【资料】过控第6章-串级控制系统.汇编
过程控制李国勇著第6章串级控制系统
D2
燃料
D3
33
• 一次扰动D3使TT1↑,同时二次扰动D2使TT2↓→TT1↓， 作用影响控制输出朝相反方向变化 • 二次扰动D2使TT2↓→TC2↑(反作用)→V↑ • 一次扰动D3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓ V↓ • 作用结果：一次扰动D3， 二次扰动D2→V↑↓ sp
TC2 TC1
第6章 串级控制系统
目 录
6.1 串级控制系统的基本概念 6.2 串级控制系统的分析 6.3 串级控制系统的设计 6.4 串级控制系统的整定 6.5 串级控制系统的投运 6.6 利用MATLAB对串级控制系统进行仿真 本章小结
1
• 最简单的控制系统——单回路控制系统
• 系统中只用了一个调节器，调节器的设定值 一般是内给定的。
压力给定
12
温度-压力串级控制系统框图
13
系统结构特点：
• 被控对象分成两部分，对象1和对象2。 • 调节器1输出作为调节器2给定值。 • 1个执行器完成调节。
• 压力回路克服D1(t)保证流量稳定且快速跟随调节器1的给定值(随动控制)。 • 温度回路实现温度设定控制(定值控制)。
温度-压力串级控制系统
6
简单控制系统方框图：
影响烧成带温度l的各种干扰因素都被包括在控 制回路当中，只要干扰造成l偏离设定值，控制器就 会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从 而把变化了的l 重新调回到设定值。
7
sp
TC TT
• 影响控制质量因素：
• 1 被控对象特性； • 对象特性-多环节大惯性对象
V
Y2(S)
D1
-
GC1(S)
-
GC2(S)
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)
(工业过程控制)5.串级控制系统
与模糊控制系统的比较
总结词
数据处理方式
详细描述
模糊控制系统处理的是模糊数据，将输入变量的精确值转换为模糊集合的隶属度；串级控制系统则直接处理输入 变量的精确值。
与模糊控制系统的比较
总结词：适用场景
详细描述：模糊控制系统适用于具有不确定性和非线性特性的复杂系统；串级控制系统适用于具有多个重要参数且需要精确 控制的过程。
测量元件是控制系统中的传感器和变 送器，用于检测系统参数和状态，并 将信号传输给控制器。
执行器应具备高精度、高可靠性和长 寿命等特点，以保证系统控制的准确 性和稳定性。
测量元件的选择与校准对于保证系统 测量的准确性和可靠性至关重要，应 根据具体需求进行选择和校准。
04
串级控制系统的调试与优化
系统调试
调试目的：确保系统正常 运行，满足工艺要求。
调试内容
检查硬件设备是否正常工 作。
测试系统逻辑控制功能。
系统优化பைடு நூலகம்
优化方法
优化目标：提高系统性能， 降低能耗。
01
调整控制参数，提高控制精
度。
02
03
优化控制逻辑，降低误操作 风险。
04
05
改进系统结构，提高响应速 度。
系统维护与升级
01
维护内容
02
定期检查硬件设备。
详细描述：多变量控制系统需要处理多个输入和输出变 量之间的耦合关系，系统复杂性较高；串级控制系统则 通过将系统分解为多个子系统来降低复杂性。
详细描述：多变量控制系统通常采用协调控制策略，以 实现多个变量之间的优化；串级控制系统则更注重单个 变量的优化和控制。
与模糊控制系统的比较
总结词：控制规则
详细描述：模糊控制系统基于模糊逻辑和模糊集合理论，通过模糊规则进行控制；串级控制系统则基 于经典控制理论，通过PID控制器等进行控制。
过程控制——串级控制系统
5、主调节器：按主参数的测量值与给定值的 偏差进行工作的调节器，其输出作为副调 节器的给定值。 6、副调节器：按副参数的测量值与主调节器 的输出值的偏差进行工作的调节器，其输 出直接控制调节阀动作。
6
7、副回路：由副调节器、副被控过程、副测 量变送器等组成的闭合回路。 8、主回路：由主调节器、副回路、主被控过 程及主测量变送器组成的闭合回路。 9、一次扰动：作用在主被控过程上的，不包 括在副回路范围内的扰动。 10、二次扰动：作用在副控制过程上的，在 副回路范围内的扰动。
一、基本概念 串级控制系统——两只调节器串联起 来工作，其中一个调节器的输出作为另一 个调节器的给定值的系统。
1
加热炉温度控制系统
2
加热炉串级控制系统
