项目四：锅炉温度串级控制系统集成与调试.ppt

项目四、锅炉温度串级控制系统集成与调试2024/5/21 周二2024/5/21 周二p技能目标技能目标串级控制系统及其他复杂控制系统的认知串级控制系统及其他复杂控制系统的认知搭建以上系统时，能选择合适变量搭建以上系统时，能选择合适变量C3900C3900无纸记录仪（控制器）的设置方法无纸记录仪（控制器）的设置方法p知识目标知识目标实战知识（电、设备、仪表）等说明书内容实战知识（电、设备、仪表）等说明书内容p情感目标情感目标建立系统思考问题的意识建立系统思考问题的意识独立思考、解决问题的意识独立思考、解决问题的意识教学目标2024/5/21 周二情境1 温度仪表的选用、安装项目四、锅炉温度串级控制系统集成与调试2024/5/21 周二情境2 串级控制系统的认知项目四、锅炉温度串级控制系统集成与调试2024/5/21 周二1 串级控制系统变量选择3 用C3900搭建温度串级控制2 被控对象的分析，控制参数确定主副控制器正负作用确定，控制规律确定，PID参数整定，系统投运主副回路确定，主副变量确定情景一 串级控制系统变量选择带着以下任务，学习带着以下任务，学习p主副回路核心角色、任务p主副回路确定，主副变量确定2024/5/21 周二2024/5/21 周二 物料出口温度 单回路控制？滞后？油路干扰？怎么办？原油燃料T2C出口烟道情境的引入2024/5/21 周二 炉壁温度单回路控制？难以满足出口温度精确地控制要求？怎么办？原油燃料T2C出口烟道情境的引入2024/5/21 周二 出口温度单回路控制+炉壁温度单回路控制=好的控制方案？原油燃料T1CT2C出口烟道情境的引入如此做的好处2024/5/21 周二14管式加热炉出口温度串级控制系统副回路：燃料油流量引起T2变化，控制器T2C及时进行控制，使其很快稳定下来；如果干扰量小，经过副回路控制后，燃料油流量一般影响不到温度T1；主回路：如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服，波及到被控变量温度T1再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变量回复到给定值。副回路副回路主回路主回路2024/5/21 周二在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。在干扰作用下，主、副变量的变化方向相同。19主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。主、副变量的变化方向相反，一个增加，另一个减小。主控制器（主变量）主控制器（主变量）副控制器（副变量）副控制器（副变量）结论2024/5/21 周二1 1、这这样样，当当干干扰扰来来自自燃燃料料管管路路燃燃烧烧-壁壁炉炉（分分段段）之之间间时时，副副回回路路能能及及时时加加以以克克服服，以以大大大大减减少少这这种种干干扰扰对对主主变变量量的的影影响响，使使出出口温度的控制质量得以提高。口温度的控制质量得以提高。2 2、此例中，选择的副变量就是与主变量有关的变量。、此例中，选择的副变量就是与主变量有关的变量。管式加热炉出口温度串级控制系统副回路副回路主回路主回路组成：串级控制系统中有两个测量、变送器，两个控制器，两组成：串级控制系统中有两个测量、变送器，两个控制器，两个对象，一个控制阀。个对象，一个控制阀。主调节器副调节器调节阀副过程主过程主检测变送器设定+副检测变送器串级控制系统2009年5月9日星期六常用术语（一）：常用术语（一）：n主变量主变量工艺最终要求控制的被控变量工艺最终要求控制的被控变量n副变量副变量为稳定主变量而引入的辅助变量为稳定主变量而引入的辅助变量n主对象主对象表征主变量的生产设备表征主变量的生产设备n副对象副对象表征副变量的生产设备表征副变量的生产设备n主控制器主控制器按主变量与工艺设定值的偏差工作，其输按主变量与工艺设定值的偏差工作，其输出作为副控制器的外设定值，在系统中起主导作用出作为副控制器的外设定值，在系统中起主导作用n副控制器副控制器按副变量与主控制器来的外设定值的偏差按副变量与主控制器来的外设定值的偏差工作，其输出直接操纵控制阀工作，其输出直接操纵控制阀2009年5月9日星期六常用术语（二）：常用术语（二）：n主测量变送器主测量变送器对主变量进行测量及信号转换的变送器对主变量进行测量及信号转换的变送器n副测量变送器副测量变送器对副变量进行测量及信号转换的变送器对副变量进行测量及信号转换的变送器n主回路主回路是指由主测量变送器，主、副控制器，执行器是指由主测量变送器，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路，又叫主环或外环；和主、副对象构成的外回路，又叫主环或外环；n副回路副回路是指由副测量变送器，副控制器，执行器和副是指由副测量变送器，副控制器，执行器和副对象构成的内回路，又称副环或内环。