第四章 复杂过程控制系统(第二讲)
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复杂过程控制系统--串级控制
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 ❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Q C 2 ( s )= Y Y 1 1 ( ( s s ) ) / /X F 2 1 ( ( s s ) )= W C W 1 ( s * ) 0 W 2 ( 's 0 2 ) ( s )= W C 1 ( s ) W C 2 ( s ) W V ( s )
9
二、串级控制系统的特点与分析
在结构上与电力传动自动控制系统中的双闭 环系统相同(比单回路系统多了一个副回路)，其 系统特点与分析方法亦基本相同。
主回路(外环)：定值控制系统 副回路(内环)：随动控制系统 与单回路系统相比，串级控制系统多用了一 个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投 资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个 测量变送器)，但控制效果却有显著的提高，其原 因在于串级控制系统中增加了一个包含二次扰动 的副回路。
16
单回路控制系统的抗干扰能力为
Y(s)/X(s) QD2(s)=Y(s)/F2(s)=W C(s)W V(s)
串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能力
之比:
QC2(s) =WC1(s)WC2(s)
QD2(s)
WC(s)
设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比
例放大系数分别为KC1、KC2、KC，则上式变为
第四章 复杂过程控制系统
❖串级控制 ❖前馈控制 ❖大滞后补偿控制 ❖比值控制 ❖分程与选择性控制 ❖多变量解耦控制 ❖模糊控制 ❖预测控制
《复杂过程控制系统》课件
系统集成与优化
1 2 3
系统架构优化
研究和发展适用于复杂过程控制系统的架构，如 模块化、层次化和网络化架构，提高系统的可扩 展性和可维护性。
信息集成与共享
通过标准化和开放化的信息接口实现不同设备和 系统间的信息集成与共享，提高系统的协同工作 能力。
系统性能优化
研究和发展系统性能优化技术，如系统辨识、参 数优化和性能评价等，提高系统的整体性能和运 行效率。
06
结论
课程总结
复杂过程控制系统是工业自动化 领域中的重要分支，涉及多种学
科和技术。
通过本课程的学习，学生可以了 解复杂过程控制系统的基本概念
、原理、组成和设计方法。
本课程重点介绍了先进控制算法 、工业网络通信、系统集成等方 面的知识，为学生今后从事相关
领域的工作打下基础。
学习建议
01
深入理解基本概念和原理，掌握复杂过程控制系统 的核心知识点。
智能化与自动化
智能传感器与执行器
自动化决策支持
研发具有自感知、自适应和自决策功 能的智能传感器和执行器，提高系统 的感知和执行能力。
利用人工智能技术实现自动化决策支 持，减轻人工干预，提高系统的自主 决策能力。
智能控制算法
研究和发展适用于复杂过程的智能控 制算法，如模糊控制、神经网络控制 等，实现系统的自主调节和优化。
数据采集与处理
数据采集
通过传感器和变送器实时采集系统 中的各种参数，如温度、压力、流
量等。
数据处理
对采集到的原始数据进行滤波、去 噪、归一化等处理，提取出有用的
信息。
数据存储与备份
将处理后的数据存储在数据库中， 并定期进行备份，确保数据安全。
数据挖掘与分析
过程控制-第4章 复杂控制系统
第五章复杂控制系统钱厚亮南京工程学院工业中心2013/01一、串级控制系统二、均匀控制系统三、比值控制系统四、前馈控制系统复杂控制系统定义:通常复杂控制系统是多变量的，具有两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控制阀所组成的多个回路的控制系统，所以又称为多回路控制系统。
常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、分程、三冲量、前馈、选择性等系统。
4.1 串级控制系统一、串级控制系统概述目的：①可延长炉子寿命，防止炉管烧坏；②可保证后面精馏分离的质量。
为了控制炉出口温度，可以设置一个简单控制系统。
PID反作用气开由于炉子的控制通道容量滞后很大，反应缓慢，控制精度低，但是工艺上要求炉出口温度的变化范围为±(1～2)℃。
上图的单变量单回路控制系统是难以满足的。
串级控制系统简单控制系统1.串级控制系统的组成串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器其中一个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制阀组成的双闭环定值系统.2.串级控制系统中常用的名词主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。
副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。
主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。
副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器，简称为“副控”。
主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。
副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。
