第3章 串级调节系统
串级调节系统
实验三串级调节系统一、实验目的1、熟悉串级调节系统的组成，结构。
2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。
3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。
二、实验原理串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。
在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。
由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。
1、串级控制系统的结构如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。
2、串级控制系统的名词术语：（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，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。
（4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分，其输出控制主控参数。
（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。
图1 串级控制系统结构（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。
（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等组成的闭合回路。
（9）、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。
（10）、二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。
3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点：串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。
它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统的结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：（1）、改善了过程的动态特性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，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。
串级调速系统的调速原理
串级调速系统的调速原理
串级调速系统是一种常见的电机调速方法，通过在电机转速控制回路中增加一个或多个串级调速元件，实现对电机转速的调节。
其调速原理主要包括以下几个方面：
1. 速度传感器：串级调速系统通常需要一个速度传感器来实时监测电机的转速。
速度传感器可以是光电编码器、霍尔传感器等，将转速的信息转换为电信号输入到调速控制器中。
2. 调速控制器：调速控制器是串级调速系统的核心部件，负责接收速度传感器的信号，并根据设定的转速要求计算出电机控制信号，控制电机的转速。
常见的调速控制器有PID控制器、模糊控制器等，根据不同的系统要求选择不同的控制器。
3. 整流器和逆变器：串级调速系统通常采用可调电压可调频率的方式来调节电机的转速。
因此，调速控制器会控制整流器和逆变器来改变电机的供电电压和频率。
整流器将交流电转换为直流电，逆变器将直流电转换为可调的交流电供给电机。
4. 串级调速元件：串级调速系统针对不同的调速要求，可能会增加一些串级调速元件，用于改变电机的特性或增加调速范围。
常见的串级调速元件有降耗器、齿轮箱、变速器等，通过增加这些元件，可以实现更广泛的调速范围和更精确的
转速控制。
总体而言，串级调速系统通过引入调速控制器、整流器和逆变器，以及可能的串级调速元件，实现对电机转速的控制。
通过调节电机供电电压、频率和转速特性，使电机能够按照要求的转速运行，满足不同的工业应用需求。
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
串级调节系统在智能调节器上的应用
串级调节系统在智能调节器上的应用摘要自动调节理论是指导工业的重要依据。
随着的广泛使用，对PID控制算法、控制性能要求也更高。
因KMM.VI87.ECD100.UDC6300等系列具有丰富、灵活的运算模块。
在先进的控制算法的指导下，组态成的各种控制系统，在实际应用中，均能达到优于指标性能的结果。
关键词智能调节器；运算模块；控制系统；过程控制0 引言自动调节系统的分类方法繁多，热工生产过程使用最广泛、最基本的是线性。
闭环、恒值给定的单回路调节系统。
其特点是静态时无静差、动态时无扰动。
1 串级自动调节系统构成串级调节是由主调节器和副调节器组成。
主调节器为前馈——反馈调节系统：因为当锅炉带有冲击负荷时，需要引入流量信号作为前馈信号输入。
即主要扰动作为前馈调节加入反馈系统。
前馈直接根据扰动进行调节，不测量被调量。
副调节器为反馈调节系统：是根据被调量与其给定值的偏差进行调节，最后消除偏差。
外环为主调节器，主要完成对被调量的运算功能。
内环为副调节器，主要完成对反馈量的运算功能。
主调节器完成对偏差信号进行PID运算后，输出信号成为副调节器的串级设定信号。
其系统特征方程：∴aG=0.23 aG在0.23~0.5之间取值外回路衰减率过低或过高，应改变给水流量反馈参数aG。
