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。
第五章-串级控制系统
过程控制
3、主、副调节器的选择
控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调 节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控 制规律的出发点。 主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般 要求无余差。因此，主调节器应选PI或PID控制规律。 副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围 内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律。 引入积分控制规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用 引入微分作用，因副回路本身起着快速作用，再引入微分作用 会使调节阀动作过大，对控制不利。
定量分析：
D2
R1 + Gd2(s) Gv(s) Gp2(s)
过程控制
D1
Gd1(s)
Gc1(s)
R2
Gc2(s)
+ Gp1(s)
Y2
Y1
－
Ym1
－
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y1 ( s) D2 ( s )
Gd 2 ( s)G p1 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s )
主调节器、副调节器；
主给定值、副给定值；
主对象、副对象；
一次扰动、二次扰动。
三、串级控制系统的组成原理
1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象；
过程控制
2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控量， 构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环 3）以原对象的输出信号为主被控量，即分解后的第二个 被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调 节系统或主环。 4）主调节系统中调节器的输出作为副调节器的给定值， 副调节器的输出信号作为主被控对象的输入信号。
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
这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们 影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成 带温度的影响降低到最小限度。但是，我们也知道，还有直接影 响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的 原料成分、窑车上装载制品的数 量以及春夏秋冬、刮风下雨带来 环境温度的变化等等（如图6-2 中用D1表示）。由于在这个控制 系统中，烧成带温度不是被控变 量，所以对于干扰D1造成烧成带 温度的变化，控制系统无法进行 调节。
θ1T
θ1C
θ1T、 θ1C
回路再改
变燃料量
原料
管式加热炉
θ2T θ2C
燃料
17
所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主 控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去 操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。这样 的控制系统被称为串级控制系统。与图6-4串级控制系统的工 艺流程图对应的原理方框图如图 6-5所示。
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 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，调节器也只有一
个输入信号。 从系统方框图看，只有一个闭环。 复杂控制系统—— 多回路控制系统。 由多个测量值、多个调节器；或者由多个测
量值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦 器等等组成多个回路的控制系统。 从系统方框图看，有多个闭环。
2
6. l 串级控制系统的概念
6.2.l 串级控制的提出
例6-1 隔焰式隧道 窑温度控制系统。 （见图6-1）。 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。
串级控制系统
发展幼儿科学探索能力的八个有效教学策略幼儿时期是孩子认识世界、探索事物的关键时期，培养幼儿科学探索能力对于他们的综合发展至关重要。
然而，幼儿的认知水平和学习方式与成人有很大的差异，因此需要采用一些特殊的教学策略来促进他们的科学探索能力的发展。
本文将介绍八个有效的教学策略，帮助幼儿在科学探索中取得更好的成果。
首先，激发幼儿的好奇心和兴趣是培养他们科学探索能力的基础。
教师可以通过提出引人入胜的问题、展示有趣的实验现象等方式，引发幼儿的好奇心，激发他们主动思考和探索的欲望。
例如，教师可以给幼儿展示一个漂浮的气球，并问他们为什么气球会漂浮。
这样的问题能够引发幼儿的思考，并促使他们主动寻找答案。
其次，提供多样化的学习资源和材料是培养幼儿科学探索能力的关键。
教师可以为幼儿提供丰富的实验器材、图书、视频等资源，让他们能够通过实际操作和多种媒体形式来进行科学探索。
