串级控制系统调节器作用方向的判定

范忠雷

(郑州大学化工与能源学院，郑州 450001)

串级控制系统调节器作用方向的判定

范忠雷

(郑州大学化工与能源学院，郑州 450001)

通过分析串级控制系统主、副回路特性和环节的作用方向，以等效环节替代串级控制系统副回路，得到系统的等效控制框图。在此基础上，通过先副回路后主回路、环节作用方向乘积为负的原则判定主、副调节器的作用方向，得到串级控制系统中主调节器作用方向和主对象作用方向相反的结论。该结果简化了串级控制系统判定过程，能快速判定调节器的作用方向。

串级控制系统 作用方向 调节器 判定方法

在控制系统中，作用方向是指各环节的输入信号和输出信号的相对方向，输入信号和输出信号变化方向相同为“+”，变化方向相反为“-”。对于串级控制系统来说，判断主回路和副回路调节器的作用方向是一个重要的工程问题，也是化工过程控制类课程的教学难点。长期以来，有两种不同的表述，一种是各环节作用方向乘积为负原则，即先根据安全要求确定执行器的作用方向，再通过乘积为负判定主、副回路调节器的作用方向[1～3]；另一种是根据主、副对象工艺特性，通过二对象对执行器动作方向的要求确定主调节器的作用方向[4]。这些方法在具体使用过程中，需要考虑副回路求和点的作用方向，也需要对工艺对象进行分析，过程繁琐，不能简洁、快速地确定主调节器的作用方向。为此，在前人工作的基础上，笔者以等效环节替代串级控制系统副回路，通过环节作用方向乘积为负的判定原则对串级控制系统主调节器作用方向进行判定，简化了判定过程，取得较好的效果。

1 调节器作用方向的判定方法①

串级控制系统(图1)包含主对象、副对象、两套检测变送器、两台调节器和一个执行器，是由主回路和副回路构成的复杂控制系统。

图1 串级控制系统框图

串级控制系统副调节器的作用方向按照单回路系统各环节作用方向乘积为负的基本原则进行判定[1,2]。即根据工艺安全要求，通过选择副回路调节阀的气开和气关方式来确定执行器的作用方向；然后再依次判定变送器和被控对象的作用方向；最后按照使副回路构成负反馈系统的原则来确定副调节器的作用方式。

同时，由图1可知，串级控制系统的副回路是一个随动系统[4]。随动系统的给定值是主调节器的输出，输出为串级系统的副参数，是副对象的被控变量。对于随动负反馈系统，副对象的被控变量和随动系统的给定信号成正相关特性，即给定信号(主调节器的输出)增加，则副被控变量增加；反之，给定信号减小，则副被控变量减小。根据环节作用方向的定义，可知串级控制系统副回路(包括副对象、副调节器、副变送器及执行器等环节)是正作用方向，可以等效为一个正作用环节，于是串级控制系统框图(图1)可以等效为单回路控制系统框图(图2)。

图2 串级控制系统等效框图

由图2可知，串级控制系统中主对象、主检测变送器、主调节器和等效环节构成了一个单回路控制系统，单回路系统作用方向的判定原则同样适用于该主调节器作用方向的判定[5]。

(主调节器“±”)×(等效环节“+”)×(主对象“±”)×

(主测量变送器“+”)=“-”

(1)

(主调节器“±”)×(主对象“±”)=“-”

(2)

进一步分析，如果主测量变送器的作用方向为“+”，则由判定式(1)可以得到简化公式(2)。因此可知：串级控制系统中主调节器的作用方向和主对象的作用方向相反，如果主对象的作用方向为正，则主调节器的作用方向为负；反之亦然。

2 应用实例

例1，加热炉出口温度-燃料流量所构成的串级控制系统[4]如图3所示。首先，画出该控制系统的控制框图，结构与图1相同。对于由炉膛、副测量变送器、副温度调节器、调节阀构成的副回路，根据加热炉的安全特性选择执行器为气开阀，为“+”作用方向；副对象为炉膛，当燃料流量增加时，炉膛温度也增加，为“+”作用方向；温度变送器一般为“+”作用方向；然后根据各环节作用方向的乘积为负，判定副调节器的作用方向为“-”。

图3 加热炉出口温度-燃料流量串级控制系统

根据加热炉出口温度-燃料流量串级控制系统等效框图(参照图2)可以判定主调节器的作用方向。由图2可知，等效环节为“+”作用方向，主温度变送器为“+”作用方向，当炉膛温度升高时，主对象的输出变量(原料出口温度)也升高，为“+”作用方向，根据各环节作用方向的乘积为负，判定主调节器的作用方向为“-”。可见，主调节器作用方向和主对象作用方向相反。

例2，图4为连续夹套反应釜温度串级控制系统，该控制系统通过冷却水流入夹套内的流量来控制反应釜内物料的温度。

图4 夹套反应釜物料温度-夹套温度串级控制系统

根据串级控制系统框图可知夹套、副温度测量变送器、副温度调节器、调节阀构成副回路。根据反应釜操作的安全特性选择气关阀，为“-”作用方向；副对象因冷却水流量增加，夹套内冷却水系统温度降低，为“-”作用方向；副温度变送器为“+”作用方向，因此副调节器的作用方向为“-”。

对于串级控制系统的主回路，副对象的输出是主对象输入信号，是夹套冷却水温度，输出信号是原料出口温度，当夹套冷却水温度升高时，被控变量(原料出口温度)也升高，为“+”作用方向，根据判定式(2)可以判定主调节器的作用方向为“-”。

例3，连续夹套反应釜温度-流量串级控制系统如图5所示。该控制系统主被控变量为釜内物料温度，副变量为冷却水流量。在冷却水管路、流量测量变送器、流量调节器TC2、调节阀构成的副回路系统，执行器选择气关阀，为“-”作用方向，流量变送器作用方向为“+”， 副对象为“+”作用方向，因此，副调节器的作用方向为“+”。对于主回路，由于主对象的输入为副对象的输出，即冷却水流量。当冷却水流量增大时，反应釜主参数T1降低，主对象的作用方向为“-”。根据调节器和主对象作用方向相反的判定原则，可以得到主调节器为“+”作用方向。

图5 连续夹套反应釜温度-流量串级控制系统

3 结束语

综上所述，“环节作用方向乘积为负”原则适合串级控制系统主、副调节器作用方向的判定。通过先副回路后主回路，并以等效环节替代串级控制系统副回路，可得到串级控制系统中主调节器作用方向和主对象作用方向相反的结论。该结果简化了串级控制系统判定过程，能快速判定调节器的作用方向，取得较好的效果。

[1] 林敏.控制系统中调节器作用方向的判定原则及判定公式[J].自动化仪表，1997，18(10)：7～10.

[2] 李安林.化工控制回路中调节器作用方向的判定[J].安阳大学学报，2003，(4)：19～20.

[3] 刘可薇.信号流具象法在仪表与自动化教学中的实践[J].化工高等教育，2015，32(5)：100～104.

[4] 王毅，张早校.过程装备控制技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2010.

[5] 孟庆建.在串级控制系统中主控制器作用方向判定方法的改进[J].中国现代教育装备，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