同时应注意改变调节器的参数δ值。
保证aG 的比值不变，来保证内回路的稳定性。
2 VI87的原理及组态在实际过程中，控制量受到执行元件和物理性能的约束而限制在一定范围内，超出范围时，控制量就不再是计算值，而是不期望的饱和值。
由公式中可知：增大PB减小比例作用；减小TI来增强积分作用；增大TD 来增强微分作用。
比例作用使调节过程快速阶跃使参安息趋于稳定。
积分作用使被调量无静态偏差。
也会使调节过程产生振荡。
微分作用能有效地减小动态偏差。
此调节器最大特点是具有积分分离、输出值切换及PID控制的功能，使调节过程能快速接近设定值且非超调控制。
从积分分离动作切换到PID动作时，用平衡比率值BR过渡，实现无平衡无扰动切换。
串级控制系统
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。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
2. 副回路的设计
由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
2. 用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。
副调节器作用方式的确定：
首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv >0 。然后确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 >0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 2>0 ，副调节器作用方式为反作用方式。
1. 用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。
仪表工题库简答题(含答案)
仪表工题库简答题（含答案）1．计量器具的检定答案：表明和确认计量器具是否符合法定要求的程序，它包括检查、加标记和出具检定证书。
2．阻塞流答案：是指当调节阀两端压差增大到一定程度时，通过阀的流量将达到极限，进一步增加压差流量也不会再增加，这种极限流叫阻塞流。
3．全双工答案：当数据的发送和接收分由两根不同的传输时，通信双方都能在同一时刻进行发送和接收操作。
4．容错答案：是指对失效的控制系统元件进行识别和补偿，并能够在继续完成指定的任务，不中断过程控制的情况下进行修复的能力。
5．绝对黑体答案：辐射能落在物体上之后，物体能够将它吸收、反射或穿透，如果落在物体上的热辐射能被该物体全部吸收，叫做绝对黑体。
6．系统误差答案：在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。
7．涡流答案：交变磁场中的导体内部将在垂直与磁力线的方向的截面上感应出闭合的环形电流，称涡流。
8．三相交流电答案：由三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120°角的交流电路组成的电力系统，叫三相交流电。
9．阀的流量特性答案：调节阀相对开度和通过阀的相对流量之间的关系称为阀的流量特性。
10．现场总线答案：现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信系统。
11．变频器答案：变频器一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
12．热电阻答案：热电阻是利用物质在温度变化时，其电阻也随着发生变化的特征来测量温度的。
当阻值变化时，工作仪表便显示出热电势所对应的温度值。
13．冗余系统答案：并行地使用多个系统部件，以提高错误检测和错误的校正能力，该系统称为冗余系统。
14．汇编语言答案：汇编语言是一种面向机器的程序设计语言，它是为特定的计算机或计算机系统设计的，汇编语言是用助记符来代表操作码，用地址符号来代替地址码的语言，它的指令和翻译成的机器语言指令之间的关系基本上是一一对应的，因而编程质量高，执行速度快，占用存储空间小。
PID整定口诀
一句话简述：如果调节器的输如偏差不等于零，就让调节器的输出按照一定的速度一直朝一个方向累加下去。
积分相当于一个斜率发生器。启动这个发生器的前提是调节器的输如偏差不等于零，斜率的大小与两个参数有关：输入偏差的大小、积分时间。
从上面的分析可以看出：判断t6时刻的先后，或者说t6距离t5的时间，是判断积分作用强弱的标准。
一般来说，积分作用往往被初学者过度重视。因为积分作用造成的超调往往被误读为比例作用的不当。
而对于一个很有经验的整定高手来说，在一些特殊情况况下，积分作用往往又被过度漠视。因为按照常理，有经验的人往往充分理解积分作用对静态偏差的作用，可是对于积分作用特殊情况下的灵活运用，却反而不容易变通。
以前曾经有一个化工的朋友说：自动调节系统哪有这么复杂？无非是一个PID，对其参数进行整定一番就可以了。我对他说：很不幸，你工作在一个简单调节系统的环境下，你没有真正接触过复杂的自动调节系统。
是的，火电厂自动调节系统要复杂些。可惜我没有机会接触更为复杂的自动调节系统，深为遗憾！至今为止，我所接触到最复杂的自动调节系统，无非是火电厂的蒸汽温度、汽包水位、蒸汽压力，还有一个大杂烩——协调。至于脱硫方面的，都交给运行自行调节，懒得去管。
基本的调节器至少有一个模拟量输出。大脑根据情况运算之后要发布命令了，它发布一个精确的命令让执行机构去按照它的要求动作。在大脑和执行机构（手）之间还会有其他的环节，比如限幅、伺服放大器等等。有的限幅功能做在大脑里，有的伺服放大器做在执行机构里。
