宋彤《過程控制工程》3串級控制系統(tǒng)

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1、3. 串 級 控 制 系 統(tǒng)主 要 內(nèi) 容l 3.1 串 級 控 制 系 統(tǒng) 基 本 概 念 和 構(gòu) 成l 3.2 串 級 控 制 系 統(tǒng) 特 性l 3.3 串 級 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計l 3.4 串 級 控 制 系 統(tǒng) 的 投 運 3.1 串 級 控 制 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 及 動 作 分 析 操 作 及 控 制 目 的 ： 保 證 原 料 出 口 溫 度 及 其 穩(wěn) 定 性 （ 2 ） 。 被 控 變 量 ： 爐 出 口 溫 度操 作 變 量 ： 燃 料 流 量特 點 ： 各 種 干 擾 對 出 口 溫 度 的 影 響 本 回路 均 具 有 抑 制 作 用 。問 題 ： 調(diào) 節(jié) 通 道 的

2、時 間 常 數(shù) 過 大 (15min左 右 )， 控 制 作 用 不 及 時 ,超 調(diào) 量過 大 ， 不 能 滿 足 控 制 要 求 。 單 回 路 控 制 方 案 及 問 題方 案 1：方 案 2：設(shè) 定 ： 主 要 干 擾 來 自 燃 料 熱 值 波 動被 控 變 量 ： 爐 膛 溫 度操 作 變 量 ： 燃 料 流 量特 點 ： 增 強 了 控 制 靈 敏 度 （ T 3min） ，對 爐 膛 溫 度 有 較 好 的 控 制 能 力 ；可 間 接 保 證 出 口 溫 度 的 穩(wěn) 定 性 。問 題 ： 對 工 藝 要 求 的 被 控 變 量 無 監(jiān) 測 。 串 級 控 制 方 案方 案 特

3、 點 ： 選 取 主 、 副 兩 個 被 控 變 量 ， 主 變 量 是 要 求 嚴(yán)格 監(jiān) 控 的 工 藝 變 量 （ 出 口 溫 度 ） ， 副 變 量 為 爐 膛 溫 度 為輔 助 變 量 ， 由 爐 膛 溫 度 控 制 器 的 輸 出 操 縱 燃 料 量 .爐 出 口 溫 度 與 爐 膛 溫 度 串 級 控 制 系 統(tǒng) 存 在 問 題 ： a方 案 ： 能 克 服 各 種 干 擾 ， 但 是 干 擾 控 制 滯 后 大 b方 案 ： 對 于 除 加 熱 蒸 氣 之 外 的 干 擾 無 克 服 能 力例 2： 精 餾 塔 釜 溫 度 控 制 (主 要 干 擾 ： 蒸 汽 壓 力 波 動 )

4、 單 回 路 控 制 方 案 串 級 控 制 精 餾 塔 釜 溫 度 控 制 1） 串 級 控 制 基 本 構(gòu) 成 構(gòu) 成 及 方 案 特 點 ： 具 有 主 、 副 兩 個 或 多 個 被 控 變量 。 主 變 量 是 要 求 嚴(yán) 格 監(jiān) 控 的工 藝 變 量 （ 出 口 溫 度 、 塔 釜 溫度 ） ； 副 變 量 是 為 保 證 主 變 量的 穩(wěn) 定 而 選 擇 的 輔 助 變 量 （ 爐膛 溫 度 、 蒸 汽 壓 力 ） 。 每 個 被 控 變 量 分 別 由 不 同 的 控制 器 負 責(zé) 監(jiān) 控 ； 各 控 制 器 串 聯(lián)連 接 ， 一 個 控 制 器 的 輸 出 作 為另 一 個

5、控 制 器 的 設(shè) 定 值 。 具 有 多 層 回 路 的 控 制 系 統(tǒng) 由 最 內(nèi) 環(huán) 回 路 的 副 變 量 控 制 器的 輸 出 操 縱 執(zhí) 行 器 。 最 常 用 的 復(fù) 雜 控 制 系 統(tǒng) 2） 串 級 控 制 系 統(tǒng) 方 框 圖 加 熱 爐 串 級 控 制 系 統(tǒng) 方 框 圖 系 統(tǒng) 控 制 圖方 框 圖 串 級 控 制 系 統(tǒng) 一 般 方 框 圖 3） 串 級 控 制 主 要 參 數(shù) 及 環(huán) 節(jié) R1(s) R2(s) 3.1.2 精 餾 塔 塔 釜 溫 度 串 級 控 制 動 作 分 析設(shè) 定 元 件 作 用 方 式 ： 溫 度 對 象 ： 正 作 用 （ ）壓 力 對 象