3串级控制系统方框图4串级控制系统术语
1、主被控参数：在串级控制系统中起主导作 用的那个被控参数。 2、副被控参数：在串级控制系统中为了稳定 主被控参数而引入的中间辅助变量。 3、主被控过程：由主参数表征其特性的生产 过程。 4、副被控过程：由副被控参数为输出的生产 过程。
7
三、串级控制系统的工业应用实例
1、聚合釜温度与夹套温度串级控制
8
第6章-串级控制系统讲解全文编辑修改
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主测量变送器 根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将 被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程
(2)只存在一次干扰
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀
D2 燃烧室 θ2
隔焰板
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主参数设定
－
主调 节器
－
副调 节器
调节 阀
二次扰动
副对象
一次扰动 主参数
主对象
副变送器
副参数
定值控 制系统
主变送器
主回路
图6-6 串级控制系统标准方框图
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路 起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。
2) 每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器 3) 调节阀由副调节器直接控制
－
－
Gm2(s)
Y2(s)
Gm1(s)
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ ＋
GGpo22
D2 y2
D2(s)
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
y2,sp
Gc2GvGGop2
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
Go2’(s)
6.2 串级控制系统的分析
6.2 串级控制系统的分析
串级控制特点总结：
1) 在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环 控制系统。其中主回路是定值控制，副回路是随动控制；
6-5 复杂过程控制系统
内因是控制器有积分作用
扰动 θT2 θT1
θr
PID1
PID2
导前
惰性
副回路 主回路
主调节器产生积分饱和，将使控制不及时，系统 输出超调量增加。
基本过程控制系统 抗积分饱和措施： 将主调节器调整为积分 外反馈。即
R PID1 PID2
Y1 Y2 Gp2(s) Gp1(s)
1 R 2 (s) = K C1E1 (s) + Y2 (s) TI s + 1
基本过程控制系统
第6章 串级控制系统与比值控制系统
§6-1 串级控制系统概念
§6-2 串级控制系统设计和实施中的几个问题
§6-3 调节器的选型
§6-4 比值控制系统
基本过程控制系统
减温水扰动
θr θT
减温水扰动
θr θT2 θT1 过热器
PID1
PID2
减温器
PID
过热器
单回路控制系统
串级控制系统
基本过程控制系统
§6-2 串级控制系统设计和实施中的几个问题
1. 副回路的设计
1）副调参数选择应使副 回路的时间常数小； 这样通道短，反应灵 敏 2）副回路应包含主要的 扰动；
θr θT2 θT1 过热器
PID1
PID2
减温器
一般应把调节量扰动 包含在内
基本过程控制系统 2. 主、副回路工作频率的选择
Y(s) + +
史密斯预估控制原理图
Y(s) = (Kpgp (s)e-τds + Ksgs (s))U(s) Kpgp (s) = Kpgp (s)e-τds + Ksgs (s) Ksgs (s) = Kpgp (s)(1 e-τds )
串级控制系统
第三章串级控制系统简单控制系统由于结构简单，而得到广泛的应用，其数量占有所有控制系统总数的80% 以上，在绝大多数场合下已能满足生产要求。
但随着科技的发展，新工艺、新设备的出现，生产过程的大型化和复杂化，必然导致对操作条件的要求更加严格，变量之间的关系更加复杂。
