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。
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
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。
串级控制系统
7
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。
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。
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
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
要求： 被加热物料的出口温度为定值。 控制方案一 影响因素： （1）被加热物料的流量和初温f1(t)； （2）燃料油压力的波动、流量的变化、燃料值的变化f2(t)； 被控参数： 出口温度 控制参数：燃料油流量
（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。
（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。
串级控制系统与比值控制系统
R(s)
—
Gc(s)
Gv(s)
Y(s) G(s)
Gm(s)
单回路控制系统方框图
单回路控制系统构成： 一种调整器，一种控制阀，一种被控制对象， 一种测量变送器
§5-1 串级控制系统旳概念
定义:就是采用两个控制器串联工作，主控制器旳输出作为副 控制器旳设定值，由副控制器旳输出去操纵控制阀，从而对主 被控变量具有更好旳控制效果。
考虑旳问题: 副回路旳设计, 副参数旳选择. 主副回路之间 旳关系, 两个调整器也许产生旳问题. 一 副回路旳设计
副回路旳设计重要是怎样选择副参数．其设计原则为：
副参数旳选择应使副对象旳时间常数比主对象旳时间常 数小，调整通道短，反应敏捷； 副回路应包括被控对象所受到旳重要干扰； 尽量将带有非线性或时变特性旳环节包括于副回路中。
（1）副参数为加热蒸汽（作用线1）
分析：可保持加热量稳定，它只 能迅速消除因蒸汽汽源压力或冷 凝压力变化引起旳扰动。由于蒸 汽流量对象旳滞后非常小，当用 流量作副变量时，并不能使串级 系统旳频率有多少提高，对克服 其他扰动不明显。
D2
θr 主调 Qr 副调 调节
蒸汽管 Q 再沸
节器
节器 阀
－
－
路系统
假如能把这段时间争取过来，让调整器提前动作，那么调整旳效 果就改善了：
处理思绪：由于冷却水方面旳扰动D2很快就会在夹套温度 θ2上体现出来，因此假如把θ2这个温度测量并送入调整 器θC2,让它来控制调整阀，那么调整动作就提前了诸多， 失去旳时间就会争取过来，从而加紧了速度。
不过：不能简朴地仅仅依托一种调整器θC2来替代现图中调整器 θC旳所有作用
措施：根据副回路旳偏差来防止主调整器积分饱和旳 方案。
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；
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2章 串级控制系统
第二章串级控制系统2.1概述一、串级控制系统的基本原理及结构举例：串级控制系统方案(温度---流量)串级控制系统：用两台控制器相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的输入。
方框图标准形式如下：二、常用名词： 主被控变量（主参数、主变量）Y1(S)副被控变量（副参数、副变量）Y2(S)主控制器G c1(S)副控制器G c2(S)主回路（主环）副回路（副环）三、串级控制系统的工作过程分析温度---流量串级控制系统设：控制阀为气开，温度和流量两控制器选为反作用1）、干扰作用于副环（副控制器起“粗调”，主控制器起“细调”）2）、干扰作用于主环（蒸汽量随温度控制的要求随时改变）3）、干扰同时主环和副环a.作用方向相同b.作用方向相反1）干扰作用于副环 蒸汽压力↑→FT↑→FC↓(反作用)→FV↓(气开阀) →FT↓FT的变化对精馏塔塔釜温度的影响就很小，并且可由温度控制器进行微调。
2）干扰作用于主环 干扰使得T↓←F↓由于有主副两个控制器相串联，系统总的放大倍数将增大，工作频率提高克服干扰的大大增大。
3）干扰同时同时主环和副环a.作用方向相同干扰同时使TT↑→TC↓)FV↓↓F↓↓b.作用方向相反干扰作用使TT↑→TC↓(反作用)→FC↓FC↑(反作用)FV变化很小蒸汽流量F变化不大2.2 串级控制系统的实施选择实施方案时，需考虑的问题：1）、所选用的仪表信号必须匹配。
2）、所选用的副控制器必需具有外给定输入接口。
3）、在选择实施方案，应考虑是否增加一只切换开关，作“串级”与“主控”的切换之用。
4）、实施方案应力求实用，少花钱多办事。
5）、实施方案应便于操作。
一、用电动Ⅲ型仪表构成串级控制方案串级控制一般方案：精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统的组成能实现主控—变送器 安全栅热电偶控制阀在串级与主控切换过程中，必须考虑去控制阀的控制信号方向的一致性，也就是组成的控制系统必须是负反馈控制系统，这就是串级与主控直接切换的条件。
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。
16
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
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
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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常见的串级回路：
温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、 液位-流量、温度-温度等。
串级控制副参数选择举例
方案 #1
方案 #2
Tsp
TC 23
Fsp
Fm
FC 13
FT u(t)
13
Tm
Ti (t)
T1sp
TC
T1m
23
T2sp
TT 23
TC T2m TT
T2
25
25
T
Ti (t) 工艺介质
工艺介质 Ti (t) 燃料气
Pgas (t)
加热炉
T(t)
TT 23
Tm(t) TO, % u(t) TC CO, % 23 Tsp
假设燃料气的入口压力（即阀前 压力）↑→ 即使 u(t)不变，燃料 气流量↑→（经燃烧过程）炉膛 温度 ↑→ 工艺介质炉出口温度 T ↑→（借助于测量反馈控制） CO↓
问题：从扰动进入到反馈控制器开始响应，所需信息传 递路线远、传递时间长。如何改进？
串级控制思想的引入
加热炉
工艺介质 Ti (t) 燃料气
Pgas (t)
T(t)
TT 23
Tm(t) TO, % u(t) TC CO, % 23 Tsp
如何减少 Pgas变化对炉 出口温度的影响 ?
