大学课件-串级控制系统.ppt
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1、6.1 串级控制原理6.2 串级控制系统的特点6.3 串级控制系统的设计6.4 串级控制系统的参数整定6.5 串级控制系统的工业应用第六章 串级控制系统设计返回例例例例:管式加热炉管式加热炉管式加热炉管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一(如下所示),是炼油厂经常采用的设备之一(如下所示),是炼油厂经常采用的设备之一(如下所示),是炼油厂经常采用的设备之一(如下所示),其工艺要求是:其工艺要求是:其工艺要求是:其工艺要求是:炉出口温度保持恒定炉出口温度保持恒定炉出口温度保持恒定炉出口温度保持恒定。一、串级控制系统的组成一、串级控制系统的组成一、串级控制系统的组成一、串级控制系统的组成干扰:干扰:
2、干扰:干扰:原料的流量、初始温度;原料的流量、初始温度;原料的流量、初始温度;原料的流量、初始温度;燃料的流量、燃料热值。燃料的流量、燃料热值。燃料的流量、燃料热值。燃料的流量、燃料热值。6.1 6.1 串级控制原理串级控制原理方案一:方案一:方案一:方案一:管式加热炉出口温度的单回路控制管式加热炉出口温度的单回路控制管式加热炉出口温度的单回路控制管式加热炉出口温度的单回路控制温度检测温度检测变送器变送器温度控温度控制器制器期望期望温度温度由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时;由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时;由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时;由于原料、燃料的流
3、量等扰动导致控制作用不及时;偏差大,控制质量差。偏差大,控制质量差。偏差大,控制质量差。偏差大,控制质量差。存在的问题:存在的问题:存在的问题:存在的问题:方案二:方案二:方案二:方案二:管式加热炉出口温度的间接控制(管式加热炉出口温度的间接控制(管式加热炉出口温度的间接控制(管式加热炉出口温度的间接控制(1 1 1 1)存在的问题:存在的问题:存在的问题:存在的问题:在这个方案中,炉出口温度不是被控量,当来自原料入在这个方案中,炉出口温度不是被控量,当来自原料入在这个方案中,炉出口温度不是被控量,当来自原料入在这个方案中,炉出口温度不是被控量,当来自原料入口温度和初始温度等干扰因素使出口温度
4、发生变化时,此间口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时,此间口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时,此间口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时,此间接控制系统无法将变化了的温度调回来;接控制系统无法将变化了的温度调回来;接控制系统无法将变化了的温度调回来;接控制系统无法将变化了的温度调回来;期望期望流量流量流量检测流量检测变送器变送器流量控流量控制器制器管式加热炉出口温度的间接控制(管式加热炉出口温度的间接控制(管式加热炉出口温度的间接控制(管式加热炉出口温度的间接控制(2 2 2 2)期望炉膛期望炉膛温度温度 用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值,由流量用温度控制
5、器的输出作为流量控制器的设定值,由流量用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值,由流量用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值,由流量控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀,可以控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀,可以控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀,可以控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀,可以抑制燃料油抑制燃料油抑制燃料油抑制燃料油流量的扰动流量的扰动流量的扰动流量的扰动方案三:方案三:方案三:方案三:加热炉出口温度与燃料流量的串级控制加热炉出口温度与燃料流量的串级控制加热炉出口温度与燃料流量的串级控制加热炉出口温度与燃料流量的串级控制同样:同样:同样:同样:加热炉出口温度与炉膛温度的
6、串级控制可以加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油抑制燃料油抑制燃料油抑制燃料油 流量的扰动和热值扰动。流量的扰动和热值扰动。流量的扰动和热值扰动。流量的扰动和热值扰动。串级控制系统:串级控制系统:串级控制系统:串级控制系统:就是由两个调节器串联在一起,控制一个执就是由两个调节器串联在一起,控制一个执就是由两个调节器串联在一起,控制一个执就是由两个调节器串联在一起,控制一个执 行阀,实现定值控制的控制系统。行阀,实现定值控制的控制系统。行阀,实现定值控制的控制系统。行阀,实现定值控制的控制系统。串级控制系统中
7、常见的名词术语:串级控制系统中常见的名词术语:串级控制系统中常见的名词术语:串级控制系统中常见的名词术语:温度温度温度温度-流量串级控制系统的方框图如下:流量串级控制系统的方框图如下:流量串级控制系统的方框图如下:流量串级控制系统的方框图如下:主、副变量,主、副控制器(调节器),主、副对象,主、主、副变量,主、副控制器(调节器),主、副对象,主、主、副变量,主、副控制器(调节器),主、副对象,主、主、副变量,主、副控制器(调节器),主、副对象,主、副检测变送器,主、副回路。副检测变送器,主、副回路。副检测变送器,主、副回路。副检测变送器,主、副回路。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。
8、作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。串级控制系统的通用方框图:串级控制系统的通用方框图:串级控制系统的通用方框图:串级控制系统的通用方框图:二、串级控制系统的工作过程(参见二、串级控制系统的工作过程(参见二、串级控制系统的工作过程(参见二、串级控制系统的工作过程(参见P198P198P198P198)仍以管式加热炉出口温度控制为例,分析温度仍以管式加热炉出口温度控制为例,分析温度仍以管式加热炉出口温度控制为例,分析温度仍以管式加热炉出口温度控制为例,分析温度-流量串级控流量串级控流量串级控流量串级控
