串级控制系统的构成投运和参数整定及控制质量研究
北京科技大学过程控制实验报告
实验报告课程名称：过程控制系统实验项目名称：被控对象特性测试实验日期与时间： 2022.07 指导教师：班级：姓名：学号：成绩：一、实验目的要求1．了解控制对象特性的基本形式。
2．掌握实验测试对象特性的方法，并求取对象特性参数二、实验内容本节实验内容主要完成测试对象特性，包含以下两部分内容：1．被控对象特性的实验测定本实验采用飞升曲线法（阶跃向应曲线法）测取对象的动特性。
飞升曲线是指输入为阶跃信号时的输出量变化的曲线。
实验时，系统处于开环状态，被控对象在某一状态下稳定一段时间后，输入一阶跃信号，使被控对象达到另一个稳定状态，得到被控对象的飞升曲线。
在实验时应注意以下的一些问题：1）测试前系统应处于正常工作状态，也就是说系统应该是平衡的。
采取一切措施防止其他干扰的发生，否则将影响实验结果。
2）在测试工作中要特别注意工作点与阶跃幅度的选取。
作为测试对象特性的工作点，应该选择正常工作状态，也就是在额定负荷及正常的其他干扰下，因为整个控制过程将在此工作点附近进行。
阶跃作用的取值范围为其额定值的 5－10%。
如果取值太小，由于测量误差及其它干扰的影响，会使实验结果不够准确。
如果取值过大，则非线性影响将扭曲实验结果。
不能获得应有的反应曲线，同时还将使生产长期处于不正常的工作状态，特别是有进入危险区域的可能性，这是生产所不能允许的。
3）实验时，必须特别注意的是，应准确地记录加入阶跃作用的计时起点，注意被调量离开起始点时的情况，以便计算对象滞后的大小，这对以后整定控制器参数具有重要的意义。
4）每次实验应在相同的条件下进行两次以上，如果能够重合才算合格。
为了校验线性，宜作正负两种阶跃进行比较。
也可作不同阶跃量的实验。
2．飞升曲线数据处理在飞升曲线测得以后，可以用多种方法来计算出所测对象的微分方程式，数据处理方法有面积法、图解法、近似法等。
面积法较复杂，计算工作量较大。
近似法误差较大，图解法较方便，误差比近似法小。
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)
串级调节系统
实验串级调节系统一、实验目的1、熟悉串级调节系统的组成，结构。
2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。
3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。
二、实验原理串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。
在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。
由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。
1、串级控制系统的结构图1 串级控制系统结构如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。
2、串级控制系统的名词术语：（1）、主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。
（2）、副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。
（3）、主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。
（4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分，其输出控制主控参数。
（5）、主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。
（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。
（7）、副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。
（8）、主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。
（9）、一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
（10）、二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。
3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点：串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。
它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统的结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：（1）、改善了过程的动态特性串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。
串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统
1、串级控制系统
串级控制系统是应用最早，效果最好，使 用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点 是两个调节器相串联，主调节器的输出作 为副调节器的设定，当对象的滞后较大， 干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级 控制系统。
1、基本概念
串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一 种常用的复杂控制系统，它根据系统结构
主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路 后的整个外回路。
副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所 包括的一部分对象所组成的闭合回路（随
动回路)
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，它的输入信号为调节量，其输出 信号为副参数(副参数 将要达到危险值时，就适当降低生产要求， 让它暂时维持生产，并逐渐调整生产，使 之朝正常工况发展。能实现软限控制的控 制系统称为选择性控制系统，又称为取代 控制系统或超驰控制系统。