例如，教师可以准备一些简单的化学实验，让幼儿亲自动手进行实验，通过亲身体验来理解科学原理。
第三，鼓励幼儿进行团队合作和交流，是培养他们科学探索能力的重要策略。
通过与同伴合作，幼儿可以相互交流和分享自己的观察和发现，从而加深对科学问题的理解。
例如，在进行一个植物生长实验时，教师可以让幼儿分成小组，每个小组观察不同的植物，并在小组内分享自己的观察结果，最后一起总结。
第四，提供具有挑战性的问题和任务，可以激发幼儿的思考和探索欲望。
教师可以提出一些开放式的问题，让幼儿思考并提出自己的解决方案。
例如，教师可以问幼儿如何制作一个能够漂浮在水面上的纸船，让他们通过实验和观察来解决这个问题。
第五，注重培养幼儿的观察和记录能力，是发展他们科学探索能力的重要环节。
教师可以引导幼儿仔细观察实验现象，记录下他们的观察结果，并帮助他们总结和归纳。
例如，在进行一个动物觅食实验时，教师可以要求幼儿记录下动物选择不同食物的情况，并让他们思考背后的原因。
第六，鼓励幼儿提出问题和做出预测，可以培养他们的科学思维和推理能力。
第6章-串级控制系统讲解全文编辑修改
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主测量变送器 根据副控制器的“反”作用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将 被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程
(2)只存在一次干扰
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀
D2 燃烧室 θ2
隔焰板
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主参数设定
－
主调 节器
－
副调 节器
调节 阀
二次扰动
副对象
一次扰动 主参数
主对象
副变送器
副参数
定值控 制系统
主变送器
主回路
图6-6 串级控制系统标准方框图
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路 起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。
2) 每个闭环都有各自的调节对象，调节器和变送器 3) 调节阀由副调节器直接控制
－
－
Gm2(s)
Y2(s)
Gm1(s)
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ ＋
GGpo22
D2 y2
D2(s)
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
y2,sp
Gc2GvGGop2
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
Go2’(s)
6.2 串级控制系统的分析
6.2 串级控制系统的分析
串级控制特点总结：
1) 在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环 控制系统。其中主回路是定值控制，副回路是随动控制；
第五章 串级控制系统
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
§5-3 串级系统设计和实施中的几个问题
•正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其 正确合理地设计， 特点。 特点。 设计包括主、副回路选择， •设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制 规律选型和正、反作用的确定。 规律选型和正、反作用的确定。
一、副回路的设计
1、副参数的选择应使副回路时间常数最小，调节通 副参数的选择应使副回路时间常数最小， 道短，反应灵敏。 道短，反应灵敏。 •选择原则主要有： 选择原则主要有： (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。 (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。
x2(t) x1 ＋ － 主控制器 ＋ － 温度变送器2 温度变送器1 θ2(t) 副控制器 调节阀 f3、f4 炉膛 管壁 f1、f2 θ1(t)Байду номын сангаас原料油
沈阳理工大学
3．干扰同时作用于副回路和主回路 ． 主副回路干扰的综合影响有两种情况： 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： ）主副回路的干扰影响方向相同。 燃料压力f ↑→炉膛温度↑ →出口温度 ↑→炉膛温度 出口温度↑ 燃料压力 3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑ →副控制器开始调节 原油流量f ↓→出口温度↑ ↓→出口温度 原油流量 1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节
二次干扰 一次干扰
干扰 给定 ＋ － 主控制器 ＋ － 副变送器 主变送器 副控制器 执行器 副对象 副变量 主对象 主变量
三、串级控制系统的工作过程
沈阳理工大学
1．燃料压力f3(t)、燃料热值 4(t)发生扰动 ．燃料压力 发生扰动—— 、燃料热值f 发生扰动 干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度， 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送 器提前测出，副控制器立即开始控制， 器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大 为缩短。 为缩短。