主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其主要特性的生产设备或过程。
副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。
副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。
主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。
复杂控制系统2
二、选择性控制系统的类型
1.开关型选择性控制系统 一般有 A 、 B 两个可供选择的变量。其中一个变 量A假定是工艺操作的主要技术指标，它直接关系到 产品的质量或生产效率；另一个变量 B，工艺上对它 有一个限值要求。 开关型选择性控制系统一般都用做系统的限值保护。
图示的方案实际上是通过改变换 热面积的方法来达到控制温度的 目的。
满足均匀控制要求的方法
通过控制器的参数整定来实现。
图7-11 简单均匀控制
比例度整定的很大，有时为了克服连续发生的同一方向 干扰所造成的过大偏差，则引入积分作用。这时比例度一般 大于100%，积分时间也要放的大一些。至于微分作用，是和 均匀控制的目的背道而驰的，顾不采用。
二、均匀控制方案
2.串级均匀控制
2.前馈-反馈控制
图7-27 换热器的前馈-反馈控制
将它们组合起来，取长补短，使前馈控制用来克服主 要干扰，反馈控制用来克服其他的多种干扰，两者协同 工作，能提高控制质量。
图7-28 前馈-反馈控制系统方块图
前馈-反馈控制系统与串级控制系统的不同点： 串级控制系统是由内、外（或主、副）两个反 馈回路所组成； 而前馈-反馈控制系统是由一个反馈回路和另一 个开环的补偿回路叠加而成。
生产保护性措施有两类： 一类是硬保护措施： 当生产操作达到安全极限时，有声、光警报产生。这时， 或是由操作工将控制器切换到手动，进行手动操作、处理； 或是通过专门设臵的连锁保护线路，实现自动停车，达到生 产安全的目的。 一类是软保护措施。 通过一个特定设计的自动选择性控制系统，当生产短期 内处于不正常情况时，既不使设备停车又起到对生产进行自 动保护的目的。 要构成选择性控制，生产操作必须要具有一定选择性的逻 辑关系。 选择性控制的实现则需要靠具有选择功能的自动选择器 （高值选择器或低值选择器）或有关的切换装置（切换器、 带电接点的控制器或测量仪表）来完成。
第4章 复杂过程控制系统
一、用于克服对象的纯滞后
当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、ห้องสมุดไป่ตู้纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副 回路。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是 对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。
例 如下图所示：
被控参数：A点温度
控制参数：减温水流量
主要干扰：减温水压力波动。
例 如下张图：
燃料油热值 变化后，炉膛反 应滞后3分钟，而 出口温度则需 15 分钟。
三、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰
串级控制系统对二次 干扰具有很强的克服能 力。 设计时应把变化剧 烈、幅值大的干扰包含 在副回路中。 副回路放大系数应大 些，会使抗干扰能力大 大提高。 例 如下图4-13，脱 气塔的压力对主控指标 (液位)影响很大，甚至 造成溢出或打干的事故， 是主干扰，串级控制后 效果很好。
3、对主变量控制要求不高，甚至允许小波动 主变量采用P规律，副回路对主回路的跟随要求快 而准时采用PI控制规律。
4、对主、副变量控制要求均不高 可均采用P规律；必要时对主变量控制引进微分 作用 。
(二)、正、反作用方式的选择 副控制器按单回路方式选择，具体见前章。
主控制器按下式确定: (主控制器+/-)(副对象+/-)(主对象+/-)=(-) 主、副控制器正、反作用方式的确定是否正确， 可进行验证，如图。
思考题
1、与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主
要特点？ 2、为什么说串级控制系统具有改善过程动态特 性的特点？T’02和K’02减小与提高控制质量有何关系 ？
3、为什么提高系统工作频率也算是串级控制系
统的一大特点？
下一章
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温度测量
复杂过程控制系统
复杂过程控制系统复杂过程控制系统是在工业生产中广泛应用的一种自动化控制系统。
它通常由多个子系统和分布式控制单元组成，用于监测和控制物理过程中的各种参数和变量。
这些系统通常用于化工、石油、电力、冶金和制药等行业，帮助提高生产效率、降低生产成本，并确保产品质量的稳定性。
1.传感器和执行器：传感器用于监测和测量物理过程中的各种参数，如温度、压力、流量和浓度等。
执行器用于控制各种执行设备，如阀门、开关和电机等。
2.控制器：控制器是系统的核心组件，负责处理传感器采集到的数据，并根据预定的控制算法进行计算和决策。
常见的控制算法包括PID控制、模糊逻辑控制和模型预测控制等。
3.通信网络：复杂过程控制系统通常是分布式的，需要通过通信网络将各个子系统和分布式控制单元连接起来，实现数据的传输和共享。
通信网络可以采用以太网、现场总线和无线通讯等多种技术。
4.数据存储和处理：复杂过程控制系统通常需要处理大量的实时数据，这些数据需要进行存储和处理，以便后续分析和优化。
常见的数据存储和处理技术包括数据库、数据仓库和大数据分析等。
