第五章-串级控制系统
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(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。
串级控制cascade
代入（6-1）式分母化成二阶系统标准形式
T 1T 2s 2 + (T 1 + T 2 + K T 2K v K m 2K 2T 1 )s +
(1 + K T 2K v K m 2K 2 + K T 1K T 2K v K m 1K 1K 2 ) = 0
s 2 + 2xw0s + w02 = 0
阻尼系数 自然频率
四.串级控制系统中的量纲
d2 r – WT 1 – WT 2 Wv Wm2 Wm1 Wp 2 2 d1 Wp1
1
副回路
W ( s)
' p2
WT 2 (s)Wv (s)Wp 2 (s) 1 WT 2 (s)Wv (s)Wp 2 (s)Wm 2 (s)
' p2
WT 2 (s) K p 2 (1
或 T1 = (3~10) T2
很小，副回路 包括的干扰因素越少，副回路克服干扰 能力 强的优点未能充分利用。
当 T 1
/ T2 > 10 时，表示T2
/ T2 < 3 时，表明T2 过大，副回路
包括的干扰多， 控制作用不及时。
设对象是惯性环节，其它均为比例环节，即
ü ï ï W p 2 (s ) = ,W p1 (s ) = ï ï T 2s + 1 T 1s + 1 ï ï W T 1 (s ) = K T 1 ,W T 2 (s ) = K T 2 ,W v (s ) = K v ï ý ï ï ï W m 1 (s ) = K m 1 ,W m 2 (s ) = K m 2 ï ï ï ï þ K2 K1
Wp2(s) Y2(s)
Wp1(s)
Y1(s)
T 1T 2s 2 + (T 1 + T 2 + K T 2K v K m 2K 2T 1 )s +
(1 + K T 2K v K m 2K 2 + K T 1K T 2K v K m 1K 1K 2 ) = 0
s 2 + 2xw0s + w02 = 0
阻尼系数 自然频率
四.串级控制系统中的量纲
d2 r – WT 1 – WT 2 Wv Wm2 Wm1 Wp 2 2 d1 Wp1
1
副回路
W ( s)
' p2
WT 2 (s)Wv (s)Wp 2 (s) 1 WT 2 (s)Wv (s)Wp 2 (s)Wm 2 (s)
' p2
WT 2 (s) K p 2 (1
或 T1 = (3~10) T2
很小，副回路 包括的干扰因素越少，副回路克服干扰 能力 强的优点未能充分利用。
当 T 1
/ T2 > 10 时，表示T2
/ T2 < 3 时，表明T2 过大，副回路
包括的干扰多， 控制作用不及时。
设对象是惯性环节，其它均为比例环节，即
ü ï ï W p 2 (s ) = ,W p1 (s ) = ï ï T 2s + 1 T 1s + 1 ï ï W T 1 (s ) = K T 1 ,W T 2 (s ) = K T 2 ,W v (s ) = K v ï ý ï ï ï W m 1 (s ) = K m 1 ,W m 2 (s ) = K m 2 ï ï ï ï þ K2 K1
Wp2(s) Y2(s)
Wp1(s)
Y1(s)
《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
串级控制系统
串级控制系统的设计
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。
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。
第五章 串级控制系统
y
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。
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
反作用方向：当环节的输入增加时，输出减少的称 反作用方向 。 测量元件及变送器，其作用方向一般都是正的。
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。
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)
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。
第五章串级控制系统
(s)
W01
(s)
Wm2 Wm1
(s) (s)
1 WT1(s)
