串级控制系统的原理及设计

串级控制系统的原理及设计中应注意的问题

摘要：介绍了串级控制系统的基本原理，性能和设计中应注意的几个问题。 关键词：内环；外环；增益；时间常数；对象；共振现象；积分饱和现象。 1、 概述

1.1串级控制系统介绍

单回路控制系统只用一个调节器,调节器只有一个输入信号,即只有一个闭环,在大多数情况下，这种简单系统能够满足工艺生产的要求。但是也有一些另外的情况,譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制,而工艺对调节质量的要求又很高;或者对调节对象的控制任务要求特殊,则单回路控制系统就无能为力了。另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,为此,需要在单回路的基础上,采取其他措施,组成复杂控制系统。串级控制是改善调节过程的一种极为有效的方法,并且在实际中得到了广泛的应用。我厂的生产过程自动控制系统中，串级控制系统是应用最为广泛的复杂控制系统。 1.2串级控制系统的引入 先来看一个例子。

图1.1 精馏塔提馏段温度控制方案 （简单控制系统）

图1.1是精馏塔底部示意图,在再沸器中,用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽,然后在塔釜中与下降物料流进行传质传热。为了保证生产过程顺利进行,需要把提馏段温度t保持恒定。为此，在蒸汽管路上装一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。从调节阀动作到温度t发生变化，需要相继通过很多热容积。实践证明，加热蒸汽压力的波动对温度t的影响很大。此外，还有来自液相加料方面的各种扰动，包括他的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质传热过程，以及再沸器中的传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度t。当加热蒸汽压力较大时，如果采用图1.1所示的简单控制系统，调节质量一般都不能满足生产要求。如果采用一个附加的蒸汽压力控制系统，把蒸汽压力的干扰克服在入塔前，这样也提高了温度调节的品质，但这样就需要增加一只调节阀并增加了蒸汽管路的压力损失，在经济上很不合理。

比较好的方法是采用串级控制，如图1.2所示。

Q

图1.2 提馏段温度串级控制方案

副调节器QC2根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，这样就可以在加热蒸汽压力波动的情况下，仍能保持蒸汽流量稳定。副调节器QC2的给定值则受主调节器tc1的控制，后者根据温度t改变流量给定值Qr，从而保证在发生进料方面的扰动的情况下，仍能保持温度t满足要求。用这种方法可以非常有效的克服蒸汽压力波动对于温度t的影响。因为流量自稳定系统的动作很快，蒸汽压力变化引起的流量波动在2至3秒内就消除了，而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度t的影响是很微小的。

该串级控制系统方框图如图1.3所示。 图1.3 提馏段温度串级控制系统

由以上例子可看出，一个通用的串级控制系统框图如图1.4。 图1.4 一般串级控制系统

从图中可以看出，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上

形成可两个闭环。一个闭环在里面，称为副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，称为主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。主副调节器的作用各不相同。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。与简单控制系统相比，只是多了一个测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却有明显的提高。

2、 串级控制系统的性能简析

2.1在串级控制系统中，由于加入了一个副回路，而二次扰动是先进副回路，经副回路的抑止作用再进主环，在此过程中，串级系统的结构使二次干扰对主参数这一通道的动态增益明显减少，因此对主回路中的主参数的影响将较大的减弱。

2.2由于副回路的存在，使得对象的动态特性得到明显改善，即使得等效对象的时间常数减小了，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。因此副回路的比例增益可以取的很大，等效时间常数可减小到很小的数值，从而加快了副环的响应速度；因此可以加大主调节器的增益，而保证系统稳定，这都将提高系统的工作频率。

2.3在串级系统中，由于串级控制系统的结构，负荷的变化引起副回路内各环节参数的变化时，对等效对象的增益影响不大，因此在不改变调节器整定参数的情况下，系统的副回路能能自动的克服一些非线性因素的影响，保持或接近原有的控制质量。另一方面，由于副回路通常是一个流量随动系统，当系统操作条件或负荷改变时，主调节器将改变其输出值，副回路能快速跟踪及时精确的控制流量，从而保证系统的控制品质。以上两方面都说明串级控制系统对负荷的变化有一定的自适应能力。

3、 串级系统设计和实施中应注意的几个问题 3.1副回路的设计

副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在。其中的关键又是副参数的选择。一般应遵循以下几个原则：

1. 副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏。 2. 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。

调节通道短与尽可能多的纳入干扰这两者间存在矛盾，应在设计中加以协调。

3. 2主、副回路工作频率的选择

要注意串级系统的共振现象。一般取主回路的阻尼自然振荡周期为副回路的阻尼自然震荡周期的3到10倍。

3.3设计中应采取措施防止调节器积分饱和的现象。

以上是我对串级控制系统及其应用的几点认识，在今后的工作中我将继续深入了解有关理论，注重其在实际中的应用，完善自己有关方面的知识。

2002、11、26

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/oqfx.html