上面说的输入输出三个量是调节器最重要的量，其它还有许多辅助量。比如为了实现手自动切换，需要自动指令；为了安全，需要偏差报警等等。这些可以暂不考虑。为了思考的方便，咱们只要记住这三个量：设定值、被调量、输出指令。
深度解析串级调节系统
深度解析串级调节系统一、串级调节系统的概念串级调节系统主要特征是有两个调节器，一个调节器的输出作为另一个调节器的给定，两个调节器之间互相串接；其组成除了两个调节器外还有两个变送器，一个执行器（调节阀）及对象。
串级调节系统常用的名词：主参数：串级调节系统中起主导作用的被调参数，即为主参数。
副参数：串级调节系统中为了稳定主参数或因某种需要而引入的辅助参数，也就是给定值随主调节器（液位调节器）的输出而变化的辅助被调参数称为副参数。
主调节器：按主参数对给定值的偏差而动作、其输出作为副参数给定值的调节器，称为主调节器（又名主导调节器）。
副调节器：其给定值由主调节器的输出所决定，并按副参数对给定值的偏差而动作的调节器称为副调节器（又名随动调节器）。
主回路：串级调节系统中断开副调节器后的整个外回路称为主回路。
副回路：处于串级调节系统里面的，由副参数、副调节器及其所包括的一部分对象等环节所组成的闭合回路称为副回路（又名随动回路）。
二、串级调节系统的特点串级调节系统与单回路调节系统相比，在结构上增加了一个与之相联的副回路，因而具有以下特点：1、串级调节系统由于副回路的快速作用，因而对于进入副回路的干扰具有很强的克服能力。
2、串级调节系统由于副回路起了改善对象特性的作用，因而可以提高系统的工作频率，调节时间较短，动态偏差较小，调节质量有所提高。
3、串级调节系统具有一定的自适应能力。
串级调节系统就其主回路来看，它是一个定值调节系统，但其副回路却是一个随动系统，主调节器能按对象操作条件及负荷的变化而不断地纠正副调节器的给定值。
从这点意义上来讲它具有一定的自适应能力。
三、串级调节系统的应用范围从串级调节系统特点不难看出其优于单回路调节系统，但也有不足，与单回路调节系统相比，所用仪表较多，而且PID参数整定也比较麻烦，因此，在设计自动调节系统时，必须坚持一个原则，能用简单调节系统解决问题，就不要用复杂调节系统。
串级调节系统也不是任何情况下都能适用，只在某些情况下应用才有显著的效果。
什么叫串级调节系统(新1)
贫胺液 C-101
LC10305
HC10305A
A B C
为保证透平运行稳定， 调节阀A的输入信号在 手操器(HC10305A)给 定和调节器(LC10305) 的给定中进行低值选择, 已消除液位波动对透平 的影响。
C 富胺液
B A
液位LI10305A/B/C中，可设置高选、 低选和居中值作为调节变量
副控制器 FC30706 副变量 FI30706 除氧水
D-302
CLAUS反应炉余热锅炉三冲量液位控制系统
CLAUS反应炉余热锅炉三冲量液位调节系统控制方框图
优点
1、串级控制对进入副回路的扰动有很强的克服能力。 2、由于副回路的存在，减小了控制对象的时间参数，从而提高了系统 的响应速度。 3、串级控制提高了系统的工作效率，改善了系统的控制质量。 4、串级系统对负荷改变时有一定的自适应能力。
H-101
特点
1.扩大调节阀可调范围，改善调节品质。分程控制在用于扩展可调 范围时，总是采用两只同向动作的分程控制阀并联地安装在同一 流体管道上。 2.满足工艺生产中的一些特殊要求。比如在控制稳定塔顶压力时， 工艺上要求当压力过高时先关小热旁路，然后在打开不凝气放空 阀，这时就可以采用分程控制系统，用压力控制器输出信号的不 同区间来控制这两只阀门。
构成 单回路调节，全称单回路反馈调节控制系统， 由调节器，调节阀，调节对象和测量变送器四 部分组成。
干扰
当液位测量值（PV）大于设定液位值(SV)时，调节阀开度增加；当液位测 量值（PV）小于设定液位值(SV)时，调节阀开度减小。
连续排来自各点
例子：联合装置区公用工程4-排污系统
LC70201
概念
分程控制是将控制器输出信号全程分割成若干个信号段， 每个信号段控制一个控制阀，每个控制阀仅在控制器输 出信号整个范围的某段内工作，它主要用于带有逻辑关 系的多种控制手段而又具有同一控制目的的系统中，是 为协调不同控制手段的动作逻辑而设计的。它也适用于 一个对象特性非线性严重、需采取逐段逼近的方式进行 精确控制的系统。
串级调节的原理
串级调节的原理
串级调节是一种常见的电子电路调节方式，其原理是在电路中串联多个调节元件，通过调节不同元件的参数来达到期望的调节效果。
串级调节一般由多个电阻、电容、电感等电子元件组成，这些元件在电路中串联连接。
通过调节这些元件的参数，可以改变电路的频率响应、幅度响应等特性，实现对电路信号的调节。
在实际电路中，串级调节常用于滤波、放大、稳压等应用中。
例如，低通滤波器采用串联电容和电阻的方式实现，高通滤波器采用串联电容和电感的方式实现，放大器也可以采用串联多级放大电路来实现更大的放大倍数。
串级调节的优点是可以灵活地调节电路性能，且调节范围大。
但同时也存在一些缺点，如复杂度高、功耗大等。
因此，在实际应用中需要根据具体情况选择适合的调节方式。
- 1 -。
第3章串级控制系统
3-2 串级控制系ຫໍສະໝຸດ 的设计适用范围：当对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强 而且频繁、负荷变化大，简单控制系统满足不了控制质 量的要求时，可采用串级控制系统。
一、主副变量选择
1、主变量选择 主变量选择原则：同单回路受控变量选择原则 2、副变量选择原则
副变量的选择与副回路的设计是串级控制的关键
23
4
5
串级控制系统方块图
常用的名词 主变量与副变量；主对象与副对象；主控制器与副控制器； 主回路与副回路。
6
二、串级控制系统的工作过程
干扰作用于副对象 f2引起F变化，控制器FC及时进行控制，使其很快稳定下来.