5.人机界面：复杂过程控制系统通常需要人机界面来展示和操作控制系统的状态和参数。
人机界面可以采用计算机监视器、触摸屏和报警器等多种设备，以便操作员及时了解系统的运行状况并进行调整。
在复杂过程控制系统中，通常还需要考虑以下几个方面的问题：1.安全性：复杂过程控制系统通常处于高风险的工业环境中，因此安全性是一个重要考虑因素。
系统需要采取措施来防止任何非法、损坏或恶意的访问，并确保系统的稳定性和可靠性。
2.可靠性：复杂过程控制系统通常需要长时间的运行，因此可靠性是一个重要指标。
系统需要设计合理的备份机制和冗余系统，以防止单点故障导致系统的停机或数据丢失。
3.故障诊断和维护：系统需要具备故障诊断和维护功能，以便快速发现和解决系统中的故障。
这可以通过自动化的故障诊断系统和远程监控系统来实现。
4.系统集成：复杂过程控制系统通常由多个子系统和分布式控制单元组成，系统集成是一个重要的工作。
复杂控制系统
复杂控制系统
二 选择性控制系统的类型
根据选择器所处位置的不同，选择性控制系统可分 为两种基本类型。
－
图 简单控制系统方框图
复杂控制系统
1．选择器位于两个控制器与一个执行器之间
当生产过程中某一工况参数超过安全软限时，用另一个控制回 路代替原有正常控制回路，使工艺过程能安全运行的控制系统 中，选择器位于两个控制器和一个执行器之间，如图。
2．用于控制两种不同的介质，满足生产需要
间歇化学反应中，在反应开始前就需要给反应物提供一定热 量预热, 一旦达到反应温度后，就会随着化学反应的进行而 不断放热，放出的热量必须及时移走，否则反应更剧烈有爆 炸的危险。
复杂控制系统
图 反应器温度分程控制系统
复杂控制系统
从安全考虑，冷水阀A选气？型，蒸汽阀B选气？型， 控制器选？作用？控制规律，用一个控制器带两个阀 分程控制。既满足生产控制要求，也满足紧急安全要 求，即当突然供气中断时，B阀？蒸汽，A阀？冷水， 使生产处于？状态。 A与B两个阀是？向动作的，如图。当控制器输出4～ 12 mA时，A阀由全开到全关。当控制器12～20mA时， B阀由全关到全开。
复杂控制系统
一 分程控制系统的组成及原理
借助阀门定位器实现。将控制器输出分成几段分别驱动 不同的阀。有A和B两个阀，控制器输出4～12mA时，A阀 动作，则需调整A阀的电气阀门定位器，使其对应输出 20～100kPa。而控制器输出12～20mA时，调整B阀的电气 阀门定位器，使其对应输出20～100kPa，B阀动作。即控 制器输出小于12mA时，A阀全行程内变化，B阀不动；输 出大于12mA时，A阀已达极限，B阀动作，实现分程控制
复杂控制系统
复杂控制系统2
数字化与自控培训部 姜月红
第4-1章 复杂过程控制系统-串级控制系统
先副回路， 后主回路
情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高
出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
情况三：一次干扰和二次干扰同时存在
主、副变量同向变化
主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化， 使得炉出口温度很快恢复到设定值。
-过程控制 过程控制
第四章 复杂过程控制系统
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
回顾
单回路系统： 一个被控过程，采用一个测量变送器检测被控
过程，采用一个控制器保持一个被控参数恒定， 或在小范围内变化，其输出也只控制一个执行 机构的系统。
着眼点：
运用PID控制，着眼于一个物理量的稳定工作， 控制方块图也是由一个闭环完成的。
控参数，输出量为主被控参数。
t 副被控过程—由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参 数。 t 主调节器 —按主被控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。 t 副调节器 —按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的 调节器，其输出控制调节阀动作。
t副回路—由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。
t一次扰动—不包括在副回路内的扰动。 t二次扰动—包括在副回路内的扰动。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
串级控制原理
一、串级控制系统的组成
例 ：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示），
其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
第四讲复杂控制系统
复杂控制系统
概述
复杂控制系统： 与简单控制系统不同的其他控制形式(结
构上较为复杂或控制目的上较为特殊的控制系统)。
2
概述
根据根据系统的结构和所担负的任务
复杂控制系统
串级 控制 系统
前馈反馈控 制系统
导前微 分制系 统
3
复杂控制系统
一、串级控制系统
1、概念 串级控制系统是指控制系统中有两个相互串联的 调节器，两个反馈通道分别将测量信号送入两个调 节器并以此形成回路的双回路控制系统。
3.前馈—反馈控制的选用原则：
• 控制系统中控制通道的惯性和迟延较大，反馈 控制达不到良好的控制效果时可以引入前馈控 制 • 如果系统中存在经常变动、可测而不可控的扰 动时，反馈控制难以克服扰动对被控量的影响， 这时可引入被调量微分信号的调节系统
