串级控制系统方框图
过程控制李国勇著第6章串级控制系统
D2
燃料
D3
33
• 一次扰动D3使TT1↑,同时二次扰动D2使TT2↓→TT1↓， 作用影响控制输出朝相反方向变化 • 二次扰动D2使TT2↓→TC2↑(反作用)→V↑ • 一次扰动D3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓ V↓ • 作用结果：一次扰动D3， 二次扰动D2→V↑↓ sp
TC2 TC1
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
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，调节器的设定值 一般是内给定的。
压力给定
12
温度-压力串级控制系统框图
13
系统结构特点：
• 被控对象分成两部分，对象1和对象2。 • 调节器1输出作为调节器2给定值。 • 1个执行器完成调节。
• 压力回路克服D1(t)保证流量稳定且快速跟随调节器1的给定值(随动控制)。 • 温度回路实现温度设定控制(定值控制)。
温度-压力串级控制系统
6
简单控制系统方框图：
影响烧成带温度l的各种干扰因素都被包括在控 制回路当中，只要干扰造成l偏离设定值，控制器就 会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从 而把变化了的l 重新调回到设定值。
7
sp
TC TT
• 影响控制质量因素：
• 1 被控对象特性； • 对象特性-多环节大惯性对象
V
Y2(S)
D1
-
GC1(S)
-
GC2(S)
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)
串级控制原理及应用
课程设计报告学院电子信息学院专业控制理论与控制工程学生显班级学号132030032指导教师杜昭平二零一四年四月串级控制系统原理及应用一串级控制系统的根本概念1 串级控制系统近二十年，控制技术获得了惊人的成就，已在工业生产和科学开展中起着关键作用。
而且，控制系统已成为大量设备不可分割的重要组成局部。
控制自动化的程度已成为衡量工业企业现代化的一个重要标志。
在众多复杂的控制系统中，串级控制系统在电机控制中的应用更为普遍，串级控制系统是一个双回路系统，一个控制器的输出控制另一个控制器的设定值，这种构造称为串级控制系统。
串级控制系统实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为设定值]1[。
通常，串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。
2 串级控制系统的组成串级控制系统整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
主要由以下元件构成：〔1〕主调节器和副调节器两个调节器〔2〕两个测量变送器〔3〕一个执行器〔4〕一个调节阀们〔5〕被控对象组成系统原理框图如图1－1所示。
图1－1 串级控制系统原理方框图〔1〕系统中的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。
〔2〕串级控制系统中有两个反应回路，并且一个回路嵌套在另一个回路之中，处于里面的回路称为回路〔副回路〕，处于外面的回路称为外回路〔主回路〕。
〔3〕串级控制系统中有两个测量反应信号，称为主参数和副参数，分别作为主、副调节器的反应输入信号。
二串级控制系统实例——火电厂主汽温度串级控制系统2.1 应用现状火电厂中，为更好的对主蒸汽温度进展控制，通常将过热器分为两段，即高温段和低温段，在之间装有一个喷水减温器，喷水减温器是一个三通容器，分别与低温段过热器、高温段过热器以及冷水〔减温水〕管道连通，蒸汽从低温段流经喷水减温器，再进入高温段。
热工控制系统实验三过热汽温串级控制系统仿真实验样本
实验三 过热汽温串级控制系统仿真实验一、实验目1.理解过热汽温串级控制系统构造构成。
2.掌握过热汽温串级控制系统性能特点。
3.掌握串级控制系统调节器参数实验整定办法。
4.分析不同负荷下被控对象参数变化对控制系统控制品质影响。
二、实验原理本实验以某300MW 机组配套锅炉过热汽温串级控制系统为例, 其原理构造图如下图所示:过热器过热器喷水减温器图3－1 过热汽温串级控制系统原理构造图由上图, 可得过热汽温串级控制系统方框图如下:扰动图3－2 过热汽温串级控制系统方框图● 主调节器在图3－2所示过热汽温串级控制系统中主调节器()1T W s 采用比例积分微分（PID ）调节器, 其传递函数为:()11111111111T d p i d i W s T s K K K s T s s δ⎛⎫=++=++ ⎪⎝⎭式中: ——主调节器比例系数( )；1i K ——主调节器积分系数(1111i i K δ=)；1d K ——主调节器微分系数(111d d K T δ=)。