串级控制系统整理整理
串级控制系统整理手册一、串级控制系统概述串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，主要由两个或多个控制环组成，每个控制环都负责调节一个特定的过程变量。
这种系统具有结构紧凑、响应速度快、控制精度高等优点，广泛应用于各类工业生产过程中。
二、串级控制系统的组成1. 主控制环：主控制环负责监控整个过程的主要变量，通常与系统的输出直接相关。
主控制器根据主控制环的偏差，调整副控制器的设定值，以实现系统整体的控制目标。
2. 副控制环：副控制环位于主控制环内部，负责调节过程中的辅助变量。
副控制器根据副控制环的偏差，调整执行机构的输出，以影响主控制环的变量。
3. 执行机构：执行机构是串级控制系统的执行者，负责根据控制器的指令调整过程变量。
常见的执行机构有电机、阀门、变频器等。
4. 被控对象：被控对象是串级控制系统的作用对象，包括各种生产过程中的设备、工艺和参数。
三、串级控制系统的特点1. 快速响应：串级控制系统通过多个控制环的协同作用，能够迅速响应过程变化，提高系统的动态性能。
2. 高精度：串级控制系统可以实现对外部干扰的有效抑制，提高控制精度，确保产品质量。
3. 灵活性：串级控制系统可根据实际生产需求，调整控制参数，适应不同工况。
4. 易于维护：串级控制系统结构清晰，便于故障排查和日常维护。
四、串级控制系统的设计要点1. 确定控制目标：明确串级控制系统的主、副控制环控制目标，确保系统稳定运行。
2. 选择合适的控制器：根据被控对象的特性，选择合适的控制器类型和参数。
3. 优化控制参数：通过调整控制器参数，使串级控制系统达到最佳控制效果。
4. 考虑系统抗干扰能力：在设计过程中，充分考虑外部干扰因素，提高系统的抗干扰能力。
5. 系统调试与优化：在系统投运后，根据实际运行情况，不断调整和优化控制参数，确保系统稳定、高效运行。
五、串级控制系统的实施步骤1. 系统分析与建模：深入了解生产工艺，对被控对象进行详细分析，建立准确的数学模型，为控制器设计提供依据。
串级控制系统
串级控制系统一、串级控制系统的概述图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1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值； C1-被控的主参数； C2-副参数；f 1(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串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．改善了过程的动态特性；2．能及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；3．提高了系统的鲁棒性；4．具有一定的自适应能力。
三、主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。
由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。
四、主、副调节器正、反作用方式的选择正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。
对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc 为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K为负。
五、串级控制系统的整定方法在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：（一）逐步逼近法所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。
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。
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；
串级控制系统通用方块图
§7-1 串级控制系统
一、串级控制系统的结构 管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热 油料炉出口温度的波动范围应控制±2℃内。
3
主要扰动：
（1）原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）；
（2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）；
（3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃
助变量。 炉出口温度
炉膛温度
7
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。
副对象 — 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过 程，其输入量为系统的操纵变量，输出量为副变量。 炉出口温度对象
炉膛温度对象
8
主控制器 — 按主变量的测量值与给定值的偏差进行 工作的控制器，其输出作为副控制器的 给定值。
副控制器 — 按副变量的测量值与主控制器的输出信 号的偏差进行工作的控制器，其输出直 接控制执行器的动作。
炉出口温度控制器
炉膛温度控制器
9
主回路 — 由主测量变送器、主控制器、副回路等效 环节和主对象组成的闭合回路，又称外环 或主环。
