过程控制第4章串级控制系统
(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。
实验四 串级控制系统
实验四 加热炉温度串级控制系统（实验地点：程控实验室，崇实楼407）一、实验目的1、熟悉串级控制系统的结构与特点。
2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。
3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。
二、实验设备1、MATLAB 软件，2、PC 机 三、实验原理工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。
图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为主对象：;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象：21802)1)(110()(++=-s s e s G s主控制器的传递函数为PI 或PID ，副控制器的传递函数为P 。
对PI 控制器有 221111)(),/(,111)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=采用串级控制设计主、副PID 控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。
四、实验过程串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。
1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 （图4-2）在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下：)(01s G 为主被控对象，)(02s G 为副被控对象，Step 为系统的输入，c 为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可以用示波器观察输出波形。
PID1为主控制器，双击PID 控制器可设置参数：（PID 模块在MATLAB/Simulink Library Browser/Simulink Extras ），Step 为阶跃信号，参数起始时间应设置为0。
过程控制系统第四章 串级控制系统
本章内容要点
4.主、副过程时间常数之比应在3~10范围之内。副过程时间常数比主过程小得太 多，虽然副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路包含的扰动少，对于过程特性 的改善也就减少了。相反，如果副回路的时间常数接近于甚至大于主过程的时间 常数，副回路反映就比较迟钝，不能及时有效地克服扰动。
4.2 串级控制系统特点与分析
4.2.2 大大增强对二次扰动的克服能力
即 ' ，则
c d
1
T01 T0'2
1 T01
T02
（4-11）
4.2 串级控制系统特点与分析
由于
T01 T0'2
T01 T02
，所以 C d 。
以上结论虽然是依据简单的被控过程（一阶惯性环节）和简单的调节规律 （比例控制）推导得出的，但是可以证明，这些结论对于高阶被控过程和其他调 节规律也是正确的。
1
Kc1
K0' 2 T0'2s 1
K01 T01s 1
Km1
0
s2
T01 T0'2 T01T0'2
s 1
Kc1K0' 2K01Km1 T01T0'2
0
20
02
T01 T0'2 T01T0'2
1 Kc1K0' 2 K01Km1 T01T0'2
则串级控制系统的特征方程式可写成如下标准形式：
1 Wc1 (s)W0'2 (s)W01 (s)Wm1 (s) 0
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。
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。
过程控制4.1串级控制系统
K 02 W02 ( s) T02 s 1
两式相比较：
K 02 K 02 T02 T02
原过程
T02 ＝ T02 1 K c2 K V K 02 K m2
K 02：等效过程放大系数 T02
：等效过程时间常数
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
随着现代工业生产过程的发展对产品的产量质量对提高生产效率降耗节能以及环境保护提出了更高的要求这使工业生产过程对操作条件要求更加严格对工艺参数要求更加苛刻从而对控制系统的精度和功能要求更高
第四章 复杂控制系统
前言
单回路控制系统解决了工业生产过程自动化中大量的参 数定值控制问题； 在大多数情况下，这种简单系统能满足生产工艺的要求。 单回路系统仅适用于比较简单的单输出生产过程的控制， 不能解决多输出过程的控制问题。即使对于简单的单输 出生产过程，亦存在这样的情况，譬如其调节对象的动 态特性决定了它很难控制(如过程的滞后常数很大或扰 动量很大)；或调节对象的动态特性虽不复杂，但工艺 对调节质量的要求很高或很特殊；
