过控第6章 串级控制系统
第六章串级控制系统1
上面两种方案各有优缺点，下图是把两种方案结合起 来的一种控制方案。
温度变送器 温度设定值
TC
温度测量值 流量测量值 出口温度 流量变送器
QC
控制量 燃料油 控制阀
原料油
在此方案中，用温度控制器的输出作为流量控制器的 设定值，由流量控制器的输出去调燃料油的流量。 从结构看，其特点是两个控制器串接使用，故此案可 叫热炉出口温度燃料油流量的串级控制系统。
(5)副回路设计应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以 防止发生“共振”。 主、副回路之间在串级控制系统中是密切相关的。副变 量的变化会影响到主变量，主变量的变化通过反馈回 路又会影响到副变量，如主、副对象的时间常数比较 接近，则主、副回路的工作频率也较接近，一旦系统 受到干扰，就有可能产生“共振”，轻则使系统的控 制质量下降，重则会导致系统发散而无法工作。
(6)设计的副回路需考虑到方案的经济性和工 艺上的合理性。 举一个丙稀冷却器出口温度串级控制系统为例 来说明方案设计时的经济性问题。
气丙稀 进料
出料 控制阀
LC
TC
液丙稀
通过液丙稀在冷却器内与高温的进料经热交换后，使 出料达到工艺上规定的温度值，而液丙稀吸收热量后 成气丙稀排出并返回冷冻压缩机冷凝后重复使用。主 变量选出料温度，影响出料温度的因素为液丙稀在冷 却器内的液面高度，液面越高，出料温度越底，故温 度对象即主对象为反作用。当液丙稀的流入量与其挥 发的气丙稀达动态平衡时，冷却器内的液面高度保持 恒定，但液丙稀的流入量除受控制阀的开度影响外， 与阀两端压差有关。故方案一以液面高度为副变量组 成出料温度与液面高度的串级控制系统。
例如对于一个加热炉出口温度控制问题，若产品质量主要取决 于出口温度，而工艺上对它要求也较严格，为此需采用串级 控制控制方案。当原料油的成分和处理量比较稳定，燃料油的 组分也较稳定(即热值较稳定)，但燃料油的压力会经常波动， 此时宜采用炉出口温度与燃料油压力串级控制控制方案。
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
串级控制系统pid
串级控制系统pid
串级控制系统是一种常见的工业过程控制系统，其中包括两个控制器：主控制器和副控制器。
主控制器通常用于控制系统的主要变量，而副控制器则用于控制对主变量有较大影响的次要变量。
PID（比例-积分-微分）控制器是一种常用的控制器类型，在串级控制系统中也常被使用。
PID 控制器通过调整比例、积分和微分参数来实现对系统的控制。
在串级控制系统的 PID 控制器中，主控制器通常采用 PID 控制算法来控制主变量。
它根据主变量的测量值与设定值之间的偏差来计算控制信号，以使主变量尽可能地接近设定值。
副控制器通常采用 P 或 PI 控制算法来控制次要变量。
它根据次要变量的测量值与主控制器输出之间的偏差来计算控制信号，以使次要变量尽可能地稳定在设定范围内。
串级控制系统的 PID 控制器可以通过调整比例系数、积分时间和微分时间来优化控制性能。
这些参数的选择需要根据具体的被控对象和控制要求进行调整，以实现较好的控制效果。
总的来说，串级控制系统的 PID 控制器通过主控制器和副控制器的协同工作，实现了对系统主要变量和次要变量的有效控制，提高了系统的稳定性和控制精度。
串级控制系统
串级控制系统串级控制系统-----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。
例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统1. 基本概念即组成结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
2. 串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。
根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：* 1）扰动作用于副回路* 2）扰动作用于主过程* 3）扰动同时作用于副回路和主过程分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
3. 系统特点及分析* 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。
* 能迅速克服进入副回路的二次扰动。
* 提高了系统的工作频率。
* 对负荷变化的适应性较强4. 工程应用场合* 应用于容量滞后较大的过程* 应用于纯时延较大的过程* 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程* 应用于参数互相关联的过程* 应用于非线性过程5. 系统设计* 主参数的选择和主回路的设计* 副参数的选择和副回路的设计* 控制系统控制参数的选择* 串级控制系统主、副调节器控制规律的选择* 串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定[编辑本段]串级控制系统的设计1. 主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
