结果：温度控制不稳定
概述
解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定。
FC
TC
问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾
温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制 系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。
概述
串级控制系统：两套控制系统的协调控制
FC
TC
特点：两个控制器，一个调节阀
- PID正反作用确定 . 先确定副控制器 调节阀选为气开型(故障关FC),特性为正作用; 流
量偏大时,阀门流通量应少, 对象特性为反作用; 所以 PID控制器应选正作用;
调节阀选为气关型(故障关FO),特性为反作用, PID控制器应选反作用;
串级控制系统
. 再确定主控制器 主控制器PID特性,不再需要考虑阀门特性和
一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器 （副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀ຫໍສະໝຸດ 述温度控制器流量控制器
控制阀
流量变送器
温度变送器
流量对象
温度对象
特点：两个闭环环路，内环和外环 内环：副环，副控制器、副对象、副变送器 （流量） 外环：主环，主控制器、主对象、主变送器 （温度）
概述
主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制
例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰
串级控制系统的特点
串级系统具有一定的自适应能力
自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条 件的变化，不断修改副控制器的给定值——自适应能力 “能力有限”，自适应控制（现代控制技术）
FC TC
副控制器： 控制阀选“气闭”式——负 正对象，流量对象，阀门开大，
流量增大——正 变送器一般均为正
主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加，
提馏段温度上升——正
串级控制系统
结论 （1）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关； （2）直接先确定主控的正反作用。
50%
0% 4
A 气开 B 气关
100% 50%
A 气关
B 气开
0%
12
20
4
12
20
分程控制系统 概述
一个控制器控制几个控制阀——输出信号分段“分程控制” 如，控制两个阀A、B A阀控制信号:0.02~0.06Mpa B阀控制信号:0.06~0.1Mpa
控制器输出在0.06Mpa以下，只有阀A动作，在0.06Mpa 以上，只有阀B动作
概述
●情况3: ——主环和副环同时 （1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度降低；
（2）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度升高。
sp
FC
sp
FC
串级控制系统的特点
串级控制系统具有较强的抗干扰能力
特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行 控制，副“粗调”，主“细调”，副环起到超前调节的作用 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10—100倍， 干扰作用于主环时，也可提高2—5倍
• 分程控制
- 优点
阀B
. 扩大控制阀的可调范围;
. 控制更加精确和稳定
阀A
- 分程控制曲线
100%
50%
0% 4
A 气开
100%
B 气开 50% A 气关
0%
12
20
4
12
100%
B 气关 50%
A 气关
100%
B 气开
50%
0%
0%
20
4
12
20
4
PIC-101
A 气开
B 气关
12
20
100%
（3）安全生产的防护措施
放空 B
A
氮
PC
B
A
图7-6 油品储罐氮封分程控制
加氮阀A、放空阀B，控制两个阀，共同保持储罐氮封压力 为了防止在分程点两个阀频繁动作，可以设置一个死区
串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂 工程上，宜简不宜繁
串级控制系统的特点
结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，
控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产 过程中应用比较普遍。
串级控制系统
主、副控制器正反作用的选择 选择顺序：先副后主
副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系
两个流通能力相同的阀，
同调节蒸汽压力，小负荷时，
只开一个阀，大负荷时，
再开第2个阀。
通过计算，如果两个阀流通
PC
能力相同，分程后，
总的流通能力扩大1倍。
分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求
TC A
A.C B
A.O
A
B
图7—4 间歇式化学反应器分程控制系统
分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求
器输出作为副控制器的设定
副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，
副控制器输出控制控制阀
概述
●串级控制系统工作过程
气开式控制阀 反作用的流量控制器 反作用的温度控制器 控制系统处于稳定的平衡状态
概述
● 情况1: —— 副环内出现干扰 蒸汽流量突然增大→（一段时间：提馏段温度不变， 温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流 量测量增大→（流量控制器正偏差，流量控制器输出 减小，控制阀关小）→蒸汽流量减小，削弱对提馏段 温度的影响）
PC
TC
串级控制系统的实施
副控制器： 控制阀选“气开”式——正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升——正 变送器一般均为正
主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升——正
串级控制系统的实施
例2
精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统
概述
通过阀门定位器调整
A：0.02~0.06Mpa —— 0~100% B：0.06~0.1Mpa —— 0~100%
根据各阀的气开、气闭形式不同，决定阀的行程方向
两阀同向 动作
0
两阀异向 动作
0
100%
0
100%
0
100% 100%
分程控制的应用场合
（1）扩大控制阀可调范围： 两个阀分程使用，扩大了流通能力
工艺要求：投料后，需由蒸汽加温，以达到反应温度， 反应进行后，放出热量，需要将热量移走。
两个控制阀：冷水阀A（气关）、蒸汽阀B（气开）— —安全角度设置
温度控制器TC（反作用）——副反馈要求 T<设定值，TC输出增加A阀关闭、B阀逐渐打开 T>设定值，TC输出减小A阀逐渐打开、B阀关闭
分程控制的应用场合
副PID作用,只考虑对象特性可以确定; 流量俞大, 主控参数温度俞高,对象特性为正作
用, 所以主控制器选正作用;
串级控制系统
主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对 象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为 “负”，则主控制器取“正”作用
例1
P48 图2-7 加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统
即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号
主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。
副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 —— 随动系统，跟踪主 控制器的输出。
• 串级控制系统
给定值 TIC-101 [PID]
FIC-101 [PID]
概述
●串级控制系统原理 精馏控制过程：P42 图2-1 提馏段温度控制 — 通过控制再沸器加热蒸汽量来 维持提馏段温度恒定
精馏塔提馏段温度控制：
TC
概述
分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路 可控制温度
情况一，很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会 有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀 门开度情况下，加热蒸汽量不同。
→提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温 度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小） →流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减 小。
流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调”
概述
● 情况2: —— 主环内出现干扰
进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降→ 温度控制器负偏差，输出增大→（流量控制器负偏差， 流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加） →提馏段温度回升