第3章 串级控制系统.ppt

第3章 串级控制系统 * 串级控制系统的基本概念 串级控制系统的特点 串级控制系统的设计 串级控制系统的参数整定 例如 精馏过程的控制 目标：控制塔釜温度稳定 方案1 优点：将所有对温度的干扰都概括在控制回路内。 缺点：当蒸汽压力波动较大时，由于温度对象滞后较大，控制质量不理想。 3-1 概 述 一、单回路控制的局限性 单回路适用于蒸汽压力恒定的情况 FC 进料 塔底采出 1 2 蒸汽 方案2：控制蒸汽流量恒定 方案2 优点：能及时克服蒸汽压力的干扰对温度的影响 缺点：不能克服进料流量、物料温度等其他因素对温度的影响。 增设一个蒸汽流量控制，如上图所示，是否可以稳定蒸汽流量呢？回答是否定的。 这是因为：当进料增大时，提馏段温度下降，为了保持这一温度稳定，TC使V1开度增大，以增大蒸汽的供给量，随着蒸汽的增大，流量控制器FC开始动作，它要将V2关小，力图使流量回到给定值。这样两套系统就会打架，结果哪套系统度不能正常运行；我们的目的是维持提馏段温度稳定，从而保证塔底产品的质量，二维持蒸汽流量恒定不是目的，流量的大小是允许改变的，何时改变与温度控制的需要而定。 常用的名词 主变量与副变量；主对象与副对象；主控制器与副控制器；主回路与副回路。 串级控制系统方块图 二、串级控制系统的工作过程 f2引起F变化，控制器FC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T； 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T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。 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，从而大大提高了控制质量。 干扰作用于副对象 f1变化→T↑→TC输出↓→FC设定值↓→ FC输出↓→ F↓ 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。 干扰作用于主对象 干扰同时作用于副回路和主对象 加强了控制作用，加快了控制过程。 FC输出（部分）互相抵消，阀稍稍动一点，即可使系统稳定。 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。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。 3-2 串级控制系统的特点 从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。 在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。 一、系统结构的特点 二、控制系统性能的特点 1.能迅速克服进入副回路的干扰 串级系统副环的等效性 由于 而对于动态滞后较小的副回路，有 2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率 比较点后移 1）等效时间常数减小，响应速度加快 令 因为在任何条件下 1+Kc2KvK02Km21 ,因此可得： 等效幅对象时间常数缩小，意味着对象的容量滞后减小，这就会使系统的反应速度加快，控制更为及时。 在时间常数缩小的同时，放大倍数也缩小了，但这一缺陷可通过增大主控制器的放大倍数的办法加以弥补。 2）提高了系统的工作频率 串级系统的特征方程为： 串级控制系统的工作频率为： 对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得： 若两种方案的阻尼系数相同，则有： 结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。 3）串控制系统具有一定的自适应能力 等效副对象的放大系数为： 副回路的等效放大系数为： 这就是说当副控制器的放大倍数整定得足够大时，等效副回路的放大倍数只取决于测量变送环节的放大倍数Km2 ,与幅对象的放大倍数无关。 综上所述，串级控制系统的主要特点有： 1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力； 2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力； 3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。 3-2 串级控制系统的设计 适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质量的要求时，可采用串级控制系统。 1、主变量选择 主变量选择原则：同单回路受控变量选择原则 2、副变量选择原则 副变量的选择与副回路的设计是串级控制的关键