6、： 正 作 用 （ ）調(diào) 節(jié) 閥 門 ： 氣 關(guān) 閥 （ ）(-) (+) (-) (+) (+)(+)(+)測 量 變 送 器 ： 正 作 用 （ ）壓 力 控 制 器 ： 正 作 用 （ ）溫 度 控 制 器 ： 副 作 用 （ ） 2） 動 作 分 析 CPT TT PTGG G Ge z uP T e ue P T1 ( )( ) ( ) ( )2 2 1 1 12主 ： C VTP PPG GG GP e u q P2 ( ) ( )( ) ( )2 2副 ： a. 干 擾 進 入 副 回 路 f2 P T CTT PTGGG GT e u P T1 ( )( )( ) ( )1 1

7、 副主 ： 設(shè) 定 ： f1 T f1副 回 路 ： 依 據(jù) 主 回 路 控 制 要 求 動 作 （ 隨 動 控 制 ） 。 c. 干 擾 同 時 進 入 主 、 副 回 路 C VTP CTTPP PT G GG GGG GP e u qT e u e qP T21 ( ) ( )( ) ( )( )( ) ( )2 21 1 2副 ：主 ： f1f2 22 21 1 2C VTP CTT G GG GGP e u q P TT e u e q( ) ( )( ) ( )( )副 ：主 ： f2 f1 3.2 串 級 控 制 系 統(tǒng) 特 性 分 析 11 ( ) ( ) ( ) ( )PC

8、V PP TPG s G s G s G s單 回 路 系 統(tǒng) 方 框 圖串 級 控 制 等 效 方 框 圖 2） 提 高 系 統(tǒng) 的 工 作 頻 率n 等 效 副 對 象 傳 遞 函 數(shù) ： G sPG sP G s G s G s G sP T c v ( )2( )2 1 ( ) ( ) ( ) ( )2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 2 21 111C V P TP P C V P T P PP P C V P T P PK K K KT T K K K K T TK K K K K K K K /( )/( ) 2 22 2 2 2 222 2 2

9、22 2 2 2 22 2 2 2 211 11 11 1 1P PP C V T P PPC V T P PP C V T P PP C V T P PK T sG s K K K K T sKK K K K T sK K K K K KT s K K K K T ( )( ) ( )( )( )串 級 控 制 系 統(tǒng) 等 效 副 對 象 的 時 間 常 數(shù) 縮 小 了 倍 。 結(jié) 論 ： 由 于 副 回 路 的 存 在 ， 對 象 系 統(tǒng) 容 量 滯 后 減 小 。 提 高 系 統(tǒng) 的 工 作 頻 率 -時 間 常 數(shù) 2 2 21 C V P TK K K K( ) P P V C CP

10、 P V C C TG s G s G s G s G sG s G s G s G s G s G s G1 2 2 11 2 2 1 1( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 工 作 頻 率a.串 級 控 制 系 統(tǒng) 工 作 頻 率 C C V P P TG s G s G s G s G s G s1 2 2 1 11 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 C C C C V V T TP PP PP PG s K G s K G s K G s KK KG s G sT s T s1 1 2 2 1 11 21 21 2(

11、 ) , ( ) , ( ) , ( )( ) , ( )1 1令 ： C C V P P TP PP P P PP P OP PP P P P K K K K K KT Ts sT T T TT TT TT TT T2 1 2 1 2 11 21 2 1 2 21 20 1 2 21 2cascade 1 2 1 02 112 C C V P P TG s G s G s G s G s G s1 2 2 1 11 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 b. 單 回 路 控 制 系 統(tǒng) 工 作 頻 率l 單 回 路 控 制 系 統(tǒng) 方 框 圖 1 21 21 P P V CP

12、P V C TG s G s G s G sG s G s G s G s G s G s( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 21 0P P V C TG s G s G s G s G s( ) ( ) ( ) ( ) ( ) l 根 據(jù) 特 征 方 程 有 ：l 根 據(jù) 標(biāo) 準(zhǔn) 二 階 函 數(shù) 有 工 作 頻 率 ：1 121 2 1 2 1 21 01 0C V P TP P P P C V P P TG s G s G G s G sT T s T T s K K K K KP2( ) ( ) (s) ( ) ( )( ) 1 20 1 2

13、2 P PP PT TT T 22 1 2single 0 1 2 11 2P PP PT TT T C C V V T TP PP PP PG s K G s K G s KK KG s G sT s T s1 21 21 2( ) , ( ) , ( )( ) , ( )1 1令 ： 21 2cascade 1 2 12P PP PT TT T 1 2 1 2 1 21 2 1 2 1 21 11cascade P P P P P Psingle P P P P P PT T T T T TT T T T T T c.串 級 控 制 與 單 回 路 控 制 系 統(tǒng) 工 作 頻 率 比 較2

