北京化工大学：《过程控制工程》课程电子教案（讲义）第二章串级控制系统.pdf_大学文库

时教堂方法、分配教学过程手段第二章串级控制系统回顾：1.单回路控制系统的基本组成及工作原理 ●单回路控制系统包括娜些基本环节？以液位控制系统为例：控制器日控制阀一被制对到探究式讲授法测量变进钟被控变量的选择原则：4个 ●操纵变量的选择原则：6个 ●控制阀的选择原则： 2.干扰通道和控制通道中各参数的影咆 (1)比例增益：(2)时间常数：(3)纯滞后时间 2.1概述问题的提出单回路控制系统在实际生产中的应用情况，以乙烯生产厂为例：它共有421个控制回路其中：常规PD单回路 347个，串级、比值等74个（串级24）单回路控制系统一简单控制系统：在般情况下能够满足生产控制要求，但探究式是在一些特殊情况，如系统干扰因素多干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求时，讲送需要求助于复杂系统，如串级系统，比值系统，均匀系统，前馈系统如，在精馏控制过程提馏段温度控制中，一般是通过控制再沸器加热蒸汽量提问：根据来维持提馏段温度恒定。但是，如果加热蒸汽压力也经常波动，则该控制系统无我们已经学法很好的进行控制。过的内容，这种方案不合适的原因：第如何解决这这两套系统相互关联，会使两个系纷一问题？都无法工作。两套控制系统就“打架了，结果哪一套系统都不能正常运行提问：这种第二，我们的目的是维持提馏段温度方法是否可从而保证塔底产品质量，的大小是允许改变的，至于何时变何多媒体时不变，以及变化多少，要由温度控演示法制的需要而定。在上述分析的基础上，将两个控制阀合为一个，用温度控制器的输出作为流量制器的给定值，而用后者的输出去控制控制阀。这样就构成了一种新的控制形式，即所谓串级控制系统

- 1 - 控制器控制阀被制对象测量变送时间分配教学过程教学方法、手段课程导入 5 分钟第二章串级控制系统回顾： 1. 单回路控制系统的基本组成及工作原理 ● 单回路控制系统包括哪些基本环节？以液位控制系统为例： ● 被控变量的选择原则：4 个 ● 操纵变量的选择原则：6 个 ● 控制阀的选择原则： 2. 干扰通道和控制通道中各参数的影响（1）比例增益；（2）时间常数；（3）纯滞后时间探究式讲授法提出问题 10 分钟 2．1 概述问题的提出单回路控制系统在实际生产中的应用情况，以乙烯生产厂为例：它共有 421 个控制回路其中：常规 PID 单回路 347 个，串级、比值等 74 个（串级 24）单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况下能够满足生产控制要求，但是在一些特殊情况，如系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求时，需要求助于复杂系统，如串级系统，比值系统，均匀系统，前馈系统… 如，在精馏控制过程提馏段温度控制中，一般是通过控制再沸器加热蒸汽量来维持提馏段温度恒定。但是，如果加热蒸汽压力也经常波动，则该控制系统无法很好的进行控制。这种方案不合适的原因：第一，这两套系统相互关联，会使两个系统都无法工作。两套控制系统就“打架” 了，结果哪一套系统都不能正常运行。第二，我们的目的是维持提馏段温度的稳定，从而保证塔底产品质量，而维持蒸汽量恒定却并不是目的，流量的大小是允许改变的，至于何时变何时不变，以及变化多少，要由温度控制的需要而定。在上述分析的基础上，将两个控制阀合为一个，用温度控制器的输出作为流量控制器的给定值，而用后者的输出去控制控制阀。这样就构成了一种新的控制形式，即所谓串级控制系统。探究式讲授法提问：根据我们已经学过的内容，如何解决这一问题？提问：这种方法是否可行？多媒体演示法 LC FC TC

