串級控制系統調節器作用方向的判定

范忠雷

(鄭州大學化工與能源學院，鄭州 450001)

串級控制系統調節器作用方向的判定

范忠雷

(鄭州大學化工與能源學院，鄭州 450001)

通過分析串級控制系統主、副回路特性和環節的作用方向，以等效環節替代串級控制系統副回路，得到系統的等效控制框圖。在此基礎上，通過先副回路后主回路、環節作用方向乘積為負的原則判定主、副調節器的作用方向，得到串級控制系統中主調節器作用方向和主對象作用方向相反的結論。該結果簡化了串級控制系統判定過程，能快速判定調節器的作用方向。

串級控制系統 作用方向 調節器 判定方法

在控制系統中，作用方向是指各環節的輸入信號和輸出信號的相對方向，輸入信號和輸出信號變化方向相同為“+”，變化方向相反為“-”。對于串級控制系統來說，判斷主回路和副回路調節器的作用方向是一個重要的工程問題，也是化工過程控制類課程的教學難點。長期以來，有兩種不同的表述，一種是各環節作用方向乘積為負原則，即先根據安全要求確定執行器的作用方向，再通過乘積為負判定主、副回路調節器的作用方向[1～3]；另一種是根據主、副對象工藝特性，通過二對象對執行器動作方向的要求確定主調節器的作用方向[4]。這些方法在具體使用過程中，需要考慮副回路求和點的作用方向，也需要對工藝對象進行分析，過程繁瑣，不能簡潔、快速地確定主調節器的作用方向。為此，在前人工作的基礎上，筆者以等效環節替代串級控制系統副回路，通過環節作用方向乘積為負的判定原則對串級控制系統主調節器作用方向進行判定，簡化了判定過程，取得較好的效果。

1 調節器作用方向的判定方法①

串級控制系統(圖1)包含主對象、副對象、兩套檢測變送器、兩臺調節器和一個執行器，是由主回路和副回路構成的復雜控制系統。

圖1 串級控制系統框圖

串級控制系統副調節器的作用方向按照單回路系統各環節作用方向乘積為負的基本原則進行判定[1,2]。即根據工藝安全要求，通過選擇副回路調節閥的氣開和氣關方式來確定執行器的作用方向；然后再依次判定變送器和被控對象的作用方向；最后按照使副回路構成負反饋系統的原則來確定副調節器的作用方式。

同時，由圖1可知，串級控制系統的副回路是一個隨動系統[4]。隨動系統的給定值是主調節器的輸出，輸出為串級系統的副參數，是副對象的被控變量。對于隨動負反饋系統，副對象的被控變量和隨動系統的給定信號成正相關特性，即給定信號(主調節器的輸出)增加，則副被控變量增加；反之，給定信號減小，則副被控變量減小。根據環節作用方向的定義，可知串級控制系統副回路(包括副對象、副調節器、副變送器及執行器等環節)是正作用方向，可以等效為一個正作用環節，于是串級控制系統框圖(圖1)可以等效為單回路控制系統框圖(圖2)。

圖2 串級控制系統等效框圖

由圖2可知，串級控制系統中主對象、主檢測變送器、主調節器和等效環節構成了一個單回路控制系統，單回路系統作用方向的判定原則同樣適用于該主調節器作用方向的判定[5]。

(主調節器“±”)×(等效環節“+”)×(主對象“±”)×

(主測量變送器“+”)=“-”

(1)

(主調節器“±”)×(主對象“±”)=“-”

(2)

進一步分析，如果主測量變送器的作用方向為“+”，則由判定式(1)可以得到簡化公式(2)。因此可知：串級控制系統中主調節器的作用方向和主對象的作用方向相反，如果主對象的作用方向為正，則主調節器的作用方向為負；反之亦然。

2 應用實例

例1，加熱爐出口溫度-燃料流量所構成的串級控制系統[4]如圖3所示。首先，畫出該控制系統的控制框圖，結構與圖1相同。對于由爐膛、副測量變送器、副溫度調節器、調節閥構成的副回路，根據加熱爐的安全特性選擇執行器為氣開閥，為“+”作用方向；副對象為爐膛，當燃料流量增加時，爐膛溫度也增加，為“+”作用方向；溫度變送器一般為“+”作用方向；然后根據各環節作用方向的乘積為負，判定副調節器的作用方向為“-”。