同时，现代化生产往往对产品的质量提出更高的要求，例如甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1℃石油裂解气的生冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%等，此外，生产过程中的某些特殊要求，如物料配比、前后生产工序协调问题、为了安全而采取的软保护的问题、管理与控制一体化问题等，这些问题的解决都是简单控制系统所不能胜任的，因此，相应地就出现了复杂控制系统。
在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统统称为复杂控系统。
复杂控制系统种类较多，按其所满足的控制要求可分为两大类：以提高系统控制质量为目的的复杂控制系统，主要有串级和前馈控制系统；满足某些特定要求的控制系统，主要有比值、均匀、分程、选择性等。
本章将重点介绍串级控制系统。
串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，它对改善控制产品有独到之处。
当过程的容量之后较大，负荷或扰动变化比较剧烈、比较频繁、或是工艺对生产质量提出的要求很高，采用单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。
3.1 串级控制系统概述图3-1串级控制系统方框图3.2 串级控制系统的特点串级控制系统从总体来看，仍然是一个定制控制系统，因此主变量在扰动作用下的过渡过程和简单定制控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式。
但是串级控制系统和简单控制系统相比，在结构上增加了一个与之相连的副回路，因此具有一系列特点。
由于副回路的存在，改善了过程的动态特性提高了系统的工作频率。
串级控制系统在结构上区别于接单控制系统的主要标志是用一个闭合的副回路代替了原来的一部分被控对象。
所以，也可以把整个副回路看作是主回路的一个环节，或把副回路称为等效副对象。
串级控制系统整理整理
串级控制系统整理手册一、串级控制系统概述串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，主要由两个或多个控制环组成，每个控制环都负责调节一个特定的过程变量。
这种系统具有结构紧凑、响应速度快、控制精度高等优点，广泛应用于各类工业生产过程中。
二、串级控制系统的组成1. 主控制环：主控制环负责监控整个过程的主要变量，通常与系统的输出直接相关。
主控制器根据主控制环的偏差，调整副控制器的设定值，以实现系统整体的控制目标。
2. 副控制环：副控制环位于主控制环内部，负责调节过程中的辅助变量。
副控制器根据副控制环的偏差，调整执行机构的输出，以影响主控制环的变量。
3. 执行机构：执行机构是串级控制系统的执行者，负责根据控制器的指令调整过程变量。
常见的执行机构有电机、阀门、变频器等。
4. 被控对象：被控对象是串级控制系统的作用对象，包括各种生产过程中的设备、工艺和参数。
三、串级控制系统的特点1. 快速响应：串级控制系统通过多个控制环的协同作用，能够迅速响应过程变化，提高系统的动态性能。
2. 高精度：串级控制系统可以实现对外部干扰的有效抑制，提高控制精度，确保产品质量。
3. 灵活性：串级控制系统可根据实际生产需求，调整控制参数，适应不同工况。
4. 易于维护：串级控制系统结构清晰，便于故障排查和日常维护。
四、串级控制系统的设计要点1. 确定控制目标：明确串级控制系统的主、副控制环控制目标，确保系统稳定运行。
2. 选择合适的控制器：根据被控对象的特性，选择合适的控制器类型和参数。
3. 优化控制参数：通过调整控制器参数，使串级控制系统达到最佳控制效果。
4. 考虑系统抗干扰能力：在设计过程中，充分考虑外部干扰因素，提高系统的抗干扰能力。
5. 系统调试与优化：在系统投运后，根据实际运行情况，不断调整和优化控制参数，确保系统稳定、高效运行。
五、串级控制系统的实施步骤1. 系统分析与建模：深入了解生产工艺，对被控对象进行详细分析，建立准确的数学模型，为控制器设计提供依据。
工业过程控制工程课件第六章串级控制系统
2 变 化 较 小 流 量 只 需 很 小 调 整
28
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第六章 串级控制系统