（1） 适当选择主调节器WT1(s)的参数，以造成一个动 态特性较好的等效控制对象WO*(s)。
（2）选择好W1(s)的参数和得到了等效控制对象WO*(s) 后，就可以按单回路系统整定等效调节器[WT1(s)WT2(s)]， 从面得出副调节器WT2(s)的参数。
WT 2 (s) KT 2;
可得： WZ (s) KZ ; W (s) K ; Wm2 (s) Km2
W0*2
(s)
K0*2 T0*2s 1
其中：
K
* 02
KT 2 KZ K K02
1 KT 2 KZ K K02 Km2
T0*2
1
T02 KT 2 KZ K K02 Km2
二、两步整定法
1．先整定副调节器：副回路的方框图如5－8（a）所示。按 单回路系统的方法整定副调节器参数即可。
2．整定主调节器：在主回路中副回路可看作一个比例环节， 如图5－8（b）所示。可按单回路系统的整定方法整定主调节器 的参数。
要达到此要求整定时应考虑以下几点问题：
（1）对象的动态特性 控制对象导前区动态特性与整个控制对象的
（3）由于副回路的存在，使串级系统有一定的自适应能 力。
在串级系统中，负荷变化引起副回路内各环节参数的 变化，可以较少影响或不影响系统的控制质量。
K0*2
Байду номын сангаас
1
KT 2 KZ K K02 KT 2 KZ K K02 Km2
一方面 ，副对象增益或调节阀的特性随负荷变化时，
串级控制系统
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋”
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；
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；
第五章 串级控制系统
第五章串级控制5.1 基本原理主调节器的输出是副调节器的输入。
原理框图如下图所示：图. 串级控制系统原理方框图主参数(主变量)：串级控制系统中起主导作用的被调参数称为主参数。
副参数(副变量)：其给定值随主调节器的输出而变化，能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起的辅助参数。
主调节器主调节器：：根据主参数与给定值的偏差而动作，其输(主控制器) 出作为副调节器的给定值的调节器称为主调节器，记为W T1(s)副调节器副调节器：：其给定值由主调节器的输出决定，并根据(副控制器) 副参数与给定值(即主调节器输出)的偏差动作的调节器称为副调节器，记为W T2(s)主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路后的整个回路称为主回路。
副回路副回路：：由副参数，副调节器及其所包括的一部分对象等(内回路)环节所组成的闭合回路称为副回路，副回路有时亦称随动回路。
主对象主对象：：主参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号(惰性区) 为副变量，输出信号为主参数，记为W D1(s)副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工艺设备，它的输入信号为调节量，其输出信号为副参数(副变量)，记为W D2(s)5.2 串级控制系统的特点串级控制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式，但与单回路系统比较，串级控制系统具有以下特点：(1)串级控制系统具有很强的克服内扰的能力串级控制系统具有很强的克服内扰的能力；；(2)串级控制系统可减小副回路的时间常数串级控制系统可减小副回路的时间常数，，改善对象动态特性对象动态特性；；（3）提高了系统的工作频率提高了系统的工作频率；；(4)串级控制系统具有一定的自适应能力串级控制系统具有一定的自适应能力。
5.3 串级控制系统的应用范围1.对象的控制通道迟延时间较长；2.对象的时间常数大；3.负荷变化较大，且被控对象又具有较大的非线性；4.系统存在变化剧烈和幅值很大的干扰。
串级控制系统ppt课件
副参数塔底流量波动使系统状况发生变化时,它会迅速反映出这种情况,副调节器便 立即进行调节.对于幅度小的干扰,经过副回路的及时调节,一般影响不到液面的变化. 当干扰很大时在副回路快速调节下干扰幅值大大减少,尽管还将影响到主参数----塔底 液面,当主调节器投入调节过程后,很快可以克服干扰. 2.干扰作用于副回路 假如塔底流量正常,进料流量发生变化,至使塔底液面偏离给定值,此时主调节器立即 工作,输出相应变化,通过改变副调节器的给定值与塔底流量的偏差发出相应的输出信 号,改变调节阀的开度从而使塔底液面尽快回到给定值上.