对象构成的内回路，又称副环或内环。2009年5月9日星期六2024/5/21 周二12 串级控制系统有两个闭合回路。主回路（主环）是个定值控制系统,副回路（副环）是个随动系统。串级控制系统的特点主控制器主控制器执行器对象1、2变送器、检测元件+设定值+e（t）比较机构测量值 x（t）y1（t）y2（t）干扰 f（t）z1主环副控制器副控制器+变送器+-z2副环-2024/5/21 周二第一类：选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量第一类：选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量;第二类：选择的副变量就是操纵变量本身第二类：选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服它的波动这样能及时克服它的波动,减减小对主变量的影响。小对主变量的影响。在串级控制系统中,主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一定的内在关系而工作的。串级控制系统的变量选择副变量的类别2024/5/21 周二中间变量本身为副变量原油燃料T1CT2C出口烟道2024/5/21 周二原油燃料T TT C出口烟道操纵变量本身为副变量FT2024/5/21 周二原油燃料TCPC出口烟道PT操纵变量本身为副变量2024/5/21 周二串级控制方案 物料出口蒸气冷凝水调节阀TT FCTCFT物料入口设定操纵变量本身为副变量2024/5/21 周二14 通过这套串级控制系统，能够在塔釜温度稳定不变时，蒸汽流量能保持恒定值，而当温度在外来干扰作用下偏离给定值时，又要求蒸汽流量能作相应的变化，以使能量的需要与供给之间得到平衡，从而保持釜温在要求的数值上。精馏塔塔釜温度串级控制系统1精馏塔；2再沸器变量选择实例 此例中，选择的副变量就是操纵变量（加热蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得以提高。2024/5/21 周二p副回路要求控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用，从而大大提高了控制质量。一般要求副环要比主环至少快三倍一般要求副环要比主环至少快三倍。p在确定副回路时，除了要考虑它的快速性外，还应该使副回路包括主要干扰，可能条件下应力求包括较多的次要干扰，尤其是主要扰动尤其是主要扰动。p所选择的副变量一定是影响主变量的直接因素。13副回路及副变量的选择副回路具有先调、粗调、快调的特点；副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。克服掉的干扰影响能彻底加以克服。结论2024/5/21 周二13n串级控制的特点：结论q（1）主回路为定值控制系统，而副回路是随动控制系统。q（2）结构上是主、副控制器串联，主控制器的输出作为副控制器的外设定，形成主、副两个回路，系统通过副控制器操纵执行器。q（3）抗扰动能力强，对进入副回路的扰动的抑制力更强，控制精度高，控制滞后小。因此，它特别适用于温度对象等滞后大的场合。q（4）副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。2024/5/21 周二情境3 均匀控制系统的认知项目四、锅炉温度串级控制系统集成与调试n（二）均匀控制系统（二）均匀控制系统n目的：均匀控制系统是目的：均匀控制系统是非定值系统，使两个变量在允许非定值系统，使两个变量在允许的范围内变化，以达到工艺要求的液位与流量的平衡。的范围内变化，以达到工艺要求的液位与流量的平衡。n特点：不是使被控变量保持不变（不是定值控制），而特点：不是使被控变量保持不变（不是定值控制），而是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢变化。是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢变化。控制器1流量对象液位对象变送器2+设定值+e（t）比较机构测量值 x（t）L（t）z（t）干扰2 f2（t）-调节阀变送器1干扰1 f1（t）加法器F（t）L（t）2009年5月9日星期六n均匀控制方案均匀控制方案n（1）简单均匀控制系统）简单均匀控制系统n简单均匀控制系统在结构上与一般的单回路定值控制系简单均匀控制系统在结构上与一般的单回路定值控制系统是完全一样的，只是在控制器的参数设置上有区别。