6.1.3 串级控制系统的工作过程
3 结论： 副控制器：起“粗调”作用
主控制器：起“细调”作用 两者相互配合，控制质量高于单回路控制系统。
由分析可见串级控制的优点： 副回路具有快速调节作用。
29
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6.1.1 串级控制系统的概念
方案3： T1C - T2C串级控制 原理图：P69 图6.1-1 （b）
θc- Qc回路(T2C)：主要用以快速克服冷 却剂方面的扰动；
θ- Qc回路(T1C): 用以克服其它扰动对温 度的影响
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第六章 串级控制系统
6.1.1 串级控制系统的概念（实例2）
实例2：硝酸生产中氧化炉内温度控制
4 N H 3 5 O 2 4 N O 6 H 2 O Q
要求：T控制在840±5℃范围之内
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第六章 串级控制系统
6.1.1 串级控制系统的概念
措施之一：简单温度控制系统 特点：对所有T的干扰都包含在控制回路中。 结果：响应不灵敏，动作迟缓， 最大偏差±10℃ 原因：控制通道滞后大，对氨气总管压力波 动引起氨气流量的频繁变化，不能及 时克服。
25
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第六章 串级控制系统
6.1.3 串级控制系统的工作过程
b. 出现一次干扰F1 ：导致T升高 （推理方法2）
F1 温度TTyC m1设 定值r1不变TC输出u1
FC设定值r2 ey2m2暂 时 ym不 2变 r2 F C 输 出 u 2 阀 门 开 度 2 流 量 Q 炉 温 T 至 设 定 值
串级控制系统资料课件
串级控制系统具有较好的抗干扰能力和对负荷变化的适应性 ，能够提高系统的控制品质和降低对控制参数的敏感性。
串级控制系统基本组成
01
02
03
控制器
是系统的核心部分，负责 接收输入信号并输出控制 信号。
内回路
由控制器、测量变送器和 执行机构组成，负责将控 制器的输出信号转换为实 际的控制动作。
外回路
串级控制系统资料课件
目录
• 串级控制系统概述 • 串级控制系统的设计 • 串级控制系统的应用 • 串级控制系统的优化 • 串级控制系统的案例分析 • 串级控制系统的未来发展与挑战
01
串级控制系统概述
定义与特点
定义
串级控制系统是一种常用的工业控制系统，由两个或更多控 制器串联组成，每个控制器控制一个内回路，内回路的输出 作为下一级控制器的给定值，形成多级控制回路。
内回路的输出值作为 下一级控制器的给定 值，下一级控制器根 据给定值和实际测量 值的偏差计算出控制 信号，调整内回路的 执行机构；
通过多级控制回路的 协同作用，最终实现 系统输出值与目标值 的接近。
02
串级控制系统的设计
设计原则与步骤
01
确定系统结构
根据工艺要求和控制目标，确定 串级控制系统的主控制器和从控 制器。
算法优化
并行计算
利用多核处理器或分布式计算资源，加速控制算法的计算 过程，提高系统的实时性。
01
参数优化
通过智能优化算法，对控制算法的参数 进行优化，以获得更好的控制效果。
02
03
近似算法
在保证控制精度的前提下，采用近似 算法降低计算复杂度，提高系统的响 应速度。
系统结构优化
模块化设计
过控第6章 串级控制系统
系统投运的无扰切换：手动/自动在回路偏差为零时切换。
串级控制系统调节器正反作用
Tsp
TC
Tm Pm
PC
Psp u Pv
T 塔 底 部
加热蒸汽
P
再 沸 器
精馏塔提馏段温度控制系统 如图所示，图中，Pv为调节 阀阀前压力。 （1）为保证再沸器的安全， 蒸汽调节阀应选用气关阀还 是气开阀？为什么？ （2）确定调节器TC、PC的 正反作用，并画出该系统完 整的方框图（尽可能在图上 表明相应的信号）。
TC
FC 进料 出料
燃料油
情况1：流量副回路出现“积 分饱和”，可采用单回路抗 积分饱和方法； 情况2：当主副控制器均采用 单回路抗积分饱和方法时， 可能出现限位参数不一致的 情形，同样存在发生“积分 饱和”的可能性。
单回路系统的防积分饱和
d(t) ysp(t)
＋ －
e(s)
KC
TD s + 1 TD s +1 AD
串级系统的设计原则
1.
2. 3.
4.