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
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
串级控制
（4） 如果 [GT2 (s)]2 的参数值与第（1）步得到的 [GT2 (s)]1 的参数
值基本相同，那么整定就告完成。
信息科学与工程学院
5 串级控制
二. 两步整定法
当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回
路控制过程就告结束；在此期间，主回路基本上不 参加动作。可断开主回路,按单回路系统的整定方法 整定副控制器 GT2 (s) 的参数。 2．再整定主控制器 1．先整定副控制器
5 串级控制
5 串级控制
本章学习内容
5.1 5.2 5.3 串级控制系统的基本原理和结构 串级控制系统的分析 串级控制系统的设计
5.4
串级控制系统应用举例
信息科学与工程学院
5 串级控制
5.1 串级控制系统的基本原理和结构
电厂锅炉过热汽温控制系统 被 控 量：主汽温θ 控制手段：喷水减温
导前信号
1
5 串级控制
主调 副调 导前区 惰性区
副回路（内回路）：粗调 副参数（副变量）： θ
2
主回路（外回路）：细调 主参数（主变量）： θ
1
副（导前区）对象
副控制(调节）器
主（惰性区）对象
主控制（调节）器
信息科学与工程学院
5 串级控制 5.2 串级控制系统的分析 5.2.1串级控制系统的特点
（1）串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克 F(s) 服能力。
使控制作用更加及时。
信息科学与工程学院
5 串级控制 （3）提高系统的工作频率，改善了系统控制 质量。
将整个副回路看成是一个等效对象 G02 (s) 等效对象的时间常数缩小了，而且随着副调节 器比例增益的增大而减小 , 从而加快了副回路的响 应速度，提高了系统的工作频率。(证明)
过程控制系统 第5章
采用线性流量检测单元情况
采用线性流量检测单元情况时，只有在F1max=F2max的场 合，k=K。在同样的比值k下，通过调整F1max,F2max亦可 以改变比值。 采用电动和气动仪表时，乘法器输入的比值电流或气压和相 除方案中比值控制器设定电流或气压可按下列公式计算： 一般标准公式：输入信号=仪表量程范围×K + 零点 在采用相乘的方案中，采用分流器、加法器等仪表可直接设 置仪表比值系数K。 在采用相除的方案中，如果计算所得的仪表比值系数K大于1， 则除法器的输入信号更换，即主动量信号作为被除数信号， 从动量信号作为除数信号。
(a)
(b)
图 5-1 加热炉出口温度控制系
(c)
该系统的被控变量是出口温度，用燃料气作为操纵变量。 可以组成图5-1（a）所示的简单控制系统。因为加热炉炉管等热 容较大，控制不够及时。 如果改用图5-1（b）所示的流量控制系统，则对温度来说是开环 的，此时对于阀前压力等扰动，可以迅速克服，但对进料负荷， 燃料气热值变化等扰动，却完全无能为力。 人们日常操作经验是：当温度偏高时，把燃料气流量控制器的设 定值减少一些；当温度偏低的时候，燃料气流量控制器的设定值 应该增加一些。按照上述操作经验，把两个控制器串接起来，流 量控制器的设定值由温度控制器输出决定，即流量控制器的设定 值不是固定的,系统结构如图5-1（c）所示。这样能迅速克服影响 流量的扰动作用，又能使温度在其它扰动作用下也保持在设定值， 这就是串级控制系统。
5.1.4 串级控制系统控制器参数的 整定
串级控制系统常用的控制器参数整定方法有三 种：
逐步逼近法 两步法 一步法
对新型智能控制仪表和DCS控制装置构成的串 级控制系统，可以将主控制器选为具备自整定 功能。
5.1 串级控制系统
副回路的确定，就是根据生产工艺的具体要求，选择一 个合适的副变量，从而构成一个以副变量为被控变量的副 回路。副回路的确定原则：