串级控制系统的工作过程
串级控制系统的工作过程串级控制系统啊，就像是一个有着双重保险的超级战队。
主控制器呢，就像是战队里那个智慧的大脑，坐在指挥中心，掌控着全局，那气场，就像超级英雄电影里的大boss一样，看起来淡定又强大。
然后有个副控制器，这家伙就像是主控制器的得力小助手，紧紧跟在后面。
主控制器给副控制器下达一些大致的任务方向，就像将军给小队长下令一样，还带着点“你可得给我好好干”的那种感觉。
这个过程就像是一场接力赛，不过是一场很奇特的接力赛。
主控制器先拿着“控制棒”跑一段，根据系统的大目标，比如要让某个反应保持在一个特定的温度或者压力范围之类的，就像要让一艘飞船保持在特定的轨道上，差一点都不行，那可是关乎整个“宇宙航行”（系统运行）的大事。
当主控制器发现有点小状况的时候，就会把一些调整的信息传递给副控制器。
这时候的副控制器就像个接到紧急任务的特工，迅速行动起来。
副控制器的任务更细致，就像在大战场上负责某个小阵地的战斗，它盯着自己负责的那一小块系统区域，眼睛都不敢眨一下，生怕出点什么岔子。
如果把整个系统比作一个大城堡，主控制器就是那个在城堡最高塔楼上瞭望的元帅，而副控制器就是城堡各个城门口的小队长，负责看守城门，对进出城堡的各种“信息流”和“能量流”进行严格把关。
一旦有“外敌”（干扰因素）试图影响城堡的稳定，小队长（副控制器）先进行抵御，如果小队长觉得有点吃力，搞不定了，就马上向元帅（主控制器）汇报，元帅再根据整体的战略布局，进行大规模的调整。
而且这个串级控制系统的反应速度那叫一个快，就像闪电侠在系统里穿梭一样。
一旦检测到哪里不对劲，就立刻启动调整机制。
比如说温度突然升高了一点，这就像城堡里突然冒起了小火苗，副控制器这个小队长先冲上去泼水（进行初步调整），要是火势有点大（干扰因素很强），主控制器这个元帅就会调遣更多的资源（调整整个系统的参数）来灭火（让系统恢复稳定）。
在这个系统里，主控制器和副控制器之间的配合超级默契，就像两个心有灵犀的舞者，一个眼神就知道对方要做什么。
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 )
仪表串级控制课件
双容对象的串级控制系统如下图所示：
W（2 S）
X1(S)
X 2 (S )
K c1
Kc2
K2 1T02S
Y2 (S)
K1
1T01S
Y1(S)
则：W（2 S）
T02
Kc2K2 (Kc2K2 1)
T02
S 1
(Kc2K2 1)
K 2
同理可得：
d 2 02
122
T01 T02 T01T02
其பைடு நூலகம்： T02
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。
X (S)
Kc
K2 1T02S
K1 1T01S
Y (S )
其特征方程式为：
T01T02S 2 (T01 T02 )S (1 Kc K1K2 ) 0
则:
2 1 01
T01 T02 T01T02
阻尼比
阻尼振荡频率为：
自然振 荡频率
d1 01
1 12
T01 T02 T01T02
1 12 21
E1 (s)
Wc1 (s)
X 2 (s) +
-
E2 (s) Wc2 (s) + -
Z1(s)
Z2 (s)
F2 (s) +
WV (s)
W02 (s)
过控第六章串级课件
管式加热炉
燃料 原料
影响出口温度的因素： 影响出口温度的因素：
§6-1基本原理和结构 基本原理和结构 燃料方面：燃料油压力，成分（热值），流量。 原料方面：原料进料流量， 燃料方面：燃料油压力，成分（热值），流量。 原料方面：原料进料流量，温度等 ），流量
方案一采用单回路温控系统： 方案一采用单回路温控系统：
x2(t) x1 ＋ － 主控制器 副控制器 f3、 、 f4 调节阀 f1、f2 、 T1(t) 炉膛 管壁 T2(t) 原料油
副调节器： 副调节器：按副参数测量 ＋ － 主调节器： 主调节器：按主参数测量 值与给定值的偏差进行工 温度变送器2 温度变送器 值与给定值的偏差进行工 作的调节器， 作的调节器，其输出直接 副回路：由副调节器， 副回路：由副调节器 温度变送器1 作的调节器， 作的调节器，其输出作为 副 控制调节阀的动作。 控制调节阀的动作。 ， 温度变送器 对象， 对象，副测量变送器等组 副调节器的给定值。 副调节器的给定值。 。 成的闭合回路。 成的闭合回路。
T 2↓
SP T2C T1C T2T T1T
产品
燃料
物料
2．原油流量 f1(t)、原油入口温度 f2(t)发生扰动 ． 、 发生扰动 ——干扰进入主回路 干扰进入主回路
SP T2C T1C T2T T1T
产品
燃料
物料
进料量↓T1↑→T1C↓(反作用)→T2C↓→V(气开阀)↓
sp↓，Z 不变，相当于测量值↑, T2C 反作用, T2C↓