对于时间常数大、阶次高和迟延大的对象，为 了改善其调节品质，除了采用串级调节外，还可 以采用引入中间被调量微分信号的调节系统。例 如过热汽温调节系统，其中间被调量就是减温器 后的汽温，汽温调节器除接受过热器出口温度信 号外，还同时接受减温器后汽温的微分信号。
2．主、副控制器的选型 （1）主参数控制质量要求不十分严格，同时 在对副参数的要求也不高的情况下，为使 两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副 控制器均可采用比例控制(P)。 （2）要求主参数变动范围很小，且不允许有 余差(稳态误差)时，副控制器可采用比例控 制（P），主控制器采用比例积分控制（PI）
图3-1 串级控制系统典型方块图
副回 路
图3-2 串级控制系统典型方块图
5
2、理解
串级控制系统中有两个调节器，这两个 调节器相互串联，前一个调节器的输出作 为后一个调节器的输入。这两个调节器分 别叫作主调节器和副调节器，即主调节器 的输出进入副调节器，作为副调节器的给 定值。
概述
复杂控制系统： 与简单控制系统不同的其他控制形式(结
构上较为复杂或控制目的上较为特殊的控制系统)。
2
概述
根据根据系统的结构和所担负的任务
复杂控制系统
串级 控制 系统
前馈反馈控 制系统
导前微 分制系 统
3
复杂控制系统
一、串级控制系统
1、概念 串级控制系统是指控制系统中有两个相互串联的 调节器，两个反馈通道分别将测量信号送入两个调 节器并以此形成回路的双回路控制系统。
3.前馈—反馈控制的选用原则：
• 控制系统中控制通道的惯性和迟延较大，反馈 控制达不到良好的控制效果时可以引入前馈控 制 • 如果系统中存在经常变动、可测而不可控的扰 动时，反馈控制难以克服扰动对被控量的影响， 这时可引入被调量微分信号的调节系统
对于时间常数大、阶次高和迟延大的对象，为 了改善其调节品质，除了采用串级调节外，还可 以采用引入中间被调量微分信号的调节系统。例 如过热汽温调节系统，其中间被调量就是减温器 后的汽温，汽温调节器除接受过热器出口温度信 号外，还同时接受减温器后汽温的微分信号。
2．主、副控制器的选型 （1）主参数控制质量要求不十分严格，同时 在对副参数的要求也不高的情况下，为使 两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副 控制器均可采用比例控制(P)。 （2）要求主参数变动范围很小，且不允许有 余差(稳态误差)时，副控制器可采用比例控 制（P），主控制器采用比例积分控制（PI）
图3-1 串级控制系统典型方块图
副回 路
图3-2 串级控制系统典型方块图
5
2、理解
串级控制系统中有两个调节器，这两个 调节器相互串联，前一个调节器的输出作 为后一个调节器的输入。这两个调节器分 别叫作主调节器和副调节器，即主调节器 的输出进入副调节器，作为副调节器的给 定值。
第四章：复杂调节系统
由于
' D2 ( s ) 1 = D2 ( s ) 1 + Gc 2Gv G p 2
而对于动态滞后较小的副回路，在通频带内 可有
Gc 2Gv G p 2 >> 1
' D2 << D2
串级控制系统的特点（2）
改善了对象的动态特性，提高了系统的工作 频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显 著加大。 内环等效对象为:
反应罐温度单回路控制
TC 出料
调节量：冷却剂流入量 被调量：反应温度 控制阀：气关阀
冷却剂 进料
控制规律：PID
反应罐温度单回路控制框图
D2 T1sp ＋ － T2 调节阀 夹套 槽壁 反应槽 过程 D1 T1
调节器
温度测量变送
被控过程有三个热容积：即夹套中的冷却剂，槽壁 以及槽中物料。
单回路控制系统扰动分析
1）反馈控制的特性：
① 反馈控制的本质是“基于偏差的控制”。如果没有 偏差出现，也就没有控制作用了。 ② 无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生 偏差后，调节器才动作，故调节器的动作总是落 后于扰动作用的发生，是一种“不及时”的控制。
1）反馈控制的特性
③ 反馈控制系统，因构成闭环，故而存在一个稳定 性问题。即使组成闭环系统的每个环节都是稳定 的，闭环后是否稳定，仍然需要作进一步的分 析。 ④ 引起被控量发生偏差的一切扰动，均被包围在闭 环内，故反馈控制可消除多种扰动对被控量的影 响。也可以说，对各处的扰动均有校正作用。 ⑤ 反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P、 PI、PD、PID等典型规律。
串级系统副环的等效性
y2,sp ＋ － y2 Gc2 Gv Gp2
＋＋
D2 y2
' D2 ( s ) 1 = D2 ( s ) 1 + Gc 2Gv G p 2
而对于动态滞后较小的副回路，在通频带内 可有
Gc 2Gv G p 2 >> 1
' D2 << D2
串级控制系统的特点（2）
改善了对象的动态特性，提高了系统的工作 频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益可显 著加大。 内环等效对象为:
反应罐温度单回路控制
TC 出料
调节量：冷却剂流入量 被调量：反应温度 控制阀：气关阀
冷却剂 进料
控制规律：PID
反应罐温度单回路控制框图
D2 T1sp ＋ － T2 调节阀 夹套 槽壁 反应槽 过程 D1 T1
调节器
温度测量变送
被控过程有三个热容积：即夹套中的冷却剂，槽壁 以及槽中物料。
单回路控制系统扰动分析
1）反馈控制的特性：
① 反馈控制的本质是“基于偏差的控制”。如果没有 偏差出现，也就没有控制作用了。 ② 无论扰动发生在哪里，总要等到引起被控量发生 偏差后，调节器才动作，故调节器的动作总是落 后于扰动作用的发生，是一种“不及时”的控制。
1）反馈控制的特性
