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串級控制原理及應(yīng)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：22

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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(tǒng)參數(shù)設(shè)置方法，工業(yè)現(xiàn)場采用串級控制的目的是改善外擾響應(yīng)和限制負(fù)載的控制范圍。
 
1、通過反饋控制改善擾動響應(yīng)
采用進行測量控制的目的是希望使控制對象的狀態(tài)(測量溫度)快速收縮于目標(biāo)值(溫度的設(shè)定等)，對于任何擾動，經(jīng)常使目標(biāo)值與控制對象的狀態(tài)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(tài)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(tǒng)

構(gòu)成單純反饋控制系統(tǒng)儀表配置
1、現(xiàn)場傳感器
2、執(zhí)行器(調(diào)節(jié)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?guī)ё哉ǖ恼{(diào)節(jié)器，以保證在大滯后工況無超調(diào)和欠調(diào)。
   
此單純溫度反饋控制系統(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)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(xiàn)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(yīng)混亂。
                                                    
圖2  蒸汽溫度下降時的響應(yīng)

2、通過與前饋控制并用改善擾動響應(yīng)
在前圖１的控制系統(tǒng)，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(dāng)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(tǒng)

構(gòu)成前饋控制系統(tǒng)儀表配置
1、現(xiàn)場傳感器
2、執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥、變頻器等)
3、單回路PID調(diào)節(jié)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?guī)ё哉ǖ恼{(diào)節(jié)器，以保證在大滯后工況無超調(diào)和欠調(diào)
4、
 
圖3是前饋控制系統(tǒng)，檢測出蒸汽的溫度，蒸汽溫度產(chǎn)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(tài)變化的關(guān)系)比較困難，通過并用前饋控制改善控制結(jié)果受到限制。另因為圖3的前饋控制系統(tǒng)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(yīng)
在圖１所示的控制系統(tǒng)假設(shè)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(jié)果是藥液溫度產(chǎn)生變化。
因此，假設(shè)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(yīng)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(tǒng)。
                                                      
圖4 串級控制系統(tǒng)

構(gòu)成串級控制系統(tǒng)儀表配置：
1、現(xiàn)場傳感器
2、執(zhí)行器(調(diào)節(jié)閥、變頻器等)
3、單回路PID調(diào)節(jié)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?guī)ё哉ǖ恼{(diào)節(jié)器，以保證在大滯后工況無超調(diào)的欠調(diào)）
4、
 
如圖4兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值(由多重回路構(gòu)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(biāo)溫度，決定“藥液槽下部的溫度”，輸出溫控器 SLAVE(從屬)的目標(biāo)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(biāo)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(biāo)設(shè)定溫度
FL：蒸汽的流量
SVs：藥液槽下部的目標(biāo)設(shè)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(yīng)特性
G2：從藥液槽下部的溫度到藥液溫度測量點的響應(yīng)特性
 
在串級控制系統(tǒng)中，蒸汽的溫度或壓力一旦發(fā)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(shè)定溫度值的溫度差為“０”，調(diào)節(jié)閥門的開度，由此可知比圖１單純的反饋控制系統(tǒng)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(fù)載的控制范圍
                                                  
圖7 單回路溫度控制系統(tǒng)

                                                           圖8 串級溫度控制系統(tǒng)

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(shè)定為0-600℃，這樣主溫度控制器輸出的MV 0%-99%，即相當(dāng)于從屬溫度控制器的目標(biāo)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(jié)
不知是否理解了由串級控制改善擾動響應(yīng)特性的構(gòu)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(nèi)側(cè)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(gòu)成從屬回路。
②擾動發(fā)生在從屬回路內(nèi)。
③對于主側(cè)控制對象的響應(yīng)速度延遲，從屬側(cè)控制對象的響應(yīng)速度慢延遲小。
請注意，如果不是如上條件時，則對于發(fā)生在主回路內(nèi)的擾動等串級控制不能很好改善擾動響應(yīng)，串級控制不能得到良好控制效果。

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