.2
第十三章 自动控制系统
13-1 简单控制系统 13-2 复合控制系统 13-3计算机控制系统
L/O/G/O
13-1 单回路控制系统
一、被控变量的选取
1、选择对产品产量和质量、安全生产、经济运行和环境 保护等具有决定作用的，可直接测量的工艺参数作为被控 变量。 2、当不能用直接参数作为被控变量时，应选择与直接参
→提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温度控制器输出减小， 输出到流量控制器的设定值减小）→流量控制器设定值减小，流量控制 阀开度进一步减小。 流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调”
13-2-1
● 情况2: —— 主环内出现干扰
进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降 →温度控制器负偏 差，输出增大 →（流量控制器负偏差，流量控制器输出增大，控制阀 开度增大，蒸汽量增加）→提馏段温度回升
非线性使对象特性发生畸变，因此使系统“不适应” 副环是个随动系统，具有一定的自适应能力，因此，可以使控制系 统在一定程度上克服非线性的影响
2.5
串级系统副回路的设计
例 7
醋酸乙烯合成反应器反应温度控制系统
TC1
TC2
把换热器这个非线性干扰环节设计在副环中，对主参数的控制具有 一定的帮助。
2.5
串级系统副回路的设计
（流量） （温度）
13-2-1

形成两个环: 副环或副回路－－“ 粗调”作用 主环或主回路－－“ 细调”作用
主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制 器输出作为副控制器的设定 副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定， 副控制器输出控制控制阀