通常把控制回路中有选择器的控制系统称 为选择性控制(selective control)系统。选择 器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两 类。高选器输出是其输入信号中的高信号， 低选器输出是其输入信号中的低信号。
控制系统一般又可分为简单控制系统和复 杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于 简单而言的。凡是多参数，具有两个以上 变送器、两个以上调节器或两个以上调节 阀组成多回路的自动控制系统，称之为复 杂控制系统。
目前常用的复杂控制系统有串级、比值、 前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等， 并且随着生产发展的需要和科学技术进步， 又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系 统。
路外，使调整k时不影响控制回路稳定性。
串级控制系统参数整定步骤
串级控制系统参数整定步骤嘿，咱今儿就来讲讲串级控制系统参数整定步骤这档子事儿。
你想啊，这串级控制系统就好比是一支训练有素的队伍，要想让它发挥出最大的威力，那每个环节都得精心调整。
这参数整定啊，就是让这个队伍能协调一致、高效作战的关键。
第一步呢，就像是给队伍选好领队一样重要。
咱得先确定主回路的参数，这可是基础中的基础。
得好好琢磨琢磨，怎么让主回路稳定运行，就像给房子打牢地基一样。
然后呢，到了副回路啦。
这副回路就像是队伍里的先锋队，得快速响应，灵活多变。
调整副回路的参数，让它能紧跟主回路的节奏，迅速做出反应。
接下来呀，就开始反复试验啦。
这就跟做菜似的，调料放多少得一次次试，才能找到最合适的味道。
咱得不断地调整这些参数，看看系统的反应，直到找到那个最佳的平衡点。
你说这是不是很有意思？就跟搭积木一样，一块一块地调整，最后搭出一个漂亮、稳定的结构。
要是参数没整定好，那可就好比积木没搭稳，随时可能垮掉。
想象一下，一个没整定好参数的串级控制系统，那不就跟一群没头苍蝇似的乱撞嘛。
咱可不能让这种情况发生呀！咱得精心、细心地去调整，让它乖乖听话，为我们好好干活。
在这个过程中，可不能马虎。
每一个小细节都可能影响到整个系统的性能。
就好像一颗小螺丝钉，看着不起眼，要是松了，可能整个机器都出问题呢。
咱得有耐心，别着急。
参数整定可不是一下子就能搞定的事儿，得慢慢来。
就像跑马拉松，一步一步地跑，才能到达终点。
总之啊，串级控制系统参数整定步骤可不能小瞧。
咱得认真对待，仔细调整，让这个系统发挥出它最大的作用。
这样咱才能在各种控制场景中得心应手，让一切都按照我们的想法顺利进行。
这可不是一件容易的事儿，但只要咱用心去做，就一定能做好！相信自己，一定行！。
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。
串级控制系统两步整定法
串级控制系统两步整定法一、什么是串级控制系统？串级控制系统是指由两个或多个具有不同动态特性的控制环节组成的控制系统。
其中，前一级控制器的输出作为后一级控制器的输入。
它可以实现对复杂过程的高效精确控制。
二、串级控制系统的优点1. 可以有效地降低过程变量对干扰和负载变化的敏感度。
2. 可以提高整个系统的稳定性和响应速度。
3. 可以提高系统的鲁棒性，使得系统更加稳定可靠。
三、串级控制系统两步整定法1. 第一步：前置环节PID参数整定（1）选择合适的开环传递函数模型，求出其传递函数；（2）根据经验或实验数据选择合适的调节器类型，如比例积分型；（3）根据Ziegler-Nichols方法或其他方法确定比例增益Kp和积分时间Ti；（4）通过仿真或实验验证整定参数是否合理，并进行修正。
2. 第二步：主环节PID参数整定（1）将前置环节固定为已知值，得到主环节开环传递函数；（2）根据经验或实验数据选择合适的调节器类型，如比例积分型；（3）根据Ziegler-Nichols方法或其他方法确定比例增益Kp和积分时间Ti；（4）通过仿真或实验验证整定参数是否合理，并进行修正。
四、串级控制系统两步整定法的应用实例以温度控制系统为例，假设前置环节为加热器，主环节为温度传感器。
1. 第一步：前置环节PID参数整定（1）选择加热器的传递函数模型为：G1(s)=0.5/(s+0.2)；（2）选择比例积分型调节器；（3）根据Ziegler-Nichols方法得到Kp=0.5，Ti=2s；（4）通过仿真验证参数合理性，并进行修正。
2. 第二步：主环节PID参数整定（1）将前置环节固定为已知值，得到温度传感器的开环传递函数：G2(s)=0.1/(s+0.1)；（2）选择比例积分型调节器；（3）根据Ziegler-Nichols方法得到Kp=0.8，Ti=3s；（4）通过仿真验证参数合理性，并进行修正。
五、总结与展望串级控制系统是一种高效精确的控制系统，可以应用于各种复杂过程的控制。
《过程控制工程》3 串级控制系统
主 ： P G P T ( ) T G T T ( ) e 1 G C 1( ) u 1 e 2 z 2 u . 1 e 2 P G P T ( ) T
b. 干扰进入主回路
R1(s) e1 GCT(s) u1 e2 GCP(s) u2
原料 出口
T2C
T2T
TC TT PC PT
燃料 原料
方框图
R1(s)
R2(s) GCT(s)
Z1(s)
Z2(s)
GCP(s)
温度-压力串级控制
GV(s)
D2(s)
D1(s)
Y2(s)
Y1(s)
GPP(s)
GPT(s)
GTP(s)
GTT(s) . 串级控制系统方框图
3）串级控制主要参数及环节
TC TT
q
P(s)
T(s)
GV(s)
GPP(s)
GPT(s)
(-)
(+)
(+)
GTP(s)
(+)
GTT(s)
(+)
串级控制系统方框图
➢设定元件作用方式：
温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 调节阀门：气关阀（－）. 温度控制器：副作用（－）
2）动作分析
➢ 副被控变量（副参数） 为稳定主参数而设定的中间（辅助）被控变量。 例如：例中精馏塔再沸器. 加热蒸汽压力。
b. 构成单元环节
TC TT PC PT
R1(s)
R2(s) GCT(s)
Z1(s)
Z2(s)
GCP(s)
GV(s)
D2(s)
D1(s)
串级控制系统的整定
串级控制系统
串级控制系统的整定
串级控制系统的整定
投运原则:先投副环后投主环;投运过程必须保证无扰动切换 整定原则:尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，使主、副
回路的频率错开，以减少相互影响.先整副环后整主环.
