串级控制系统的设计
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)
(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。
串级控制系统的设计
串级控制系统的设计为了充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应当合理设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。
1、主、副回路的设计原则（1）副参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。
通常串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。
因此，在设计串级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大提高。
（2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。
串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多地包括一些扰动但这将与要求副回路控制通道短，反应快相矛盾，应在设计中加以协调。
在具体情况下，副回路的范围应当多大，决定于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小副回路的范围也不是愈大愈好。
太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。
一般应使副回路的频率比主回路的频率高得多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果。
（3）主副回路工作频率应适当匹配。
由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。
如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中副参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度地波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”。
一旦发生了共振，系统就失去控制，不仅使控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。
为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取T dl =（3~10）T d2式中： T dl为主回路的振荡周期；T d2为副回路的振荡周期。
要满足上式，除了在副回路的设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。
2、主、副调节器的选型串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。
串级控制方案
串级控制方案引言串级控制（Cascaded Control）是一种常见的控制方案，通常用于处理复杂、多变的控制系统。
串级控制方案将系统拆分为多个级别，每个级别都有独立的控制器，以实现对特定过程变量的控制。
本文将介绍串级控制方案的基本原理、设计要点，并举例说明其在实际应用中的优势。
串级控制的基本原理串级控制方案由两个或多个级别组成，每个级别都有自己的控制器，而其中一个级别的输出被作为下一个级别的输入。
多个级别的控制器协同工作，使得整个控制系统能够更准确地响应于外部变化，并提高系统的稳定性和鲁棒性。
在串级控制方案中，通常将系统的过程变量划分为两个类型：一级过程变量和二级过程变量。
一级过程变量是指直接受控制器输出影响的变量，二级过程变量是指受一级过程变量控制影响的变量。
通过将系统拆分为两个或多个级别，可以更好地应对复杂的控制任务，提高系统性能。
串级控制方案的设计要点1. 级别划分要设计一个有效的串级控制方案，首先需要进行合理的级别划分。