副参数的选择应使副对象的时间常数比主对 象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏； 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰； 尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含 于副回路中； 副参数可测。
常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、 液位+流量、温度+温度等。
串级系统副参数的选择举例*
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2T2冷却剂 进料 NhomakorabeaT1
出料
特点：两个调节器串在一 起工作，调节器TC2通过 调节冷却剂流量以克服冷 却水方面的扰动；调节器 TC1通过调节夹套内的水 温以保证反应斧温度维持 在工艺所希望的某一给定 值。
串级控制系统详解
由特点2可知副回路的传递函数：
W（2 S）=
K 2′ T0′2S +
1
式中：
等效副对象的时间常数T0′2
=
T02 (Kc2K2
+1)
等效副对象的放大倍数K 2′
=
K c2 K2 (Kc2K2 +1)
等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意 味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度 更快。
反作用
反作用
气开式
R（1 S） E（1 S）
−
R（2 S） E（2 S）
−
D（2 S） D（1 S）
返回
§6.4 串级控制系统的参数整定
副回路：是一个随动系统，一般对其控制品质要求不高，对 其快速性要求较高。
主回路：是一个定值控制系统，其控制品质和单回路控制系 统一样。
参数整定的方法： 逐步逼近法 两步整定法 一步整定法
作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。
串级控制系统的通用方框图：
−
−
内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。
二、串级控制系统的工作过程（参见P198）
仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度-流量串级控 制系统克服干扰的过程。
调节阀：气开式 温度调节器、流量调节器：反作用
情况一：干扰来自燃料油流量的变化 • 初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控 制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改 变执行阀的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。 • 当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器 的设定值，流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进 行控制，直到炉出口温度重新恢复到设定值 。
过控第六章串级课件
三。串级调节系统主，副调节器正反作用方式的选择。
目的：保证主，副回路都是负反馈。
副调节器正反作用的选择只与副回路有关。 主调节器的选择与副回路，主对象有关。
注意：由于副调节器给定值由主调节器的输出提供，副回路 实际是一个随动控制系统，要求快速跟踪主调节器输出的变 化。即主调节器的输出增加，副被控参数必须增加，主调节 器的输出降低，副被控参数必须降低。即整个副回路可看作 是一个静态增益为“＋”的环节。
一次扰动：F1 二次扰动：F2
管式加热炉炉出口温度与炉膛温度串级控制系统中,确定其主,副 调节器的正反作用方式??
1r
主调 2 r
节器
－
－
副调 节器
调节阀
f2
f1
+ 炉膛 2 管壁 +
原料油 1
炉出口温度—炉膛温度串级控制系统 （1）调节阀－－气开阀.随调节器输出信号的增加， 阀门开度增加。Kv为“+” （2）副被控对象－－燃料油流量增加，炉膛温度升高。K o2为“+” （3）副调节器－保证副回路为负反馈，Kc2应为“+”即反作用方式。
图串级控制系统实例方框图
T1C
要求（1）作出系统方框图。 方案二：锅炉设备蒸气温度串级调节方案
管式加热炉
管式加热炉炉出口温度与炉膛温度串级控制系统中,确定其主,副调节器的正反作用方式??