1.逐步逼近法
1） 主开、副闭环，整定副调的参数；记为[Gc2]1 2) 副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，记为[Gc1]1 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为[Gc1]1 ,， [Gc2]1
串级控制系统的整定
思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后 一步完成主调节器参数的整定。理论依据：主、副调节器的 放大系数在 0 Kc1Kc2 0.5 条件下，主、副过程特性一 定时，K c1K c2 为一常数。 1）根据经验确定副调节器比例度；
2）按单回路系统整定方法直接整定主调节器参数；
2) 副调节器比例度置δ2S ，整定主调参数，求得主回路在4： 1衰减比下的比例度δ1S和振荡周期T1S ；根据两种情况 下的
比例度和振荡周期，按经验公式求出主、副调节器的积 分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微
分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。
串级控制系统
3.一步整定法
否则，再整定副调节器参数，记为[Gc2]2 ……反复进行，满意为止。
该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反 复进行，费时较多
串级控制系统
串级控制系统的整定
2.两步整定法 1）主、副闭合，主调为比例,比例度为100%，先用4：1衰减
曲线法整定副调节器的参数，求得比例度δ2S和振荡周期T2S；
3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数， 满意为止。
串级控制系统参数整定
串级控制系统参数整定串级控制系统又称为级联控制系统，是由两个或多个控制回路组成的系统，其中一个回路的输出作为另一个回路的输入。
串级控制系统广泛应用于工业生产和自动化领域，能够提高系统的稳定性、鲁棒性和动态性能。
参数整定是串级控制系统的一个重要部分，它对系统性能有着直接的影响。
本文将介绍串级控制系统参数整定的方法和步骤。
一、串级控制系统的概念和组成1、串级控制系统的概念串级控制是一种组合控制方式，它由两个或多个控制回路组成，一个回路的输出是另一个回路的输入。
2、串级控制系统的组成二、串级控制系统参数整定的步骤1、收集系统信息和建立数学模型首先，需要收集系统的信息，包括系统的输入输出关系、传输函数、稳态误差等。
然后，根据收集到的信息建立系统的数学模型，通常使用传输函数来描述系统的动态特性。
2、确定性能指标和要求根据实际需求，确定系统的性能指标和要求，如控制系统的稳定性、快速性和精确性等。
这些指标和要求将影响参数整定的选择和调整。
3、参数初步估计和调整根据系统的数学模型和性能要求，初步估计系统参数的范围，并进行调整。
参数的初步估计可以通过观察系统的动态响应、分析系统的特性以及根据经验来确定。
4、参数的优化和整定根据系统的数学模型和性能要求，确定参数的优化方法和整定步骤。
根据优化方法和步骤进行参数的调整和调整。
常见的参数整定方法包括经验整定法、Ziegler-Nichols方法、模型匹配法等。
5、参数调整和修正根据实际情况和系统的动态响应，对参数进行调整和修正。
观察系统的响应曲线，根据曲线的特征对参数进行调整，以达到最优的控制性能。
6、系统性能评估和调整对调整后的系统进行性能评估，并根据评估结果对系统进行调整。
评估系统的稳定性、快速性、精确性等指标，并根据评估结果对参数进行微调，使系统达到最佳的控制效果。
三、串级控制系统参数整定的方法1、经验整定法经验整定法是基于经验和实际经验的参数调整方法。
根据经验公式和经验规律，对参数进行初步估计和调整。
串级控制系统整定实验报告
串级控制系统整定实验报告本次实验旨在掌握串级控制系统的整定方法，实验采用了PI控制器对串级控制系统进行整定，并对实验结果进行分析。
一、实验原理1. 串级控制系统的构成串级控制系统由两个控制器组成，上位控制器和下位控制器。
它们之间通过某种方式相互联系，实现对被控制对象的控制。
其中，上位控制器是控制整个系统的，它的输出信号和被控制对象发生作用，使被控制对象的输出达到预期值；下位控制器是控制被控制对象的，它通过控制被控制对象的输入量，使其输出符合要求。
2. PI控制器PI控制器是一种比较常见的控制器，在控制对象存在较大惯性时，应用比较广泛。
它就是对比例控制器和积分控制器的组合，可以使输出更快速地接近目标值，并且具有谷值现象消失的优点。
PI控制器的传递函数为：Gc(s) = Kp + Ki/s其中，Kp是比例增益，Ki是积分增益，s是惯性环节。
3. 整定方法常用的PI控制器整定方法有经验法和试验法两种。
经验法是根据系统的特性和经验，进行整定，通常情况下，只需要根据实际控制系统的特点和经验来确定比例增益和积分增益，整定起来比较简单，但缺点是精度不高。
试验法是通过不断试验调整比例增益和积分增益，让系统的响应满足某种条件，从而获得最优的控制效果。
试验法整定起来比较繁琐，但是精度高，能够获得最优的控制效果。
