仪表串级控制 课件.ppt
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串级控制系统演示幻灯片
由于
D2' (s) ?
1
D2 (s) 1 + Gc2GvGp2Gm2
而对于动态滞后较小的副回路，有
Gc 2GvG p 2Gm2 ?? 1
D2' ?? D2
12
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
G
' p2
K
' p
2
?
1+
Kc2KvK p2 Kc 2KvK p2 Km2
当 Kc2 Kv K p2 Km2 ?? 1
K
' p
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）。
15
串级系统分析举例
R1
＋ －
Kc ym1
u
＋ －
4 ym2
1 5s + 1
F1013 (AI)
FO1013 (AO)
9
串级控制系统方块图
D2D1y1ຫໍສະໝຸດ sp＋ －y2,sp
Gc1
＋
Gc2
－ ym2
ym1
Gv Gm2 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 （将副回路看成是一个等效的控制阀）。
6
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
T1
串级控制系统.ppt
图2.1-5 干扰进入主回路串级调节系统方框图
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
LOGO
2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
LOGO
2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。
《串级控制系统》课件
5 保证系统的可靠性
采取措施确保系统的可靠性，如备份控制器、 故障检测和自动切换等。
串级控制系统的实现1Fra bibliotek软件实现
2
串级控制系统的软件实现包括控制算法
的设计、编程和调试。
3
硬件组成
串级控制系统的硬件组成包括传感器、 执行器、控制器和通信设备。
实现过程
串级控制系统的实现包括系统设计、参 数调整和系统测试等多个步骤。
串级控制系统的应用领域
化工工业
串级控制系统在化工 工业中有广泛的应用， 能够稳定控制各种化 学过程。
食品工业
食品工业中的串级控 制系统能够确保食品 生产过程的高效、稳 定和安全。
制造业
制造业中的串级控制 系统能够提高产品的 质量和生产效率，实 现精细化生产。
冶金工业
冶金工业中的串级控 制系统能够优化冶金 过程，提高冶金产品 的质量和产量。
1 改善系统稳定性
串级控制系统能够减小系统的波动幅度，提 高系统的稳定性。
2 提高系统精度和可靠性
通过串级控制系统，我们能够降低系统的误 差，提高系统的精度和可靠性。
3 减小控制器的负担
串级控制系统能够分担控制器的负荷，使其 更加高效且稳定。
4 减小设备的故障率
串级控制系统能够有效减小设备故障的概率， 提高设备的可靠性和使用寿命。
设计原则
1 正确选择控制器
根据系统需求和特点，选 择合适的控制器类型和参 数。
2 合理设置控制参数
3 统一参考信号
根据系统需求和运行状况， 合理设置控制参数，以达 到最佳控制效果。
将所有控制器的输入信号 统一为相同的参考信号， 以保证系统的稳定性和一 致性。
4 建立完善的监测系统
13串级控制系统1 自动化仪表 教学课件
400 450 500
副回路（副环）：由副变量检测变送器、副控制器、调节阀、 副对象组成的回路。处在串级控制系统内部的，在控制过程中 起着“粗调”的作用。
主回路（主环）：由副回路、主控制器、主对象、主变量检测 变送器组成的回路，在控制系统中起着“细调”的作用。
一次干扰：进入主回路的干扰 二次干扰：进入副回路的干扰
第七章之一 串级控制系统 《化工过程自动化技术》
第七章之一 串级控制系统 《化工过程自动化技术》
串级控制系统的设计原则
单回路控制不能满足性能要求； 有反映系统主要干扰的可测副参数； 调节阀与副参数之间具有因果关系； 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； 尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。
具有两个回路。
两套检测变送器、两个调节器、两个被控对象、和一个调节阀组成， 其中的调节器串联工作，前一个调节器的输出为后一个调节器的给定值， 后一个调节器的输出送往调节阀。
第七章之一 串级控制系统 《化工过程自动化技术》
三、常用术语：
主变量：主要目标 副变量：被控对象引出的中间变量 副对象：副变量与操纵变量之间的通道特性 主对象：主变量与副变量之间的通道特性 副控制器：接受副变量的偏差，其输出控制阀门 主控制器：接受主变量的偏差，其输出是副控制器的设定值
第七章之一 串级控制系统 《化工过程自动化技术》 加热炉温度单回路控制响应曲线
Temperature (°C)