T T、 T C B二次扰动使炉膛温度升高，一次扰动使炉出口温度升高
1 1 ２．副回路选择应使副回路时间常数小，调节通道短，反应灵敏．
干扰
副对象 副变量
主对象
主变量
主变送器
主参数：对象的主被控参数，串级控制系统使之等于给定值的参数。
过控串级控制系统课件
从控制器一般也采用PID控制器， 根据从控制器的输入和输出，调 整PID控制器的参数，以实现更好 的控制效果。
执行器
执行器是串级控制系统中的执行元件 ，根据从控制器的输出信号，调整被 控对象的操作量，从而改变被控参数 。
执行器可以是阀门、电机等，根据被 控对象的特性选择合适的执行器。
传感器
传感器是用来测量被控参数的仪表，将测量值转换为电信号 或数字信号，传送给主控制器。
03
04
观察法
通过观察设备的外观、仪表指 示和运行状态，初步判断设备
是否存在故障。
听诊法
通过听设备运行时的声音，判 断是否存在异常噪音或振动，
从而确定故障部位。
触摸法
通过触摸设备的表面，感受温 度、振动等参数，判断设备是
否正常运行。
测试法
通过测试设备的各项性能参数 ，如电压、电流、压力、流量 等，判断设备是否存在故障。
高精度控制
过控串级控制系统能够实现对被控对象的精确控制，提高控制精度和 稳定性。
适应性较强
过控串级控制系统能够适应不同的工业过程控制需求，通过调整控制 器参数和优化控制策略，实现对不同被控对象的控制。
可靠性高
过控串级控制系统采用多级控制策略，能够降低单点故障对整个系统 的影响，提高系统的可靠性。
工作原理
应用场景
化工行业
过控串级控制系统广泛应用于化工行 业的生产过程控制，如石油、化工、 制药等领域的反应过程、蒸馏过程、 萃取过程等。
电力行业
冶金行业
在冶金行业中，过控串级控制系统主 要用于高炉、转炉、轧机等设备的控 制，提高产品质量和生产效率。
在电力行业中，过控串级控制系统主 要用于锅炉和汽轮机的控制，提高发 电效率和控制精度。
一、串级控制系统
《过程控制与自动化仪表》P190单回路控制系统作为一种最基本、使用最广泛的控制系统，结构简单，在大多数情况下都能满足工业生产的基本要求。
但是在油厂中，控制对象复杂，干扰多，大多数情况下需要运用新的控制系统，以进一步提高控制质量。
这时就需要用到串级控制、选择性（超驰）控制、前馈控制等一类较为复杂的高性能过程控制系统。
本章将对上述三种控制系统的组成、特点、控制原理以及工程设计应考虑的问题进行介绍。
一、串级控制系统一、串级控制系统简介串级控制系统是指在对象滞后较大、干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中，对局部参数（副参数）进行预先控制以提高系统总体控制水平的复合控制系统。
因此，串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。
根据串级控制系统的结构框图，可以看出串级控制系统的显著特点是：结构上2个回路，主回路和副回路，由两个串接工作的调节器构成双闭环控制系统。
从而，在控制过程中包含2个变量，主变量和副变量，通过设置副变量来提高对主变量的控制质量。
串级控制系统通常包括主控制系统和副控制系统，其中：主控制系统是系统目标参数控制系统；副控制系统是为实现目标参数控制而设置的辅助参数控制系统。
副控制器具有“粗调”作用，主控制器具有“细调”作用，两者配合进行控制。
串级控制系统的结构框图串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，因而能大大的提高控制质量。
具有以下的控制特点：1）能迅速克服进入副回路的干扰，抗干扰能力强，控制能力强；2）改善了过程的动态特性，提高了系统的工作效率；3）对负荷和操作条件的变化适应性强；二、串级控制系统的设计在串级控制系统中增加了一个副回路，使其设计中主副回路的选择、主副控制器控制规律和正反作用的确定等都是需要考虑的问题。
1．主副回路的选择（一）主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行。
第6章串级讲义控制系统
所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联 工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由 副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量 具有更好的控制效果。与图6-4串级控制系统的工艺 流程图对应的原理方框图如图 6-5所示。
11
12
从图中可以看到，串级系统和简单系统有一个 显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。一个 闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程 中起着“粗调”的作用；一个环在外面，被称为主 环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证 被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的 调节对象、测量变送元件和调节器。
15
④主、副对象 主回路所包括的对象称为主对象； 副回路所包括的对象称为副对象。
⑤主、副检测变送器 检测和变送主变量的称为主 检测变送器；检测和变送副变量的称为副检测变送 器。
第6章串级控制系统
最简单的控制系统——单回路控制系统 系统中只用了一个调节器，调节器也只有
一个输入信号。 从系统方框图看，只有一个闭环。
2
随着生产过程向大型、连续和强化方向 发展，对操作条件要求更加严格，参数间 相互关系更加复杂，对控制系统的精度和 功能提出许多新的要求，对能源消耗和环 境污染也有明确的限制。为此，需要在简 单控制系统的基础上，采取其他措施，组 成复杂控制系统。
6