9
4.1.1串级控制系统结构
串级控制系统框图
10
4.1.1串级控制系统结构
2.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；
串级系统抗扰能力与单回路系统抗扰能力之比：
Qc2 s) Wc1 ( s)Wc2 ( s) QD2 ( s) Wc ( s)
串级控制系统
控制器、执行器和被控对象三个环节的作用 方向。
执行器及被控对象的正、反作用
执行器的作用方向： 1.气开阀是正作用方向。 2.气关阀是反作用方向。 3.气开或气关型式从工艺安全角度来确定。
被控对象的作用方向： 1.被控变量随操纵变量增加而增加的对象是正作 用方向。 2.被控变量随操纵变量的增加而降低的对象是反 作用方向。
串级控制系统中副回路的确定
1.主、副回路应有一定的内在联系； 2.副回路应尽可能多地包含干扰因素；
主要干扰应包含在副回路中；在可能条件下，使副回 路包含较多的次要干扰； 3.注意主、副回路的时间匹配，防止“共振”；
1.主副变量间应有一定的内在联系
1)选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量； 管式加热炉的温度串级控制系统中，选择的副变量是燃 料进入量至原料油出口温度通道中间的一个变量，即炉 膛温度。由于它的滞后小、反应快, 可以提前预报主变量 的变化。 2)选择的副变量就是操纵变量本身，这样能及时克服它的 波动，减少对主变量的影响。
管式加热炉串级控制系统
生产实践中，往往根据炉膛温度的变化，先改变燃料量， 然后再根据原料油出口温度与其给定值之差，进一步改 变燃料量，保持原料油出口温度的恒定。
管式加热炉串级控制系统基本工作原理
“粗调”作 用。 “细调”作用。 两个控制器协同工作直到原料油出口温度重 新稳定在给定值。
管式加热炉串级控制系统的方框图
2. 干扰作用于主对象
某一时刻，由于原料油的进口流量或温度变化，F2不存 在，只有F1作用于温度对象1上。
结论：在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由 于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到 稳定主变量的目的。
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。
串级控制系统介绍
举例
说明串级控制系统的结构及其工作原理 控制好温度 可延长炉子寿命， 防止炉管烧坏； 可保证后面精馏分 离的质量。
几个串级控制系统中常用的名词 主变量 副变量 主对象 副对象 主控制器
工艺控制指标，在串级控制系统中起主导 作用的被控变量。 串级控制系统中为了稳定主变量或因某 种需要而引入的辅助变量。 为主变量表征其特性的生产设备。
1.控制规律的选择
控地稳定主变量。主控制器通常都选
用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控 制。
副变量的给定值是随主控制器的输出变化而 变化的。副控制器一般采用比例控制规律。
串级控制系统主、副控制器的参数整定的方法。 1.两步整定法 按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控 制器，后整定主控制器的方法。
整定过程
（3）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整 定规律，将计算出的控制器参数加到控制器上。
（4）观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡 过程。
实验内容：
1. 通过两个PID控制器的调节，得到下水箱液位衰减 比为4:1，并记录下调试过程中的参数和截图，填 写指导书中的表格； 2. 加入扰动后观看控制器克服扰动的效果，并截图； 3. 回答指导书中本实验后面的问题。
为副变量表征其特性的工艺生产设备。 按主变量的测量值与给定值而工作，其输 出作为副变量给定值的那个控制器。
几个串级控制系统中常用的名词 副控制器 其给定值来自主控制器的输出，并按副变
量的测量值与给定值的偏差而工作的那个 控制器。 由主变量的测量变送装置，主、副控制器， 执行器和主、副对象构成的外回路。 由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和 副对象所构成的内回路。
副控制器7x20201222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过程
第4章(串级控制)过程控制课件
下面分析串级控制系统的工作过程.
R1 (s) E1 (s)
Z1 (s)
温度控制器
R2 (s) E2 (s)
Z 2 ( s)
“-”
流量控制器
“+”
控制阀
流量检测变送器 温度检测变送器
流量对象
D2 (s) Y2 (s)
温度对象
D1 (s) Y1 (s)
“-”
控制阀 原料油
降到最低程度. 此方案的缺点是出口
温度不是被控量, 燃料油流量是间接被控量, 这就要求燃料 油流量对出口温度有足够的灵敏度且两者间有一一对应的 关系. 但影响出口温度的还有燃料油的热值﹑炉膛的压力