副回路 — 由副测量变送器、副控制器、执行器和副 对象所组成的闭合回路，又称内环或副环。
第7章 复杂控制系统
31 串级控制系统
2 比值控制系统 3 前馈控制系统 4 均匀控制系统 5 分程控制系统 6 选择性控制系统 7 多冲量控制系统
1
第7章 复杂控制系统
复杂控制系统 ➢凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较 特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。
特点： ➢通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行 器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系 统又称为多回路控制系统。
宋彤《过程控制工程》3串级控制系统
宋彤《过程控制工程》3串级控制系统串级控制系统是由两个或多个控制回路组成的控制系统，每个回路的输出作为下一个回路的输入。
串级控制系统能够提高系统的稳定性、动态性能和鲁棒性，适用于对模型精度要求较高、系统复杂的工控系统中。
串级控制系统一般由两个控制回路组成，分别是主回路和辅助回路。
主回路负责控制系统主要参数，如流量、温度、压力等；辅助回路通过控制主回路的动态特性，在主回路的基础上进一步改善控制性能，如提高系统的响应速度、稳定性等。
在串级控制系统中，主回路的控制器根据参考信号和测量信号来生成控制信号，经过执行机构执行，进而控制被控对象；辅助回路的控制器则根据主回路的输出信号作为输入，调节辅助回路的控制参数，进一步改善主回路的控制性能。
串级控制系统的优势主要体现在以下几个方面：1.提高系统的稳定性：通过辅助回路的控制策略调整主回路的参数，能够降低系统的闭环增益，提高系统的稳定裕度，减小扰动对系统的影响。
2.提高系统的动态性能：辅助回路可以以较高的控制带宽对主回路进行补偿，改善系统的响应速度和抗干扰能力，使系统对于快速变化的被控对象能够更好地进行控制。
3.提供鲁棒性：串级控制系统能够对被控对象参数的变化、扰动的影响具有一定的鲁棒性，使得系统能够在不确定因素的作用下保持良好的控制性能。
4.降低系统的非线性：通过辅助回路的控制策略对主回路进行非线性补偿，可以有效降低系统的非线性，提高系统的线性度和控制准确性。
然而，串级控制系统也存在一些挑战和问题。
首先，串级控制系统的设计和参数调节相对较为复杂，需要对系统的动态特性和模型进行精确的建模和分析。
其次，辅助回路的参数设置和控制策略需要合理选择，否则可能会引入不稳定性或者过度补偿等问题。
此外，辅助回路和主回路之间的耦合效应也需要进行充分的考虑和分析。
总之，串级控制系统作为一种常用的控制策略，可以提高控制系统的稳定性、动态性能和鲁棒性，适用于对系统精度要求较高、系统复杂的工控系统中。
串级控制系统
1、串级控制系统的概念
串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。
它是由主、副两个控制器串接工作的。
主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。
2、串级控制系统的特点
串级控制系统的主要特点为：
(1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统；
(2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量}
(3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响；
(4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。
3、串级控制系统的特点主要应用场合?
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。
开环控制和闭环控制的优缺点
一、开环控制
控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。
开环控制系统方块图
优点：简单、稳定、可靠。
若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。
缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。
二、闭环控制
闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。
闭环的作用：应用反馈，减少偏差。
优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感
缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻。
串级控制系统详解
由特点2可知副回路的传递函数：
W（2 S）=
K 2′ T0′2S +
1
式中：
等效副对象的时间常数T0′2
=
T02 (Kc2K2
+1)
等效副对象的放大倍数K 2′
=
K c2 K2 (Kc2K2 +1)
等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意 味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度 更快。
反作用
反作用
气开式
R（1 S） E（1 S）
−
R（2 S） E（2 S）
−
D（2 S） D（1 S）
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
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：