燃料供应系统的波动首先影响燃料 气流量 Fgas ，然后再影响工艺介质 炉出口温度。
TT 23
Tm(t) TO, % u(t) TC CO, % 23 Tsp
CV：工艺介质炉出口温度 控制阀：气开阀（为什么？） TC23的正反作用如何选择？
D2 (t)
D1 (t)
Tsp +
_
TC 23
u(t)
控制 阀
+ +
MV
+ 加热炉 +
T(t)
TT 23
Tm (t)
扰动 分析
单回路控制过程分析
内回路 干扰
外回路 干扰
y1,sp
＋ －
主 控制器
ym1
y2,sp
＋ －
副 控制器
ym2
副回路
控制 阀
副参数 传感变送器
主参数 传感变送器
副 对象
y2
主
y1
对象
以传递函数形式表示的 串级控制系统方块图
D2
D1
y1,sp
＋ －
内回路/副回路
y2,sp
Gc1
＋
u
Gc2
Gv
－ ym2 Gm2
ym1 Gm1
Gc2GvG p2 1 + Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
串级控制中副参数的选择原则
副参数需同时满足： （1）能较快地感觉部分干扰，（2）直接受控制器输
出的控制，（3）对主参数有明确且较大的影响
副回路应尽可能多地包含主要干扰，而且“越 多越好”
如果可能，副回路应包含一些非线性对象。
TT 23
T
工艺介质
(1) 该方案由两个传感变送器 、两个控制器和一个控制阀 组成。
(2) 该方案有两个控制回路， 其中一个用于控制 T，而一个 用于控制 Fgas.
为何叫“串级控制”？
试画出上述串级控制系 统的方块图 ?
注：燃料气流量只是用作中 间辅助变量，以改善CV的控 制性能。
工艺介质炉出口温度 串级控制方块图
＋ ＋
Gp2
y2
＋
Gp1 ＋
y1
外回路/ 主回路
注：D1 反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，D2 反 映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。
试指出主副回路所对应的“广义对象” ？
内回路的等价变换与 “广义控制阀”概念
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ D2
＋
Gp2
y2
D2(s)
1 1 + Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
Gc2GvG p2 1 + Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
串级控制中副回路特性分析
副回路（或称内回路）通常响应迅速，并能有 效克服内回路干扰对主参数的影响
副回路能显著减少控制阀与副对象的非线性。
D2(s)
为什么 ?
