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第七章复杂控制系统
第一节、串级控制系统

首先来看一个夹套式反应器。假定有一个放热反应过程,选取反应器内反应温度作为被控变量,用冷却水通过夹套带走反应所生成的确热量。根据生产要求,为该反应器设置一个单回路控制系统。
-1 反应器温度控制
进料
出料
冷却水
TC

—
影响反应器内温度的主要因素有:
;
;
;
;
。
第一节、串级控制系统
换热过程是比较慢的,其时间常数比较大,容量滞后严重。所以采用单回路控制系统对反应器进行控制的方案,难以达到生产要求,特别是反应温度控制精度要求高的时候更是如此。如果能够采取技术手段稳定夹套温度或者使夹套温度波动很小,这将对提高控制精度是非常有益的。
-2 反应器串级控制
进料
出料
冷却水
TC2
TC1

—
—
R T
温度控制器1 温度控制器2 控制阀夹套反应器

流量变送器

温度变送器
-3 夹套温度与反应温度串级控制系统方块图
第一节、串级控制系统

,改善了被控对象的特性。
R Y2 Y1
GC1 GC2 GV GO2 GO1

Hm2

Hm1
-5 一般串级控制系统方块图
设纯比例控制器传递函数为KC2;
控制阀传递函数为KV;
变送传递函数为Km2;
副被控对象传递函数为
第一节、串级控制系统
对公式进行整理可得:
第一节、串级控制系统
2 .串级控制系统具有较强的抗干扰能力
当干扰作用于副环时,在还没影响到主被控变量之前,副控制器首先进行调整,相当与先进行“预调整”,如果主被控变量还会受影响(不过这种影响比没有副控制器采取抑制措施要小得多),那么将再由主控制器进行“细调整”。由于对进入副环的干扰做了两级控制调整施,显然控制质量要比单回路控制系统的控制质量要好。
干扰作用于主环,由于副回路的存在,使等效副对象的时间常数缩小了,被控对象对控制作用的反应变得比较敏捷,因此控制质量也会比单回路控制系统高。
第一节、串级控制系统
PC TC
燃料
原料
-6 炉出口温度与燃料压力串级方案
T C2 TC1
燃料
原料
-7 炉出口温度与炉膛温度串级方案
第一节、串级控制系统
(3)当被控对象具有非线性环节时,在设计时应使非线性环节处于副环之中。
生成气

TC1 TC2

醋酸、乙烯混合物气
-8 合成反应器中温度与入口温度串级控制系统
醋酸乙烯合成反应器中为保证合成气的质量,要求对反应器中温度进行严格控制。而在控制通道中包含了两个具有非线性特性的热交换器,因而使整个对象的特性随着负荷的变化而变化。为此,可在换热器的出口设置一温度检测点,并以它为副被控变量,组成一个温度与温度串级控制系统。
第一节、串级控制系统
(4)当被控对象具有较大纯滞后时,应使所设计的副回路尽量少包括或不包括纯滞后。
(5)副回路设计应考虑到主、副被控对象时间常数的匹配,以防“共振”发生。
(6)需考虑到方案经济性和工艺的合理性。
气丙烯进料 PC TC
气丙烯进料


出料
出料
LC TC
液丙烯
液丙烯 LC
(a ) (b)
-10 丙烯冷却器两种不同串级控制方案