(影响燃烧所需的空气含氧量)﹑原料油入口温度及入口 流量等诸多因素, 且当上述因素引起出口温度变化时, 由 于出口温度未反馈到系统的输入端, 故此方案无法克服上 述因素的干扰将温度调节到理想状态. 上面两种方案各有优缺点, 下图是把两种方案结合 在此方案中, 用温度控制器的 起来的一种控制方案. 温度变送器 输出作为流量控制器的设定值 TC 温度测量值 由流量控制器的输出去调节 温度设定值 燃料油的流量. 从结构上 流量测量值 QC 看, 其特点是 出口温度 两个控制器串 控制量 流量变送器 接使用故此方 燃料油 案可叫加 控制阀 热炉出口温度与
Z1 (s)
Wc1 (s)Wc 2 (s)Wv (s)
R2 ( s)
'
Wo 2 (s)
'
Y2 (s)
Wo1 (s)
Y1 (s)
Hm1 (s)
1 Wc1 (s)Wc 2 (s)Wv (s)Wo 2 ' (s)Wo1 (s) Hm1 (s) 0
过程控制工程第四章串级控制系统
温度控制器应该是定值控制
，起主导作用。而燃烧室温
度控制器则起辅助作用 它
在克服干扰D2的同时，应
该受烧成带温度控制器的操
纵，操纵方法就是烧成带温
度控制器的输出作为燃烧室
温度控制器的设定值，从而
就形成了右图所示的串级控
制系统。
天津大学仁爱学院信息工程系
9
《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
比较上述两个控制系统，它们各有自己的长处。第一种控制系统包
括了所有干扰，设定值第二种控制系统能对主要的和一些次要干＿
上扰提前发现，及早控制。如果能将两个控制系统结合起来，发挥
各自优势，不是两全其美吗! 另外，控制燃烧室的温度2并不是目
的，真正的目的是烧成带的
温度稳定不变，所以烧成带
副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
4.1.2 串级控制系统的组成
1．串级控制系统的方框图 根据隔焰式隧道窑串级控制系统的方框图，可得串级控
制系统标准方框图如下图所示。
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
2. 串级控制系统有关的术语
①主、副回路 在外面的闭合回路称为主回路（主环），在里 面的闭合回路称为副回路（副环）。 ②主、副控制器 处于主回路中的控制器称为主控制器；处于 副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副被控变量 主回路的被控交量称为主被控变量，也称 为主变量或主参数；副回路的被控变量称为副被控变量，也 称为副变量或副参数。 ④主、副对象 主回路所包括的对象称为主对象；副回路所包 括的对象称为副对象。 ⑤主、副检测变送器 检测和变送主变量的称为主检测变送器； 检测和变送副变量的称为副检测变送器。 ⑥一、二次干扰 进入主回路的干扰称为一次干扰；进人副 回路的干扰称为二次干扰。
第四章 串级控制系统
（3）烟囱抽力变化f3(t)；
（4）配用、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t). 缺陷：由于对象内部燃料油要经管道传输、燃烧、传热等一系列环节，总滞后较大 （15min），导致控制作用不及时，另燃料油压力变化较大且频繁，致使偏差较大。 东北大学
' K02 K02
K C 2 KV K 02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
' T02
T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
由于Km2>1，有:
' T02 T02
从以上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小，整个 系统中对象总的时间滞后近似地等于主对象的时间滞后，单回路控制系统对象总的时间 滞后要有所缩短，使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
FC
设 定 值 FT
2
蒸汽
凝液 塔底出料
进料 精 1馏 塔
TT
TC
FC
FT
最大偏差不超过 1.5 C
o
再 沸 器
2
蒸汽
凝液 塔底出料
东北大学
4.2串级控制系统的应用范围 4. 克服对象的非线性
工业过程存在非线性，负荷变化引起工作点的移动，通过调节阀的 特性补偿。由于受调节阀等各种条件的限制，仍存在较大非线性。 采用串级控制系统，能适应负荷和操作条件的变化，自动调节副调 节器的给定值，改变调节阀未知，使系统运行在新的工作点。
过程控制系统
图0.1 锅炉汽包示意图
图0.1所示是工业生产中常见的锅炉汽 包示意图。
锅炉是生产蒸汽的设备，几乎是工业生
产中不可缺少的设备。保持锅炉汽包内的液 （水）位高度在规定范围内是非常重要的， 若水位过低，则会影响产汽量，且锅炉易烧 干而发生事故；若水位过高，生产的蒸汽含 水量高，不仅会影响蒸汽质量，还可能溢出 水。这些都是危险的。因此对汽包液位严加 控制是保证锅炉正常生产必不可少的措施。 其液位是一个重要的工艺参数。