基本原理】串级控制系统有两个环路：一个内环和基个外环。习惯上称内环为副环，外环为主探究式环本处于副环内的控制器、对象和变送器分讲授法别称副控制器、副对象和副变送器。副对象的输出称刷被控变量，简称剧变量。处于主环内的控制器、对象和变送器分别称主控制」多媒体士对和士变送哭主对象的输出称主演示法被控变量，简称主变量该串级控制系统的方块图如下图所示：板书、 →？→主控制器→？→脚控制图+控制阀→对象主对象互动法副测量变送器、主测量变送器，提示：偏差工作过程的定义下面可在上述例子的基础上分析扰动情况下该系统的工作原理，一般情况下可分为以下几种情况：第一种情况：干扰来自副环假如某一时刻开始燕汽流量突然增大了，在这一干扰作用下必然会导致提馆假如某一时段温度的上升，然而由于再沸器和塔釜部分都具有二定的容量，对干扰的响应具刻开始蒸汽有滞后，就是说蒸汽流量的变化导致提馏段温度的改变需要经过一段时间，因而流量突妖增洱度控制婴的信差信号仍然为零，这样温度控制器的输出暂时也不会变。可是几大了，此时乎就在蒸汽流量改变的同时，流量变送器马上就感受到了，并立即将这一流量增大的信号送流量控制器。对流量控来说它所接受的给定信 (由温度拉最先感受到制器输出提供)没有变，但是测量信号增大了，因此它感受到的是正偏差，偏差？流量控制器是反作用的，它的输出将减小，又由于控制阀是气开式的，因此控制阀就要关小些，这样就将增大了的蒸汽流量拉了下来。显然，由于流量控制器控计生制的结果，将会大大削丽蒸汽流量变化对提瘤段温度的影响。随着时间的增长摄问。蒸汽流量增大的影响最终慢慢会在提馏段温度上反映出来，于是提馏段温度到环动作之慢地升高（不过这时温度变化的幅度比没省流量控制时要小得多）。随着温度的后，主环如升，温度控制器呈现正偏差，由于温度控制器为反作用，它的输出将减小，这样何动作？流量控制器的给定值将下降，促使流量控制器对蒸汽流量进一步进行调整。此过程一直进行到提馏段温度重新回到给定值时为止。这时控制阀将处于一个新的开度上。提问：进料量增大第二种情况：干扰来自主环。的情况下，假定从某一个时刻开始，进料量突然增大了。在这一干扰作用下，首先塔釜液位 B个制器会上升，当加热蒸汽暂时还没变的情况下，提馏段温度将会下降。这样，对温度最先成受到控制器来说，它所感受到的是负偏差，于是它的输出将增大，也就是说流量控制偏美？主器的给定值增大然而它的测量值暂时还没有变。于是流量控制器则感受到句控制器如何偏差，流量控制器的输出将增大。随着流量控制器输出的增大，控制阀的开度也动作？将增大，进入再沸器的蒸汽量将增多，提馏段的温度将慢慢回升，直到重新回到给定值时为止。 2