如果干扰量小，经过副回路控制后，f2一般影响不到温度T； 如果干扰量大，其大部分影响为副回路所克服,波及到被控变量 温度T再由主回路进一步控制，彻底消除干扰的影响，使被控变 量回复到给定值。
9
在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅 速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰 也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回 路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克 服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控制系统中， 由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用， 大大提高了控制质量。
物料进
物料出
冷却器流量－温度串级控制系统
32
选择主回路控制器的正反作用 确定原则：当主、副变量在增加(或减小)时，如果 由工艺分析得出，为使主、副变量减小(或增加)， 要求控制阀的动作方向是一致的，主控制器应选“ 反”作用，反之，则应选“正”作用。
33
主副控制器参数的工程整定
两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器 (1) 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的 比例度先固定在100％的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取 副回路在满足某种衰减比(如4：1)过渡过程下的副控制器比例度δ2S和操作 周期Τ2S。 (2) 在副控制器比例度等于δ2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度， 直至主回路得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度δ1S 。和操作周期Τ1S 。 (3) 根据上面得到的δ1S、、Τ1S、δ2S、、Τ2S按表7-2(或表7-3)的规定关系计算 主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。 (4) 按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的 控制器参数加到控制器上。 (5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。
串级调系统
第一章串级调节系统§3-1 概述一、单回路反馈调节系统的特点1、调节过程W s动作明显迟后于x的变化，即不能及时消除干a扰对被调量的影响，造成y变化较大。
2、()W s的整定a是根据对象()W s来整定的，而热工对象一般是惯性大，阶次高，o为保证系统稳定，()W s的动作必须缓慢，造成调节过程太长。
a二、改进途径从上述分析可看出，造成这种缺陷的原因有两个：1）()W s可控性差(如惯性大)o2）系统结构不为最佳针对上述原因，加以改进：1）对于外扰，设法设计一个装置()W s以及时消除因扰动而产生的F偏差y11()()()0()()()F o F o y W s x W s W s x W s W s W s =+=∴=-2） 尽量取得一些比被调量提前反映扰动的辅助信号，那么调节器就能提前动作，有效的限制被调量的动态偏差。
3） 若能改善调节作用下对象的动态特性，则无疑会改善调节变量。
根据这些改进思想，电厂热工过程自动调节中常用到串级调节系统，采用导前微分信号的系统，前馈-反馈调节系统和多变量调节系统等。
§3-2 串级调节系统一、 串级调节系统的结构 1、 实例A 单回路调节系统只有在1θ变化后，PI 才会动作，因而减温水阀才动作。
由于过热器惯性大，1θ动态偏差大B 串级调节系统（加上测量元件2νθ）添加一个控制中间信号2θ，一个调节器，只要2θ发生变化，执行机构就能动作。
2、串级系统方框图A 定义：调节系统有两个调节回路，并且两个调节器串联工作。
B 几个名词：1）导前区和惰性区: 调节对象中间点参数a y 以前的部分，称为调节对象的导前区，a y 以后的部分称为调节对象的惰性区。
2）主、副参数：整个调节对象的被调量1y 称为主参数，导前区的被调量a y 称为副参数，也称中间点或辅助参数。
3）主、副调节器：根据主参数与给定值的偏差而动作的调节器为主调节器，以主调节器的输出为给定值，并根据副参数与给定值的偏差而动作的调节器为副调节器。
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是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
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ppt课件
