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化工仪表及自动化 串级控制 分程控制 三冲量控制 比值控制 前馈控制 例：管式加热炉出口温度控制 问题引出：依据简单控制系统设计原则，选取加热护的出口温度为被控变量，加热燃料量为操纵变量，在实际生产过程中，简单控制系统的控制质量往往很差，原料的出口温度波动较大，难以满足生产上的要求。 请分析问题所在 例：管式加热炉出口温度控制 原因分析：当燃料压力或燃料热值变化后，先影响炉膛温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料的出口温度，这个过程反应缓慢，容量滞后很大，时间常数约为15min。而温度控制器是根据原料的出口温度与设定值的偏差工作的。所以当来自于燃料方面干扰作用于过程后，并不能较快地产生控制作用以克服扰动对被控变量的影响。因而控制质量很差。 试分析解决方案 燃料在炉膛燃烧后,是通过炉膛温度与原料的温差将热量传递给原料的,燃料量的变化或燃料热值的变化,首先使炉膛温度发生变化,因此可选炉膛温度为被控变量,燃料量为操纵变量,以维持出口温度的稳定要求。该系统的特点是对于燃料压力、燃料热值及烟囱抽力等扰动能及时有效的克服。 试分析该系统存在的问题 例：管式加热炉出口温度控制 问题解决：根据炉膛温度的变化，先改变燃料量，然后再根据原料出口温度与其设定值之差，进一步改变燃料量，以保持原料出口温度的恒定。 串级控制系统方框图 串级控制系统中常用的名词： 主变量：工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。 副变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。 主对象：为主变量表征其特性的生产设备。 副对象：为副变量表征其特性的工艺生产设备。 主控制器：按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器。 副控制器：其给定值来自主控制器的输出，！！！！并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个控制器。 主回路：由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。 副回路：由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和副对象所构成的内回路。 请指出上述概念在管式加热炉出口温度控制系统中的对应部分 主、副控制器控制规律的选择 主控制器控制规律和选择。主回路是定值控制系统，为了消除余差，应采用（　　）控制规律；通常串级控制系统用于慢对象，也可采用微分控制。因此，主控制器可采用PID或PI控制。 副控制器控制规律的选择。副回路对主回路是随动控制系统，对副变量是定值控制系统，通常无消除余的要求，可不用（　　）作用，但当副变量是流量并有精确控制该流量的要求时，可引入（　　）作用。因此，副控制器可采用P或（　　）控制。 主、副控制器正、反作用的选择 副控制器作用方向的选择：同简单控制系统。即： 主控制器作用方向的选取择： 试确定例图中阀门的作用型式、主控制器、副控制器的作用方向。 串级控制系统的控制过程 只有二次扰动作用时（作用于副对象） 只有一次扰动作用时（作用于主对象） 一次扰动和二次扰动同时作用时 只有二次扰动作用时 二次扰动先影响副被控变量，使副控制器产生偏差，副控制器的输出立即开始变化，调整控制阀的开度以改变操纵变量，克服二次扰动对副被控变量的影响。 例：燃料热值变化（二次扰动）先影响炉膛温度（副被控变量），使副控制器产生偏差，于是副控制器的输出立即开始变化，去调整控制阀的开度以改变燃料流量（操纵变量），克服上述扰动对炉膛温度的影响。如果扰动不太大，由于副回路的控制速度较快，可以及时校正扰对炉膛温度的影响，几乎对加热炉出口温不产生影响。如果扰动较大，经副回路的调整，对加热炉出口温度的影响也会大大减小，再经主回路的调整，使炉出口温度可以及时回到设定值上。 请分析当燃料压力升高时串级控制系统的控制过程。 燃料压力升高时串级控制系统的控制过程 分析过程：燃料压力↑→燃料量↑→炉膛温度↑→ e↑=测量值-设定值→控制器输出↓→燃料阀↓→燃料量↓→炉膛温度↓ 可大幅减小对出口温度的影响 只有一次扰动作用时 一次扰动如被加热物料流量或初温变直接作用于主过程，首先使主被控变量（炉出口温度）发生变化，主控制器立即开始动作，通过主控制器的输出的变化去改变副回路的设定值，再通过副回路的控制作用去改变操纵变量（燃料量）以克服扰动对主被变量（炉出口温度）的影响。这种情况下，副回路的存在可加快主回路的控制速度，使一次扰动对炉出口温度影响比简单控制时要小。 请分析被加热物料流量增大时串级控制系统的控制过程。 为什么副回路的存在可加快主回路的控制速度？ 被加热物料流量增大时串级控制系统的控制过程 分析过程：冷物料流量↑→出口温度↓→ e↓=测量值-设定值→T1C↑→T2C ↓→燃料阀↑→炉膛温度↑→出口温度↑ 当一次扰动和二次扰动同时作用时 一次、二次扰动同向作用时。主副变量同进增大或减小，则主副控制