- 2 - 基本原理 8 分钟控制系统工作过程分析 25 分钟基本原理串级控制系统有两个环路：一个内环和一个外环。习惯上称内环为副环，外环为主环。处于副环内的控制器、对象和变送器分别称副控制器、副对象和副变送器。副对象的输出称副被控变量，简称副变量。处于主环内的控制器、对象和变送器分别称主控制器、主对象和主变送器。主对象的输出称主被控变量，简称主变量。该串级控制系统的方块图如下图所示：工作过程下面可在上述例子的基础上分析扰动情况下该系统的工作原理，一般情况下可分为以下几种情况：第一种情况：干扰来自副环假如某一时刻开始蒸汽流量突然增大了，在这—干扰作用下必然会导致提馏段温度的上升，然而由于再沸器和塔釜部分都具有二定的容量，对干扰的响应具有滞后，就是说蒸汽流量的变化导致提馏段温度的改变需要经过一段时间，因而温度控制器的偏差信号仍然为零，这样温度控制器的输出暂时也不会变。可是几乎就在蒸汽流量改变的同时，流量变送器马上就感受到了，并立即将这一流量增大的信号送给流量控制器。对流量控制器来说，它所接受的给定信号(由温度控制器输出提供)没有变，但是测量信号增大了，因此它感受到的是正偏差，由于流量控制器是反作用的，它的输出将减小，又由于控制阀是气开式的，因此控制阀就要关小些，这样就将增大了的蒸汽流量拉了下来。显然，由于流量控制器控制的结果，将会大大削弱蒸汽流量变化对提馏段温度的影响。随着时间的增长、蒸汽流量增大的影响最终慢慢会在提馏段温度上反映出来，于是提馏段温度会慢慢地升高(不过这时温度变化的幅度比没省流量控制时要小得多)。随着温度的上升，温度控制器呈现正偏差，由于温度控制器为反作用，它的输出将减小，这样流量控制器的给定值将下降，促使流量控制器对蒸汽流量进一步进行调整。此一过程一直进行到提馏段温度重新回到给定值时为止。这时控制阀将处于一个新的开度上。第二种情况：干扰来自主环。假定从某一个时刻开始，进料量突然增大了。在这一干扰作用下，首先塔釜液位会上升，当加热蒸汽暂时还没变的情况下，提馏段温度将会下降。这样，对温度控制器来说，它所感受到的是负偏差，于是它的输出将增大，也就是说流量控制器的给定值增大了，然而它的测量值暂时还没有变，于是流量控制器则感受到负偏差，流量控制器的输出将增大。随着流量控制器输出的增大，控制阀的开度也将增大，进入再沸器的蒸汽量将增多，提馏段的温度将慢慢回升，直到重新回到给定值时为止。探究式讲授法多媒体演示法板书、互动法提示：偏差的定义提问：假如某一时刻开始蒸汽流量突然增大了，此时哪个控制器最先感受到偏差？提问：副环动作之后，主环如何动作？提问：进料量增大的情况下，那个控制器最先感受到偏差？主副控制器如何动作？ FC TC 主控制器副控制器控制阀副对象主对象副测量变送器主测量变送器 PC

第三种情况：主环和副环同时有干扰探究式可分成两种情形来考虑。讲授法副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰使提馏段温度降低：当主环干扰使提馏段温度降低时，温度控制器感受到的是负偏差，因此提问：控制它的输出将增大，也就是说流最控制器的给定值将增大，与此同时流量控制器给定值和器的测量值也增大了。由于此时流量控制的测量值和给定值都在同时增大，测量值同时其偏美信号的大小和符号苦要由这两者增大的数估来决定：加里两者增大的改变的情数值相等，则偏差仍等于零，流量控制器的输出将维持原来的大小如何动此控制阀也维持在原有开度不变；如果给定值增大的数值大，则呈负偏差，作流量控制器的输出将增大，控制阀的开度将增加：如果给定值增加得少，则呈正偏差，流量控制器输出将减小。控制阀将关小。二、副环干扰使蒸汽量增大，而主环干就知使银馏段源度升高在主环干扰作用下，提馏段温度升高了。温度控制器感受到的是正偏差控因此，它的输出将下降，也就是说流最控制器的给定值在降低。与此同时副环干扰使蒸汽流量增大，流量控制器的测量值将增大。将主、副环干扰纷合起来考虑，这时流量控制器将感受到比较大的正偏差输入信号。于是它将入大幅度地关小控制阀门多媒体理论分析：演示法过 Goz(s)= G(s) 1+Gp(s)Gm(s)Gc:(s)Gr(s)1+Tos T 其中，K=1+KcK,KmK Te-1+KcaK: 在串级控制系统中以一个时间常数和放大倍数都缩小了的等效副对象代了原来的副对象，可使系统的控制质量获得提高。结论：串级控制方案且有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现比较方便所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的一种控制方法。提问：控制系结分折中偏差的定义是什么？ (复习定义以便确定控制器正、反作用) 小结 1总结本次课所讲的主要内容。 2布置课后练习及下节课预习任务。探究式课后练习：讲授法预习：