−
−
内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。
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。 • 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 。
第6章串级控制系统
26
6.2.用，它能够有效地 克服二次扰动的影响。可以说串级系统主是用来克服进 入副回路的二次干扰的。
27
现在对图6-7所示方框图进行分析，可进一 步揭示问题的本质。 当二次干扰经过干扰通道环节Gd2(s)后，进 入副环，首先影响副参数y2，于是副调节器立 即动作，力图消弱干扰对y2的影响。显然，干 扰经过副环的抑止后再进入主环，对y1的影响 将有较大的减弱。
15
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 D1；进人副回路的干扰称为二次干扰D2。
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应该指出，系统中尽管有两个调节器，它们的作 用各不相同。 主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副 调节器的设定值 副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过 程。比较串级系统和简单系统，前者只比后者多了 一个测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资 并不多，但控制效果却有显著的提高。
故对于副回路则有同理从主回路看副回路的输出对主回路也相当于一个持续作用的频率为的干扰为了避免主回路进入共振区同理可得以下条60考虑到副回路通常是快速回路其工作频率总是高于主回路的工作频率为了保证主副回路进入共振区从式618和式619可以得到的条件是又知系统的工作频率与时间常数近似成反比关系所以在选择副变量时应考虑主副回路时间常数的匹配关系61一般取当然为了满足式620使主回路的振荡周期为3至10倍于副回路的周期除了副回路设计中加以考虑外还与主副调节器的整定参数有关
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
第8-1章串级控制系统
1.干扰作用于副对象
即干扰f2(t) 、f3(t)使炉膛温度升高，串级控制系统的 调节过程如下：
炉 膛 温 度 T 2 ↑ → T 2 T↑ → T 2C↓ (反 作 用 )→ V↓ (气 开 阀 ) T 2↓
扰动小：经过副回路的控制一般不会影响炉出口温度 扰动大：经过副回路的控制仍影响炉出口温度，此 时再由主回路进一步调节，从而克服上述扰动。
④大大增强了对二次扰动 的克服能力；对一次扰动也有 一定克服能力。
串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强 得多，特别是当干扰作用于副回路时，系统的抗干扰能 力更强。 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10～100倍， 干扰作用于主环时，也可提高2～。
⑤对副回路参数变化有一定的自适应能力 适用：负荷和操作条件有较大变化的场合。
思考题与习题(P217)
5. 图8－46所示为聚合釜温度控制系统。
(1)这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。
(2)聚合釜的温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、 气关型式，及主、副控制器的正、反作用方式。
(4) 如果冷却水的压力是经常波动的，上述系统应如何改进？
(5)如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方 块图，并确定主、副控制器的正、反作用。
F2 X1 (S) Z1(S) X2(S) W c1(S) Z2(S) W c2(S ) W V (S) W m2(S ) W m1(S ) W f2(S) W O2(S ) F1 W f1(S) W O1(S ) Y1(S)
Y2(S)
一次扰动F1 ：作用在主对象上，不包括在副回路范围内的扰动 二次扰动F2 ：作用在副对象上，包括在副回路范围内的扰动
串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂
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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过程控制
实验报告实验名称：串级控制班级：
姓名：
学号：
实验二 串级控制系统
一、实验目的
1) 通过本实验，了解串级控制系统的基本结构以及主、副回路的性能特点。
2) 掌握串级控制系统的设计思想和主、副回路控制器的参数整定方法。
二、 实验原理
串级控制系统由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。
控制器相串联，副控制器的输入由主控制器的输出设定。
主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动系统，对二次扰动而言，副回路是恒值控制系统。
串级控制的主要优点可概括如下:
1) 由于副回路的存在，改善了对象的部分特性，使系统的工作频率提高，加快了调节过程。
2) 由于副回路的存在，串级控制系统对二次扰动具有较强的克服能力。
3) 串级控制系统提高了克服一次扰动的能力和回路参数变化的自适应能力。