1 1 + Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
串级控制器参数整定步骤 #2
手操器
手操器
Man
Tsp
TC
Fsp
Man FC
＋ －
23 Auto
＋ －
13 Auto
主控制器
副控制器
Fm Tm
TT
23
u 控制 阀
FT 13
D2 燃料 子系统
Fgas
D1
加热 T 炉
将副控制器切换至“自动” ，并以阶跃方式手
动改变主控制器的输出（即副控制器的设定 值），记录主回路“广义对象”的输出输出数 据；并获取主对象对应的动态特性参数。
串级控制系统
戴连奎 浙江大学控制系
2016/03/31
单回路PID控制讨论
广义对象动态特性的阶跃响应测试法 控制阀的气开/气关、PID控制器的正反作
用的选择 PID控制器类型的选择 PID控制参数的离线整定法与在线整定法 流量控制回路的特殊性与控制参数整定 液位均匀控制回路的目标与参数整定
基本思想：一旦感受到Fgas的变化， 在T开始变化以前，就应当调整燃料 阀的操作。
具体实现：该校正动作采用Fgas为中 间变量来尽早感受干扰，并通过调 节MV以减少干扰对CV的影响。
一种炉出口温度串级控制方案
Tsp
TC 23
Fsp
Fm
FC 13
FT u(t)
13
Tm
Ti (t)
Pgas
Fgas
燃料气
串级控制器参数整定步骤 #1
手操器
手操器
Man
Tsp
TC
Fsp
Man FC
＋ －
23 Auto
＋ －
13 Auto
主控制器
副控制器
Fm Tm
TT
23
u 控制 阀
FT 13
D2 燃料 子系统
Fgas
D1
加热 T 炉
设置主控制器至“手动”方式，参照单回路整 定方式整定副控制器PID参数。具体步骤讨论？
Fgas
燃料气
燃料气 Fgas
讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰?
TT 23
T1
工艺 介质
串级控制器类型选择
副控制器（也称内回路控制器）通常采 用PI控制律
原因：需要对内回路干扰具有快速调节能力 （强比例作用+弱积分作用，为什么？）
主控制器通常选用PID控制律（液位串 级控制除外）
通常主对象的响应速度缓慢，并带有较显著 的纯滞后，主控制器经常引入微分作用。
Tsp
TC Fsp
FC
＋
23 ＋
13
－
－
Tm
Fm
控制阀 FT 13
D2 燃料供应
子系统
Fgas
D1
T 加热炉
TT 23
这里，TC 23 被称为“主控制器”，而 FC 13 被称为 “副控制器”；D1 表示了各种直接进入外回路的干扰， D2 表示了各种直接进入内回路的干扰。干扰举例？
串级控制中的常用术语
内容
串级控制的引入与基本概念 串级控制系统的特性分析 串级控制的设计原理与副参数的选择 串级控制器的实现与参数整定步骤 加热炉出口温度控制仿真举例 单回路与串级控制中的积分饱和现象及
其防止
加热炉出口温度单回路控制
加热炉
MV：燃料气流量，
工艺介质 Ti (t) 燃料气
Pgas (t)
T(t)
温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、 液位-流量、温度-温度等。
串级控制副参数选择举例
方案 #1
方案 #2
Tsp
TC 23
Fsp
Fm
FC 13
FT u(t)
13
Tm
Ti (t)
T1sp
TC
T1m
23
T2sp
TT 23
TC T2m TT
T2
25
25
T
Ti (t) 工艺介质
工艺介质 Ti (t) 燃料气
Pgas (t)
加热炉
T(t)
TT 23
Tm(t) TO, % u(t) TC CO, % 23 Tsp
假设燃料气的入口压力（即阀前 压力）↑→ 即使 u(t)不变，燃料 气流量↑→（经燃烧过程）炉膛 温度 ↑→ 工艺介质炉出口温度 T ↑→（借助于测量反馈控制） CO↓
问题：从扰动进入到反馈控制器开始响应，所需信息传 递路线远、传递时间长。如何改进？
串级控制思想的引入
加热炉
工艺介质 Ti (t) 燃料气
Pgas (t)
T(t)
TT 23
Tm(t) TO, % u(t) TC CO, % 23 Tsp
如何减少 Pgas变化对炉 出口温度的影响 ?
燃料供应系统的波动首先影响燃料 气流量 Fgas ，然后再影响工艺介质 炉出口温度。
TT 23
Tm(t) TO, % u(t) TC CO, % 23 Tsp
CV：工艺介质炉出口温度 控制阀：气开阀（为什么？） TC23的正反作用如何选择？
D2 (t)
D1 (t)
Tsp +
_
TC 23
u(t)
控制 阀
+ +
MV
+ 加热炉 +
T(t)
TT 23
Tm (t)
扰动 分析
单回路控制过程分析
内回路 干扰
外回路 干扰
y1,sp
＋ －
主 控制器
ym1
y2,sp
＋ －
副 控制器
ym2
副回路
控制 阀
副参数 传感变送器
主参数 传感变送器
副 对象
y2
主
y1
对象
以传递函数形式表示的 串级控制系统方块图
D2
D1
y1,sp
＋ －
内回路/副回路
y2,sp
Gc1
＋
u
Gc2
Gv
－ ym2 Gm2
ym1 Gm1
Gc2GvG p2 1 + Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
串级控制中副参数的选择原则
副参数需同时满足： （1）能较快地感觉部分干扰，（2）直接受控制器输
出的控制，（3）对主参数有明确且较大的影响
副回路应尽可能多地包含主要干扰，而且“越 多越好”
如果可能，副回路应包含一些非线性对象。
TT 23
T
工艺介质
(1) 该方案由两个传感变送器 、两个控制器和一个控制阀 组成。
(2) 该方案有两个控制回路， 其中一个用于控制 T，而一个 用于控制 Fgas.
