第4章 复杂过程控制系统

复杂过程控制系统

4.1 串级控制系统§1 概述

单回路控制系统：结构简单，但难于适应工艺参数 间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。 复杂控制系统：具有两个以上的检测变送单元、或 控制器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务 串级控制系统：对改善控制品质有独到之处，故而 在过程控制系统中应用很广泛。

一.串级控制系统的组成1、问题的提出 以炼油厂管式加热炉的出口温度控制为例。 (1)、采用直接控制方案：如图4-1所示。 优点：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。 (2)、采用间接控制方案：如图4-2所示。 优点：能及时而有效地克服来自燃料油压力方面的 干扰。 缺点：燃料油控制只起辅助作用；放弃炉出口温度 控制将无法克服来自原料流量和温度、炉膛压力变化等 方面的干扰。

2、系统组成

(1)、结构图：将图4-1、图4-2方案综合起来， 即得串级控制系统如图4-4所示。

温度测量

加热流量测量

(2)、方框图：如图4-3所示。 (3)、特征：两台控制器串联在一起，控制一个 调节阀。

(4)、另一实例

(5)、常见名词术语:

主、副变量，主、副控制器，主、副对象，主、 副变送器，主、副回路等，如图4-5.

4-5

二、二次干扰 作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。 图4-5为串级控制系统的通用方框图。 三、串级控制系统的工作过程

仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析克服干扰的过程。 1、干扰来自燃料油流量 初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不 变。

出口温度变化时，温度控制器不断改变着流量控 制器的设定值。

2、干扰来自原料油

出口温度 定值 。

温度控制器输出

流量控制器设

燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。

3、一、二次干扰同时出现(1)、使主、副变量同向变化 (2)、使主、副变量反向变化 分析可知：副控制器具有“粗调”作用，主控 制器具有“细调”作用；两者配合，控制质量必高于 单回路控制系统。

§2

串级控制系统的特点

一、时间常数 串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小， 放大系数增大，从而显著提高控制质量。 将整个副回路看成一个副对象，则简化图如图 4-5所示。

由分析，可得式(4-3) T‘02<T02意味着控制通道的缩短。

二、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特征方程的分析 可知: 串> 单。

三、抗干扰能力 设干扰从阀前

进入。 进一步等效,图4-6。 分析可得式:

Y1 (s) / X 1 (s) K 1K 2 K1*K2越大，抗干扰能力越强。 Y1 (s ) / F2 (s ) 进一步分析可知单回路比串级抗干扰能力差。

四、有一定的自适应能力 单回路控制系统只有一个控制器，设定值一般不变，难以适应负荷非线性的变化。 串级控制系统中，副回路是一个随动系统，设定 值随主控制器的输出而变化，适应负荷变化的能力较 强。

K02变化对等效K‘02影响很小，亦可说明副回路能自动地克服对象非线性特性的影响。

§3 串级控制系统的工业应用 坚持一个设计原则：凡是用单回路控制系统能 满足控制要求的，就不再用串级控制系统。

一、用于克服对象的纯滞后 当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、 纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副 回路。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是 对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。

例 如下图所示：

被控参数：A点温度

控制参数：减温水流量 主要干扰：减温水压力波动。

副变量：过热蒸汽温度，位于滞后较小的B点。

二、用于克服对象的容量滞后 容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡 过程长。 以温度或质量作为被控量的控制对象，其容量滞 后往往比较大，致使控制质量变差。

对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制 系统的使用最为普遍，效果较好。 此时应选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路。 副环的时间常数不能过大，以防共振；也不能过 小，力求多包含一些干扰。

例 如下张图：