一．主，副回路的设计 主回路设计同单回路控制系统. 主回路设计同单回路控制系统 １．副回路应包括生产过程中主要扰动，且尽可能包含更 副回路应包括生产过程中主要扰动， 多扰动． 多扰动． 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． 副回路选择应使副回路时间常数小，调节通道短，反应灵敏． ３．将对象中具有显著非线性或时变特性的一部分归于副对象
串级控制系统
6.3串级控制系统设计 1、主、副回路选择 （1）副回路应包括主要干扰，并尽可能包括多一些干 扰。 如：加热炉串级可有温度-流量， 温度-压力 温度-温度等 （2）主副对象时间常数匹配 以快速抗干扰为主，T副就小一些 以改善对象特性为主， T副就长一些 以克服非线性为主，T主与T副应拉开些,并应避免“共 振效应”
1 K max,1 ' 19 | G1 ( jc1 ) |
f2 r1
Gf2’(s) Gp2’(s) c2 Gc1(s) c1
其中
-
Gc1(s)
Gm1(s)
G ( s)
' p2
Gc 2G p 2 1 Gc 2G p 2Gm 2 Gf 2 1 Gc 2G p 2Gm 2
' f2
(等效副对象）
Gc1（s）和Gc2（s）都是纯比例的。
F2 Gc1（s） F1 Gp2（s）
y2
+
—
+
Gc2（s）
—
Gp1（s）y1源自串级系统方块图副回路的开环传递函数G2（s）为
1 G 2( s) Gc 2( s)Gp 2( s) Kc 2 ( s 1) 2 (10s 1)
临界频率ωc2可由下式得到
（3）干扰同进进入主、副回路
干扰同向；调节方向相同，调节作用强，偏差小 干扰反向：调节作用相反，互相抵消，偏差小 可见，副回路不仅能迅速克服作用于副回路的干扰； 也能迅速克服作用于主回路的干 扰。 副回路：先调、粗调、快调 主回路：后调、细调、慢调
2、临界频率和临界增益分析 例 已知
1 1 Gp1( s) , Gp 2( s) (30s 1)(3s 1) ( s 1)2(10s 1)
串级控制系统课件
用于控制钢水温度、成分等参 数，实现高效、低耗的冶炼过
程。
02
串级控制系统的设计与实现
控制器设计
01
控制器类型选择
根据被控对象的特性，选择合适 的控制器类型，如PID控制器、 模糊控制器等。
02
控制器参数整定
03
控制器结构调整
根据系统性能要求，对控制器参 数进行整定，以获得良好的控制 效果。
升系统的决策能力。
人工智能技术
03
利用机器学习和深度学习技术，实现自适应学习和智能决策，
提高系统的自主性和智能化程度。
系统集成与优化
系统集成
将多个子系统进行集成，实现信息共享和协同工作，提高系统的 整体性能和效率。
系统优化
通过优化算法和智能技术，对系统进行性能分析和优化设计，提高 系统的稳定性和可靠性。
系统优化
根据调试结果，对系统设计进行优化，提高系统性能、降低能耗等。
03
串级控制系统的性能分析
稳定性分析
稳定性是控制系统的重要性能指标，它决定了 系统在受到扰动后能否回到原始状态的能力。
稳定性分析主要通过判断系统的极点和零点散 布来进行，极点越靠近虚轴，系统越不稳定； 零点越远离虚轴，对系统稳定性的影响越大。
主回路设计
主回路功能确定
明确主回路在系统中的作用，如保证主参数 稳定、克服主要扰动等。
主回路控制器选择
根据主回路功能要求，选择合适的主回路控 制器。
主回路参数整定
根据主回路控制效果，对主回路控制器参数 进行整定，以优化系统性能。
系统调试与优化
系统调试
在系统初步设计完成后，进行实际调试，检查系统各部分是否正常工作、控制效果是否到达预期。
串级控制系统
副控制器：“－” 主对象： “＋”
主控制器：“－”
例题
例2.拟定下图所示加热炉出口温度与炉膛温度 串级控制系统主、副控制器旳正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋”
副控制器：“－” 主对象： “＋”
主控制器：“－”
二次扰动最大偏差 0.27
0.013
串级控制系统旳特点及应用范围
1、两个串接工作旳控制器构成旳双闭环控制系统， 其中主回路是定值控制，副回路是随动控制
2、副回路旳引入，大大克服了二次扰动对系统被调量旳影响 3、迅速克服进入副回路扰动旳影响，提升系统旳抗扰动能力 4、对负荷变化有一定旳自适应能力（适应操作条件旳变化） 副回路具有先调、粗调、快调旳特点；主回路具有后调、细 调、慢调旳特点，并对于副回路没有完全克服掉旳干扰影响 能彻底加以克服。
主控-串级切换旳串级控制方案
注意： 串级与主控直接切换旳条件:构成旳控制系统必须是负反馈控制系统 结论：
只有当副控制器为反作用时才干由串级与主控之间直接切换。 假如副控制器为正作用，必须在向主控切换旳同步变化主控 制器旳正反作用。
串级系统旳投运
先副后主 确保无扰动切换
阅读教材
将主、副控制器旳切换开关都置于手动；
有什么样旳影响？
课堂提问
采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，百 分比度应该怎样变化？
工程整定措施有哪几种？主要环节是什么？ 系统旳投运是使执行器从手动平稳过渡到自动
状态，该说法对不对？
主要内容
