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串級控制原理及應用

2023年01月20日 11:22:40      來源:云南昌暉儀表制造有限公司 >> 進入該公司展臺      閱讀量:19

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云南昌暉儀表制造有限公司以實例解析串級控制原理、串級控制儀表選用及串級控制系統參數設置方法,工業現場采用串級控制的目的是改善外擾響應和限制負載的控制范圍。
 
1、通過反饋控制改善擾動響應
采用進行測量控制的目的是希望使控制對象的狀態(測量溫度)快速收縮于目標值(溫度的設定等),對于任何擾動,經常使目標值與控制對象的狀態的差為零。那么,反饋控制是怎樣抑制由擾動引起的控制狀態的混亂呢?如圖1所示,以采用溫控器進行藥液的溫度控制為例說明如下。
                                                    
圖1 單純反饋控制系統

構成單純反饋控制系統儀表配置
1、現場傳感器
2、執行器(調節閥、變頻器等)
3、單回路溫控器
如果用于溫度控制等大滯后工況,選擇帶人工智能或模糊控制算法并且帶自整定的調節器,以保證在大滯后工況無超調和欠調。
   
此單純溫度反饋控制系統是用閥門的開度改變蒸汽的流量,從而控制藥液的溫度,作為擾動的主要原因有蒸汽的溫度變化,蒸汽的壓力變化等。如果在此控制系統產生這些擾動時,采用反饋控制的話,因為這些影響作為藥液溫度的變化表現出來之前,是不能通過溫控器進行修正動作的,因此很難迅速收縮由擾動引起的響應混亂。
                                                    
圖2  蒸汽溫度下降時的響應

2、通過與前饋控制并用改善擾動響應
在前圖1的控制系統,如果可測量蒸汽溫度的變化,且對于蒸汽溫度的變化,能夠明確知道需要的適當修正量(開度輸出MV),那么與前饋控制并用的話,會比僅用反饋控制可以改善因蒸汽溫度變動引起的影響。                                                     
圖3 前饋控制系統


構成前饋控制系統儀表配置
1、現場傳感器
2、執行器(調節閥、變頻器等)
3、單回路PID調節器
如果用于溫度控制等大滯后工況,選擇帶人工智能或模糊控制算法并且帶自整定的調節器,以保證在大滯后工況無超調和欠調
4、
 
圖3是前饋控制系統,檢測出蒸汽的溫度,蒸汽溫度產生變動時,因為可盡快修正此變動,對于蒸汽溫度變化這種擾動,可以把藥液溫度的變動限制在最小限范圍。 但是、因為藥液溫度不受蒸汽流量的影響,一般正確把握蒸汽流量(擾動和溫度過程的狀態變化的關系)比較困難,通過并用前饋控制改善控制結果受到限制。另因為圖3的前饋控制系統僅對蒸汽溫度進行補償,所以對于蒸汽的壓力變動沒有作用。
 
3、通過串級控制改善擾動的響應
在圖1所示的控制系統假設的擾動是“蒸汽溫度的變化”和“蒸汽壓力的變化”,無論哪種場合,其變化都會反映為供給藥液能量的變化,作為其結果是藥液溫度產生變化。
因此,假設即使蒸汽的溫度或壓力變動了,由蒸汽供給藥液的能量也能保持一定的話,藥液溫度應該能保持在一定值。
從此觀點,把供給藥液能量的藥液槽下部的溫度檢測出來,加在控制回路進行控制的系統。
                                                      
圖4 串級控制系統


構成串級控制系統儀表配置:
1、現場傳感器
2、執行器(調節閥、變頻器等)
3、單回路PID調節器
如果用于溫度控制等大滯后工況,選擇帶人工智能或模糊控制算法并且帶自整定的調節器,以保證在大滯后工況無超調的欠調)
4、
 
如圖4兩只調節器串聯起來工作,其中一個調節器的輸出作為另一個調節器的給定值(由多重回路構成)的控制方式叫“串級控制”,其動作如下:溫控器 MASTER(主)是為了使“藥液溫度”成為目標溫度,決定“藥液槽下部的溫度”,輸出溫控器 SLAVE(從屬)的目標溫度。溫控器 SLAVE(從屬)是為了使“藥液槽下部的溫度”成為由溫控器 MASTER(主)決定的目標溫度,而決定“開度輸出”。
                                                    
圖5 串級控制回路方塊圖

SV:藥液目標設定溫度
FL:蒸汽的流量
SVs:藥液槽下部的目標設定溫度
PVS:藥液槽下部的測量溫度
MV:流量控制閥門的開度輸出
PV:藥液的測量溫度
G1:對于蒸汽流量的藥液槽下部溫度的響應特性
G2:從藥液槽下部的溫度到藥液溫度測量點的響應特性
 
在串級控制系統中,蒸汽的溫度或壓力一旦發生變化,SLAVE(從屬)控器把此變化作為藥液槽下部的溫度變化檢測出來,為了使與來自MASTER(主)溫控器輸出的藥液槽設定溫度值的溫度差為“0”,調節閥門的開度,由此可知比圖1單純的反饋控制系統可以快速抑制由擾動引起的溫度混亂。
                                                              圖6  

4、通過串級控制限制負載的控制范圍
                                                  
圖7 單回路溫度控制系統

                                                           圖8 串級溫度控制系統

如果是控制輸出值MV為99%的話,加熱器有可能燒斷。
想把加熱器的溫度控制在600℃以下使用,需要圖8的串級控制。 如想把從屬溫度控制器的輸入范圍設定為0-600℃,這樣主溫度控制器輸出的MV 0%-99%,即相當于從屬溫度控制器的目標值SV為0-600℃即可以讓加熱器的溫度工作在600℃以下。
 
5、串級控制小結
不知是否理解了由串級控制改善擾動響應特性的構成?
                                                   
圖9 串級控制回路的方塊圖


如圖9所示,在串級控制的控制回路為2個,把反饋本來目的的控制量(PV)的回路叫“MASTER(主)回路”,把在“MASTER(主)回路”內側的回路叫“SLAVE(從屬)回路”。

6、串級控制要取得良好控制效果需要滿足以下條件
①可構成從屬回路。
②擾動發生在從屬回路內。
③對于主側控制對象的響應速度延遲,從屬側控制對象的響應速度慢延遲小。
請注意,如果不是如上條件時,則對于發生在主回路內的擾動等串級控制不能很好改善擾動響應,串級控制不能得到良好控制效果。

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