串级控制系统在DCS中的应用

132022 中国石油吉林石化公司有机合成厂 吉林 吉林|崔巍



串级控制系统在DCS中的应用

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摘要：在现代工业生产和科技发展的过程中，控制系统是大量设备应用的重要组成部分。自动化控制已成为衡量工业现代化的一个重要指标。在复杂控制系统中，串级控制系统在化工厂应用最为普遍，串级控制系统是一个双回路系统，一个控制器的输出作为另一个控制器的给定值，这样的控制被成为串级控制系统。关键词；串级；自动化；控制器

串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个调节器串接工作的。主调节器的输出作为副调节器的给定值，副调节器的输出去操纵调节阀，以实现对主变量的定值控制。

我厂某装置控制不稳定现象

聚合反应釜内进行放热反应，釜温过高会发生事故，对此，采用夹套水冷却。由于釜温控制要求较高，且冷却水压力、温度波动较大，从而难以控制其稳定。

原因分析

a串级控制系统应用的场合

①对象的滞后和时间常数很大。

②扰动变化激而且幅度大的过程。

③负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。

④参数互相关联的过程

b串级控制系统的特点

①在系统结构上，它由两个串接工作的调节器构成的双闭环控制系统。

②系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量。

③由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响。

④系统对负荷改变时有一定的自适应能力。

c选择串级控制系统中主、副调节器的控制规律

①串级控制系统的目的是为了高精度的稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主调节器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可以引入适当的微分作用。

②串级控制系统中对副变量的要求不严，在控制过程中，副变量是不断跟随主调节器的输出变化而变化的，所以副调节器一般采用比例控制规律就可以了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。

解决措施

a针对这一现象，采用串级控制系统。

b确定主、副变量

主调节器所检测和控制的变量为主变量，即工艺控制指标；副调节器所检测和控制的变量为副变量，是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

主变量是釜内温度，副变量是夹套内温度。

c确定调节阀的气开、气关形式

为了在气源中断时保证冷却水继续供应，防止釜温过高，发生安全事故，所以调节阀应采用气关型。

d确定主、副调节器的作用方向

副调节器的作用方向与副对象特性、调节阀的气开、气关有关，其选择方法与简单控制系统中调节器正、反作用的选择相同，是按照使副回路成为一个负反馈系统的原则来确定的。主调节器的作用方向选择：当主、副变量增加或减小时，如果要求调节阀的动作方向一致，则主调节器选择反作用，反之，选择正作用。串级控制系统中主调节器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副调节器的作用方向无关。

主调节器的作用方向由于主、副变量增加时，都要求冷却水的调节阀开大，因此主调节器应为反作用，副调节器的作用方向可按简单控制系统的原则来确定。由于冷却水流量增加时，夹套温度是下降的，即副对象为“-”方向，调节阀为气关型，也是“-”方向，故副调节器应为反作用。

主要干扰是冷却水的温度波动

整个串级控制系统的工作过程是这样的：冷却水的温度升高，则夹套内的温度升高，由于副调节器为反作用，其输出降低，因而气关型的阀门开大，冷却水流量增加以及时克服冷却水温度变化对夹套温度的影响，因而减少以致消除冷却水温度波动对釜内温度的影响，提高了控制质量。

这时釜内温度由于某些次要干扰的影响而波动，该系统也能加以克服。釜内温度升高，则反作用的主调节器输出降低，因而使副调节器的给定值降低，其输出也降低，于是调节阀开大，冷却水流量增加以使釜内温度降低，起到负反馈的控制作用。

主要干扰是冷却水压力波动

整个串级控制系统工作过程是这样的：冷却水压力增加，则流量增加，使夹套温度下降，副调节器的输出增加，调节阀关小，减少冷却水流量以克服冷却水压力增加夹套内温度的影响。这时为了及时克服冷却水压力波动对流量的影响，不要等夹套内温度变化才开始控制，可改进方案，采用釜内温度与冷却水流量的串级控制系统，以进一步提高控制质量。

串级控制系统的投运方法

先投副环，再投主环

a将副调节器放在手动上，主调节器放在手动上，并把正反作用开关分别放在正确位置上，调节参数分别放在预定的位置上。

b用副调节器的手操进行控制

c当主参数接近给定值，副参数也较平稳后，调节主调节器的手操进行设定，使副调节器的偏差为零，将副调节器的手动切到自动，副调节器实行给定值调节。

d调节主调节器给定值，使主调节器偏差为零。

e将主调节器切向自动，完成串级控制系统的投运工作。

参考：

［1］《自动化仪表与过程控制》，作者：张智贤，2009年中国电力出版社.

［2］《过程控制与自动化仪表》，作者：潘永湘 等，2011年机械工业出版社.。

［3］《自动化控制工程设计》，作者：李駪 姜秀英，2009年电子工业出版社.