串级控制系统整理

▲5 串级控制系统主负控制器正、反作用方向的确定 ▲副控制器的作用方向的确定原则： 按简单（单回路）控制系统各环节的正、反作用方向的确定原则确定，以构成负反馈闭环控制回路。 ▲主控制器正、反作用的确定原则： 主、副变量同方向变化时，都要求操纵变量同方向变化（即：同时要求操纵变量都增大或都减小），此时主控制器方向规定为“反”作用方向。 主、副变量同方向变化时，要求操纵变量的变化方向是相反的（即：主变量要求操纵变量都增大（或减小），而副变量要求操纵变量都减小（或增大） ，此时主控制器为“正”作用方向。 例1 管式加热炉出口温度串级控制系统。 1）指出该系统中主、副对象、主、副变量、操纵变量、主、副扰动变量、主、副调节器各是什么？ 2）画出该控制系统的方块图，并确定各个环节的正反作用方向； 3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。 解：1）

主对象 ：加热炉内加热管的管壁； 副对象 ：加热炉的炉膛 主变 量：原料的出口温度T1； 副变 量：炉膛内的温度T2； 操纵变量：燃料的流量； 主扰动量f1：被加热原料的进口的温度、压力、流量 副扰动量f2：燃料油的压力、温度；雾化燃料油用的过热蒸汽的压力、流量；燃烧器的配风、炉膛的漏风以及环境温度等。 3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。在稳定工况下，原料油出口温度和炉膛温度处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。当燃料油负荷突然增加，这个干扰会使炉膛的温度T2升高，原料油出口温度T1也会随之提高，此时温度检测变送器TT1将信号送给主控制器TC1， e1增大，主控制器输出u1减小，即副控制器的给定值减小，副控制器的输入偏差e2增大，副控制器的输出信号u2减小，控制阀开度减小，即操纵变量燃料油m减小，炉膛温度T2下降，从而炉管内原料油出口温度T1也会随之下降。 例题3： 如图所示为聚合釜温度控制系统，冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。试问： （1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。 （2）如果聚合温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关形式。 （3）确定主、副控制器的正、反作用。 （4）简述当冷却水压力变化时的控制过程。 （5）如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？ （6）如果选择夹套内的温度作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反方向。

（2）如果聚合温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关形式。答： 气关型 （3）确定主、副控制器的正、反作用。 副控制器按单回路方法确定为：FC为正作用 主控制器TC的作用方向的确定：由于副变量F增加时，要求冷却水控制阀关小，而主变量T1升高时，又要求冷却水控制阀开大，即主、副变量同方向变化时，要求操纵变量的变化方向是相反的，所以主控制器应为“正”作用方向。

（4）简述当冷却水压力变化时的控制过程。 如主要干扰是冷却水压力波动，整个串级控制系统的工作过程是这样的：设冷却水压力增加，则冷却水流量增加，FC的输出u2增加，控制阀将关小，即操纵变量冷却水的流量减小，副回路的调节作用，克服了冷却水压力的增加对流量的影响，从而减少对主变量温度的影响。 （5）如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？ 应采用以聚合温度为主变量，夹套温度为副变量的串级控制系统。 （6）如果选择夹套内的温度作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反方向。 副控制器按单回路方法确定为： “反”作用方向 主控制器正、反确定原则：主、副变量同方向变化，都要求操纵变量冷却水的流量同方向变化，所以主控制器为“反”作用方向。 三 串级控制系统的主要特点及应用 特点： 1 在系统结构上，它是由两个串级工作的控制器构成的双闭环控制系统。 2 系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量，副回路起快速的“粗调”作用，主回路则起“细调”作用。 “鲁棒性”又称“强壮性”——是用来描述控制系统的控制品质对对象特性变化的敏感程度。系统的控制品质对对象特征变化越不敏感，则“鲁棒性”越好。 特点 ① 前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时有效 ② 前馈控制是属于“开环”控制 ③ 前馈控制使用的是一种视对象特性而定的“专用”控制器 ④ 一种前馈作用只能克服一种干扰前馈控制的 缺点： ① 干扰多时，所需前馈通道数增加，控制系统投资增加； ② 受前馈控制模型精度的限制，模型误差会导致非完全补偿； ③ 前馈控制算式中包含超前纯微分环节时，计算是近似的；

脱火现象——阀后压力过高，大量燃料气就会因未燃烧而导致烟窗冒黑烟，一方面会污染环境，另一方面因燃料室内积存大量燃料气与空气混和物，会有爆炸的危险。 补充题5：如图所示为聚合釜温度控制系统，冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。试问： （1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。 （2）如果聚合温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、气关形式。 （3）确定主、副控制器的正、反作用。 （4）简述当冷却水压力变化时的控制过程。 （5）如果冷却水的温度是经常波动的，上述系统应如何改进？ （6）如果选择夹套内的温度作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方块图，并确定主、副控制器的正、反方向。 (7) 如果物料的流量增大，简述控制系统是如何实现自动控制调节的？