③ 反馈控制系统，因构成闭环，故而存在一个稳定 性问题。即使组成闭环系统的每个环节都是稳定 的，闭环后是否稳定，仍然需要作进一步的分 析。 ④ 引起被控量发生偏差的一切扰动，均被包围在闭 环内，故反馈控制可消除多种扰动对被控量的影 响。也可以说，对各处的扰动均有校正作用。 ⑤ 反馈控制系统中，调节器的控制规律通常是P、 PI、PD、PID等典型规律。
串级系统副环的等效性
y2,sp ＋ － y2 Gc2 Gv Gp2
＋＋
D2 y2
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3. 串级控制系统设计
(1) 主变量的选择：同单回路被控量的选择相同，即 满足主要的控制目标 串级控制系统的主回路是一个定值控制系统； 对于主参数的选择和主回路的设计，可以按照单回路 控制系统的设计原则进行； 串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的 设计以及主、副回路关系的考虑。 原因：将副回路看作是一个过程
越大越好
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可以求出串级系统抗干扰能力为：
QC 2 (s) WC1 (s)WC 2 (s)WV (s)
单回路系统抗干扰能力为： QD 2 (s) WC (s)WV (s) 串级系统抗扰能力与单回路系统抗扰能力之比：
QC 2 (s) WC1 ( s)WC 2 ( s) QD 2 ( s) WC (过程控制系统
与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测 量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果 却有显著提高，其原因是：
在串级控制系统中，增加了一个包含二次扰动的副回 路，使系统 a) 改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频 率； b) 对二次干扰有很强的克服能力； c) 提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的 自适应能力。
通过调节器参数整定，使 则
T01 1 d T02 D 1 T01 T02
d D
串级控制系统工作频率大 于单回路控制系统的工作 频率
22
因为
T01 T01 T02 T02
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(3) 增强了克服二次扰动的能力
二次扰动作用于副回路，因此分析扰动F2(s)的影响
两式相比较
KC 2 KV K02 式中， K02 1 KC 2 KV K02 K m 2 T02 T02 1 KC 2 KV K 02 K m 2
K 02 K 02 T02 T02
容量滞后减小，改善 了动态特性，响应加 快，适用于滞后较大 的过程。
c) 通常情况下，副对象是单容或双容对象，因此，副调节 就可以减到很小，从 器的KC2可以取得很大，这样等效 T02 而加快了副回路的响应速度，提高了系统的工作效率。
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(2) 提高了系统的工作频率
主回路的特征方程 内回路传函
(s)W01 (s)Wm1 (s) 0 1 WC1 (s)W02
假设串级与单回路控制系统均采用比例调节器，则
QC 2 ( s) KC1 KC 2 QD 2 ( s) KC
KC1KC 2
KC
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定量描述：
a) 当二次扰动进入副环，首先影响副参数，如影响炉膛 温度变化，于是副调节器立即动作，力图削弱干扰对y2 的影响；
b) 干扰经过副回路的抑制后再进入主回路，对y1的影响 将有较大的减弱；
串级系统的阻尼震荡频率 d 为：
d n
2 1 T01 T02 2 1 2 T01T02
同理可得单回路控制系统的阻尼震荡频率：
D n
2 1 T01 T02 2 1 2 T01T02
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炉膛温度 出口温度
串级控制系统框图
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术语解释：
主被控参数：在串级系统中起主导作用的被控参数 （炉出口温度）；
副被控参数：串级系统中，为了稳定主被控参数而引 进的中间辅助参数（炉膛温度）；
主被控过程：由主被控参数表征其特征的生产过程， 其输入是副被控参数； 主调节器：按主被控参数的测量值与给定值的偏差进 行工作的调节器，其输出为副调节器的给定值；
假设：
K 02 W02 ( s) T02 s 1
一阶惯性环节 比例控制
常数
16
WC 2 (s) KC 2 WV (s) KV
Wm2 (s) Km2
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则
K 02 ( s) W02 s 1 T02
K 02 W02 ( s) T02 s 1
扰动f2(t)、f3(t)对炉出口温度的影响主要由炉膛温度 调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称为副回路） 来克服。
扰动f1(t)对炉出口温度的影响由出口温度调节器（称 为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）来消除。
a) 被加热物料的流量和初始温度——f1； b) 燃料热值变化，压力波动，流量变化——f2； c) 烟囱挡板位置改变，抽力变化——f3；