统是完全一样的，只是在控制器的参数设置上有区别。n（2）串级均匀控制系统）串级均匀控制系统n简单均匀控制系统结构非常简单，操作方便。但存在着简单均匀控制系统结构非常简单，操作方便。但存在着控制滞后，所以，最好的办法就是构成串级均匀控制系控制滞后，所以，最好的办法就是构成串级均匀控制系统。统。2009年5月9日星期六n（二）均匀控制系统（二）均匀控制系统简单均匀控制系统简单均匀控制系统串级均匀控制系统串级均匀控制系统2009年5月9日星期六2024/5/21 周二情境4 其他控制系统的认知项目四、锅炉温度串级控制系统集成与调试n1比值控制系统比值控制系统n2分程控制系统分程控制系统n3前馈控制系统前馈控制系统n4选择性控制系统选择性控制系统n（三）其他控制系统（三）其他控制系统2009年5月9日星期六n1比值控制系统比值控制系统n（1）目的：就是实现两种或两种以上物料的比例关系。）目的：就是实现两种或两种以上物料的比例关系。n（2）方案：）方案：q开环比值控制开环比值控制q单闭环比值控制单闭环比值控制q双闭环比值控制双闭环比值控制q变比值控制变比值控制n（3）单闭环比值控制特点：）单闭环比值控制特点：构成较简单、仪表使用较构成较简单、仪表使用较少、实施较方便，因此应用十分广泛，尤其适用于主物少、实施较方便，因此应用十分广泛，尤其适用于主物料在工艺上不允许控制的场合。料在工艺上不允许控制的场合。2009年5月9日星期六n1 1比值控制系统比值控制系统KFC单闭环比值控制系统的原理如单闭环比值控制系统的原理如图所示，系统中主流量图所示，系统中主流量Q1处于处于开环，副流量开环，副流量Q2构成了闭环。构成了闭环。主流量主流量Q1的测量信号经比值运的测量信号经比值运算器乘以算器乘以K作为副流量调节器作为副流量调节器F2C的设定，副流量系统作为一的设定，副流量系统作为一个随动控制系统，使副流量能个随动控制系统，使副流量能依一定的比值关系跟随主流量依一定的比值关系跟随主流量而变化而变化 2009年5月9日星期六n2分程控制系统分程控制系统n（1）特点：一个控制器的输出，带动两个及以上工作）特点：一个控制器的输出，带动两个及以上工作范围不同的控制阀进行工作。范围不同的控制阀进行工作。n（2）控制阀简介：）控制阀简介：q多为气动薄膜控制阀，分气开和气关两种形式多为气动薄膜控制阀，分气开和气关两种形式q它的工作信号是它的工作信号是20100kPa的气信号的气信号q气开阀，阀的开度随外来信号的增加而增加气开阀，阀的开度随外来信号的增加而增加q气关阀，阀的开度随外来信号的增加而减小气关阀，阀的开度随外来信号的增加而减小2009年5月9日星期六n2分程控制系统四种形式：分程控制系统四种形式：图（图（d）A为气开阀，为气开阀，B为气关阀。为气关阀。图（图（a）两阀均为气开阀；）两阀均为气开阀；图（图（b）两阀均为气关阀；）两阀均为气关阀；图（图（c）A为气关阀，为气关阀，B为气开阀；为气开阀；2009年5月9日星期六n3.前馈控制系统前馈控制系统n（1）按扰动变化的大小实施控制的系统。控制作用产生在）按扰动变化的大小实施控制的系统。控制作用产生在扰动发生的同时，而不是等到扰动引起被控制变量发生波动扰动发生的同时，而不是等到扰动引起被控制变量发生波动之后。之后。在进料流量变化（如增加）的同时，就使蒸汽阀门开大，靠加大蒸汽量来抵制变化的冷物料的影响，将扰动克服在对出口温度产生影响之前。2009年5月9日星期六n3.前馈控制系统前馈控制系统n前馈只能克服一种扰动，而且控制的效果得不到检验。前馈只能克服一种扰动，而且控制的效果得不到检验。常常将前馈与反馈结合起来构成前馈常常将前馈与反馈结合起来构成前馈-反馈控制系统，反馈控制系统，它可以用前馈来克服主要扰动，而用反馈来克服其他扰它可以用前馈来克服主要扰动，而用反馈来克服其他扰动，并检验控制效果。动，并检验控制效果。2009年5月9日星期六n4.选择性控制系统选择性控制系统 n生产异常有两种处理方法：生产异常有两种处理方法：n一是利用联锁保护系统自动报警后停车；一是利用联锁保护系统自动报警后停车；n二是转为人工操作，使生产逐步恢复正常。二是转为人工操作，使生产逐步恢复正常。n但最好选择软保护但最好选择软保护选择性控制选择性控制n（1）选择性控制系统：就是有两套控制系统可供选择。）选择性控制系统：就是有两套控制系统可供选择。n（2）特点：两套控制系统。正常工况时，选择一套，而生）特点：两套控制系统。正常工况时，选择一套，而生产短期内处于不正常状态时，则选择另一套。这样既不停车产短期内处于不正常状态时，则选择另一套。这样既不停车又达到了自动保护的目的。