14、1 2single 1 2 12P PP PT TT T 3） 自 適 應(yīng) 能 力 （ 魯 棒 性 ） 自 適 應(yīng) 能 力 分 析 C V PC V P TG s G s G sG s G s G s G s G s2 22 2 2 2( ) ( ) ( )( ) 1 ( ) ( ) ( ) ( ) 2 22 2 2 21 C V PC V P TK K KK K K K K 22 22 2 2 21 C VP C V P TK KdKdK K K K K( ) 2 21TK K 串 級 控 制 系 統(tǒng) 基 本 特 性 ： 控 制 演 示 3.3 串 級 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計3.3.1副 被

15、 控 變 量 選 擇 l 注 意 ： 上 述 原 則 之 間 的 矛 盾 性 ， 應(yīng) 根 據(jù) 過 程 及控 制 的 實 際 進 行 選 擇 。 例 1 精 餾 塔 釜 溫 度 串 級 控 制 設(shè) 計 （ 主 要 干 擾 處 理 ）副 變 量 候 補 ：1)蒸 汽 流 量 F ； 2)閥 后 蒸 汽 壓 力 P ； 3)釜 液 循 環(huán) 流 量 F2) 副 被 控 變 量 選 擇 及 串 級 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計 舉 例控 制 目 標(biāo) ：保 證 精 餾 塔 底 溫度 及 其 穩(wěn) 定 性主 要 干 擾 :塔 底 蒸 汽 量 串 級 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計 方 案 1： 塔 釜 溫 度 -蒸 汽 流

16、 量 串 級特 點 ：l 包 含 干 擾 ： 蒸 汽 流 量 ， 換 熱 器 壓 力 變 化 l 調(diào) 節(jié) 速 度 ： 時 間 常 數(shù) 較 小 ， 能 快 速 克 服 上 述 干 擾 的 影 響l 對 其 他 干 擾 無 克 服 能 力蒸 汽 TCFC 塔 釜 特 點 ：l包 含 干 擾 ： 蒸 汽 源 壓 力 、 換 熱 器 壓 力 及 壁 溫 的 影 響l調(diào) 節(jié) 速 度 ： 壁 溫 變 化 時 間 常 數(shù) (幾 秒 )納 入副 環(huán) ， 提 高 整 體 系 統(tǒng) 工 作 頻 率l不 足 ： 副 參 數(shù) 對 主 參 數(shù) 間 接 影 響 時 間常 數(shù) 較 大 。 塔 釜 溫 度 控 制 要 求 較嚴(yán)

17、 格 時 ， 不 能 保 證 工 藝 側(cè) 蒸 汽 流的 恒 定 完 全 保 證 控 制 要 求 指 標(biāo) 串 級 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計 3： 塔 釜 溫 度 -工 藝 蒸 汽 流 量 串 級特 點 ：l包 含 干 擾 ： 增 加 了 再 沸 器 液 位 、 溫 度 ， 以 及 傳 熱 系 數(shù) 干 擾l不 足 ： 副 環(huán) 時 間 常 數(shù) 較 大 ， 對 蒸汽 氣 源 壓 力 的 波 動 的 克 服 能力 減 弱 。 例 2 造 紙 工 藝 網(wǎng) 前 箱 溫 度 控 制 （ 純 滯 后 處 理 ）TSTC2n工 藝 過 程 純 滯 后 時 間 ： 90秒n 單 回 路 控 制 ： 紙 漿 波 動 ：

18、 35kg/min 或 者 蒸 汽 波 動 ： 0.12MPa/cm 2 最 大 偏 差 ： 8.5 過 渡 時 間 ： 450sn 設(shè) 計 串 級 控 制 ， 將 純 滯 后 環(huán) 節(jié) 置 于 副 環(huán) 之 外 。 串 級 控 制 效 果 ： 紙 漿 波 動 ： 35kg/min 或 者 蒸 汽 波 動 ： 0.12MPa/cm2 最 大 偏 差 ： 1 過 渡 時 間 ： 200s 例 3： 合 成 反 應(yīng) 器 溫 度 串 級 控 制 系 統(tǒng) （ 非 線 性 環(huán) 節(jié) 處 理 ） n控 制 要 求 ：保 證 出 口 溫 度防 止 液 態(tài) 丙 烯 隨 氣 態(tài) 丙 烯 被 吸 出n方 案 a： *