● 副调节器在图3－2所示过热汽温串级控制系统中副调节器 采用比例（P ）调节器,其传递函数为:()2221T p W s K δ==● 式中: ——副调节器比例系数( )。
● 导前区对象在图3－2所示过热汽温串级控制系统中导前区对象()2W s 在50％和100％负荷下 传递函数分别为:（1）50％负荷下导前区对象传递函数: ● （2）100％负荷下导前区对象传递函数: ● 惰性区对象在图3－2所示过热汽温串级控制系统中惰性区对象()1W s 在50％和100％负荷下 传递函数分别为:（1）50％负荷下惰性区对象传递函数: （2）100％负荷下惰性区对象传递函数:三、实验环节1.在MATLAB 软件Simulink 工具箱中, 打开一种Simulink 控制系统仿真界面, 依照图3－2所示过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下:图3－3 过热汽温串级控制系统仿真组态图惰性区对象传递函数模块建立惰性区对象传递函数为三阶惯性环节, 在组态图中采用建立子模块方式建立惰性 区对象传递函数模块。
加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统
项目三 串级控制系统
串级控制系统
内容提要
本项目讲述以提高系统控制质量为目的的串 级控制系统。主要介绍了串级控制系统的组成原 理与结构，系统特点，应用范围、串级控制方案 的设计原则，最后介绍了串级控制系统的投运步 骤和参数整定方法。
项目三 串级控制系统
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制系统。 复杂控制系统的种类较多，按其所满足的控制要 求可分为两大类：
从上述分析中可以看出，在串级控制系统中，由于引入了一 个副回路，因而能及早克服从副回路进入的二次扰动对主变量的 影响，又能保证主变量在其他扰动（一次扰动）作用下能及时加 以控制，因此能大大提高系统的控制质量，以满足生产的要求。
项目三 串级控制系统
3.2 串级控制系统的特点
从总体来看，串级控制系统仍然是一个定值控制系统。 但是和简单控制系统相比，串级控制系统在结构上增加了一 个与之相连的副回路，因此具有很多特点，如下所述。
图3.3 加热炉温度串级控制系统方框图
项目三 串级控制系统
3.1.2 串级控制系统的结构
1．方框图 串级控制系统是一种常用的复杂控制系统，它是根据系统
结构命名的。串级控制系统由两个控制器串联连接组成，其中一 个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。 如图3.4所示，为串级控制系统的通用原理方框图。由该图 可以看出，串级控制系统在结构上具有以下特征： （1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象； （2）中间变量为副被控变量，称为副控制系统； （3）以原对象的输出信号为主被控变量，构成一个主控制系 统，称为主控制系统、主回路或主环； （4）主控制系统中控制器的输出信号作为副控制系统控制器 的设定值； （5）主回路是定值控制系统，副回路是随动控制系统。
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。
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
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。
热工控制系统课堂ppt_第五章串级控制系统概要
WT1(S)
X2
WT2(S)
WZ(S)
Wm2(S) Wm1(S)
Wf(S)
WD2(S)
Y2
WD1(S)
Y1
-
-
图5-3
串级控制系统原理方框图
图中Z2是进入副环的扰动，从副回路看，传递函数为：
WD 2 W f S WD 2 S y2 S S z2 S 1 WT 2 S W f S WD 2 S Wm 2 S WZ S
象动态特性，提高系统的工作频率
设对象是惯性环节,其它均为比例环节, 即：
K2 WD 2 S T2 S 1 WT 1 S K T 1 Wz S Kz K1 WD1 S T1 S 1 W f S K f （5-4） K m2
主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为副变量,输出信号为主参数（主变量）。 副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备,它的输入 信号为主调节器输出信号,其输出信号为副参数（副变量）。