圖3 加熱爐出口溫度-燃料流量串級控制系統

根據加熱爐出口溫度-燃料流量串級控制系統等效框圖(參照圖2)可以判定主調節器的作用方向。由圖2可知，等效環節為“+”作用方向，主溫度變送器為“+”作用方向，當爐膛溫度升高時，主對象的輸出變量(原料出口溫度)也升高，為“+”作用方向，根據各環節作用方向的乘積為負，判定主調節器的作用方向為“-”?？梢?，主調節器作用方向和主對象作用方向相反。

例2，圖4為連續夾套反應釜溫度串級控制系統，該控制系統通過冷卻水流入夾套內的流量來控制反應釜內物料的溫度。

圖4 夾套反應釜物料溫度-夾套溫度串級控制系統

根據串級控制系統框圖可知夾套、副溫度測量變送器、副溫度調節器、調節閥構成副回路。根據反應釜操作的安全特性選擇氣關閥，為“-”作用方向；副對象因冷卻水流量增加，夾套內冷卻水系統溫度降低，為“-”作用方向；副溫度變送器為“+”作用方向，因此副調節器的作用方向為“-”。

對于串級控制系統的主回路，副對象的輸出是主對象輸入信號，是夾套冷卻水溫度，輸出信號是原料出口溫度，當夾套冷卻水溫度升高時，被控變量(原料出口溫度)也升高，為“+”作用方向，根據判定式(2)可以判定主調節器的作用方向為“-”。

例3，連續夾套反應釜溫度-流量串級控制系統如圖5所示。該控制系統主被控變量為釜內物料溫度，副變量為冷卻水流量。在冷卻水管路、流量測量變送器、流量調節器TC2、調節閥構成的副回路系統，執行器選擇氣關閥，為“-”作用方向，流量變送器作用方向為“+”， 副對象為“+”作用方向，因此，副調節器的作用方向為“+”。對于主回路，由于主對象的輸入為副對象的輸出，即冷卻水流量。當冷卻水流量增大時，反應釜主參數T1降低，主對象的作用方向為“-”。根據調節器和主對象作用方向相反的判定原則，可以得到主調節器為“+”作用方向。

圖5 連續夾套反應釜溫度-流量串級控制系統

3 結束語

綜上所述，“環節作用方向乘積為負”原則適合串級控制系統主、副調節器作用方向的判定。通過先副回路后主回路，并以等效環節替代串級控制系統副回路，可得到串級控制系統中主調節器作用方向和主對象作用方向相反的結論。該結果簡化了串級控制系統判定過程，能快速判定調節器的作用方向，取得較好的效果。

[1] 林敏.控制系統中調節器作用方向的判定原則及判定公式[J].自動化儀表，1997，18(10)：7～10.

[2] 李安林.化工控制回路中調節器作用方向的判定[J].安陽大學學報，2003，(4)：19～20.

[3] 劉可薇.信號流具象法在儀表與自動化教學中的實踐[J].化工高等教育，2015，32(5)：100～104.

[4] 王毅，張早校.過程裝備控制技術及應用[M].北京：化學工業出版社，2010.

[5] 孟慶建.在串級控制系統中主控制器作用方向判定方法的改進[J].中國現代教育裝備，2008，(4)：38～39.

(Continued from Page 705)

ensure the safety of remote detection; in addition, the system boasting of stereo display and operator training can validate the planned trajectory before being applied to the actual flexible in-vessel inspection robot; and moreover, the system can directly take control of remote flexible in-vessel inspection robot to execute inspection tasks. At present, this system enjoys a successful application in the EAST blanket blanket remote inspection.

Keywordsvirtual reality, EAST blanket, remote inspection, flexible in-vessel inspection robot

JudgementofActionDirectionofControllersinCascadeControlSystems

FAN Zhong-lei

(SchoolofChemicalEngineeringandEnergy,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Through analyzing major loop and minor loop’s characteristics and controller direction of cascade control system and having minor feedback loop replaced with equivalent element, the system’s equivalent block diagram was obtained. On this basis, the principle of minor loop first and then coming the major loop and the directions’ multiplication of various elements was negative in the closed loops was adopted to judge the direction of the principal and vice controllers. The conclusion of the principal controller’s action direction is in opposition to that of the main controlled object was reached. This result simplifies cascade control system’s judgment of the controller’s action direction.

cascade control system, action direction, controller, judgment method

2015-11-25

TH865

A

1000-3932(2016)07-0740-03