- 3 - 控制系统工作过程分析 25 分钟第三种情况：主环和副环同时有干扰可分成两种情形来考虑。一、副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰使提馏段温度降低；当主环干扰使提馏段温度降低时，温度控制器感受到的是负偏差，因此它的输出将增大，也就是说流量控制器的给定值将增大，与此同时流量控制器的测量值也增大了。由于此时流量控制的测量值和给定值都在同时增大，其偏差信号的大小和符号就要由这两者增大的数值来决定：如果两者增大的数值相等，则偏差仍等于零，流量控制器的输出将维持原来的大小不变，因此控制阀也维持在原有开度不变；如果给定值增大的数值大，则呈负偏差，流量控制器的输出将增大，控制阀的开度将增加；如果给定值增加得少，则呈正偏差，流量控制器输出将减小。控制阀将关小。二、副环干扰使蒸汽量增大，而主环干扰却使提馏段温度升高。在主环干扰作用下，提馏段温度升高了。温度控制器感受到的是正偏差，因此，它的输出将下降，也就是说流量控制器的给定值在降低。与此同时；副环干扰使蒸汽流量增大，流量控制器的测量值将增大。将主、副环干扰综合起来考虑，这时流量控制器将感受到比较大的正偏差输入信号。于是它将大幅度地关小控制阀门。理论分析： 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 02 2 2 ' 02 02 G s G s G s G s G s G s + m C V = T s K ' 02 ' 02 1+ = 其中， 2 02 2 ' 02 02 1 KC KV K K m K K + = 2 02 2 ' 02 02 1 KC KV K K m T T + = 在串级控制系统中以一个时间常数和放大倍数都缩小了的等效副对象代替了原来的副对象，可使系统的控制质量获得提高。结论：串级控制方案具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，比较方便。所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的一种控制方法。探究式讲授法提问：控制器给定值和测量值同时改变的情况下，如何动作？多媒体演示法自问自答形式提问：控制系统分析中偏差的定义是什么？（复习定义以便确定控制器正、反作用）小结 2 分钟 1.总结本次课所讲的主要内容。 2.布置课后练习及下节课预习任务。课后练习：预习：探究式讲授法

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探究式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。讲授法副变量是粗调，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多媒体也加入微分作用演示法副控制器 (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，不管干扰出现在什板书、么位置互动法 (2)主、副控制器正反作用的选择选择顺序：先副后剧控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况主控制器、主对象，以及副回路：副回路可以看作是一个符号为“正”的环节一随动系统，跟踪主控制器的输出因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为“负”，则主控制器取“正”作用。 (3)串级与主控的切换条件串级一主控：用主制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀主控一串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确一直接切换条件例1：副控制器为反作用（负）：钟 const const 可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。副控制器为正作用（正）： const cons 此时主、副控制器输出信号变化不一致条件：如剧控是反作用，可执行切换；如副控是正作用，需先改变主控的方向再切换。结论：如对控制阀的开闭形式没有要求，应选择使副控为反作用的开、闭形式。 -6

- 6 - 串级控制系统的实施 15 分钟 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。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）主、副控制器正反作用的选择选择顺序：先副后主副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况主控制器、主对象，以及副回路：副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 —— 随动系统，跟踪主控制器的输出因此，主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为“负”，则主控制器取“正”作用。（3）串级与主控的切换条件串级→主控：用主控制器代替原副控制器的输出，直接控制控制阀主控→串级：用副控制器代替原主控制器的输出，直接控制控制阀无论哪种切换，必须保证阀的控制方向正确——直接切换条件 FC sp const FC sp const 副控制器为反作用（负）： FC sp const FC sp const 副控制器为正作用（正）：可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。此时主、副控制器输出信号变化不一致此时主、副控制器输出信号变化不一致例1： FC sp const FC sp const 副控制器为反作用（负）： FC sp const FC sp const 副控制器为正作用（正）：可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。可见，此时主、副控制器输出信号变化一致。此时主、副控制器输出信号变化不一致此时主、副控制器输出信号变化不一致例1：条件：如副控是反作用，可执行切换；如副控是正作用，需先改变主控的方向，再切换。结论：如对控制阀的开闭形式没有要求，应选择使副控为反作用的开、闭形式。探究式讲授法多媒体演示法板书、互动法

北京化工大学：《过程控制工程》课程电子教案（讲义）第二章 串级控制系统

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