第二节
串级控制系统的特点
总体上看,串级控制系统仍然是一个定值控制系统,主参数在干 扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形
(高温段)θ1。(返回例一,返回例二)
副参数(副变量)：其给定值随主调节器的输出而变化，能提前
反映主信号数值变化的中间参数称为副参数。这是一个为了提高控
制质量而引进的辅助参数。例一中为锅炉热量Qr ，例二中为蒸汽 温度（低温段）2。 主调节器(主控制器)：根据主参数与给定值的偏差而动作,其
输出作为调节器的给定值的那个调节器称为主调节器,如压力调节
(5-2)
(5-3)
自动控制原理第二章方框图
R1C2s
(R1C1s 1)(R2C2s 1) R1C2s
(R1C1s 1)(R2C2s 1)
解法二：
ui (s)
-
1 I1(s) - 1 u(s)
R1
I (s) C1s
-
1
1 uo (s)
R2 I2(s) C2s
ui (s) 1
R1
ui (s) 1
R1
-
1
-
C1s
1 R1
-
1
-
C1s
1 R1
1
自动控制原理第二章方框图自动控制方框图闭环控制系统方框图串级控制系统方框图前馈控制系统方框图控制系统方框图单回路控制系统方框图过程控制系统的方框图自动调节系统方框图控制方框图
传递函数的表达形式
有理分式形式：G(s)
b0 s m a0 s n
b1s m1 a1s n1
bm1s an1s
bm an
H3
相加点移动 G3 G1
G3 G1
向同无类用移功动
G2
错！
G2
H1
G(s) G1G2 G2G3 1 G1G2 H1
G2
G1 H1
总的结构图如下：
ui (s)
-
1 I1(s) - 1 u(s)
R1
I (s) C1s
-
1
1 uo (s)
R2 I2(s) C2s
ui (s)
-
C2s
1 I1(s) - 1 u(s)
X 2 (s)
X (s) G(s) Y (s)
X 2 (s)
X1(s)
相加点和分支点在一般情况下，不能互换。
X 3 (s)
X (s)
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。
串级控制基本知识与应用
课程设计报告学院电子信息学院专业控制理论与控制工程学生姓名赵显班级学号132030032指导教师杜昭平二零一四年四月串级控制系统原理及应用一串级控制系统的基本概念1 串级控制系统近二十年，控制技术获得了惊人的成就，已在工业生产和科学发展中起着关键作用。
而且，控制系统已成为大量设备不可分割的重要组成部分。
控制自动化的程度已成为衡量工业企业现代化的一个重要标志。
在众多复杂的控制系统中，串级控制系统在电机控制中的应用更为普遍，串级控制系统是一个双回路系统，一个控制器的输出控制另一个控制器的设定值，这种结构称为串级控制系统。
串级控制系统实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为设定值]1[。
通常，串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。
2 串级控制系统的组成串级控制系统整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
主要由以下元件构成：（1）主调节器和副调节器两个调节器（2）两个测量变送器（3）一个执行器（4）一个调节阀们（5）被控对象组成系统原理框图如图1－1所示。
图1－1 串级控制系统原理方框图（1）系统中的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。
（2）串级控制系统中有两个反馈回路，并且一个回路嵌套在另一个回路之中，处于里面的回路称为内回路（副回路），处于外面的回路称为外回路（主回路）。
（3）串级控制系统中有两个测量反馈信号，称为主参数和副参数，分别作为主、副调节器的反馈输入信号。
二串级控制系统实例——火电厂主汽温度串级控制系统2.1 应用现状火电厂中，为更好的对主蒸汽温度进行控制，通常将过热器分为两段，即高温段和低温段，在之间装有一个喷水减温器，喷水减温器是一个三通容器，分别与低温段过热器、高温段过热器以及冷水（减温水）管道连通，蒸汽从低温段流经喷水减温器，再进入高温段。
《过程控制与自动化仪表(第3版)》第6章 思考题与习题
第6章 思考题与习题1．基本练习题（1）与单回路控制系统相比，串级控制系统有什么结构特点？ 答：串级控制系统在结构上增加了一个测量变送器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。
由于副回路的存在，使得控制效果得到了显著的改善。