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复杂过程控制系统
c) 应使主、副过程的时间常数适当匹配
T01 3 10 T02
若副回路用于克服强干扰，则T01/T02应大些；
若副回路用于减小容量滞后或大时间常数的影响，则 T01/T02应适当大些；
若副回路用于克服对象的非线性，则T01/T02选小一些； d) 副变量(回路)的选择应考虑经济性
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等效被控过程放大系数 K 02 T02
等效被控过程时间系数
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T02 T02 1 KC 2 KV K 02 K m 2
表明： a) 由于副回路的存在，起到改善动态特性的作用，等效时 间常数缩小了(1+KC2KVK02Km2)倍；
b) 而且随着调节阀比例增益的增大而减小；
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(3) 一二次扰动同时存在
假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反作用。 如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大 或同时减少，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的， 即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温度 很快调回到给定值上。 如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大 （炉出口温度升高），另一个减小（燃料量减少，即炉膛 温度降低），此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反 的，调节阀开度只作较小变动即满足控制要求。
过程控制与仪表
第四章 复杂过程控制系统
1
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本节课的主要内容
(1) 串级控制系统结构 (2) 串级控制系统特点与分析（重点） (3) 串级控制系统的设计（重点）
2
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第四章 复杂过程控制系统
4-1 串级控制
4-2 前馈控制
4-3 大滞后补偿控制
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如果扰动量不大，经过副回路的及时控制，一般不影 响炉出口温度；如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的 及时校正，仍影响炉出口温度，此时再由主回路进一步调 节，从而完全克服上述扰动，使炉出口温度调回到给定值。
(2) 一次扰动：来自被加热物料的流量和初温f1(t) 扰动f1(t)使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用， 克服f1(t)对炉出口温度的影响。由于副回路的存在，加快 了校正作用，使扰动对炉出口温度的影响比单回路系统时 要小。
7
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术语解释：
副调节器：按副被控参数的测量值与给定值的偏差进 行工作的调节器，其输出直接控制调节阀工作；
主回路：由主副调节器、调节阀、主副被控过程，主 测量变送器组成的闭合回路；
副回路：由副调节器，副被控过程和副测量变送器组 成的闭合回路； 一次扰动：不包括在副回路内的扰动f1(t)； 二次扰动：副回路内的扰动f1(t)和f2(t)；
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(2) 副回路的设计：
在整个被控对象中选取一部分作为副对象 a) 副变量的选择应是物理上可测的，并应是副回路的 时间常数较小，调节通道短，反映灵敏。如选炉膛温度对 燃料干扰有较大的克服作用。 b) 副回路应包括尽可能多的扰动，至少应包含对象 所受的主要扰动。
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副被控参数
一次扰动
术语说明
二次扰动
副被控过程
主被控过程
主被控参数
副回路 主回路
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串级控制系统的特性及规律 工作过程
稳态时，f1(t)、f2(t)、f3(t)均不变，调节阀开度不变， 炉膛出口温度处于相对平衡状态，y1=给定值。 有扰动时： (1) 二次扰动(副回路)：来自燃料压力、热值变化f2(t) 和抽力变化f3(t)； 扰动f2(t)、f3(t)先影响炉膛温度，于是副调节器立即 发出校正信号，控制调节阀的开度，改变燃料量，克服上 述扰动对炉膛温度的影响。
Y1 ( s) 1 X 1 ( s) Y1 ( s) 0 F2 ( s)
系统的控制性能越好。当系统在给定信号 作用下，其输出量能复现输入量的变化 系统的抗干扰能力越强。其控制作用能迅 速克服扰动的影响
衡量抗干扰能力
Y1 ( s) X 1 ( s) Q( s ) Y1 ( s) F2 ( s)
假设：主被控过程为一阶惯性、比例控制律
K 01 W01 ( s) T01s 1
则：
WC1 (s) KC1
Wm1 (s) Km1
K02 K01 1 K C1 K m1 0 s 1 T01s 1 T02