故选择性控制又叫取代控制和超又达到了自动保护的目的。故选择性控制又叫取代控制和超驰控制。驰控制。2009年5月9日星期六q当物料出口温度偏高时，该当物料出口温度偏高时，该控制系统可使控制阀开大，控制系统可使控制阀开大，以增加液氨进入量，以便有以增加液氨进入量，以便有更多的液氨蒸发使物料出口更多的液氨蒸发使物料出口温度降低。温度降低。q如果氨冷器中的液位太高，如果氨冷器中的液位太高，使蒸发空间减小，影响氨蒸使蒸发空间减小，影响氨蒸发，温度反倒降不下来。甚发，温度反倒降不下来。甚至使得气氨带液，引起后面至使得气氨带液，引起后面的氨压缩机发生事故。所以的氨压缩机发生事故。所以要求氨冷器中的液位不能超要求氨冷器中的液位不能超过某一限度。过某一限度。一个液位控制一个液位控制器器LC，控制阀构成液位控制，控制阀构成液位控制系统。系统。何时让哪一个控制系统工作，则由一台低值选择器何时让哪一个控制系统工作，则由一台低值选择器LS在两个在两个控制器之间按工况进行选择。控制器之间按工况进行选择。2009年5月9日星期六2024/5/21 周二2024/5/21 周二251.副控制器作用方向的选择主、副控制器正反作用的选择2.主控制器作用方向的选择 串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。当主、副变量增加（减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应选“正”作用。2024/5/21 周二23p为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控制。p副变量的给定值是随主控制器的输出变化而变化的。副控制器一般采用比例控制规律。主、副控制器控制规律的选择选择方法序号对变量的要求应选控制规律备 注主 变 量副 变 量主 控副 控1234重要指标,要求很高主要指标,要求较高允许变化,要求不高要求不高,互相协调允许变化,要求不严主要指标,要求较高要求较高,变化较快 要求不高,互相协调PIPIPPPPIPIP主控必要时引入微分工程上很少采用主、副变量不同时应选用的控制规律2024/5/21 周二271.两步整定法先整定副控制器，后整定主控制器的方法。控制器参数整定与系统投运（1）在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用运行的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如41）过渡过程下的副控制器比例度和操作周期，分别用2s和T2s表示。（2）在副控制器比例度等于2s的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1s和操作周期T1s。（3）根据上面得到的1s、T1s、2s、T2s，按表12-3（或表12-4）的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。（5）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。步骤2024/5/21 周二2.一步整定法 副控制器的参数按经验直接确定,主控制器的参数按简单控制系统整定。实实践践证证明明，这种整定方法，对于对主变量要求较高，而对副变量没有什么要求或要求不严，允许它在一定范围内变化的串级控制系统，是很有效的。31步骤（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照左表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。（2）利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。（3）如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数整定值，一般即能消除。副变量副变量放大倍数放大倍数K Kc2c2比例度比例度2s2s温度压力流量液位5.0 1.73.0 1.42.5 1.255.0 1.2520 6030 7040 8020 80采用一步整定法时副变量的选择范围控制器参数整定与系统投运2024/5/21 周二控制器参数整定与系统投运共振问题共振问题p 如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切，可能会出现“共振共振”现象。p 可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。p 如果主、副对象特性太接近，就不能完全靠控制器参数的改变来避免“共振”了。