串级控制系统
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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
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。
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
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
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。
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)
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？
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
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 23Hale Waihona Puke Baidu
Tm (t)
扰动 分析
单回路控制过程分析
＋ ＋
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
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
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。
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↓
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。
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
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
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。
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
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
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。
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)
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？
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
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 23Hale Waihona Puke Baidu
Tm (t)
扰动 分析
单回路控制过程分析
＋ ＋
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
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
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。
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↓
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。
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