如图所示的控制系统，QA、QB分别为A、B物料的流量，试问： （1）这是一个什么控制系统？[是一个双闭环比值控制系统] （2）主物料和从物料分别指什么？ [主物料是A,从物料是B.] （3）如A、B物料比值要求严格控制，试确定控制阀的气开、气关形式。[两阀都应选气开型]. （4）确定控制器的正、反作用。[两控制器都应选“反”作用] （5）画出系统的方块图，说明对于物料A、B来说，是定值系统还是随动系统？ [A物料的控制系统为定值系统,B物料的控制系统为随动系统 （6）如果A、B物料流量同时变化，试说明系统的控制过程 答：如B物料流量增加,FBC输出降低,控制阀关小,以控制B物料的流量。如A物料流量增加,FAC输出降低,控制阀关小,以稳定A物料的流量.与此同时,在A物料流量的变化过程中,通过比值器K,使FBC的给定值亦变化,使B物料流量亦变化,始终保持A、B两物料流量的比值关系。 补充题7解答：如图所示为一单闭环比值控制系统，要求： （1）画出系统的方块图；[略] （2）系统中为什么要采用开方器； 答：因为节流装置的输出差压信号是与流量的平方成正比的，加开方器后使其输出信号与流量成线性关系 （3）为什么说该系统对主物料来说是开环的？而对从物料来说是一个随动控制系统； 答：由于主物料只测量，不控制，故是开环的。 从物料的流量控制器FC的给定值是随主物料的流量变化而变化，要求从物料的流量亦随主物料的流量变化而变化，故为随动控制系统 （4）如果后续设备对从物料老说，是不允许断料的，试选择控制阀的气开、气关型式； 答：应选气关型 （5）确定FC的正、反作用； 答：应选正作用

5 试从图2-67某对象的反应曲线中，表示出该对象的放大系数、时间常数和滞后时间。 解：① K=△H|△qv1

② H（T）= 0.632H（ ∞ ）所对应的时间T，如图 ③  =0 补充作业题2：为了测定某重油预热炉的对象特性，在某瞬间（假定t0=0）突然将燃气量从2.5t/h增加到3.0 t/h，重油出口温度记录仪得到的阶跃反映曲线如图所示。假定对象为一阶对象，试描述该重油预热炉特性方程式（分别以温度变化量与燃气变化量为输出量与输入量），并解出燃料量变化量为单位阶跃变化量时温度变化量的函数表达式。（温度测量仪表的测量范围为0~200℃；流量测量仪表的测量范围为0~5t/h。）

解：放大倍数：

时间常数：T = 8 －2 = 6 min 滞后时间：τ= 2 min ∴ 重油预热炉的微分方程：

13 在比例积分微分调节器中可以调整的参数有哪几个？试说明调整其中一个参数时，对调节器的控制作用有什么影响？ 答： K p （）, T1, TD

01()111(27)1(27)1ttTtTdHTHKQdtHKQeHKAeHTKAeKA



（）写成：（）当t=T时，（）（）=0.632

(150120)℃60[](3.02.5)t/hK



(150120)/20001.5(3.02.5)/50K

或（无量纲）（）

626()()()(2)6(2)60()()16011(2)0(2)ttdTtTTtKQtdtdTtTtQtdtQtTKAeetTt（）（）

燃料油的变化量在单位阶跃变化量时，温度变化量的函数表达式：

（）（）1．K p上升 比例控制作用 上升，K p下降 比例控制作用下降

而δ 上升 比例控制作用下降，δ下降比例控制作用上升 2.TI ，KI 积分作用 ， 积分速度 ， 消除余差速度快，稳定性

3. TD上升，微分作用上升，稳定性 上升。TD下降， 过度灵敏，会出现高频震荡。 比例（P）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID）的比较 控制规律 数学表达式 可调参数 优缺点 适应场合 （1）比例（P） u=K p e K p ,（）

控制及时、过渡时间短、克服干扰能力强。但控制结果有余差 适用于控制通道滞后较小，负荷变化较小，工艺上没有提出余差要求的系统.如：液位 （2）比例积分（PI） K p，T1

能消除余差。但积分控制作用比较缓慢、控制不及时，系统稳定性下降 用于控制通道滞后较小，负荷变化较小，工艺参数不允许有余差的系统.如：压力、流量等 （3）比例积分微分 （PID） K p, T1, TD

控制质量高，积分作用可消除余差，微分作用可提高系统的稳定性但参数整定较麻烦。

用于容量滞后较大，负荷变化大，控制质量要求较高的系统。如温度、成分 16 设计控制系统时，必须确定和考虑哪些方面的问题？ 答：1 首先要对被控对象动态和静态特性作全面的了解，还要对工艺、设备有深入了解。 2确定正确的控制方案：包括① 被控变量的选择；② 操纵变量的选择；③ 检测变送元件及检测位置的选择；④ 执行器的选择；⑤控制器及控制规律的选择。 3对控制器的参数进行工程整定，调到最佳值。 补充题3：图为一蒸汽加热器，利用蒸汽将物料加热到所需温度后排出，试问： ①影响物料出口温度的主要因素有哪些？一般情况下，其中哪些为可控量，哪些为不可控量？ ②如果要设计一温度控制系统，一般应选择什么量为被控变量和操纵变量？为什么？ ③如果物料温度过高时会分解，试确定控制阀的气开、气关形式和控制器的正、反作用方向？ 答：① 影响物料出口温度的主要因素有：加热蒸汽的流量、压力；被加热物料的流量、入口温度；传热情况等。一般情况下，可控量为加热蒸汽流量，其它量为不可控量。 ② 如果要设计一温度控制系统，一般应选择加热器内的物料温度或物料出口温度为被控变量，这是工艺生产中的主要直接操作指标。 应选择加热蒸汽量为操纵变量，因为它是可控量，而且对物料温度的影响较显著。 （3）应选气开阀，反作用控制器。