302024/5/21 周二2024/5/21 周二被控对象设置p此实验以中水箱的液位1#为主控对象，上水箱的液位2#为副控对象。p水箱进水阀，主管路泵阀，副管路泵阀，关闭其他手阀，将储水箱灌满水。打开上水箱进水阀，将上水箱通中水箱出水阀、中水箱出水阀打开至适当开度。p扰动分析：2024/5/21 周二实验实训说明一、实验目的一、实验目的掌握串级控制系统的基本概念和组成。掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。二、实验器材二、实验器材CS2000型过程控制实验装置配置：C3000过程控制器、实验连接线。三、实验原理三、实验原理2024/5/21 周二实验实训说明p串级调节系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节其串接起来，通过串级调节系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节其串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。串级调节主要是用来它们的协调工作，使一个被调量准确保持为给定值。串级调节主要是用来克服落在副环内的扰动。这些扰动能在中间变量反应出来，很快就被副调克服落在副环内的扰动。这些扰动能在中间变量反应出来，很快就被副调节器抵消了。节器抵消了。p串级系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来一部分的对象，起了改善串级系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来一部分的对象，起了改善对象特性的作用。与单回路系统相比，除了克服落在副环内的扰动以外，对象特性的作用。与单回路系统相比，除了克服落在副环内的扰动以外，还提高了工作频率，加快了过渡过程。还提高了工作频率，加快了过渡过程。2024/5/21 周二硬件接线p将上水箱的液位信号送至C3000过程控制器模拟量输入通道3，中水箱的液位信号送至C3000过程控制器模拟量输入通道2，将模拟量输出通道12送电动调节阀，具体接线如下所述：2024/5/21 周二控制组态1仪表回路的组态：点击menu进入组态控制回路PID控制p回路PID02的设置，给定方式设为：内给定；测量值PV设为：AI02，其余默认即可。p回路PID03的设置，给定方式设为：外给定；设定值SV设为：PID02；测量值PV设为：AI03，其余默认。按ESC退出到菜单界面，选择启动组态，确定退出。2最后将回路2和回路3均投运于自动状态下，在监控画面进入回路3的调整画面将SVT设为R（即选择数据来源为远端）。3打开控制台及实验对象电源开关，打开调节仪电源开关，打开主管路泵、电动调节阀、检测设备电源开关。4进入组态画面，设定输入信号为1-5V电压信号，输出信号为4-20mA电流信号；再进入调节画面，将调节仪设为手动。首先设定一个初始阀门开度，如10%；切换至监控画面，观察液位变化，当液位趋于平衡时，再进行下一个步骤。2024/5/21 周二实验步骤及注意事项1将外回路置于手动状态，根据前面实验中所述方法，以上水箱液位为控制对象，首先调整好副回路的参数。2保持步骤5调整好的副回路参数，根据前面实验中所述方法，以下水箱液位为控制对象，调整好主回路的参数，将控制器投入运行。3在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。4注意事项注意事项p每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。p设定值不可过大，以免溢出。2024/5/21 周二实验所得1实验报告实验报告p通过趋势曲线，分析串级控制的效果p评估控制器参数对控制效果的影响p分析串级控制和单回路PID控制不同之处。2思考题思考题p为什么串级控制系统在加了副回路控制后控制量得到较大提升？串级控制相比于单回路控制有什么优点?p串级控制系统应如何投运？p串级控制系统参数应如何整定？2024/5/21 周二小结：p 本节关键词主副控制器正负作用，主副控制规律确定，主副PID参数整定，系统投运，广义对象，对象1，对象2AI/AO/PID,DI/DOp 主要仪器C3900无纸记录仪、过程控制器2024/5/21 周二思考题、作业1找一个串级控制系统项目设计书、并深入阅读。p提炼出关键词？p了解工作原理、关键参数？p了解其适用条件，优缺点？2请模仿本实验设计一个液位流量串级控制系统？p你变量选择的依据（要求）p控制策略表达式输入？2024/5/21 周二本次课完本次课完请休息！请休息！