主、副变量间应有一定的内在联系，选择与主变量有 一定关系的某一中间变量作为副变量；选择的副变量就是 操纵变量本身。
图10-4 精馏塔塔釜温度与加热蒸汽 流量串级控制系统 1-精馏塔；2-再沸器
5.1.3 控制器参数的工程整定
两步整定法：先整定副环，再稳定主环。 系统运行工况稳定后，主、副控制器运行在纯比例作
用条件下，将主控制器比例度1调到100%，逐渐减小副 控制器比例度2，按4:1（或其它比值）衰减曲线法整定 副环，获得副环相应的2s和T2s。
在副环2=2s条件下，逐渐减小主控制器比例度1， 按4:1衰减曲线法整定主环，获得主环相应的1s和T1s。
干扰F1作用于主对象 主回路控制，及时改变副变量的数值 ，稳定主变量。
干扰（ F2 、 F1 ）同时作用于副对象和主对象 作用方向相同，主、副回路共同控制，加强、加快；
作用方向相反，主、副控制能相互抵消一部分，控制平稳。
串级控制系统结构:
串级控制系统由主、副两个控制系统串级工作组成。
具有两个对象、两个被控变量、两个控制器、两个控制回
要使系统的主要干扰被包含在副回路内。
图10-5 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 尽可能使副回路包含更多的次要干扰。 考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发 生。
例如前面管式加热炉中，如果主要干扰来自燃料油的压 力波动时，应选择燃料油压力作为副变量，图10-6所示的加 热炉原料油出口温度与燃料油压力串级控制系统。
图5-1 管式加热炉出口温度控制系统
图10-2是管式加热炉出口温度串级控制系统，主对象为受 热管道，温度对象1，输出变量为原料出口温度1，主控制 器为T1C；副对象为炉膛及燃烧装置，温度对象2，输出变 量为炉膛温度2，副控制器为T2C；操纵变量为燃料流量.
主、副变量间应有一定的内在联系，选择与主变量有 一定关系的某一中间变量作为副变量；选择的副变量就是 操纵变量本身。
图10-4 精馏塔塔釜温度与加热蒸汽 流量串级控制系统 1-精馏塔；2-再沸器
5.1.3 控制器参数的工程整定
两步整定法：先整定副环，再稳定主环。 系统运行工况稳定后，主、副控制器运行在纯比例作
用条件下，将主控制器比例度1调到100%，逐渐减小副 控制器比例度2，按4:1（或其它比值）衰减曲线法整定 副环，获得副环相应的2s和T2s。
在副环2=2s条件下，逐渐减小主控制器比例度1， 按4:1衰减曲线法整定主环，获得主环相应的1s和T1s。
干扰F1作用于主对象 主回路控制，及时改变副变量的数值 ，稳定主变量。
干扰（ F2 、 F1 ）同时作用于副对象和主对象 作用方向相同，主、副回路共同控制，加强、加快；
作用方向相反，主、副控制能相互抵消一部分，控制平稳。
串级控制系统结构:
串级控制系统由主、副两个控制系统串级工作组成。
具有两个对象、两个被控变量、两个控制器、两个控制回
要使系统的主要干扰被包含在副回路内。
图10-5 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 尽可能使副回路包含更多的次要干扰。 考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发 生。
例如前面管式加热炉中，如果主要干扰来自燃料油的压 力波动时，应选择燃料油压力作为副变量，图10-6所示的加 热炉原料油出口温度与燃料油压力串级控制系统。
图5-1 管式加热炉出口温度控制系统
图10-2是管式加热炉出口温度串级控制系统，主对象为受 热管道，温度对象1，输出变量为原料出口温度1，主控制 器为T1C；副对象为炉膛及燃烧装置，温度对象2，输出变 量为炉膛温度2，副控制器为T2C；操纵变量为燃料流量.