但实践证明这种控制方案的控制质量很差，远远达不到生产 工艺的要求。原因就是从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如 果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将 发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、 辐射，引起烧成带温度的变化。因为只有烧成带温度出现偏差时 ，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发 现。烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控 制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。可是这个 调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温 度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成 带的温度已偏离设定值很远了。也就是说，即使发现了偏差，也 得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力 干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么 控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。
串级控制系统整理
▲5 串级控制系统主负控制器正、反作用方向的确定▲副控制器的作用方向的确定原则：按简单（单回路）控制系统各环节的正、反作用方向的确定原则确定，以构成负反馈闭环控制回路。
▲主控制器正、反作用的确定原则：主、副变量同方向变化时，都要求操纵变量同方向变化（即：同时要求操纵变量都增大或都减小），此时主控制器方向规定为“反”作用方向。
主、副变量同方向变化时，要求操纵变量的变化方向是相反的（即：主变量要求操纵变量都增大（或减小），而副变量要求操纵变量都减小（或增大），此时主控制器为“正”作用方向。
例1 管式加热炉出口温度串级控制系统。
1）指出该系统中主、副对象、主、副变量、操纵变量、主、副扰动变量、主、副调节器各是什么？2）画出该控制系统的方块图，并确定各个环节的正反作用方向；3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
解：1）主对象：加热炉内加热管的管壁；副对象：加热炉的炉膛主变量：原料的出口温度T1；副变量：炉膛内的温度T2；操纵变量：燃料的流量；主扰动量f1：被加热原料的进口的温度、压力、流量副扰动量f2：燃料油的压力、温度；雾化燃料油用的过热蒸汽的压力、流量；燃烧器的配风、炉膛的漏风以及环境温度等。
3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
在稳定工况下，原料油出口温度和炉膛温度处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。
当燃料油负荷突然增加，这个干扰会使炉膛的温度T2升高，原料油出口温度T1也会随之提高，此时温度检测变送器TT1将信号送给主控制器TC1， e1增大，主控制器输出u1减小，即副控制器的给定值减小，副控制器的输入偏差e2增大，副控制器的输出信号u2减小，控制阀开度减小，即操纵变量燃料油m减小，炉膛温度T2下降，从而炉管内原料油出口温度T1也会随之下降。
例题3：如图所示为聚合釜温度控制系统，冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。
试问：（1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。
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二次扰动
一次扰动
副对象
y2
y1
主对象
副参数
主参数
串级控制系统方块图
D2
D1
y1,sp
y2,sp
＋
Gc1
＋
Gc2
Gv
－
－
ym2
Gm2
ym1 Gm1
＋ ＋
Gp2
y2
＋
Gp1 ＋
y1
副回路
主回路
注：D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主 参数的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路
y1sp(t) e(t) KC
＋
－
ym1(t)
TD s + 1 ADTD s + 1
串级系统主控制器 防积分饱和连接方法
＋ ＋
1 TI s + 1
u ym2(t)
串级控制系统的防积分饱和
r1
e1
＋ －
r2 e2 Gc1 ＋
－ ym2
Gc2
v
Gm2
D2
D1
＋ ＋
y2
＋ ＋
y1
Gp2
Gp1
ym1 Gm1
1. 副调节器常选择PI控制律
原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁， 一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的 是快速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的 调节能力，理论上不用加积分作用。但实际运行 中，串级系统有时需要断开主回路，因而，通常 需要加入积分作用。但积分作用要求较弱，以保 证副回路较强的抗干扰能力。
＋
u1
v
－
AD
＋
1
PID 控制器
TI s +1
d(t)
＋
广义 ＋
对象
ym(t)
方法：正常情况为标准的PD+PI控制算法；而当出现超 限时，通过限制积分作用达到切除积分作用的目的。
单回路防积分饱和方法 在串级控制系统中的局限性
串级系统积分饱和现象仿真
串级 系统 产生 积分 饱和 的原 因分 析？
串级控制主调节器防积分饱和连接法
TC FC
进料
燃料油
情况1：流量副回路出现“积 分饱和”，可采用单回路抗 积分饱和方法； 情况2：当主副控制器均采用 单回路抗积分饱和方法时， 出料 可能出现限位参数不一致的 情形，同样存在发生“积分 饱和”的可能性。
单回路系统的防积分饱和
ysp(t)
＋