串级控制系统副回路的设计原则：
1) 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动。
在可能的情况下力求包含尽可能多的扰动。
2) 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。
3) 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。
4) 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。
5) 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。
串级控制系统常用的控制器参数整定方法有逐步逼近法、两步法、一步法等。
➢ 逐步逼近法
1) 在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数；
2) 将副控制器的参数设置在所求的数值上，使串级控制系统主回路闭合，以求取主调节器的整定参数值；
3) 将主调节器参数设置在所求值上，再次整定副控制器的参数值。
4) 如控制品质未达到指标，返回2)继续。
三、实验内容
某系统的主、副对象传递函数分别为：
122
11
(),()301(101)(1)P P G s G s s s s =
=
+++
主回路有一个10s 的传输延迟，传递函数为10()s d G s e -=。
图1 串级控制系统结构图
（1）画出单回路控制系统以及相同控制对象下的的Simulink 仿真系统图。
图2 单回路控制器仿真系统图
单回路控制器纯比列整定后得到的曲线图：
图3 单回路阶跃响应曲线
上图中K P =2.25304；系统第一个峰值坐标为（50.64,1.031），第二个峰值的坐标为（129.3,0.7702），稳态值为0.6908。
根据4：1衰减曲线法整定控制器参数经验公式可得：
控制规律控制器参数
)I(Ti)/min D（Td）/min
P(K
P
——P K
P
PI0.83 K
0.5 Ts—
P
0.3 Ts0.1 Ts
PID 1.25 K
P
P=0.83⨯2.25304=1.87002
Ti=0.5⨯Ts=0.5⨯（154.2-60.24）=0.5⨯93.96=46.98
1.87002；积分时间常数Ti=46.98；微分时间常数Td= 0；此时可所以，当K
P=
以得到如下图4的效果。
图4 单回路PI整定后系统的阶跃相应曲线
在同上PI的情况下，单回路控制系统的一次扰动Simulink仿真图：
单回路控制系统一次扰动响应曲线如下图5所示：
图5 单回路控制系统一次扰动响应曲线在此PI系统下，单回路控制系统的二次扰动结构下图6所示
图6 单回路控制系统二次扰动响应曲线
（2）串级控制系统Simulimk仿真图：
图7 串级控制系统仿真
串级控制系统纯比例整定后得到如下图8所示：
图8串级控制系统P整定后的阶跃响应曲线
=3.4687；由图b的仿真图以及相应理论公式可得；根据4：1衰减上图中K
P
曲线法整定控制器参数经验公式
控制规律控制器参数
)I(Ti)/min D（Td）/min
P(K
P
P K
——
P
0.5 Ts—
PI0.83 K
P
PID 1.25 K
0.3 Ts0.1 Ts
P
根据表格中公式可得：
采用PI控制时：P=0.83⨯3.4687=2.879021
Ti=0.5⨯Ts=0.5⨯（96.29-38.89）=0.5⨯57.4=28.7
所以，当K
2.879021；积分时间常数Ti=28.7；微分时间常数Td= 0；此时可
P=
以得到如下图9的效果。
图9 串级控制系统PI整定后的阶跃响应曲线
串级控制系统的一次扰动 Simulink仿真图如下图10：
图10 串级控制系统一次扰动Simulink仿真图
在上述串级控制系统的PI参数下，得到下图11所示的响应曲线图：
图11 串级控制系统的一次扰动阶跃响应曲线
串级控制系统二次扰动Simulink仿真图如下图12所示：
图12 串级控制系统的二次扰动Simulink仿真图如下图13所示，在上述PI参数下的串级控制系统的响应曲线图：
图13 串级控制系统二次扰动阶跃响应曲线
（4）串级系统延迟环节副回路Simulink仿真图
图14 串级控制系统延迟环节副回路仿真图
将延迟环节副回路只进行P的整定，有如下图效果的曲线图：
图15 延迟环节副回路p整定4:1的曲线响应曲线
其中Kp=1.16251；分析数据可根据4：1衰减曲线法整定控制器参数经验公式
控制规律控制器参数
)I(Ti)/min D（Td）/min
P(K
P
——P K
P
PI0.83 K
0.5 Ts—
P
0.3 Ts0.1 Ts
PID 1.25 K
P
P=0.83⨯1.16251=0.96488
Ti=0.5⨯Ts=0.5⨯（67.06-28.43）=0.5⨯38.63=19.315
所以，PI整定曲线图如下图所示
图16 PI整定响应曲线延迟环节主副回路串联Simulink仿真图如下
图17
延迟环节主回路P整定图
控制规律控制器参数
)I(Ti)/min D（Td）/min
P(K
P
——P K
P
0.5 Ts—
PI0.83 K
P
0.3 Ts0.1 Ts
PID 1.25 K
P
P=1.2⨯1.13135=1.135762
Ti=0.5⨯Ts=0.5⨯（101.8-46.45）=0.5⨯55.35=27.675
PI整定曲线图
图18 串级系统下延迟环节主副回路串联系统响应曲线
串级系统下延迟环节在副回路系统一次扰动响应曲线
串级系统下延迟环节在副回路系统二次扰动响应曲线
图19串级系统下延迟环节在副回路系统二次扰动响应曲线
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