第五章-串级控制系统
二次干扰 给定
一次干扰 副参数 调节阀 副对象 主对象
主控制器
副控制器
副变送器
主变送器
1.主、副回路（外、内回路）：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。 2.主、副控制器：处于主回路中的控制器为主控制器，根据主参数与给定值的偏差而 动作；处于副回路的控制器为副控制器，其给定值由主控制器的输出决定，根据副参 数对给定值的偏差动作。 3.主、副参数：主回路的被控参数为主参数，起主导作用；副回路的被调参数为副参 数，能提前反映主信号数值变化的中间参数。 4.主、副对象：(惰性区、导前区)主回路中的被控对象称主对象，副回路所包含的 对象为副对象。 5.主、副变送器； 一次干扰、二次干扰
式中：
K c 2 KV K 2 K 1 K c 2 KV K 2 K m2 T2 ' T2 1 K c 2 KV K 2 K m2
' 2
1 Kc 2 KV K 2 K m2 1
T2' T2
1 1 K c2 KV K 2 K m 2
表明：由于副回路的存在，起到了改善对象动态特性的作用。 等效对象的时间常数缩小到原来的
正作用调节器，即当系统的测量值减给定 值增加时，调节器的输出也增加；反作用 调节器，即当系统的测量值减给定值增加 时，调节器的输出减小； 控制对象的正特性，即当控制对象的输入 量增加时，其输出也增加；控制对象的反 特性，即当控制对象的输入量增加时，其 输出却减小；
组成控制系统各环节的极性规定
K2 G2 ( s) T2 s 1 Gc 2 ( S ) K c 2 GV ( s ) KV Gm2 ( s ) km2
串级控制系统
习题六1．什么叫串级控制系统？画出一般串级控制系统的典型方块图。
答：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．串级控制系统有哪些特点？主要使用在哪些场合？答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。
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.3．串级控制系统中主、剧变量应如何选择?答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。
副变量的选择原则是：．（1)主、副变量间应有一定的内在联系,副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化;(2）通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰;（3）在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近;(4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统?答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。
副回路的输出是副变量,副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的,而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。
5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律？答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。
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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。
第二节 串级控制系统的分析
过程控制
常把副回路内的扰动称二次扰动，而把副环路之外的扰 动称一次扰动。
与简单控制系统比较，串级控制增加了副回路，它的作 用是有效地克服二次扰动的影响。
串级控制系统的特点和分析：
过程控制
1、能迅速克服进入副回路扰动的影响，增强了系统的 抗干扰能力 定性分析：
当扰动进入副回路后，首先，副被控变量检测到扰动的影响， 并通过副回路的控制作用，及时调节控制变量，使副被控变量 回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减小。即副 回路对扰动进行粗调，主回路对扰动进行细调。因此，串级控 制系统能迅速克服进入副回路扰动的影响。
s
1 Gc1 ( s )G 2 ( s )G p1 ( s )Gm1 ( s) 0 p
设：
2
G p1 ( s )
s
, Gc1 ( s ) K c1 , Gm1 ( s ) K m1
0
T p1 T p 2 T p1T p 2
1 K c1 K 2 K p1 K m1 p T p1T p 2
过程控制
R1 + Gc1(s)
R2
Gc2(s)
Gv(s)
Gp2(s)
Y2
+ Gp1(s)
Y1
－
Ym1
－
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
R1 +
Y2 Gc1(s) Gp2(s) Gp1(s)
过程控制 Y
1
－
Ym1
Gm1(s) 串级控制系统的等效方框图
G 2 ( s ) p
G p 2 (s) K p2 Tp 2 s 1
过程控制
K 2 p Kc2 Kv K p2 1 Kc2 Kv K p2 K m2
等效被控过程的放大系数
Tp 2