通常情况下，一级控制变量应该是对整个系统性能有直接影响的变量，而二级控制变量是对一级控制变量有间接影响的变量。
合理的级别划分可以提高系统的控制精度和稳定性。
2. 控制器设计每个级别都需要一个独立的控制器来实现对过程变量的控制。
控制器的设计要考虑系统的响应速度、稳定性和鲁棒性。
通常情况下，一级控制器应该具有较快的响应速度，以尽快调整一级过程变量的值；而二级控制器则应更关注系统的稳定性和抗干扰能力。
3. 控制器之间的通信和协调不同级别的控制器之间需要进行通信和协调，以实现整个系统的稳定运行。
一般可以采用PID控制器、模糊控制器或者自适应控制器等方法实现控制器之间的沟通和协调。
通过合理的控制器间通信和协调策略，可以使系统达到更好的控制效果。
串级控制方案的优势串级控制方案相对于传统的单级控制方案有以下优势： 1. 提高系统的鲁棒性：通过引入多级控制，可以更好地应对外界扰动和变化，提高系统的鲁棒性。
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；
串级控制系统设计
目录1.串级控制的基本概念 (1)2.串级控制系统的原理 (1)3.串级控制系统的特点 (1)4.串级控制主、副控制器的设计 (3)5.Simulink仿真 (5)6.串级控制的改进 (6)附录 (7)参考文献 (7)1.串级控制的基本概念串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。
内环的作用是将外部扰动的影响在内环进行处理，而尽可能不使其波动到外环，这就加快了系统的快速性并提高个系统的品质，因此串级控制系统中选择内环时应考虑其响应速度要比外环快得多。
2.串级控制系统的原理串级控制在结构上形成的两个闭环，一个在闭环里面，成为内环、副环或副控回路，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起“细调”作用，最终被控量满足控制要求。
主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。
3.串级控制系统的特点（1） 副控制回路具有快速性，能够有效的克服进入副控回路的二次干扰。
图2为简化串级控制系统的结构图，其中)(2S G v 为二次干扰通道传递函数。
当二次干扰经扰动通道)(2S G v 进入副控回路后，首先影响副参数)(2S Y ，于是副控制器立即动作，力图削弱干扰对)(2S Y 的影响。
显然，干扰经副控回路的抑制后再进主控回路，对)(S Y 的影响将有较大的减弱。
按图2所示的串级系统，二次干扰)(2S V 到主参数)(S Y 的传递函数是为了与一个简单单环控制系统相比，由图3可以得到单回路控制下干扰)(2S V 至主参数)(S Y 的传递函数是比较（3.1）和（3.2），假定)()(1S D S D =,可以看到串级系统中的)()(2S V S Y 的分母中多了一项，即)()(22S G S D 。
在主控回路的工作频率下，这项乘积的系数一般较大，且随副控制器比例增益的增大而增大。
关于串级控制系统的设计
厂 ＼ ＼
、
串级控制系统就是两个控制器进行 串联 连接 ， 把主控制器 当作 主要 部分 ， 确保 主变量稳 定为 目标 ， 两个 控制器保 持统一 ， 相互协 作。 特别是在二次干扰中 ， 副控制器就会做一个 大致调节 ， 然后让 主 控制器做一个深入微调。 所 以控制 品质一定要 比普 遍控 制体 系高一 些 。两个控制器都会选取“ 反” 工作形式 。 图 １仿 真 图 利用和单 回路掌控体 系中各个性 能标 准进行 对 比， 证 明了串级 控制 系统在响应速度 、 稳定度 、 抗扰性 等多个方面都优 于单 回路控 调节 Ｐ Ｉ Ｄ参数 ， 做一个反复实验 ， 一直到这个掌控质量达到要求 。 ３ ． １ 经验整定参数表 制系统。 ２ 研 究与 开 发 ２ ． １主 、 副 变 量 的 选 择 通常情况 下 ， 科学有效的 串级控制体 系 ， 当干扰 由副回路流入 时， 最大偏差会不断削减到单 回路控 制体系 １ ／ １ ０～１ ／ １ ０ ０ ， 就算是从 主 回路进去 ， 其也能够迅速削减 到 １ ／ ３ ～１ ， ５ ， 不过 ， 假 如串级控制体 副 回路 中依照流量做一 个调控 ， 比例度要尽 可能大 ， 积分 时间 系在规划时不够科学 ， 那么其优势就无法 获得有效展现 。 