二、实验过程1. 实验装置及原理图本次实验的串级控制系统如下图所示：其中，上位控制器采用了PI控制器，下位控制器采用了P控制器。
被控对象为有机硅喷淋塔，输出为有机硅的质量含量。
2. 实验步骤（1）按照上图将实验装置连接，打开实验软件。
（2）设置实验参数，并开始实验。
（3）通过试验方法进行PI控制器的参数整定，在试验过程中，不断调整比例增益和积分增益，使得系统的稳态误差尽可能小。
（4）根据实验结果进行分析。
三、实验结果分析经过试验，得到的PI控制器参数为：比例增益Kp=0.01，积分增益Ki=0.0001。
串级控制系统
假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等（如图6-2中用D2表示），都是首先进人燃烧室。人们会想，能否通过控制燃烧室温度 2的方法来达到稳定烧成带的温度呢？于是就出现了图6-3所示的以燃烧室温度 2为被控变量的单回路控制系统。
1. 只存在二次干扰 假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度T1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。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。
但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。 因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。 也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。
化工仪表及自动化第8章-第一节-串级控制系统精选全文
第八章 复杂控制系统
内容提要
串级控制系统
概述 串级控制系统的工作过程 串级控制系统的特点 串级控制系统中副回路的确定 主、副控制器控制规律及正、反作用的选择 控制器参数的工程整定
均匀控制系统
均匀控制的目的 均匀控制方案
1
内容提要
比值控制系统
概述 比值控制系统的类型
27
第一节 串级控制系统
3. 在可能的情况下，应使副环包围更多的次要干扰
如果在生产过程中，除了主要干扰外，还有较多的 次要干扰，或者系统的干扰较多且难于分出主要干扰 与次要干扰，在这种情况下，选择副变量应考虑使副 环尽量多包围一些干扰，这样可以充分发挥副环的快 速抗干扰能力，以提高串级控制系统的控制质量。
21
第一节 串级控制系统
四、串级控制系统中副回路的确定 副回路的确定 根据生产工艺的具体情况，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。
确定的原则
1.主、副变量间应有一定的内在联系
22
第一节 串级控制系统 选择副变量的两类情况
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，这样能及时克服它的波 动，减少对主变量的影响。
18
第一节 串级控制系统
小结
在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路， 不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作 用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路 具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、 细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服 掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串级控 制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充， 充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。
19
一、串级控制系统
《过程控制与自动化仪表》P190单回路控制系统作为一种最基本、使用最广泛的控制系统，结构简单，在大多数情况下都能满足工业生产的基本要求。
但是在油厂中，控制对象复杂，干扰多，大多数情况下需要运用新的控制系统，以进一步提高控制质量。
这时就需要用到串级控制、选择性（超驰）控制、前馈控制等一类较为复杂的高性能过程控制系统。
本章将对上述三种控制系统的组成、特点、控制原理以及工程设计应考虑的问题进行介绍。
一、串级控制系统一、串级控制系统简介串级控制系统是指在对象滞后较大、干扰作用强烈而且频繁的主控制系统中，对局部参数（副参数）进行预先控制以提高系统总体控制水平的复合控制系统。
因此，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。
根据串级控制系统的结构框图，可以看出串级控制系统的显著特点是：结构上2个回路，主回路和副回路，由两个串接工作的调节器构成双闭环控制系统。
从而，在控制过程中包含2个变量，主变量和副变量，通过设置副变量来提高对主变量的控制质量。
串级控制系统通常包括主控制系统和副控制系统，其中：主控制系统是系统目标参数控制系统；副控制系统是为实现目标参数控制而设置的辅助参数控制系统。