自动化技术的前驱，可以追溯到我国古代，如指南车的出现。 至于工业上的应用，一般以瓦特的蒸汽机调速器作为正式起点。 工业自动化的萌芽是与工业革命同时开始的，这时的自动化装置 是机械式的，而且是自力型的。随着电动、液动和气动这些动力 源的应用，电动、液动和气动的控制装置开创了新的控制手段。
有人把直到20世纪30年代末这段时期的控制理论称为第一代 控制理论。第一代控制理论分析的主要问题是稳定性，主要的数 学方法是微分方程解析方法。这时候的系统（包括过程控制系统） 是简单控制系统，仪表是基地式、大尺寸的，满足当时的需要
绪论
生产过程自动化，一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建 材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序周期进行的生产 过程的自动控制。电力拖动及电机运转等过程的自动控制一般不包括在 内。凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进 行的自动控制通称为过程控制。过程控制是自动控制学科的一个重要分 支
过程控制系统可分为常规仪表过程控制系统与计算机过程控 制系统两大类。前者在生产过程自动化中应用最早，已有六十余 年的发展历史，这是本书要介绍的主要内容。后者是自20世纪70 年代发展起来的以计算机为核心的控制系统，这部分内容将在 《计算机过程控制》课程中予以专门介绍，因此不再纳入本书的 讨论范围。
过程控制之液位流量串级控制系统
过程控制之液位流量串级控制系统1.1控制系统在实际应用中的重要意义单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。
在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。
但在复杂的控制系统中，则需在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。
液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。
液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。
而串级控制系统则可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。
1.2系统结构设计即为闭环控制系统，结构组成如下图 1.1所示。
图1.1 液位单回路控制系统框图当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。
其过程控制系统图如图 1.2所示。
图1.2 控制系统框图过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。
本次为流量回路控制,单容水箱如图1.2所示，Qi为入口流量，由调节阀开度μ加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。
被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。
现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。
显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程：dH 1Qi - Q Odt F（1.1）其中Qi =k"（1.2）Q。
= k、H（1.3）F为水箱的横截面积；k.!.是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下,液位对象的传递函数：2.1控制规律的比较与选择2.1.1常见控制规律的类型及优缺点比较PID控制的各种常见的控制规律如下：一、比例调节（P调节）在P调节中，调节器的输出信号U t与偏差信号e t成比例，即U t 二K C e t (2.1)1.3控制系统的总体方框图及工作过程k可视为常数增量，UO 的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。
实验4 串级控制系统
• 右侧的副控制器只接受外部的模拟信号（左侧的主控制器）作为设定
输入
串级控制系统的投运准备
1. 同上次实验操作，首先检查管路、阀门（闸板的高度），设备加电；
进行控制系统信号连线，构建一个下液位为主参数 ，中水位为副参 数，1#控制器为主控制器，2#控制器为副控制器，以调节阀为执行
环节的串级控制系统；
Z1 (s)
Z2 (s)
• 注意：Y1(s)、Y2(s)分别代表什么？Z1(s)、Z2(s)代表什么？U1(s)与 R1(s)有什么联系？
实验要求与内容
• 实验要求：构建一个以下水箱液位为主被控参数、中水箱液位为副被
控参数的串级控制系统；学习、掌握如何在工程中将串级控制系统无 扰地投入自动运行，学习正确整定串级系统控制器参数的基本方法，
串级控制系统的连线准备
• 串级控制最主要的特征是一个控制系统中有两个控制回路，副回路含
