【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
9
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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
10
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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
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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