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K01K m1 T01 T02 1 KC1K02 经整理后得： s s 0 T01T02 T01T02
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3. 串级控制系统设计
(1) 主变量的选择：同单回路被控量的选择相同，即 满足主要的控制目标 串级控制系统的主回路是一个定值控制系统； 对于主参数的选择和主回路的设计，可以按照单回路 控制系统的设计原则进行； 串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的 设计以及主、副回路关系的考虑。 原因：将副回路看作是一个过程
越大越好
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可以求出串级系统抗干扰能力为：
QC 2 (s) WC1 (s)WC 2 (s)WV (s)
单回路系统抗干扰能力为： QD 2 (s) WC (s)WV (s) 串级系统抗扰能力与单回路系统抗扰能力之比：
QC 2 (s) WC1 ( s)WC 2 ( s) QD 2 ( s) WC (过程控制系统
与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测 量变送器与一个控制器，增加的投资并不多，但控制效果 却有显著提高，其原因是：
在串级控制系统中，增加了一个包含二次扰动的副回 路，使系统 a) 改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频 率； b) 对二次干扰有很强的克服能力； c) 提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的 自适应能力。
通过调节器参数整定，使 则
T01 1 d T02 D 1 T01 T02
d D
串级控制系统工作频率大 于单回路控制系统的工作 频率
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因为
T01 T01 T02 T02
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(3) 增强了克服二次扰动的能力
二次扰动作用于副回路，因此分析扰动F2(s)的影响
两式相比较
KC 2 KV K02 式中， K02 1 KC 2 KV K02 K m 2 T02 T02 1 KC 2 KV K 02 K m 2
K 02 K 02 T02 T02
容量滞后减小，改善 了动态特性，响应加 快，适用于滞后较大 的过程。
c) 通常情况下，副对象是单容或双容对象，因此，副调节 就可以减到很小，从 器的KC2可以取得很大，这样等效 T02 而加快了副回路的响应速度，提高了系统的工作效率。
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(2) 提高了系统的工作频率
主回路的特征方程 内回路传函
(s)W01 (s)Wm1 (s) 0 1 WC1 (s)W02
假设串级与单回路控制系统均采用比例调节器，则
QC 2 ( s) KC1 KC 2 QD 2 ( s) KC
KC1KC 2
KC
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定量描述：
a) 当二次扰动进入副环，首先影响副参数，如影响炉膛 温度变化，于是副调节器立即动作，力图削弱干扰对y2 的影响；
b) 干扰经过副回路的抑制后再进入主回路，对y1的影响 将有较大的减弱；
串级系统的阻尼震荡频率 d 为：
d n
2 1 T01 T02 2 1 2 T01T02
同理可得单回路控制系统的阻尼震荡频率：
D n
2 1 T01 T02 2 1 2 T01T02
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炉膛温度 出口温度
串级控制系统框图
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术语解释：
主被控参数：在串级系统中起主导作用的被控参数 （炉出口温度）；
副被控参数：串级系统中，为了稳定主被控参数而引 进的中间辅助参数（炉膛温度）；
主被控过程：由主被控参数表征其特征的生产过程， 其输入是副被控参数； 主调节器：按主被控参数的测量值与给定值的偏差进 行工作的调节器，其输出为副调节器的给定值；
假设：
K 02 W02 ( s) T02 s 1
一阶惯性环节 比例控制
常数
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WC 2 (s) KC 2 WV (s) KV
Wm2 (s) Km2
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则
K 02 ( s) W02 s 1 T02
K 02 W02 ( s) T02 s 1
扰动f2(t)、f3(t)对炉出口温度的影响主要由炉膛温度 调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称为副回路） 来克服。
扰动f1(t)对炉出口温度的影响由出口温度调节器（称 为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）来消除。
a) 被加热物料的流量和初始温度——f1； b) 燃料热值变化，压力波动，流量变化——f2； c) 烟囱挡板位置改变，抽力变化——f3；