在主回路之内；两个控制器是串联的，通过仅有的一个执行环节进行 控制，主控制器指挥操纵副控制器完成控制动作 • 在实际操作中，应特别注意控制器连线以及界面上显示的操作状态 • 实验过程中使用的两控制器，左侧控制器为主控制器，其输入端连接 到下液位变送器，输出端接到右侧副控制器的设定值输入端口；右侧 控制器为副控制器，其输入端连接到中液位变送器，输出端接到控制 阀的输入端口
串级控制系统手动-自动无扰切换
特别提示：实际的工业控制操作，一般要调整测量值等于设定值，在
实验中为了缩短实验时间，故采用调整设定值等于测量值
MV1
PV1 PV2
MV2
串级系统方框图与实际信号连接对照
3. 待各控制器的偏差消除后，分别把比例度和积分时间设置为 100 和
30。然后按“先副后主”的顺序，把两控制器依次投入“自动”；
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
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Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
－
副回路对主对象开环特性 的影响举例
A3000过程控制实验指导 第四章
第四章串级控制系统实验第一节串级控制系统的连接实践一、串接控制系统的组成图4-1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设定值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4-1 串级控制系统的方框图R-主参数的给定值 C1-被控的主参数 C2-副参数f1(t)-作用在主对象上的扰动 f2(t)-作用在副对象上的扰动二、串级控制系统的特点1.改善了过程的动态特性由负反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快，动态性能得到改善。
2.能与时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，与时减小或消除扰动对主参数的影响。
基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的控制质量。
至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响，一般通过主回路的控制来消除。
3.提高了系统的鲁棒性由于副回路的存在，它对副对象（包括执行机构）特性变化的灵敏度降低，即系统的鲁棒性得到了提高。
具有一定的自适应能力串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动系统。
主调节器能按照负荷和操作条件的变化，不断地自动改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值能适应负荷和操作条件的变化。
三、串级控制系统的设计原则1.主、副回路的设计1)副回路不仅要包括生产过程中的主要扰动，而且应该尽可能包括更多的扰动信号。
2)主、副对象的时间常数要合理匹配，一般要求主、副对象时间常数的匹配能使主、副回路的工作频率之比大于3。
为此，要求主、副回路的时间常数之比应该在3～10之间。
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_第4章_前馈控制系统
第三章 单回路控制系统设计
4.1 串级控制系统设计
都是负反馈，当扰动发生,通过检测扰动引起的 输出偏差进行调节。所以负反馈进行扰动调节时， 输出必然有波动。
有没有这样一种控制，当干扰一出现，在其影响 输出之前，就进行抑制，从而对输出没有影响？
精选2021版课件
1
此控制具有以下特征：
干扰
干扰通道
前馈调节器 执行器
Y1 -Y1 被控变量
对象
通过设计前馈调节器，使得调节器改变的量刚好 补偿干扰对对象的影响。
精选2021版课件
7
前馈控制 特点：
①前馈控制器是“测量扰动，消除扰动对被控量的影响”。前 馈调节器又称为“扰动补偿器”。
②扰动发生，前馈控制器动作及时，对抑制由于扰动引起的动、 静态偏差比较快速有效。
另外，当有多个主要干扰时，用前馈-反馈不能得到 要求的控制质量。
利用串级控制副回路的特性，降低对执行器要求：
Wff Mff Σ FC
Sp
TC FS
N Y2
Y1
N
Wff(S)
Wf(S)
Sp
TC(S) -
+
- FC(S)
Wo2(S) Wo1(S) + Y
前馈-串级控制方框图
N
Wff(S)
Wf(S)
Sp
在扰动影响输出前进行调节。
直接测量扰动大小，通过调节，实现对扰动的完 全补偿，从而实现消除扰动对输出的影响。
前馈控制就是测量扰动，补偿扰动的控制
精选2021版课件
2
1 前馈控制的基本概念
前馈控制是相对于反馈控制而言的。
1、反馈控制： Feedback control 简称FBC
过程控制系统串级控制系统实验
实验一串级控制系统组成实验一、概念在串级控制系统中，采用了主、副两只控制器，其中主控制器的输出作为副控制器的给定，而由副控制器的输出去控制控制阀。