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s +1
讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限 时，自动切除积分作用。
串级回
路的等 R1
效系统
＋ －
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
＋
D2
D1
u
1
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
－
副回路对主对象开环特性 的影响举例
第3章 串级调节系统
第一章 串级调节系统§3-1 概述一、 单回路反馈调节系统的特点1、 调节过程显然，调节器()a W s 动作明显迟后于x 的变化，即不能及时消除干扰对被调量的影响，造成y 变化较大。
2、()a W s 的整定()a W s 是根据对象()o W s 来整定的，而热工对象一般是惯性大，阶次高，为保证系统稳定，()a W s 的动作必须缓慢，造成调节过程太长。
二、改进途径从上述分析可看出，造成这种缺陷的原因有两个： 1）()o W s 可控性差(如惯性大) 2）系统结构不为最佳 针对上述原因，加以改进：1） 对于外扰，设法设计一个装置()F W s 以及时消除因扰动而产生的偏差y11()()()0()()()F o F o y W s x W s W s x W s W s W s =+=∴=-2） 尽量取得一些比被调量提前反映扰动的辅助信号，那么调节器就能提前动作，有效的限制被调量的动态偏差。
3） 若能改善调节作用下对象的动态特性，则无疑会改善调节变量。
根据这些改进思想，电厂热工过程自动调节中常用到串级调节系统，采用导前微分信号的系统，前馈-反馈调节系统和多变量调节系统等。
§3-2 串级调节系统一、 串级调节系统的结构 1、 实例A 单回路调节系统只有在1θ变化后，PI 才会动作，因而减温水阀才动作。
由于过热器惯性大，1θ动态偏差大B 串级调节系统（加上测量元件2νθ）添加一个控制中间信号2θ，一个调节器，只要2θ发生变化，执行机构就能动作。
2、串级系统方框图A 定义：调节系统有两个调节回路，并且两个调节器串联工作。
B 几个名词：1）导前区和惰性区: 调节对象中间点参数a y 以前的部分，称为调节对象的导前区，a y 以后的部分称为调节对象的惰性区。
2）主、副参数：整个调节对象的被调量1y 称为主参数，导前区的被调量a y 称为副参数，也称中间点或辅助参数。
3）主、副调节器：根据主参数与给定值的偏差而动作的调节器为主调节器，以主调节器的输出为给定值，并根据副参数与给定值的偏差而动作的调节器为副调节器。
第3章 串级调节系统
第一章串级调节系统§3-1 概述一、单回路反馈调节系统的特点1、调节过程W s动作明显迟后于x的变化，即不能及时消除干a扰对被调量的影响，造成y变化较大。
2、()W s的整定a是根据对象()W s来整定的，而热工对象一般是惯性大，阶次高，o为保证系统稳定，()W s的动作必须缓慢，造成调节过程太长。
a二、改进途径从上述分析可看出，造成这种缺陷的原因有两个：1）()W s可控性差(如惯性大)o2）系统结构不为最佳针对上述原因，加以改进：1） 对于外扰，设法设计一个装置()F W s 以及时消除因扰动而产生的偏差y11()()()0()()()F o F o y W s x W s W s x W s W s W s =+=∴=-2） 尽量取得一些比被调量提前反映扰动的辅助信号，那么调节器就能提前动作，有效的限制被调量的动态偏差。
3） 若能改善调节作用下对象的动态特性，则无疑会改善调节变量。
根据这些改进思想，电厂热工过程自动调节中常用到串级调节系统，采用导前微分信号的系统，前馈-反馈调节系统和多变量调节系统等。
§3-2 串级调节系统一、 串级调节系统的结构1、 实例A 单回路调节系统只有在1θ变化后，PI 才会动作，因而减温水阀才动作。
由于过热器惯性大，1θ动态偏差大 B 串级调节系统（加上测量元件2νθ）添加一个控制中间信号2θ，一个调节器，只要2θ发生变化，执行机构就能动作。
2、串级系统方框图A 定义：调节系统有两个调节回路，并且两个调节器串联工作。
B 几个名词：1）导前区和惰性区: 调节对象中间点参数a y 以前的部分，称为调节对象的导前区，a y 以后的部分称为调节对象的惰性区。
2）主、副参数：整个调节对象的被调量1y 称为主参数，导前区的被调量a y 称为副参数，也称中间点或辅助参数。
3）主、副调节器：根据主参数与给定值的偏差而动作的调节器为主调节器，以主调节器的输出为给定值，并根据副1参数与给定值的偏差而动作的调节器为副调节器。
串级调节
一：串级调节系统cascade control system 串级调节系统是两个调节器串连，一个调节器的输出可以用来改变另一个调节器的设定值的复杂调节系统。
系统中两个调节器都有各自的测量输入，但只有主调节器才有自己独立的设定值，也只有副调节器的输出信号才用于改变调节参数。
它是一种多环控制系统。
串级调节系统内回路是一个随动适应控制系统，起着快速抗外界干扰的作用，相当于主控参数调整时的“粗调”。