69 68 67 66 65 64 63 62 61 60
0
D2 response
D1 response
不太好！ 什么原因
？
50 100
150 200 250 300 350 Time(min)
串级控制系统课件
冶金行业
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。
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。
仪表串级控制 课件
节器
节器
执行阀
D（2 S） D（1 S）
流量
流量
温度
对象
对象
原料出口温度
流量检测变送器
温度检测变送器
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
X（S）
F（2 S） Wc (S)
WV (S)
F（1 S） W02(S)
Y（S） W01(S)
Wm (S )
Y(S)
Wc (s)WV (s)W02 (s)W01(s)
X (S ) 1 Wc (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm (s)
Y（S） F（2 S）
1
Wc
WV (s)W02 (s)W01(s) (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm
T02 (Kc2K2
1)
122 22
当要求衰减比
1
时，有
2
d 2 1 T01 T02 d1 1 T01 T02
显然
d2
，而且当主、副对象特
d1
性一定时， Kc2
越大，工作频率越高。
串级控制系统由于副回路的存在，提高了系统的工作频率， 减小了振荡周期，在衰减系数相同的情况下，缩短了调节时间， 提高了系统的快速性。
自学 P211-216
返回
§6.5 串级控制系统的工业应用
设计指导思想：如果用单回路控制系统能够满足控制性能要
求，就不用串级控制等复杂控制系统。 1、应用于容量滞后较大的过程
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)
串级控制系统ppt课件
最新课件
6
反应釜温度单回路控制系统
TC
夹 套
槽 冷却剂 壁
进料
T1sp
＋ －
调节器
操纵变量： 冷却剂流量
出料
被控变量： 反应温度
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
最新课件
7
系统控制与扰动的分析
干扰变量的影响：冷却水入
口温度变化 → 夹套内冷却
TC
水温度变化 → 槽壁温度变
出料 化 → 反应槽温度变化
冷却剂 进料
控制变量的影响：冷却水调
节阀开度变化 → 冷却水流 量变化 → 夹套内冷却水温 度变化 → 槽壁温度变化 → 反应槽温度变化
问题：从扰动开始至调节器动作，滞后较大，
特别对于大容量的反应槽，滞最后新课更件 大。
8
TC 出料
解决方法
冷却剂 进料
夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控制的
主测量变送为正作用‘＋’。
(主控制器) ×(主对象)=‘－’
最新课件
44
主、副控制器正反作用的选择原则
主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。 （1）副控制器的正、反作用与主回路无关。副环可
以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定 副控制器的正、反作用。 （2）主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各 环节来确定。副回路视为“正”，因变送器一般为“ 正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性 相反。
一般不允许有余差。 主控制器：PI或PID
最新课件
39
主、副控制器控制规律的选择
串级控制系统演示幻灯片
33
单回路防积分饱和方法 在串级控制系统中的局限性
串级PID控制系统（只采取单回路抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/CasPidwithSingAntiSature.mdl)
34
带有防积分饱和功能的 工业PID控制器
ysp(t)
＋
e(t) KC
－
TD s + 1
ADTD s + 1
? 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。
26
单回路与串级系统的性能比较
,
Tp' 2
?
1+
Tp 2 Kc2 KvKp2 Km2
?
Tp 2
结论：由于副回路的存在，使主控制通道的动态特性 得到改善（时间常数显著减少）
14
串级控制系统的特点（3）
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。
对于内环等效对象的增益
ysp(t)
＋ －
KC
??è?1 +
1 TI s
÷÷? ?