本次实验采用仪表实验装置，其内容就是让学生自行连成液位与液位及液位与流量两个串级控制系统。
二、目的要求、1．熟悉实验装置(参见实验指导书)。
2．利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L1为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统。
3．利用液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，以一阶液位F l为副变量和控制变量的液位与流量串级控制系统。
三、注意事项1．本次实践只连线路，不允许接通电源。
四、思考问题1．串级控制系统中主、副控制器的内、外给定开关应如何放置?2．试分析液位与液位串级控制系统在干扰作用下的工作过程。
3．已知控制阀为气闭式，并安装在水槽的入口处，试分析液位与液位串级控制系统中主、副控制器的正、反作用应如何选?实验二串级控制系统的投运和整定一、概述串级控制系统具有主、副两只控制器，因此投运和整定要比单回路系统复杂一些。
但只要按照先副后主的步骤循序进行，并掌握住投运和整定的要领，串级控制系统的投运和整定方法也是不难掌握的。
串级控制系统的整定方法很多，本次采用的是一步整定法。
即先根据副变量的类型，按经验数据将副控制器参数一次性放好，不再改变，然后再按单回路系统的4：1衰减曲线法直接整定主控制器的参数。
本次实验要求学生利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L l为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统，并对该系统进行投运和整定实践。
二、实验目的1．串级控制系统的投运2．串级控制系统控制器参数的整定三、实验要求1．掌握串级控制系统的投运方法。
2．掌握一步整定法整定串级控制系统控制器参数的方法。
3．要求学生根据实验的目的要求自行拟定实验步骤。
4．实验完成后一星期内每人提交一份实验报告，内容要求同前。
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r(s)
GC1(s)
GC 2 ( s )GV ( s )GP 2 ( s ) 1 GC 2 ( s )GV ( s )GP 2 ( s )Gm 2 ( s )
Gm1(s)
GP1(s)
Y1(s)
可见串级控制系统中进入副环扰动的等效扰动是 单回路控制系统中进入副环扰动的
1/(1 Gc2 (s)Gp2 (s)Gv (s)Gm2 (s))
特征方程：
1 Gc1 (s)G' p2 (s)Gp1 (s)Gm1 (s) 0
令：GC 1 ( s ) K C 1 , GC 2 ( s ) K C 2 , GV ( s ) KV , Gm1 ( s ) K m1 K P1 GP 1 ( s ) , 1 TP 1 s
s 2 20 s 0 0
2
标准二阶振荡系统为
化简
s
2
T ' p 2 Tp1 T ' p 2 Tp1
s
1 Kc1K ' p 2 K p1Km1 T ' p 2 Tp1
0
b. 单回路控制系统工作频率
单回路控制系统方框图
r(s) GC1(s) GV(s) GP2(s) GP1(s) Y(s)
消除其影响了，因而对这类干扰具有较强的稳定作用；
过程的相位滞后由于有了副回路而显著减小，这就改善了主回路的响应
速度，相当于缩小了主对象的时间常数；
副过程增益变化的影响在副回路内部被克服；
副回路可按主回路的需要对质量流向或能量流向实施精确的控制。
串级控制系统设计
副变量的选择
主、副调节器的调节规律选择
干扰作用于主回路（设空气流量 干扰增加）时 工作过程：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。 结论：该调节方式从工作频率来说要比单回路高得多，所以调节时间大 大缩短，并且最大超调量也大大减小。
改善控制质量。
2.2.2 串级控制特性分析
1）对干扰的抑制力度
串级控制方框图
f r(s) GC1(s) GC2(s) GV(s) Gm2(s) Gm1(s) Gf(s) GP2(s) Y2(s) GP1(s) Y1(s)
方框图等效变换
f
G f ( s) 1 GC 2 ( s )GV ( s )GP 2 ( s )Gm 2 ( s )
ym 2
ym1
Gm 2 ( s)
Gm1 ( s)
假设
Gc 2 (s) Kc 2 Gv (s) Kv Gp 2 (s)
Kc2 Kv K p2
K p2 Tp 2 s 1
Gm2 (s) 1
1 Kc2 Kv K p2 K p2 ' G p 2 ' ( s) Tp 2 Tp 2 ' s 1 s 1 1 Kc2 Kv K p2
根据标准二阶函数有工作频率：
TP 1 TP 2 20 TP 1TP 2
sin gle
2 1 T T P2 0 1 2 P 1 TP 1TP 2 2
③串级控制与单回路控制系统工作频率比较
cascade
2 1 2 TP 1 TP 2 TP 1 TP 2
single
TP 1 TP 2 1 2 TP 1TP 2 2
2 TP 1TP 2 1 TP 1 TP 2 cascade TP 1 TP 1 2 1 TP 1 TP 2 single TP 1 TP 2 TP 1TP