串级调节系统的主回路是一个定值控制系统，对主控参数起着“微调”的作用。
串级调节系统主要应用于：(1)对象容量滞后较大，用单回路调节系统时的过渡过程的时间太长，不能满足工艺对调节质量要求的场合，(2)调节对象的纯滞后比较长，用单回路调节系统不能满足工艺要求的场合；(3)系统内存在激烈且幅值较大的干扰作用、采用单回路调节质量往往较差时，为提高系统的抗干扰能力，可以采用串级调节系统；(4)调节对象具有较大的非线性特性而且负荷变化较大时，可采用串级调节系统。
串级调节系统的主要优点是：(1)发生于副环内部的干扰在影响主参数之前，即可由副调节器予以校正，(2)副回路的相位滞后，由于构成副回路的路径短而显著改善了主回路对干扰的响应速度；(3)副过程的增益变化由副回路本身予以克服，适应于非线性对象的控制；(4)副回路可以按照主回路的要求对于质量流和能量流实施精确的控制。
在设计串级调节系统时，必须使副回路包括系统的最主要的干扰，并应包括更多的干扰。
必须使主、副对象的时间常数和滞后时间相匹配，因为当转折频率ω＝0．8ωc(临界频率)，同时主回路工作频率ωp又接近副回路的工作频率时，系统就会引起系统“共振”。
因此在选取控制参数的测量位置上要格外注意。
在使用串级调节系统时，必须从安全角度作出工艺运行上逻辑合理的判断，正确地选取主、副调节器的正、反作用和调节阀的开、闭形式，使系统构成负反馈。
在投入自动运行时，一般先投运副回路，待较稳定时再投运主回路。
最新过程控制-4.1-串级控制系统分解幻灯片
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串级控制系统的设计
p 串级控制系统副参数的选择及副回路的设计
•主副变量间应有一定的内在联系 •系统的主要干扰应包围在副回路中 •在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰 •副变量的选择应考虑主副对象时间常数的匹配，防止共振的发生。 即主副时间常数不能太接近 •当对象具有较大的纯滞后而影响控制质量时，在选择副变量时应 使副环 尽量少包含纯滞后或不包含纯滞后
串级控制系统的工作过程
干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）
r1 +
Gc1(s) r2 +
Gc2 (s)
Gv (s)
F2
F1
Gp2 (s) y2 Gp1(s) y1
-
-
ym2
Gm2 (s)
ym1 Gm1(s)
图4-6 干扰进入副回路时串级调节系统方框 图
串级控制系统的工作过程
干扰作用于副回路（设氨气流量干扰增加）
y2
Go1(s)
y1
上图中： Go2'(s)Go2(s)T2Kso21
串级控制系统分析
可得闭环特征方程：
1G c1 G o2'(s)G o1(s)0 其中：
s22'0's0'20
2'0'
T1 T2 T1T2
0'2
1Kc1Ko1Ko2 T1T2
求解可得单回路系统的过渡过程频率 z 2 为
z21'2
结论：当干扰进入副回路，由于主、副回路的共同作用 （作用方向相同，都是使氨气流量调节阀开度减小），使副 调节器的给定与测量两方面变化加在一起，加速了克服干扰 的能力。
串级控制系统的工作过程
串级控制系统
单回路PID控制系统
(参见仿真程序…/CascadePID/SinglePidwithLimit.mdl)
单回路与串级系统的性能比较
串级PID控制系统
(参见仿真程序…/CascadePID/CascadePid.mdl) 讨论：若主对象与副对象的动态特性互换，结果如何？
单回路系统的“积分饱和”问题
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）。
串级系统副调节器选型
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，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级 系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分 作用。但积分作用要求弱些以保证副回路较强的抗 干扰能力。
F1013 (AI)
FO1013 (AO)
串级控制系统方块图
D2 y1,sp
＋ －
D1 y2
＋ ＋
y2,sp Gc1 ＋ － Gc2 ym2 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）。
单回路系统的抗积分饱和举例
单回路PID控制系统（采取抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithNoInteSatur.mdl)
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第3章串级调节系统第一章 串级调节系统§3-1 概述一、 单回路反馈调节系统的特点1、调节过程显然，调节器()a W s 动作明显迟后于x 的变化，即不能及时消除干扰对被调量的影响，造成y 变化较大。