了解串级控制系统旳概念与特点； 掌握串级控制系统旳方框图表达法； 结合控制原理，掌握串级系统旳分析措施； 了解串级控制系统旳设计原则； 掌握串级控制系统旳参数整定措施；
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。
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)
过程控制：串级控制系统
LC1
电动调节阀 磁力泵
F1-1
储水池
液位串级控制系统示意图
六、课后思考
问题： 1、试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动） 具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的 时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量是否仍很小， 为什么？
2、为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？
3、改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态 和抗扰性能有何影响，试从理论上给予说明。
四、相关知识
4、串级控制系统的设计 （1）主、副被控变量的选择 保证副被控变量是操纵变量到主被控变量这个控制通 道中的一个适当的中间变量。 副被控变量的选择还要考虑以下几个因素。 ①使主要扰动作用在副对象上。 ②使副对象包含适当多的扰动。 ③主、副对象的时间常数不能太接近。 否则将失去设置副回路的意义，同时系统可能出现“共 振”。 通常使副对象的时间常数明显小于主对象的时间常数。 原则上，主、副对象时间常数之比应在3-10范围内。
学习任务5
串级控制系统控制器参数的整定
教师：孙慧峰
二〇〇九年十月
教学组织与安排
一、任务下达（5分钟） 二、提问（10分钟） 1、查线，并画出该系统的组成框图 2、该系统与你学过的单容水箱液位定值控制系统有何 不同？多出哪些扰动因素？ 二、任务导入（10分钟） 通过演示操作，由存在的问题导入新课 三、相关知识讲解（20分钟） 四、任务实施（90分钟） 1、组建串级控制系统 2、控制器参数整定 3、系统投运 五、成果分享与评价（45分钟）
5.1 串级控制系统
五、串级控制系统的控制器参数整定 （2）一步整定法 根据经验先将副控制器参数一次放好，不再变动，然后按一般单回 路控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。 一步整定法的整定步骤： ①在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照表5-2所列的数据， 将副控制器比例度调到某一适当的数值。 ②利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主控制器的参数。 ③如果出现“共振”现象，可加大主控制器或减小副控制器的参数 整定值，一般即能消除。
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。
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。
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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。
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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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串级系统副调节器选型
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。
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）。
u1
＋ ＋
v
广义 对象
＋
＋
ym(t)
PID 控制器
1 TI s + 1
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
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
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。
反应器温度串级控制框图
D2 T1sp ＋ － TC1 T2sp ＋ － TC2
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
1
TC
2
FC
3
FC
1
2
PC
3 再 沸 器
塔 底 部
加热蒸汽
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 出料