为何叫“串级控制”？
试画出上述串级控制系 统的方块图 ?
注：燃料气流量只是用作中 间辅助变量，以改善CV的控 制性能。
工艺介质炉出口温度 串级控制方块图
＋ ＋
Gp2
y2
＋
Gp1 ＋
y1
外回路/ 主回路
注：D1 反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，D2 反 映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。
试指出主副回路所对应的“广义对象” ？
内回路的等价变换与 “广义控制阀”概念
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ D2
＋
Gp2
y2
D2(s)
1 1 + Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
Gc2GvG p2 1 + Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
串级控制中副回路特性分析
副回路（或称内回路）通常响应迅速，并能有 效克服内回路干扰对主参数的影响
副回路能显著减少控制阀与副对象的非线性。
D2(s)
为什么 ?
1 1 + Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
串级控制器参数整定步骤 #2
手操器
手操器
Man
Tsp
TC
Fsp
Man FC
＋ －
23 Auto
＋ －
13 Auto
主控制器
副控制器
Fm Tm
TT
23
u 控制 阀
FT 13
D2 燃料 子系统
Fgas
D1
加热 T 炉
将副控制器切换至“自动” ，并以阶跃方式手
动改变主控制器的输出（即副控制器的设定 值），记录主回路“广义对象”的输出输出数 据；并获取主对象对应的动态特性参数。
串级控制系统
戴连奎 浙江大学控制系
2016/03/31
单回路PID控制讨论
广义对象动态特性的阶跃响应测试法 控制阀的气开/气关、PID控制器的正反作
用的选择 PID控制器类型的选择 PID控制参数的离线整定法与在线整定法 流量控制回路的特殊性与控制参数整定 液位均匀控制回路的目标与参数整定
基本思想：一旦感受到Fgas的变化， 在T开始变化以前，就应当调整燃料 阀的操作。
具体实现：该校正动作采用Fgas为中 间变量来尽早感受干扰，并通过调 节MV以减少干扰对CV的影响。
一种炉出口温度串级控制方案
Tsp
TC 23
Fsp
Fm
FC 13
FT u(t)
13
Tm
Ti (t)
Pgas
Fgas
燃料气
串级控制器参数整定步骤 #1
手操器
手操器
Man
Tsp
TC
Fsp
Man FC
＋ －
23 Auto
＋ －
13 Auto
主控制器
副控制器
Fm Tm
TT
23
u 控制 阀
FT 13
D2 燃料 子系统
Fgas
D1
加热 T 炉
设置主控制器至“手动”方式，参照单回路整 定方式整定副控制器PID参数。具体步骤讨论？
Fgas
燃料气
燃料气 Fgas
讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰?
TT 23
T1
工艺 介质
串级控制器类型选择
副控制器（也称内回路控制器）通常采 用PI控制律
原因：需要对内回路干扰具有快速调节能力 （强比例作用+弱积分作用，为什么？）
主控制器通常选用PID控制律（液位串 级控制除外）
通常主对象的响应速度缓慢，并带有较显著 的纯滞后，主控制器经常引入微分作用。
Tsp
TC Fsp
FC
＋
23 ＋
13
－
－
Tm
Fm
控制阀 FT 13
D2 燃料供应
子系统
Fgas
D1
T 加热炉
TT 23
这里，TC 23 被称为“主控制器”，而 FC 13 被称为 “副控制器”；D1 表示了各种直接进入外回路的干扰， D2 表示了各种直接进入内回路的干扰。干扰举例？
串级控制中的常用术语
内容
串级控制的引入与基本概念 串级控制系统的特性分析 串级控制的设计原理与副参数的选择 串级控制器的实现与参数整定步骤 加热炉出口温度控制仿真举例 单回路与串级控制中的积分饱和现象及
其防止
加热炉出口温度单回路控制
加热炉
MV：燃料气流量，
工艺介质 Ti (t) 燃料气
Pgas (t)
T(t)