副控制器具有“粗调”作用，主控制器具有“细调”作用，两者配合进行控制。
串级控制系统的结构框图串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，因而能大大的提高控制质量。
具有以下的控制特点：1）能迅速克服进入副回路的干扰，抗干扰能力强，控制能力强；2）改善了过程的动态特性，提高了系统的工作效率；3）对负荷和操作条件的变化适应性强；二、串级控制系统的设计在串级控制系统中增加了一个副回路，使其设计中主副回路的选择、主副控制器控制规律和正反作用的确定等都是需要考虑的问题。
1．主副回路的选择（一）主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行。
串级控制系统的原理及设计
串级控制系统的原理及设计中应注意的问题摘要：介绍了串级控制系统的基本原理，性能和设计中应注意的几个问题。
关键词：内环；外环；增益；时间常数；对象；共振现象；积分饱和现象。
1、概述1.1串级控制系统介绍单回路控制系统只用一个调节器,调节器只有一个输入信号,即只有一个闭环,在大多数情况下，这种简单系统能够满足工艺生产的要求。
但是也有一些另外的情况,譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制,而工艺对调节质量的要求又很高;或者对调节对象的控制任务要求特殊,则单回路控制系统就无能为力了。
另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,为此,需要在单回路的基础上,采取其他措施,组成复杂控制系统。
串级控制是改善调节过程的一种极为有效的方法,并且在实际中得到了广泛的应用。
我厂的生产过程自动控制系统中，串级控制系统是应用最为广泛的复杂控制系统。
1.2（简单控制系统）图1.1是精馏塔底部示意图,在再沸器中,用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽,然后在塔釜中与下降物料流进行传质传热。
为了保证生产过程顺利进行,需要把提馏段温度t保持恒定。
为此，在蒸汽管路上装一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。
从调节阀动作到温度t发生变化，需要相继通过很多热容积。
实践证明，加热蒸汽压力的波动对温度t的影响很大。
此外，还有来自液相加料方面的各种扰动，包括他的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质传热过程，以及再沸器中的传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度t。
当加热蒸汽压力较大时，如果采用图1.1所示的简单控制系统，调节质量一般都不能满足生产要求。
如果采用一个附加的蒸汽压力控制系统，把蒸汽压力的干扰克服在入塔前，这样也提高了温度调节的品质，但这样就需要增加一只调节阀并增加了蒸汽管路的压力损失，在经济上很不合理。
比较好的方法是采用串级控制，如图1.2所示。
串级控制系统两步整定法
串级控制系统两步整定法1. 串级控制系统串级控制系统是一种多回路控制系统，由两个或多个部分组成，每个部分具有不同的动态响应特性。
这些部分之间通过反馈路径连接，形成一个闭环控制系统。
串级控制系统通常用于需要更高级别控制的工业和自动化应用中。
2. 两步整定法介绍两步整定法是一种用于串级控制系统的控制器参数调整方法。
它由两个步骤组成：首先是第一步整定，通过调整主回路控制器的参数来满足系统对负载变化的响应要求；其次是第二步整定，通过调整辅助回路控制器的参数来改善系统的稳定性和抗干扰能力。
3. 第一步整定第一步整定主要针对主回路控制器的参数进行调整，以满足系统对负载变化的响应要求。
3.1 确定传递函数首先，需要确定主回路的传递函数。
传递函数描述了输入信号与输出信号之间的关系。
在串级控制系统中，主回路的传递函数由主回路控制器和主回路执行器组成。
3.2 设计PID控制器接下来，根据传递函数的模型，可以使用PID控制器来设计主回路控制器的参数。
PID控制器包括比例项、积分项和微分项，可以根据系统的动态响应要求来调整这些参数。
通常可以使用试探法或基于模型的方法来设计PID控制器。
3.3 调整PID参数一旦设计好PID控制器的参数，就可以开始调整这些参数。
调整PID参数的目标是使得系统的响应快速、稳定，并且满足性能指标。
首先，可以调整比例参数。
增大比例参数可以增加系统对负载变化的响应速度，但可能导致系统产生过冲。
减小比例参数可以降低系统的过冲，但可能导致系统的响应速度较慢。
需要通过实验来不断调整比例参数，以找到最优的值。
3.3.2 积分参数调整其次，可以调整积分参数。
增大积分参数可以降低系统的稳态误差，但可能导致系统产生超调。
减小积分参数可以减小系统的超调，但可能会增加稳态误差。
需要通过实验来不断调整积分参数，以找到最优的值。
3.3.3 微分参数调整最后，可以调整微分参数。
增大微分参数可以提高系统的抗干扰能力，但可能导致系统产生高频振荡。
串级pid参数整定方法
串级pid参数整定方法串级PID参数整定方法一、概述串级控制是一种高级控制策略，它将两个或多个PID控制器级联在一起，形成一个更复杂的控制系统。