PC
进料 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 出料
TC
燃料油
进料
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 越差）。
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*
D2 y1,sp
＋ －
D1 y2
＋ ＋
Gc1
y2,sp ＋ － ym2
Gc2
Gv Gm2
Gp2
＋ ＋
Gp1
y1
副回路 主回路
ym1
Gm1
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 （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
冷却剂 进料
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”
y1sp(t)
＋ －
e(t)
KC
TD s + 1 AD TD s + 1
u
＋ ＋
ym1(t) 串级系统主控制器 防积分饱和连接方法
1 TI s + 1
ym2(t)
串级控制系统的防积分饱和
D2 r1
＋ －
D1 y2 Gp1
＋ ＋
e1
Gc1
r2 ＋ －
e2 ym2
Gc2 Gm2
v
Gp2
＋ ＋
y1
ym1
' p2
Kc 2 Kv K p 2 1 + Kc 2 Kv K p 2 K m2
当 Kc 2 Kv K p 2 Km2 1
' 1 Kp 2
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
y2,sp ＋ － Gc2 ym2 Gv Gm2 Gp2
＋ ＋
D2 y2
D2(s) 1 1 + Gc 2 Gv G p 2 G m 2
y2,sp
Gc 2 Gv G p 2 1 + Gc 2 Gv G p 2 G m 2
＋ ＋
' 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。 由于
问题讨论
TC1
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
串级控制的概念，说明与单 回路控制的区别。 以左图的反应器为例，说明 引入串级控制的意义。 为什么引入串级控制可显著 减少内回路的干扰，并显著 提高控制系统鲁棒性？ 如何选择主副控制器的控制 规律，如何投运PID控制器？
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
阀 夹套
D1 T2
槽壁 反应槽
T1
夹套水温测量
反应器温度测量
TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。
通用的串级控制系统
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器
调节阀
副对象
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1
串级控制系统方块图
' D2 ( s) 1 D2 (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2
而对于动态滞后较小的副回路，有
Gc 2GvGp 2Gm2 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 K
反应釜温度单回路控制系统
控制变量：冷却剂量
TC 出料
被控变量：反应温度 控 制 阀：气关阀
冷却剂 进料
控制规律：PID
D2
调节阀 夹套
T1sp ＋ －
调节器
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
单回路控制系统D2扰动分析
冷却水入口温度↑→ 夹套内
TC 出料
冷却水温度 T2 ↑→ （经对流
传热）槽壁温度↑→ 反应槽 温度T1 ↑→（经反馈回路）
串级控制系统 Cascade Control System
王红旗 河南理工大学电气工程学院 2011/09/12
本讲基本要求
了解串级控制系统的概念与特点； 掌握串级控制系统的方框图表示法； 结合控制原理，掌握串级系统的分析方法； 了解串级控制系统的设计原则； 掌握串级控制系统的参数整定方法； 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。
Gm1
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.
串级系统PID参数的整定方法
1.
2.
3.
Step 1: 先断开主回路，按单回路方式整定 副调节器的PID参数。 Step 2: 在主调节器为“手动”、副回路闭 环的情况下，测试得到主回路广义对象的 动态特性与相应特征参数。 Step 3: 采用单回路调节参数的工程整定法 （如Z-N准则），确定主回路的PID参数。