19、靈 敏 度 較 低 ， 比 較 遲 鈍 ， * 日 常 操 作 ： 經(jīng) 濟 性 較 好 * 不 能 確 保 氣 態(tài) 丙 烯 不 帶 液n方 案 b： * 靈 敏 度 較 高 ， * 氣 態(tài) 丙 烯 出 口 壓 力 不 穩(wěn) 定 。 * 冷 量 利 用 不 足 抽 吸 氣 態(tài) 丙 烯 的 壓 縮 機 入 口 壓力 相 同 情 況 下 ： 方 案 b的 蒸 發(fā) 壓 力高 于 方 案 a * 需 要 增 加 一 套 液 位 控 制 系 統(tǒng) 例 4 冷 凝 器 溫 度 控 制 （ 經(jīng) 濟 性 ）方 案 a 方 案 b建 議 ： 溫 度 控 制 質(zhì) 量 要 求 不 高 時 應(yīng) 用 方 案 a 3.3.2

20、控 制 器 選 擇 a. 控 制 規(guī) 律b. 作 用 方 式 b. 副 控 制 器 控 制 規(guī) 律 選 擇 ： 副 回 路 允 許 存 在 余 差 ， 可 采 用 純 比 例 控 制 器 。但 是 ：l 流 量 和 液 體 壓 力 作 為 副 變 量 時 ， 由 于 其 開 環(huán) 靜 態(tài)增 益 較 小 ， 應(yīng) 適 當(dāng) 加 入 積 分 作 用 目 的 ： 加 強 控 制 作 用 。l 溫 度 的 場 合 ， 可 加 入 微 分 控 制 作 用 。 v注 意 ： 由 于 副 回 路 是 隨 動 系 統(tǒng) ， 應(yīng) 采 用 具 有 微 分 先 行的 控 制 器 (+) 3.3.3 串 級 控 制 系 統(tǒng)

21、的 投 運 3.4 串 級 控 制 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 范 圍 串 級 控 制 系 統(tǒng) 舉 例如 圖 某 連 續(xù) 反 應(yīng) 器 ， 通 過 向 夾 套 內(nèi)通 冷 卻 水 的 方 式 控 制 反 應(yīng) 器 內(nèi) 溫 度 。已 知 冷 卻 水 壓 力 波 動 頻 繁 ， 請 為 此過 程 設(shè) 計 一 串 級 控 制 系 統(tǒng) 。 要 求 ：a. 在 圖 中 完 成 所 設(shè) 計 的 控 制 方 案（ 繪 出 工 藝 控 制 流 程 圖 ） 。b. 為 保 證 反 應(yīng) 器 內(nèi) 溫 度 在 任 何 時 刻都 不 超 高 。 試 選 定 調(diào) 節(jié) 閥 的 氣 開 、氣 關(guān) 形 式 ； 主 、 副 控 制 器 正 、 反

22、 作用 方 式 。c.若 冷 卻 水 溫 度 波 動 是 主 要 干 擾 ，上 面 所 設(shè) 計 的 控 制 回 路 能 否 滿 足 控制 要 求 ？ 若 不 能 滿 足 應(yīng) 作 如 何 改 動 ？ 畫 出 控 制 流 程 圖 。 a. 在 圖 中 完 成 所 設(shè) 計 的 控 制 方 案n被 控 變 量 選 擇l 主 ： （ 盡 可 能 選 用 直 接 參 數(shù) ） 反 應(yīng) 器 內(nèi) 溫 度 （ T）l 副 ： （ 將 主 要 干 擾 納 入 副 環(huán) ） 冷 卻 水 壓 力 （ P） (取 閥 后 壓 力 )n繪 出 工 藝 控 制 流 程 圖 T P b. 確 定 調(diào) 節(jié) 閥 、 控 制 器 的

23、工 作 方 式n調(diào) 節(jié) 閥 開 關(guān) 形 式 ： 反 應(yīng) 器 內(nèi) 溫 度 不 允 許 超 高 ， 冷 卻 水不 能 中 斷 ： 選 調(diào) 節(jié) 閥 為 氣 (電 )關(guān) 式 調(diào) 節(jié) 閥 (-)n控 制 器 作 用 形 式l 副 控 制 器 （ PC） ： 副 對 象 作 用 形 式 ： qP 正 作 用 (+) 副 測 量 變 送 環(huán) 節(jié) 默 認(rèn) 為 正 作 用 (+) 判 定 ： 選 擇 正 作 用 式 副 控 制 器 l主 控 制 器 （ TC） ： 等 效 副 環(huán) 作 用 形 式 為 正 作 用 形 式 主 對 象 作 用 形 式 ： P T 反 作 用 形 式 判 定 ： 選 擇 正 作 用 式 主 控 制 器 T P 串 級 控 制 系 統(tǒng) 設(shè) 計 練 習(xí)