9、制系统克服干扰的过程。制系统克服干扰的过程。制系统克服干扰的过程。制系统克服干扰的过程。调节阀:调节阀:调节阀:调节阀:气开式气开式气开式气开式 温度调节器、流量调节器:温度调节器、流量调节器:温度调节器、流量调节器:温度调节器、流量调节器:反作用反作用反作用反作用内回路选取时应包含主要干扰,同时时间常数不宜过长。内回路选取时应包含主要干扰,同时时间常数不宜过长。内回路选取时应包含主要干扰,同时时间常数不宜过长。内回路选取时应包含主要干扰,同时时间常数不宜过长。情况一:情况一:情况一:情况一:干扰来自燃料油流量的变化干扰来自燃料油流量的变化干扰来自燃料油流量的变化干扰来自燃料油流量的变化 初始
10、阶段,出口温度不变,温度控制器的输出不变,流量控初始阶段,出口温度不变,温度控制器的输出不变,流量控初始阶段,出口温度不变,温度控制器的输出不变,流量控初始阶段,出口温度不变,温度控制器的输出不变,流量控制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制,改制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制,改制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制,改制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制,改变执行阀的原有开度,使燃料油向原来的设定值靠近。变执行阀的原有开度,使燃料油向原来的设定值靠近。变执行阀的原有开度,使燃料油向原来的设定值靠近。变执行阀的原有开度,使燃料油向原来的
11、设定值靠近。当出口温度发生变化时,温度控制器不断改变着流量控制器当出口温度发生变化时,温度控制器不断改变着流量控制器当出口温度发生变化时,温度控制器不断改变着流量控制器当出口温度发生变化时,温度控制器不断改变着流量控制器的设定值,流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进的设定值,流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进的设定值,流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进的设定值,流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制,直到炉出口温度重新恢复到设定值行控制,直到炉出口温度重新恢复到设定值行控制,直到炉出口温度重新恢复到设定值行控制,直到炉出口温度重新恢复到设定值 。先副回路
12、,先副回路,先副回路,先副回路,后主回路后主回路后主回路后主回路情况二:情况二:情况二:情况二:干扰来自原料油方面,使炉出口温度升高干扰来自原料油方面,使炉出口温度升高干扰来自原料油方面,使炉出口温度升高干扰来自原料油方面,使炉出口温度升高 出口温度出口温度出口温度出口温度 温度控制器输出温度控制器输出温度控制器输出温度控制器输出 流量控制器设定值流量控制器设定值流量控制器设定值流量控制器设定值 。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。情况三:情况三:情况三:情况三
13、:一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰和二次干扰同时存在主、副变量同向变化主、副变量同向变化主、副变量同向变化主、副变量同向变化 主、副调节器共同作用,执行阀的开度大幅度变化,使得主、副调节器共同作用,执行阀的开度大幅度变化,使得主、副调节器共同作用,执行阀的开度大幅度变化,使得主、副调节器共同作用,执行阀的开度大幅度变化,使得炉出口温度很快恢复到设定值。炉出口温度很快恢复到设定值。炉出口温度很快恢复到设定值。炉出口温度很快恢复到设定值。主、副变量反向变化主、副变量反向变化主、副变量反向变化主、副变量反向变化 两种干扰作用相互抵消,或燃料油流量
14、只作很小的调整。两种干扰作用相互抵消,或燃料油流量只作很小的调整。两种干扰作用相互抵消,或燃料油流量只作很小的调整。两种干扰作用相互抵消,或燃料油流量只作很小的调整。通过分析可知通过分析可知通过分析可知通过分析可知:副控制器具有:副控制器具有:副控制器具有:副控制器具有“粗调粗调粗调粗调”的作用,而主控制的作用,而主控制的作用,而主控制的作用,而主控制器具有器具有器具有器具有“细调细调细调细调”的作用,两者互相配合,控制质量必然高于单回的作用,两者互相配合,控制质量必然高于单回的作用,两者互相配合,控制质量必然高于单回的作用,两者互相配合,控制质量必然高于单回路控制系统。路控制系统。路控制系统
15、。路控制系统。返回1 1 1 1、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰、能迅速克服进入副回路的二次干扰串串串串级控制系统方框图如下:级控制系统方框图如下:级控制系统方框图如下:级控制系统方框图如下:6.2 6.2 串级控制系统的特点串级控制系统的特点输出对于输入的传递函数:输出对于输入的传递函数:输出对于输入的传递函数:输出对于输入的传递函数:输出对于二次扰动的传递函数:输出对于二次扰动的传递函数:输出对于二次扰动的传递函数:输出对于二次扰动的传递函数:单回路控制系统方框图如下:单回路控制系统方框图如下:单回路控制系统方框图如下:单回路
16、控制系统方框图如下:即:串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统即:串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统即:串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统即:串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统(约(约(约(约10101010100100100100倍)。倍)。倍)。倍)。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。2 2 2 2、提高了系统的工作频率、提高了系统的工作频率、提高了系统的工作频率、提
17、高了系统的工作频率双容对象的单回路控制系统如下图所示:双容对象的单回路控制系统如下图所示:双容对象的单回路控制系统如下图所示:双容对象的单回路控制系统如下图所示:其特征方程式为:其特征方程式为:其特征方程式为:其特征方程式为:阻尼振荡频率为:阻尼振荡频率为:阻尼振荡频率为:阻尼振荡频率为:自然振自然振荡频率荡频率阻尼比阻尼比双容对象的串级控制系统如下图所示:双容对象的串级控制系统如下图所示:双容对象的串级控制系统如下图所示:双容对象的串级控制系统如下图所示:串级控制系统由于副回路的存在,提高了系统的工作频率,串级控制系统由于副回路的存在,提高了系统的工作频率,串级控制系统由于副回路的存在,提高
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