结论：副回路的存在可以提高控制系统的工作频率，
倍。静态时，其值为 (1 KC 2 KV K P 2 Km 2 ) 倍。
同样，串级控制系统在副环进入的扰动作用下， 控制系统的余差为单回路控制系统余差的
1/(1 Kc2 (s)K p2 (s)Kv (s)Km2 (s)) 倍。
因此，串级控制系统能迅速克服进入副回路扰动 的影响，并使系统余差大大减小。
GmT(s) 单回路控制系统方框图
传递函数
GP1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC ( s ) G( s ) 1 GP1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC ( s )Gm ( s )
特征方程
1 GP1 ( s)GP 2 ( s)GV ( s)GC ( s)Gm ( s) 0
Tp 2 ' Tp 2 1 Kc2 Kv K p2 ; Kp2 ' Kc2 Kv K p2 1 Kc2 Kv K p2
1 K c 2 K v K p 2 1; 故Tp 2 ' Tp 2 ; K p 2 ' 1( K p 2 ' 略小于1)
a.串级控制系统工作频率
氨氧化过程的温度控制
氨气
氨气
TC
FC
氧 化 炉
预 热 NO 器
空气
氧 化 炉
预 热 NO 器
空气
方案1 氨氧化过程的温度单回路控制 方案1，最大偏差为 10 ℃（手动时最 大偏差为 30 ℃），该方案虽然包含了 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。
方案2 氨氧化过程的流量单回路控制
过程控制
第四章 复杂控制 系统
第四章 复杂控制系统
简单控制系统（SISO）
--结构简单、设备投资少；
--应用广泛：占过程控制系统总数的80%左右； --是过程控制系统的基础； --难以解决复杂问题；
复杂控制系统
凡在控制系统中采用两个或两个以上检测元件和变送器，或控制器， 或执行器，完成一些复杂的或特殊的控制任务，这样的系统被称为复杂 控制系统。
令：GC ( s ) K C , GV ( s ) KV , Gm ( s ) K m GP 1 ( s )
K P1 KP2 , GP 2 ( s ) 1 TP 1 s 1 TP 2 s
根据特征方程有：
1 GC ( s )GV ( s )GP2 (s)G P1 ( s )Gm1 ( s ) 0 TP1TP 2 s 2 (TP1 TP 2 ) s 1 K C KV K P1 K P 2 K m 0
串级控制等效方框图
r1 +
-
c
F2
Gc1 ( s)
r2 +
-
Gc 2 ( s)
Gv ( s)
G p 2 (s)
y2
F1
G p1 ( s )
y1
ym 2
ym1
Gm 2 ( s)
Gm1 ( s)
由方框图，得串级控制系统闭环传递函数为
Gc1 (s)G' p 2 (s)Gp1 (s) Y ( s) R(s) 1 Gc1 (s)G' p 2 (s)Gp1 (s)Gm1 (s)
副回路；有两个控制器：主控制器和副控制器；有两个 测量变送器。
干扰 干扰
定值控制 系统
设定值
温度 控制器
流量 控制器
控制阀
流量对象
温度对象
随动控制系 统
测量变送
测量变送
串级控制系统的特点
串级控制系统由于增加了副回路，具有有一定的自适应能力。 发生于副回路的内部干扰通常在它影响主被控变量之前，就由副控制器
Gc1 ( s)
r2 +
-
F2
Gc 2 ( s)
Gv ( s)
G p 2 (s)
y2
F1
G p1 ( s)
y1
ym 2
ym1
Gm 2 ( s)
Gm1 ( s)
（1）主参数（主被控变量y1）：生产工艺过程中主要控制的工艺指标，在串级调 节系统起主导作用的那个被调参数即为主参数，图氧化炉反应温度。 （2）副参数（副被控变量y2）：影响主被控变量的主要中间变量（如氨气流量）。 （3）主被控对象（Gp1(s)）：为生产中所要控制的、由主参数表征其主要特性的 工艺生产设备（如氧化炉）。一般指副参数检测点到主参数检测点的全部工艺设备。
常见的复杂控制系统类型
串级控制系统、比值控制系统、前馈控制系统、均匀控制系统、选择 性与分程控制系统等。
4.1 串级控制系统
串级控制系统的工作原理及分析
氨气
。
氧 化 炉
预 热 器
NO
氨 氧 化 过 程 的 温 度 控 制
空气
工艺要求：氧化率达到97%以上，为此要将氧化炉温度控 制在 840 5C
串级控制系统的工作过程
干扰作用于主回路（设空气流量干扰F1增加）时
图4-7 干扰进入主回路时串级调节系统方框图
r1 +
-
Gc1 ( s)
r2 +
-
Gc 2 ( s)
Gv ( s)
G p 2 (s)
y2
F1
G p1 ( s)
y1
ym 2
ym1
Gm 2 ( s)
Gm1 ( s)
串级控制系统的工作过程
KP2 GP 2 ( s ) 1 TP 2 s
代入特征方程串
1 Gc1 (s)G' p2 (s)Gp1 (s)Gm1 (s) 0
cascade
2 1 TP 1 TP 2 TP 1 TP 2
得：
1 K c1
K ' p2
T ' p 2 s 1 Tp1s 1