串级控制可以实现对工业过程的更精确和更稳定的控制，提高生产效率和产品质量。
为了实现良好的串级控制效果，需要对PID参数进行适当的整定。
二、PID参数整定基础1. PID控制器结构PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。
比例部分根据误差信号直接产生输出；积分部分对误差信号进行积分，并将积分结果作为输出；微分部分计算误差信号的变化率，并将结果作为输出。
PID算法可以表示为：u(t) = Kp*e(t) + Ki*∫e(t)dt + Kd*(de(t)/dt)其中u(t)是输出，e(t)是误差信号，Kp、Ki和Kd是比例、积分和微分系数。
2. 整定方法常用的PID参数整定方法有：经验法、试错法、Ziegler-Nichols法等。
其中经验法适用于简单系统；试错法适用于复杂系统；Ziegler-Nichols法适用于大多数系统。
三、串级PID参数整定方法1. 串级控制器结构串级控制器由两个PID控制器组成，其中外层控制器（主控制器）的输出作为内层控制器（从控制器）的输入。
外层控制器通常用于调节过程变量，内层控制器通常用于调节过程变量的速度。
2. 主从控制器参数整定方法(1) 首先，将主从控制器的比例系数和积分时间设置为相同值。
然后，将微分时间设置为0。
(2) 将主从控制器的比例系数逐步增加，直到出现振荡或不稳定现象。
(3) 根据Ziegler-Nichols法计算出主从控制器的临界比例系数和临界周期。
(4) 根据临界比例系数和临界周期计算出主从控制器的最佳参数。
3. 参数调整方法在实际应用中，可能需要对PID参数进行进一步调整以满足特定要求。
常用的调整方法有：手动调整、自适应调整、模型预测调整等。
四、注意事项1. 在进行串级PID参数整定时，应保证系统处于稳态运行状态。
过程控制系统串级控制系统实验
实验一串级控制系统组成实验一、概念在串级控制系统中，采用了主、副两只控制器，其中主控制器的输出作为副控制器的给定，而由副控制器的输出去控制控制阀。
本次实验采用仪表实验装置，其内容就是让学生自行连成液位与液位及液位与流量两个串级控制系统。
二、目的要求、1．熟悉实验装置(参见实验指导书)。
2．利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L1为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统。
3．利用液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，以一阶液位F l为副变量和控制变量的液位与流量串级控制系统。
三、注意事项1．本次实践只连线路，不允许接通电源。
四、思考问题1．串级控制系统中主、副控制器的内、外给定开关应如何放置?2．试分析液位与液位串级控制系统在干扰作用下的工作过程。
3．已知控制阀为气闭式，并安装在水槽的入口处，试分析液位与液位串级控制系统中主、副控制器的正、反作用应如何选?实验二串级控制系统的投运和整定一、概述串级控制系统具有主、副两只控制器，因此投运和整定要比单回路系统复杂一些。
但只要按照先副后主的步骤循序进行，并掌握住投运和整定的要领，串级控制系统的投运和整定方法也是不难掌握的。
串级控制系统的整定方法很多，本次采用的是一步整定法。
即先根据副变量的类型，按经验数据将副控制器参数一次性放好，不再改变，然后再按单回路系统的4：1衰减曲线法直接整定主控制器的参数。
本次实验要求学生利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L l为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统，并对该系统进行投运和整定实践。
二、实验目的1．串级控制系统的投运2．串级控制系统控制器参数的整定三、实验要求1．掌握串级控制系统的投运方法。
2．掌握一步整定法整定串级控制系统控制器参数的方法。
3．要求学生根据实验的目的要求自行拟定实验步骤。
4．实验完成后一星期内每人提交一份实验报告，内容要求同前。
串级控制系统整定实验报告
串级控制系统整定实验报告实验目的：掌握串级控制系统的整定方法，了解串级控制系统的特点和优势。
实验器材：1.信号发生器2.示波器3.串级控制系统实验装置4.计算机实验原理：串级控制系统是由两个或多个级联连接的控制环路组成的。
它以内环的输出作为外环的输入，通过内环的控制作用影响外环的控制效果。
内环的任务是根据外环发送过来的控制指令对被控对象进行快速而精确的调节，外环的任务则是为内环提供稳定的控制环境，并保持内环的输出在可接受的范围内。
实验步骤：1.搭建串级控制系统实验装置，根据实验要求连接信号发生器、示波器和计算机。
2.设计合理的控制结构，确定主控制器和辅助控制器的类型和参数。
3.根据实验要求设置信号发生器的输出频率，在示波器上观察到输入和输出信号的波形。
4.在计算机上打开数据采集软件，记录输入和输出信号的数据。
5.根据采集到的数据计算系统的频率响应曲线，并分析系统的参数，包括幅频特性、相频特性和相位裕量。
6.根据分析结果对控制器的参数进行整定，使系统的稳定性和性能达到要求。