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c) 应使主、副过程的时间常数适当匹配
T01 3 10 T02
若副回路用于克服强干扰，则T01/T02应大些；
若副回路用于减小容量滞后或大时间常数的影响，则 T01/T02应适当大些；
若副回路用于克服对象的非线性，则T01/T02选小一些； d) 副变量(回路)的选择应考虑经济性
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等效被控过程放大系数 K 02 T02
等效被控过程时间系数
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T02 T02 1 KC 2 KV K 02 K m 2
表明： a) 由于副回路的存在，起到改善动态特性的作用，等效时 间常数缩小了(1+KC2KVK02Km2)倍；
b) 而且随着调节阀比例增益的增大而减小；
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(3) 一二次扰动同时存在
假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反作用。 如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数同时增大 或同时减少，主、副调节器对调节阀的控制方向是一致的， 即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温度 很快调回到给定值上。 如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大 （炉出口温度升高），另一个减小（燃料量减少，即炉膛 温度降低），此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反 的，调节阀开度只作较小变动即满足控制要求。
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第四章 复杂过程控制系统
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(1) 串级控制系统结构 (2) 串级控制系统特点与分析（重点） (3) 串级控制系统的设计（重点）
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4-1 串级控制
4-2 前馈控制
4-3 大滞后补偿控制
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如果扰动量不大，经过副回路的及时控制，一般不影 响炉出口温度；如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的 及时校正，仍影响炉出口温度，此时再由主回路进一步调 节，从而完全克服上述扰动，使炉出口温度调回到给定值。
(2) 一次扰动：来自被加热物料的流量和初温f1(t) 扰动f1(t)使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用， 克服f1(t)对炉出口温度的影响。由于副回路的存在，加快 了校正作用，使扰动对炉出口温度的影响比单回路系统时 要小。
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术语解释：
副调节器：按副被控参数的测量值与给定值的偏差进 行工作的调节器，其输出直接控制调节阀工作；
主回路：由主副调节器、调节阀、主副被控过程，主 测量变送器组成的闭合回路；
副回路：由副调节器，副被控过程和副测量变送器组 成的闭合回路； 一次扰动：不包括在副回路内的扰动f1(t)； 二次扰动：副回路内的扰动f1(t)和f2(t)；
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(2) 副回路的设计：
在整个被控对象中选取一部分作为副对象 a) 副变量的选择应是物理上可测的，并应是副回路的 时间常数较小，调节通道短，反映灵敏。如选炉膛温度对 燃料干扰有较大的克服作用。 b) 副回路应包括尽可能多的扰动，至少应包含对象 所受的主要扰动。
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副被控参数
一次扰动
术语说明
二次扰动
副被控过程
主被控过程
主被控参数
副回路 主回路
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串级控制系统的特性及规律 工作过程
稳态时，f1(t)、f2(t)、f3(t)均不变，调节阀开度不变， 炉膛出口温度处于相对平衡状态，y1=给定值。 有扰动时： (1) 二次扰动(副回路)：来自燃料压力、热值变化f2(t) 和抽力变化f3(t)； 扰动f2(t)、f3(t)先影响炉膛温度，于是副调节器立即 发出校正信号，控制调节阀的开度，改变燃料量，克服上 述扰动对炉膛温度的影响。
Y1 ( s) 1 X 1 ( s) Y1 ( s) 0 F2 ( s)
系统的控制性能越好。当系统在给定信号 作用下，其输出量能复现输入量的变化 系统的抗干扰能力越强。其控制作用能迅 速克服扰动的影响
衡量抗干扰能力
Y1 ( s) X 1 ( s) Q( s ) Y1 ( s) F2 ( s)
假设：主被控过程为一阶惯性、比例控制律
K 01 W01 ( s) T01s 1
则：
WC1 (s) KC1
Wm1 (s) Km1
K02 K01 1 K C1 K m1 0 s 1 T01s 1 T02
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