e(s)
KC
TD s + 1 TD s + 1
2. 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰； 3. 尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含
于副回路中； 4. 副参数可测。
常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、 液位+流量、温度+温度等。
串级系统副参数的选择举例*
1
TC
2
3
FC
1 2 PC
FC
塔
3
底
再
部
加热蒸汽
沸
器
分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动源 数量之间的矛盾。
串级方案设计举例
TC
TC
FC 进料
PC 进料
出料
出料
燃料油
燃料油
讨论：副回路所包含的干扰与副回路快速性之间的矛盾？
串级方案设计举例（续）
TC TC 燃料油
出料
讨论：副回路所能
包括的扰动越多，
副对象与主对象的
动态特性的差别越
小，越容易引起内
外回路之间的“共
振”（系统稳定性
进料 越差）。
串级系统副调节器选型
串级系统主调节器选型
2. 主调节器常选择PI或PID控制律
原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。 因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须 加入较强的积分作用（除主参数为液位的串级均匀 控制系统以外）。当主对象的调节滞后较大，而主 参数变化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。
串级PID系统的积分饱和问题
（将副回路看成是一个等效的控制阀）。
串级系统副环的等效性
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ D2
＋
Gp2
ห้องสมุดไป่ตู้y2
D2(s)
1 1 + Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
Gc2GvG p2 1 + Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
串级控制系统的特点（1）
1. 副回路（有时称内环）具有快速调节作用， 它能有效地克服二次扰动的影响。
过控第6章-串级控制系统.
反应釜温度单回路控制系统
TC
冷却剂
进料
T1sp
＋ －
调节器
控制变量：冷却剂量 出料 被控变量：反应温度
控 制 阀：气关阀 控制规律：PID
调节阀
D2
T2
夹套
槽壁
D1 T1
反应槽
温度测量变送
单回路控制系统D2扰动分析
TC
冷却剂 进料
冷却水入口温度↑→ 夹套内 出料 冷却水温度 T2 ↑→ （经对流
在工艺所希望的某一给定 值。
反应器温度串级控制框图
T1sp
＋ －
T2sp TC1 ＋
－
TC2
阀
D2
T2
夹套
槽壁
夹套水温测量
反应器温度测量
D1 T1
反应槽
TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。
通用的串级控制系统
y1,sp
＋ －
y2,sp
主调
副调
节器 ＋
节器
－
ym2
ym1
调节阀
副参数 测量变送
Kp' 2
Kc2KvKp2 1+Kc2KvKp2Km2
当 Kc2KvKp2Km2 1
Kp' 2
1 Km2
结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上 和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。
单回路控制系统的抗干扰性能
串级系统的参数整定与抗干扰
串级系统的设计原则
1. 副参数的选择应使副对象的时间常数比主对 象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；
串级系统的防积分饱和方法举例
串级系统防积分饱和措施举例
工业PID控制器常用结构
功能: 控制输出跟踪, 防积分饱和, 输出限幅, 正反作用选 择,测量值滤波,设定值变化率限幅等.
由于
D2' (s)
1
D2(s) 1+Gc2GvGp2Gm2
而对于动态滞后较小的副回路，有
Gc2GvGp2Gm2 1
D2' D2
串级控制系统的特点（2）
2. 对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力， 并能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性 对控制性能的影响，即具有较强的鲁棒性。
对于内环等效对象的增益
传热）槽壁温度↑→ 反应槽 温度T1 ↑→（经反馈回路） 冷却水量↑
问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对 于大容量的反应槽，调节滞后更大。
对调节滞后的解决方法之一
对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温
度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应
槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水温
单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的
扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相
应的变化（这一要求可用反应釜温度调节器TC1
来自动实现）。
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
T1
冷却剂
进料
特点：两个调节器串在一 起工作，调节器TC2通过 调节冷却剂流量以克服冷
出料 却水方面的扰动；调节器 TC1通过调节夹套内的水 温以保证反应斧温度维持