7.重复实验步骤3-6，直到系统的控制效果满足要求。
实验结果：根据实验数据计算得到的频率响应曲线显示，系统在低频段（0~10Hz）具有较大的增益，但随着频率的增加，增益逐渐减小。
相频特性显示，系统的相位随着频率的增加而呈现出先增大后减小的趋势。
相位裕量为20°，说明系统具有较好的相位裕量，有一定的稳定性。
实验结论：通过实验可以得出，串级控制系统具有较好的控制效果和稳定性。
同时，通过频率响应曲线的分析和参数的计算，可以对控制器的参数进行整定，使系统的性能得到改善。
实验中还发现，串级控制系统整定方法具有一定的难度，需要丰富的理论知识和实践经验才能得到较好的结果。
因此，在实际应用中，需要根据系统的具体情况和要求选择合适的整定方法，并进行充分的实验验证，以确保系统的控制效果和稳定性。
串级控制系统参数整定
实验三：串级控制系统参数整定PID 控制器由于自身具有的相对容易理解和实现的特点而被广泛应用于过程控制工业中。
在实践中，它经常被融入一个复杂的控制结构中，以达到一个更好的控制效果。
在这些复杂的控制结构中，通常利用串级控制组合来减小干扰引起的最大偏差和积分误差。
容易实现的优点和潜在的大控制性能的提高导致串级控制广泛应用达数十年。
它已经成为一个由工业过程控制器提供的标准应用。
串级控制系统由两个控制回路构成：一个可以快速动态消除输入干扰的内部回路，和一个可以调节输出效果的外部回路。
通常，他们是通过一个连续的方式来整定的。
首先，外部回路控制器设置为手动，对内部回路进行整定。
随后，启用内部回路的整定结果，接着整定外部回路。
如果控制效果不理想，应该调换整定的顺序。
所以，整定串级控制系统是一项相当笨重耗时的任务，特别是具有大时间常数和时间延迟的系统。
PID 自整定解除了手动整定控制器的烦恼，并且已经成功的应用于很多工业领域中。
但是，到目前为止，却很少有关于串级系统自整定技术的发展的文学报道。
其中，Li et al 利用模糊逻辑进行串级控制器的自整定。
Hang et al. 应用一个重复的延迟自动整定方法来整定串级控制系统，延迟反馈测试被验证了两次，一次在内部回路，另一次在外部回路。
虽然特殊的控制器整定已经被自动化，但整定过程的自然顺序并没有改变。
Tan 提出了一个在一个实验中实行整体整定过程的方法，但是这个实验需要过程的过去的信息。
而且，外部回路设计时所用的极限频率是基于未考虑内部回路控制参数改变的初始极限频率。
这篇论文提供了串级控制系统自整定的一种新方法。
通过利用串级控制系统的基本性能，在外部回路中利用一个简单的延迟反馈测试来确定内部和外部回路过程模型参数。
一个基于Pade 系数和Markov 参数，匹配PID 控制器整定方法的模型，被提出来控制整体系统效果。
两个例子来说明该方法的有效性。
2.串级控制系统的基本原理图1串级控制组合的结构如图1，内部回路嵌套于外部回路里，外部回路的输出变量是被控对象。
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实验一串级控制系统的构成、投运和参数整定及控制质量
研究
一、实验目的
1、加深理解串级控制系统的工作原理及特点。
2、掌握串级控制系统的设计和组成。
3、学习相关的组态软件
4、初步掌握串级控制系统的控制器参数调整方法。
二、实验设备
1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统4套
2、A3000－CS上位控制系统4套
三、实验要求
1、根据工艺要求和工况条件，设计出合理可行的串级控制系统。
（1）要求及条件
工艺要求：下水箱液位控制在某一高度上。
对下水箱液位产生影响的扰动量：若干变量。
（2）控制方案
主被控变量c1(t)、副被控变量c2(t)及操纵变量q(t)等的选择；主控制器和副控制器控制算法的选择及正、反作用的确定等。
2、掌握串级控制系统的控制器参数整定方法和系统投运步骤。
3、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。
四、实验内容
1、液位流量串级控制系统方案及工作原理
实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副被控变量，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。
以下水箱为主被控对象。
流量的改变需要经过一定时间才能反应到下水箱液位的变化，时间常数比较大（时延较大）。
如图2－1所示，
图2－1 液位－流量串级控制系统
设计好下水箱和流量串级控制系统。
将主控制器的输出送到副控制器的外给定输入端，而副控制器的输出去控制执行器。
经反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。
待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动（即，使干扰落入串级控制系统的副回路）。
若控制器的各参数设置比较理想，且扰动量较小，经过副回路的及时控制校正，基本不会影响下水箱的液位。
如果扰动量较大或控制器的各参数设置不理想，虽然经过副回路的校正，还将会影响主回路的液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动的影响，使液位调回到给定值上。