副环中有副调节器、副变送器、副对象以及调节阀
主环中有主调节器、主变送器、主对象，无调节阀
13-2-1
●串级控制系统工作过程
进料
FC
TC
蒸汽
● 情况1:—— 副环内出现干扰
● 情况2:——主环内出现干扰
● 情况3:——主环和副环同时出现干扰
13-2-1
● 情况1:
—— 副环内出现干扰
蒸汽流量突然增大→（一段时间：提馏段温度不变，温度控制器输出不 变，流量控制器设定值不变，但流量测量增大→（流量控制器正偏差， 流量控制器输出减小，控制阀关小）→蒸汽流量减小，削弱对提馏段温 度的影响）
临界比例带 和临界周期 。
（2）在表13-4中，根据 、 之值，可计算求得控制器各参数值 、T1和 TD （3）在控制器上，取稍大于求的比例带值，再依次调整所需的积分和微 分时间，最后把比例带放在上述计算值；若被调量记录曲线不符合要求， 在适当调整控制器的参数。
3、相应曲线法
根据对象阶跃反应曲线进行的，不需要反复试凑，整定事件短，尤其适 用于对象特性已经掌握的情况。
（4）当对象具有较大的纯滞后时，应使副环尽量少包含或不包含纯滞后
尽量将纯滞后放到主对象中，以提高副回路的快速抗干扰能力。
PC2
PC2
图 化纤厂纺丝胶液压力控制系统，串级系统有效地克服胶液传送纯滞后。
2.5
串级系统副回路的设计
（5）虑主、副对象时间常数的匹配，防止“共振”发生
共振：在主、副回路振荡频率范围内，其信号相互影响，相互增幅。 原因： 主副回路的工作频率接近
，即使 减少， 增加，系统稳定；
（d）应注意工艺上是允许的控制变量。
三、控制规律的选择
（一）选择原则 主要根据广义对象（包括加热、加湿等装置）特性 、负荷变化状况（大小、速度）、主要干扰和对控 制品质的要求等方面。 （二）线性控制规律的选择 1、比例控制（P） 2、比例积分控制（PI） 3、比例微分控制 4、比例积分微分控制
2.2.2
串级控制系统的实施
例3
精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统
副控制器： 控制阀选“气闭”式——负 正对象，流量对象，阀门开大， 流量增大——正 变送器一般均为正
FC TC
主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加， 提馏段温度上升——正
2.2.2
串级控制系统的实施
2.3.1
串级控制系统的投运 ● 投运步骤
1、主、副控制器手动位置，主控制器内给定、副控制器外给定，正反作用 正确，PID参数正确 2、副控制器手动操作 3、通过副参数的变化，使主参数接近给定值，而副参数变化也比较平稳 4、调节主控制器手操输出，使副控制器的偏差为零 5、分别将副、主控制器切入自动
2、临界比例带法
当控制系统在纯比例控制作用下，开始作周期性的等幅振荡时，称调节系
统处于“临界振荡”状态。此时控制器的比例带称“临界比例带”，以 表 示，此时的振荡周期为临界周期，以 表示。
整定步骤：
（1）将T1放在最大位置上，微分时间放在最小位置上（即TD=0）， 取 最大值，逐步减小 ，直至被调量的记录曲线出现等幅振荡为止，这时得到
2.3.2
串级控制系统的工程整定方法 逐步逼近法、两步法、一步法，先副环，后主环
● 两步法
分两步整定两个控制器
●主环控制器比例度100%，积分时间最大，微分时间最小，
按 4：1整定方法直接整定副环，确定副环4：1振荡过程
时的比例度和振荡周期；
●放好副控制器4：1的比例度，积分时间最大，微分时间最小，
2.5
串级系统副回路的设计
包含有两方面的内容: 1) 主参数的确定 2) 副参数的确定
串级系统的关键在于副环的设计 设计合理，能有效发挥串级系统的优势 设计不合理，失去了串级的意义，而使控制系统复杂化
关键：对工艺进行细致的分析
2.5
●
串级系统副回路的设计
设计原则
（1） 使副环包含系统的主要干扰
副环具有快速抗干扰的能力 （2） 使副环包含更多的干扰 系统干扰较多且难于分出主要干扰
2.5
串级系统副回路的设计
例5
加热炉出口温度控制系统 燃料压力波动
PC
TC
A）炉出口温度与燃料压力串级方案
2.5
串级系统副回路的设计
例6
加热炉出口温度控制系统 燃料组成波动
TC2
TC1
B）炉出口温度与炉膛温度串级方案
2.5
串级系统副回路的设计
另外，还要考虑副环离主变量的“远、近”问题
（3） 应使非线性环节尽量包含在副环中
串级控制系统的实施
主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象偏差为正，则主
控制器控制阀门关小，主对象偏差为负，则主控制器开大阀门；
加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统
例2
PC TC
燃料
物料
串级控制系统的实施
副控制器： 控制阀选“气开”式——正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升——正 变送器一般均为正 主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升——正
ζ=0.216(n=1:4)
2.0
1.0 1/3 0.6 0
√2
0.5
1.0
1.5
ω／ωc
2.5
串级系统副回路的设计
（6） 考虑方案的经济性、工艺的合理性
四、控制系统的调整
1、经验试凑法 （1）将T1放在最大位置上，TD放在最小位置上（即TD=0），从大到小
改变比例带直到得到较好的调节过程曲线。 （2）将上述比例带放大到1.2倍，从大到小改变积分时间，以求得较好的 控制过程曲线。 （3）积分时间T1保持不变，改变（增大或减小）比例带，观察控制过程曲 线是否改善，则继续调整比例带减小一些，再变更积分时间，以改善调节过 程曲线。如此多次反复，直至找到合适的比例带和积分时间。 （4）初步整定和T1值之后，引入微分时间TD，引入微分后可适当减小比 例带和几分时间，设置微分时间为积分时间的1/6~1/4。观察控制过程曲 线，还可适当调整比例带、积分时间和微分时间。

§13-2 多回路控制系统
一、串级控制系统
13-2-1串级控制系统例1
解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制流量稳定 ？
TC FC
问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾
温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制系统却只能根据事 先的流量设定值进行定值控制。
13-2-1
串级控制系统：两套控制系统的协调控制
数有单值函数关系的间接参数作为被控变量。
3、被控变量必须具有足够大的灵敏度。 4、被控变量的选取，必须考虑工艺过程的合理性和所采 用的测量仪表的性能。