2、()a W s 的整定()a W s 是根据对象()o W s 来整定的，而热工对象一般是惯性大，阶次高，为保证系统稳定，()a W s 的动作必须缓慢，造成调节过程太长。
二、改进途径从上述分析可看出，造成这种缺陷的原因有两个： 1）()o W s 可控性差(如惯性大) 2）系统结构不为最佳针对上述原因，加以改进：1） 对于外扰，设法设计一个装置()F W s 以及时消除因扰动而产生的1()W s ()a W s ()o W s()F W sr eμ+_++y1x偏差y V11()()()0()()()F o F o y W s x W s W s x W s W s W s =+=∴=-V2） 尽量取得一些比被调量提前反映扰动的辅助信号，那么调节器就能提前动作，有效的限制被调量的动态偏差。
3） 若能改善调节作用下对象的动态特性，则无疑会改善调节变量。
根据这些改进思想，电厂热工过程自动调节中常用到串级调节系统，采用导前微分信号的系统，前馈-反馈调节系统和多变量调节系统等。
§3-2 串级调节系统一、 串级调节系统的结构 1、 实例A 单回路调节系统只有在1θ变化后，PI 才会动作，因而减温水阀才动作。
由于过热器惯性大，1θ动态偏差大2PI 1PI 执行器2r θ1r θ2θ蒸汽口μ1θB 串级调节系统（加上测量元件2νθ）添加一个控制中间信号2θ，一个调节器，只要2θ发生变化，执行机构就能动作。
2、串级系统方框图A 定义：调节系统有两个调节回路，并且两个调节器串联工作。
B 几个名词：1）导前区和惰性区: 调节对象中间点参数a y 以前的部分，称为调节对象的导前区，a y 以后的部分称为调节对象的惰性区。
2）主、副参数：整个调节对象的被调量1y 称为主参数，导前区的被调量a y 称为副参数，也称中间点或辅助参数。
3）主、副调节器：根据主参数与给定值的偏差而动作的调节器为主调节器，以主调节器的输出为给定值，并根据副参数与给定值的偏差而动作的调节器为副调节器。
4）主、副回路：副回路或内回路，随动回路 主回路1PI 2PI ()Z W s 2()o W s ()o1W s 2νθ1νθ2()u W s 1()u W s r1u2u2θ1θ__+3、a y 和主、副调节器类型地选择从热工自动控制系统来看，串级系统有两类：1)要求a y ，1y 均等与给定值。
对于这种情况，a y 只能由生产过程要求确定，而主、副调节器均应选择PI ，以使稳态时，a y ，1y 均等于给定值。
2）1y 等与给定值，a y 不加限制。
如汽温调节系统： a y 选择○1能提前反应较多的扰动 ○2能测量 副调节器：选P 或PD,以尽快消除内回路扰动； 主调节器：选PI 或PID ，保证a y y 。
4、主、副回路的选择原则1） 副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。
2） 选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力。
3） 主副对象的时间常数应适当匹配，原则是两者相差大一些，效果好。
5、主副回路调节器调节规律的选择原则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，主副调节器均可采用比例控制。
2） 要求主参数波动范围很小，且不允许有静差，此时副调节器可采用比例调节，主调节器采用PI3） 主参数要求高，副参数也有一定要求时，主副调节器均采用PI二、串级系统分析分析它的抗干扰能力和跟踪能力。
如对于下图系统，若定值r 经常变化，而系统要求y 跟着r 变化，可看作是随动系统。
这时y r →越快越好，即()1()y s r s →，跟踪能力好，如内回路。
若r 不变，系统的目的使维持y r =，那若u 扰动，看作是定值系统，常希望系统的抗干扰能力强，即()0()y s u s →，如串级系统外回路。
不同的扰动，串级系统的调节效果是不同的。
()aW s ()W s r_+ yu+1．副回路内的扰动2u 1）串级系统能有效抑制副回路的扰动2u 假定2222(),()a p H W s K W s r ==则 22222()()()1()u a p o W s y s u s K r W s =+，一般情况2p K 可整定的较大。
显然2222()1()u p o W s K r W s +的静态放大系数小于2()u W s 的静态放大系数，即由于副回路的存在减小了2u 对a y 的影响。
由于副回路地存在，当2u 扰动时，a y 的变化会在很短时间内达到平衡。
2）串级系统可以看作是改善了调节对象动态特性的单回路调节系统，提高了调节品质。
若无副回路：调节对象'12()()()o o o W s W s W s =有副回路：等效对象2211222()()()()1()()()a o e o a o H W s W s W s W s W s W s W s =+因此，副回路相当于改变了导前区的动态特性： a 在主回路工作时，副回路是作为随动系统参与的；b 如果2()o W s 比起1()o W s 惯性和延迟均很小，则副回路相对于主回路而言，可看作是快速随动系统。