u
d(t)
v
＋
广义 ＋
对象
y(t)
问题：当存在大的外部扰动时，很有可能出现控制阀调 节能力不够的情况，即使控制阀全开或全关，仍不能消 除被控输出y(t)与设定值ysp(t)之间的误差。此时，由于积 分作用的存在，使调节器输出u(t)无限制地增大或减少， 直至达到极限值。而当扰动恢复正常时，由于u(t)在可调 范围以外，不能马上起调节作用；等待一定时间后，系 统才能恢复正常。
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• 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 。
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。
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。
第六章 串级控制系统设计
§6.1 串级控制原理 §6.2 串级控制系统的特点 §6.3 串级控制系统的设计 §6.4 串级控制系统的参数整定 §6.5 串级控制系统的工业应用
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§6.1 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。
串级控制系统中常见的名词术语：
主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、 副检测变送器，主、副回路。
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：
二次扰动 一次扰动
设定值
主调节器
副调节器
执行阀
副检测变送器
副 对象
主 对象
副参数
主参数Leabharlann 主检测变送器内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。
在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入 口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间 接控制系统无法将变化了的温度调回来；
管式加热炉出口温度的间接控制（2）
期望炉膛 温度
方案三：加热炉出口温度与燃料流量的串级控制
用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量 控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料 油流量的扰动 同样：加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油
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。 ➢ 主、副变量反向变化
两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。
通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制 器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回 路控制系统。
若克服二次干 用Y（ 扰 1 S） 的 /X（ 1能 S） 来 力表示 Y（ 1 S） /F（ 2 S）
则Y Y （ （ 1 1S S） ） //X F （ （ 2 1S S） ） W c1(S)W c2(S)Kc1Kc2 假设主、用 副比 调例 节 W 调 c器 1(S)节 均 K c1 ， 器 W 采 c2(S， )K c2 即
流量的扰动和热值扰动。
温度-流量串级控制系统的方框图如下：
R（1 S） E（1 S） 温 度 调 R（2 S） E（2 S） 流 量 调
节器
节器
执行阀
D（2 S） D（1 S）
流量
流量
温度
对象
对象
原料出口温度
流量检测变送器
温度检测变送器
串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个执 行阀，实现定值控制的控制系统。
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§6.2 串级控制系统的特点
1、能迅速克服进入副回路的二次干扰 串级控制系统方框图如下：
X1(s) +
E1 (s)
Wc1 (s)
X 2 (s) +
-
E2 (s) Wc2 (s) + -
Z1(s)
Z2 (s)
F2 (s) +
WV (s)
W02 (s)
Y2 (s) +
F1 (s) +
W01 (s)
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
方案一：管式加热炉出口温度的单回路控制
温度检测 变送器
期望 温度
存在的问题：
温度控 制器
由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时； 偏差大，控制质量差。
方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）
流量检测 变送器
期望 流量
存在的问题：
流量控 制器
Wm2 (s)
Y1 (s)
Wm1 (s)
输出对于输入的传递函数：
X Y （ （ 1 1 S S ） ） 1 W c 1 ( s ) W c 2 ( s ) W V W ( c s 1 ) ( W s ) 0 W ( c s 2 ) ( 2 W s ) 0 W ( V s ) ( W 1 s ) m W 1 ( 0 s ( ) s ) 2 W W 0 c 2 ( ( s s ) ) 1 W V ( s ) W 0 ( s ) 2 W m 2 ( s )
则： YY（ （SS） ） //X F（ （ 2 SS） ） Wc(S) K c 假设 W c(S： )Kc
一般 Kc2取值较 Kc1大 Kc，
单回路控制系统方框图如下：
X（S）
F（2 S） Wc (S)
WV (S)
F（1 S） W02(S)
Y（S） W01(S)
Wm (S )
Y (S) W c(s)W V(s)W 0(2 s)W 0(1 s) X (S) 1 W c(s)W V(s)W 0(2 s)W 0(1 s)W m (s) Y F （ （ 2S S ） ） 1 W c(s W )W VV (s ()s W )W 00 (2 s (2 )s W )W 00 (1 s (1 )s)W m (s)
X1(s) +
E1 (s)
Wc1 (s)
X 2 (s) +
-
E2 (s) Wc2 (s) + -
Z1(s)
Z2 (s)
F2 (s) +
WV (s)
W02 (s)
Y2 (s) +
F1 (s) +
W01 (s)
Wm2 (s)
Y1 (s)
Wm1 (s)
输出对于二次扰动的传递函数：