Tp 2 1 Kc2 Kv K p2 K m2
等效被控过程的时间常数
在串级控制系统中，由于副回路的存在，改善了原有一部分 对象的特性，使等效副对象的时间常数减小了。时间常数的 减小，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，控制质量必然得到提高。
过程控制
D2
R1 +
Gd2(s)
D1
Gd1(s)
Gc(s)
Gv(s)
Gp2(s)
+ Gp1(s)
Y1
－
Ym1
Gm(s) 单回路控制系统方框图
Y1 ( s ) D2 ( s)
Gd 2 ( s )G p1 ( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm ( s)
Gd 2 ( s)G p1 ( s)
因此可以说，串级控制系统的结构使二次扰动对主参数这一 通道的动态增益明显减小。当二次扰动出现时，很快就被副 调节器所克服。与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰 的影响往往可以减小10100倍。
过程控制
2、改善了被控过程的动态特性
串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副 回路则为一个随动系统。
过程控制
Y1 ( s) D2 ( 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)
Y1 ( s ) D2 ( s) Gd 2 ( s )G p1 ( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm ( s)
过程控制
过程控制
串级控制系统的概念举例
串级控制系统的分析
串级系统设计和实施中的几个问题
调节器的选型和整定方法
比值控制系统
第一节
串级控制系统的举例与基本概念 过程控制
一、实际生产例子
例 1 连续槽反应器温度控制 （如图5－1）
反应器工作原理 控制任务 恒定反应釜内温度 系统主要干扰
例：设串级控制系统的方框图如图，其中主、副对象的传递 函数分别为：
G p1 ( s ) G p 2 ( s) 1 (30s 1)(3s 1) 1 (10s 1)( s 1) 2
主、副调节器的传递函数分别为：
Gc1 ( s ) K c1 (1 Gc 2 ( s ) K c 2 1 TI s )
3、提高了系统的工作频率
R1 + Y2 Gc1(s) Gp2(s) Gp1(s)
过程控制
Y1
－
Ym1 Gm1(s)
串级控制系统的等效方框图
R1 + Y2 Gc(s) Gp2(s) Gp1(s) Y1
－
Ym Gm1(s)
单回路控制系统的方框图
串级系统的特征方程为：
过程控制
K p1 Tp1s 1
0
0.087 0.27 0.34
0
0.23 0.013 0.13
三、串级控制系统的设计
1、主变量的选择
过程控制
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主变量的 选择和主回路的设计，可以按照单回路控制系统的设计原则 进行。 串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计及 主、副回路关系的考虑。
改进的控制系统方案图
过程控制
（图5－3）
控制系统结构图
过程控制
（图5－4）
例2：精溜塔提溜段的控制
工作原理 控制任务
过程控制
恒定精溜塔内温度 系统主要干扰
进料流量、温度扰动
加热蒸汽温度、压力扰动 再沸器的传热条件
（图5－5）
简单控制系统设计
存在的问题
精溜塔提溜段的控制图
进料流量、温度扰动
冷却液温度、压力扰动
简单控制系统设计 （图5－1）
过程控制
（图5－2） 存在的问题——时间延迟引出的问题 当D2温度突然升高，需经夹套、槽壁、反应器三个环节 才能使 1 温度升高，此时调节器才开始改变参数，加大调节 阀开度，把冷却水加大。在延迟的时间内，D2的变化已经迅 速使 2 改变，也使 1 很会升高，这样产生了 1 的偏差。
加热蒸汽的压力波动对温 度的影响很大
改进方案一
过程控制
（图5－6）
缺点：该方法增加了蒸汽管路的压力损失。造成经济的不 划算。
改进方案二
过程控制
（图5－7）
根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，根据精溜塔温度 得到期望的加热蒸汽。
控制系统结构图
过程控制
（图5－8）
例3 炼油厂管式加热炉温控制系统
过程控制
4、对负荷和操作条件的变化具有一定的自适应能力
定性分析：
由于副回路是一个随动控制系统，它的设定值随主控制器的输 出而变化。这样主控制器就可以按照操作条件和负荷的变化情 况，相应地调整副控制器的设定值，从而保证在操作条件和负 荷发生变化的情况下，控制系统仍然具有良好的控制质量。
定量分析：
四、串级控制系统特点
1）分级控制思想
过程控制
将调节通道较长的对象分为两级，许多干扰在副环中消 除掉，剩余的影响及其他干扰由主环消除。
2）串级系统的结构组成
两个对象；两个调节器；两测量变送器；一个执行器
3）系统工作方式
副环工作于随动控制方式；主环工作于定值控制方式
4）控制性能
系统对于干扰反应及时，克服干扰速度快，能克服系统 滞后，改善控制精度和提高控制质量。
K 2 p Kc 2 Kv K p 2 1 Kc 2 Kv K p 2 Km2 Kc 2 Kv K p 2 Kc 2 Kv K p 2 Km2 1 Km2
可知，串级系统中的等效对象仅与测量变送装置有关。如果副 对象或调节阀的特性随负荷变化时，对等效对象的影响不大。