（2）前馈控制与反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈控制系统能改善控制品质？答：前馈控制的特点：开环控制、比反馈控制及时、可以作为专用调节器。
反馈控制的特点：属于闭环控制、可以抑制干扰对被控对象的影响、能够使被控参数稳定在设定值上保证系统的较高控制质量。
采用前馈－反馈控制系统能改善控制品质是因为该复合控制系统一方面利用前馈控制制及时有效的减少干扰对被控参数的影响；另一方面则利用反馈控制使参数稳定在设定值上，从而保证系统有较高的控制质量。
（3）前馈控制系统有哪些典型结构形式？什么是静态前馈和动态前馈？答：静态前馈：是指前馈补偿器的静态特性，是由干扰通道的静态放大系数和控制通道的静态放大系数的比值所决定的，它的作用是使被控参数的静态偏差接近或等于零，而不考虑其动态偏差。
动态前馈：必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性加以确定，鉴于动态补偿器的结构复杂，只有当工艺要求控制质量特别高时才需要采用动态前馈补偿控制方案。
（4）单纯前馈控制在生产过程控制中为什么很少采用？ 答：因为前馈控制做不到对干扰的完全补偿：1）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响。
对不可测的干扰则无法实现前馈控制；2）在实际生产过程中，影响被控参数变化的干扰因素是很多的，不可能对每一个干扰设计和应用一套前馈补偿器；3）前馈补偿器的数学模型是由过程的动特性()F G s 和0()G s 决定的，而()F G s 和0()G s 的精确模型是很难得到的；即使能够精确得到，由其确定的补偿器在物理上有时也是很难实现的。
（5）简述前馈控制系统的选用原则和前馈控制系统的设计。
答：1）前馈控制系统的选用原则为：a）当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可控的干扰、反馈控制又难以克服其影响、工艺生产对被控参数的要求又十分严格时，为了改善和提高系统的控制品质，可以考虑引入前馈控制。
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 。
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
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。
过程控制工程考点解析
过程控制工程考点解析第一章1.什么是过程控制系统？其基本分类方法有哪些？过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度、和PH等这样的一些过程变量的系统。
基本分类方法（1）按过程控制系统的结构特点分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈控制系统（2）按给定值信号的特点分为定值控制系统、程序控制系统、随动控制系统。
2.试说明书中图1-2b供氧量控制系统框图中被控“过程”包含哪些管道设备以及图中各符号的含义。
过程：节流装置到氧气流量调节阀之间的管道设备。
x(t)代表设定值；e(t)表示偏差信号；u(t)表示控制器控制作用信号；q(t)表示调节阀的流量信号；f(t)过程受到的干扰信号；y(t)过程的输出信号；z(t)测量信号3. 在过程控制中，为什么要由系统控制流程图画出其框图。
为了更清楚地表示控制系统各环节的组成、特性和相互间的信号联系,这样也便宜其他人员的理解第二章2-2.什么是过程通道？什么是过程的控制通道和扰动通道？它的数学模型是否相同？问题一：被控过程输入量与输出量之间的信号联系称为过程通道。
问题二：过程的控制通道：控制作用与被控量之间的信号联系。
过程的扰动通道：扰动作用与被控量之间的信号联系。
问题三：他们的数学模型不一样，因为过程通道、控制通道和扰动通道所表示的环节不是同一个。
2-6. 如图所示液位过程的输入量为Q1，流出量为Q2，Q3，液位h为被控参数，C为容量系数，并设R1、R2、R3均为线性液阻，要求：（1）列出过程的微分方程组；（2）画出过程的方框图。
（3）求过程的传递函数W0（S）＝H（S）/Q1（S）；答：（1）（2）（3）2-8.略。
2-11.为什么大多数过程控制的数学模型可用一阶、二阶、一阶加滞后和二阶加滞后环节之一来近似描述？有何理论依据？2-24.采用分度号K的热电偶测量炉温为800℃，其冷端温度为0℃求其热电势E( t,t0) ？2-43.数据采集系统的基本组成部分有哪些？它们分别实现哪些功能？数据采集系统由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成。