即a a i r ≈，又2()a H a i W s y =22()()H a a a a H W s y r r y W s ∴=∴=∴副回路可等效为2()aa H 1r y W s →→故串级系统的等效框图为2、 副回路外的扰动1u当扰动发生在副回路外时，尽管它不能直接削弱1u 对y 的影响。
但由于副回路改善了对象动态特性，即把22()()o H 1W s W s →，所以串级系统比单回路系统而言，y 的动态偏差要小，调节过程要短。
但要注意，对象特性改善的程度不是很大，很多惯性很大的汽温控制，控制品质不尽人意。
3、 结论A ） 副回路作为随动系统参与主回路工作，若导前区的延迟，惯性和整个对象相比小得多，则副回路为快速随动系统。
B ） 副回路的存在改善对象导前区的动态特性，提高了对发生在副回路的扰动的抑制力，也提高了主回路的控制性能。
三、串级系统的整定单回路整定据闭环特征方程式1()()0a o W s W s +=1、 一般方法 A 主调节器整定串级闭环系统特征方程式：22111222()()1()()()01()()()a o a o H a o H W s W s W s W s W s W s W s W s +=+1111()()()0a e H W s W s W s +=(A)注意1()e W s 中包含了副调节器2()a W s B 副调节器的整定 系统特征方程为：20221111()()[()()()()]0a H o H a W s W s W s W s W s W s ++=221()()0a e W s W s +=(B)注意2()e W s 中包含了主调节器1()a W s 步骤：（逐步逼近法）这种方法比较繁琐，介绍两种简单方法。
2、两种简化整定方法工程上在合理的假定下，往往会使问题大大简化1）当副回路的调节过程比主回路快得多时这时，当副回路受到扰动时，会立即消除，基本上不影响主回路，而当主回路调节时，副回路为快速随动系统，即可将副回路看成是一个比例环节。
这时，两回路可单独整定。
这里有两个问题需要交代： ○1能独立整定的条件 a a y 的选择：使2()o W s 延迟和惯性远小于12()()o o W s W s 2222()(1)o n k W s T S =+00120()()()(1)o o o n k W s W s W s T S ==+快得多的含义：2100222,3n T n T ωω≥≥b 取2()a W s 为比例调节器，1()a W s 为PI 调节器，使副回路衰减振荡频率较高。
c 整定指标副回路：调节过程快一些，稳定性差一些0.75ψ≤ 主回路：调节过程慢一些，稳定性高一些0.9ψ≥一般来说，如果主回路的衰减振荡频率1ω和副回路的频率2ω满足2100222,3n T n T ωω≥≥，则可用此法整定。
○2关于主回路调节器整定时用到的对象1()o W s 对于热工对象2(),()o o W s W s 可用试验方法得到，但1()o W s 无法用实验得到，必须计算记 00120()()()(1)o o o n k W s W s W s T S ==+2222()(1)o n k W s T S =+则 0120112212()(1)()()(1)(1)n o o o n o n k W s T S k W s k W s T S T S +===++利用技术展开及除法，可近似用0110()(1)o n k W s T S =+来整定1222002210022200221220022()k k k n T n T T n T n T n T n T n n T n T =-=--=-当2100222,3n T n T ωω≥≥时，可将串级系统简化为两个单回路系统来整定。
2） 主副回路动作快慢差不多时这种情况就不能用上述方法整定，下面介绍另一种方法-补偿法 步骤：a 将串级系统图做等价变换b 等效调节器：12()()()ae a a W s W s W s =c 等效对象：()ae W s 的等效对象为22111()()()[()]()()H oe o o a H W s W s W s W s W s W s =+d 选择1()a W s 构造一个动态特性较好的()oe W s -补偿法的概念 e 据()oe W s 整定()ae W s 的参数，并求出2()a W s该方法的优点是不必考虑主副回路互相影响，并能使系统有足够的稳定性的裕量。
3、 串级系统的工程整定方法这种方法适用于主副回路频率相差较大的情况1） 整定副调节器221()a W s δ=a 主副调节器投入闭环，设置111111()(1)a d i W s T S T Sδ=++， 1i1d1δ=100%,T =,T =0∞副调节器的2δ较大b 2δ↓，使副回路产生等幅振荡，记下kp2δc 21kp2δδ= 2）整定1()a W s a 将2δ设置好b 设置1i1d1δ=100%,T =,T =0∞c 闭合主副回路，1δ↓使主回路等幅振荡，记下1kp1,kp δTd 用临界比例带法求出1i1d1δ,T ,Te 将主副调节器均设置好，投入闭环，观察调节过程，适当修改参数。