F Y （ （ 1 2 S S ） ） 1 W c 1 ( s ) W c 2 ( s ) W V ( s ) W 0 W ( V s ) ( 2 W s ) 0 W ( 0 s ) ( W 1 s ) m 2 W 1 ( 0 s ( ) s ) 1 W c 2 ( s ) W V ( s ) W 0 ( s ) 2 W m 2 ( s )
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。
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。
第六章 串级控制系统设计
§6.1 串级控制原理 §6.2 串级控制系统的特点 §6.3 串级控制系统的设计 §6.4 串级控制系统的参数整定 §6.5 串级控制系统的工业应用
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§6.1 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。
串级控制系统中常见的名词术语：
主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、 副检测变送器，主、副回路。
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：
二次扰动 一次扰动
设定值
主调节器
副调节器
执行阀
副检测变送器
副 对象
主 对象
副参数
主参数Leabharlann 主检测变送器内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。
在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入 口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间 接控制系统无法将变化了的温度调回来；
管式加热炉出口温度的间接控制（2）
期望炉膛 温度
方案三：加热炉出口温度与燃料流量的串级控制
用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量 控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料 油流量的扰动 同样：加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油
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。 ➢ 主、副变量反向变化
两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。
通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制 器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回 路控制系统。
若克服二次干 用Y（ 扰 1 S） 的 /X（ 1能 S） 来 力表示 Y（ 1 S） /F（ 2 S）
则Y Y （ （ 1 1S S） ） //X F （ （ 2 1S S） ） W c1(S)W c2(S)Kc1Kc2 假设主、用 副比 调例 节 W 调 c器 1(S)节 均 K c1 ， 器 W 采 c2(S， )K c2 即
流量的扰动和热值扰动。
温度-流量串级控制系统的方框图如下：
R（1 S） E（1 S） 温 度 调 R（2 S） E（2 S） 流 量 调
节器
节器
执行阀
D（2 S） D（1 S）
流量
流量
温度
对象
对象
原料出口温度
流量检测变送器
温度检测变送器
串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个执 行阀，实现定值控制的控制系统。
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§6.2 串级控制系统的特点
1、能迅速克服进入副回路的二次干扰 串级控制系统方框图如下：
X1(s) +
E1 (s)
Wc1 (s)
X 2 (s) +
-
E2 (s) Wc2 (s) + -
Z1(s)
Z2 (s)
F2 (s) +
WV (s)
W02 (s)
Y2 (s) +
F1 (s) +
W01 (s)
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
方案一：管式加热炉出口温度的单回路控制
温度检测 变送器
期望 温度
存在的问题：
温度控 制器
由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时； 偏差大，控制质量差。
方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）
流量检测 变送器
期望 流量
存在的问题：
流量控 制器
Wm2 (s)
Y1 (s)
Wm1 (s)
输出对于输入的传递函数：
X Y （ （ 1 1 S S ） ） 1 W c 1 ( s ) W c 2 ( s ) W V W ( c s 1 ) ( W s ) 0 W ( c s 2 ) ( 2 W s ) 0 W ( V s ) ( W 1 s ) m W 1 ( 0 s ( ) s ) 2 W W 0 c 2 ( ( s s ) ) 1 W V ( s ) W 0 ( s ) 2 W m 2 ( s )
则： YY（ （SS） ） //X F（ （ 2 SS） ） Wc(S) K c 假设 W c(S： )Kc
一般 Kc2取值较 Kc1大 Kc，
单回路控制系统方框图如下：
X（S）
F（2 S） Wc (S)
WV (S)
F（1 S） W02(S)
Y（S） W01(S)
Wm (S )
Y (S) W c(s)W V(s)W 0(2 s)W 0(1 s) X (S) 1 W c(s)W V(s)W 0(2 s)W 0(1 s)W m (s) Y F （ （ 2S S ） ） 1 W c(s W )W VV (s ()s W )W 00 (2 s (2 )s W )W 00 (1 s (1 )s)W m (s)
X1(s) +
E1 (s)
Wc1 (s)
X 2 (s) +
-
E2 (s) Wc2 (s) + -
Z1(s)
Z2 (s)
F2 (s) +
WV (s)
W02 (s)
Y2 (s) +
F1 (s) +
W01 (s)
Wm2 (s)
Y1 (s)
Wm1 (s)
输出对于二次扰动的传递函数：
F Y （ （ 1 2 S S ） ） 1 W c 1 ( s ) W c 2 ( s ) W V ( s ) W 0 W ( V s ) ( 2 W s ) 0 W ( 0 s ) ( W 1 s ) m 2 W 1 ( 0 s ( ) s ) 1 W c 2 ( s ) W V ( s ) W 0 ( s ) 2 W m 2 ( s )