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第5章 常用高性能过程控制系统 本章要点 1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点； 2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统的参数整定方法； 3）了解前馈控制的原理及使用场合； 4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈－反馈复合控制的特点及工业应用； 5）了解大滞后被控过程的解决方案，掌握大滞后过程控制的设计方案。 5.1 串级控系统5.1.1串级控制系统的基本概念 一、什么是串级控制？它是怎样提出来的？其组成结构怎样?（图5－1;） 串级控制系统的一般框图 单回路系统 (图5－7）及传递函数 (2)提高了系统的工作频率 结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当副调节器比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期缩短，提高了系统的控制质量。  a）：燃料油压力为主要干扰； b）：燃料油粘度、成分、热值、处理量为主要干扰 2 主、副调节器调节规律的选择 5.1.5 串级控制系统的参数整定 整定原则： 尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副回路的频率错开，以减少相互影响，一般保持主副时间常数之比为3~10. 2) 等效副回路，整定主调参数，求得主回路在4比1衰减比下的比例度和操作周期；根据两种情况下的比例度和操作周期，按经验公式求出主、副调节器的积分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。 本章结束，谢谢！ * * 工艺流程?控制要求?系统分析… 问题：过渡过程时间长，调节不及时 解决办法：串级控制(图5－3） 图5－2 结构特点… 5.1.2 串级控制系统的控制效果 1.能迅速克服二次干扰（图5－5） 控制能力和抗干扰能力综合定义为： 控制能力和抗干扰能力综合为： 一般情况下有： 结论：提高了 控制质量 2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率 （1）等效时间常数减小，响应速度加快；(分析比较图5－5和图5－7） 串级系统的特征方程为： 串级控制系统的工作频率为： 对同一过程，采用单回路控制方案， 用同样的分析方法，可得： 若两种方案的阻尼系数相同，则有： 3 能适应负荷和操作条件的剧烈变化 副回路等效放大系数为： 2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的快速反应能力； 3）对非线性情况下的负荷或操作条件的变化有一定的适应能力。 综上所述，串级控制系统的主要特点有： 1）对进入副回路的干扰有很强的抑制能力； 5.1.3 串级控制系统的适用范围 1. 适用于容量滞后较大的过程：选容量滞后较小的辅助变量，减小时间常数，提高工作频率。（图5－8） 2. 适用于纯滞后较大的过程：（图5－9, ）工艺要求：过滤前的压力稳定在250Pa;特点：距离长，纯滞后时间长。仿丝胶液压力与压力串级控制。 3. 适用于干扰变化剧烈、幅度大的过程：（图5－10）工艺要求：汽包液位控制，特点：快装锅炉容量小，蒸汽流量与水压变化频繁、激烈→三冲量液位串级控制。 4. 适用于参数互相关联的过程：（图5－11） 同一种介质控制两种参数(图5－11) 单回路控制：两套装置，不经济又无法工作； 常压塔塔顶出口温度和一线温度串级控制。 5. 适用于非线性过程 特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若：单回路控制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变；串级控制，则可自动调整调节器的整定参数。 （图5－12）合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性 注意：串级控制虽然应用范围广，但必须根据具体情况，充分利用其优点，才能收到预期的效果。 5.1.4 串级控制系统的设计 问题：副参数如何选择？主、副回路的联系？调节器如何选择？正、反作用如何选择？ 1. 副回路的设计与副参数的选择 选择原则： （1）副参数要物理可测、副对象的时间常数要小、纯滞后时间要尽可能短。如图5－3、图5－8等 （2） 副回路要尽可能多地包含变化频繁、幅度大的干扰，但也不是越多越好。如图5－13 a)、b)所示。 （3）主、副过程的时间常数要适当匹配. 当串级控制与单回路控制的阻尼系数相等时，有 假设 为常量(图5－14） 频率的比值大于3，时常的比值在3～10范围内选择，主、副被控过程时常不能太大也不能太小。 （4）应综合考虑控制质量和经济性要求(图5－15） a) 冷剂液位为副参数，投资少，控制质量不高；b) 冷剂蒸发压力为副参数，投资多，控制质量较高。选择应视具体情况而定。 主调：定值控制；副调：随动控制。 主被控参数要无静差→PI,