当用第一动力支路把扰动加在下水箱时（即，干扰落入串级控制系统的主回路），扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。
由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。
该串级控制系统框图如图2-2所示。
图2－2 液位－流量串级控制系统原理方框图
2、液位流量串级控制系统组态
表2－1 液位流量串级控制系统连接示意
测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口
电磁流量计FT102 AI0
下水箱液位LT103 AI1
调节阀FV101 AO0
3、液位流量串级控制系统实验内容与步骤
（1）、在A3000-FS 上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
（2）、按照表2－1进行连线。
或者按如下操作：在A3000-CS 上，将电磁流量计（FT102）连到控制器AI0输入端，下水箱液位（LT103）连到控制器AI1输入端，电动调节阀（FV101）连到控制器AO0端。
（3）、在A3000-FS 上，启动右边水泵，给中水箱注水。
（4）、首先进行副回路比例调节，获得δ值。
（5）、切换至单主回路控制。
断开电磁流量计与AI0的连线，将下水箱液位连到AI0。
调整主控制回路（调节P 、I 值即可），对主控制器或调节器进行工作量设定。
（6）、关闭阀JV205，当中水箱液位降低2cm 高度，打开阀门，观察控制曲线，等待稳定。
（7）、切换到串级控制状态（此时最好无扰动）：将电磁流量计连到副控制器输入端AI0，主控制器输出端连接到副控制器的外给定端，副控制器的输出连接到调节阀。
（8）、正确设置PID 控制器：
副控制器：纯比例（P ）控制，反作用，自动，K C2（副回路的开环增益）较大。
主控制器：比例积分（PI ）控制，反作用，自动，K C1〈 K C2（K C1主回路开环增益）。
（9）、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。
（10）、通过反复对副控制器和主控制器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。
4、液位流量串级控制系统的网络结构图：
5、控制系统的投运及运行
流量-液位串级控制系统的PID 参数采用一步法进行整定，根据经验，流量副环采用比例（P ）控制规律，设定%402=δ，液位主环采用衰减曲线法进行整定。
经过多次P 、I 值
尝试后发现当主控制器的%101=δ、I=100、D=0运行后可得比较理想的系统曲线，如下图所示：
结果分析：根据PID 控制的特性调节参数，使系统达到较满意的状态。
加阶跃信号后观察系统的动态性能。
通过增加比例系数克服扰动，但比例系数的加大会使上升速度加快，曲线变陡，造成调节阀动作幅度的加大，引起被调量的来回波动。
因为在调节参数中加大了积分的作用，降低了系统的稳定程度，使得超调量加大，但对消除余差有较好效果。
在计算机中改变PID 参数后，调节阀不能很快动作，特别是在上升到接近阶跃输入设定值时，调节阀输出值减少过慢，使液位超过设定值后仍在上升会造成超调增大。
且调节阀本身存在死区，使得调节时间加长，系统不易稳定。
但是通过PID 参数整定，使系统获得较满意的曲线图，最后可从曲线图中看出，系统的检测值与设定值一致，无偏差。
六、思考问题
1、串级控制系统有哪些主要特点？什么情况下可考虑设计串级控制？
答：（1）串级控制系统的主要特点为：具有更高的工作频率；具有较强的抗干扰能力；具有一定的自适应能力。
（2）设计时对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，对于控制质量要求较高的场所可以使用串级控制系统。
2、制定串级控制系统方案时应该注意哪几个方面的问题？
答：副回路的设计质量是保证串级控制系统优势的关键所在，其又取决于副参数的选择，一般要遵循一下原则：副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通路短，反应灵敏；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰，调节通道短与尽可能多的纳入干扰这两者间纯在的矛盾，应在设计中加以协调；,设计中应防止积分器饱和的现象。
3.串级控制系统中主、副控制器的正反作用如何选择？
答：遵循先副后主的原则，副控制器的作用方向与副对象的特征、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法是使副回路各环节放大倍数符号的乘积为“负”。
控制器正、反作用设置正确的副回路可将其视为一放大倍数为“正”的环节来看待，这样只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求，即可确定主控制器的正、反作用。
七、实验总结
通过本次实验，我将串级控制系统的构建、串级控制系统PID参数的整定应用于实际控制系统的组建之中，完成了流量-液位串级控制系统的组建和参数整定,实现了对流量和液位的串级控制。