主变量选取原则和单回路 控制 系统中选 取标准是统一 ， 就是选 要尽可能小。 取直接或 者间接展示生 产中商品产值 、 品质 、 环保等掌控 目标的参 根据以上原则及整定时所得参数 ，取副 回路 Ｋ ｐ ＝ ６ ０ ， Ｋ 。 ＝ １ ２ ０ ； 观 曲线振荡剧烈 ， 调节时间过长 ， 说明Ｋ 。 过大， Ｋ 。 较小。 数 当作主变量 。因为串级控制体 系中副 回路 有着 超前 功能 ， 使得工 察输出曲线 ， 重新调整 Ｋ … Ｋ 大小。 经过反复试验 ， 确定副 回路调节器 的参数 艺过程 比较稳定 ， 因此 ， 在一定程度 上允许 主变量有一 定的滞 后 ， 这 ＝ ７０， Ｋ￣ ＝９ ０。 样就给直接展示掌控 目标的参数带来 了一些空间 。 因此主变量选取 Ｋｐ 主 回路按温度控制整定。温度系统就是 因为其拥有测量变送和 原则就是 ： 在 条件可 以准许 的状况 下 ， 尽可 能选 取一些可 以直接展 示掌控 目标 的参数 当作是主变量 ， 无法操作时还能够选取和控制 目 热传递滞 后 ， 因此就 比较慢 。 比例度大概在 ２ ０到 ６ Ｏ之间 ， 主要还是 一般积分时间较 大。微 标有着一些应对联系的间接参数 当作主变量 ； 因此所选取主变量一 受到温度改变范畴 与控制阀外在尺度影 响。 分 时间一般 都是积分 时 间 １ ， ４ 。主 回路 预设初 值为 Ｋ ｐ ＝ ４ ０ ， Ｋ ｉ ＝ １ ０ ， 定是有着很快 的反应度 ； 还要整合到工艺中合理性与可行性 。 此次设 计 中是专门就精馏塔提馏段 温度 做一个 掌控 ， 综合各方 Ｋ ｄ ＝ ２ ０ 。 观察输 出曲线 ， 发现 曲线不稳定 。 按照Ｐ Ｉ Ｄ控制规律进一步 最后 明确主 回路调节器数值 Ｋ ． ＝ ３ ５ ， Ｋ 。 ＝ ７ ， Ｋ ￣ ＝ ２ ８ 。仿 面原 因及 以上主变量选择原则 ，以提馏 段温度为主变量最为合 适。 调整各项参数 ， 既能直接反映控制 目的的参数 ， 又有足够的灵 敏度 ， 而且容易实现 。 真 曲线如图 １ 。 由仿 真图可 以看 出 ， 响应 曲线呈 ４ ： １ 衰减震 荡 ， 其 中过渡 时间 ２ ． ２主 、 副控制器的选择 凡是 串级 控制系统 的场合 ， 对象特性 总有较大 的滞后 ， 本次设 要 比十秒小。基本达到预期效果。 计也不例外 ， 因此 主控制器采用三作用 Ｐ Ｉ Ｄ控制器是必要 的。 ３ 串级 控 制 技 术 的 发展 前 景 随着工业 的发展 ， 新工艺形成 ， 生产 中也不断变得强大起来 ， 对 副 回路就是随动 回路 ， 是可 以有一些余差 。副 回路不需要积分 作用 。这样可 以将副 回路的开环静态增益调整得较大 ， 以提 高克服 商 品品质需求也是在不 断提升 ， 简单 掌控体 系已经无法符合工艺需 过程掌控有着很强惯性 、 滞后 时间也 比较久等特征 。 串级控制体 扰动得能力 。但 由于本次设计 的副变量是蒸 汽流量 ， 所 以副 回路为 求 。 流量控制系统 ， 这种 系统开环增益都 比较小 ， 若不 加积分 ， 会产生很 系 就 可 以 有效 处 理 这 类 问题 。 一 个具 体 的 串级 控 制 方案 ，由于 选 择 具体 实施方法也不一样 ， 要根据具体情况 和条件 大余差 。 又 因为流量副 回路构成得等效环节 比主对象的动态滞后要 的仪器类 型不同 ， 小得多 ， 副控制器增加 积分作用也不太影 响主 回路性能 。因此这个 而定 。 如 电动或气动 ， 电动 Ｉ 型， Ⅱ型 ， 或Ⅲ型。 通常而言 ， 主控制器 中给定值就是 这些工艺设定 ， 其就是一个 固定数值 ， 所以， 其就是一 设计所获得副控制器是使用 比例和积分这个方式 。 个定值掌控体 系。而副控制体系 中给定值是主控制器给定 ， 其户因 ２ ． ３串级控制 系统 Ｐ Ｉ Ｄ参数整定 Ｐ Ｉ Ｄ最合适 参数通 常会包含 Ｋ ｃ 、 ｒ ｒ ｉ 等一 些 比较 常见 的掌控参 为主控制改变而有所改变 ， 所以， 副回路 就是一个随动体系。 本文 以串级控制系统为研究对象 ， 着重探讨 了系统参数 的取值 数， 精准迅速 选取 Ｐ Ｉ Ｄ 中最合适参数是有关 Ｐ Ｉ Ｄ控制器是不是合理 副对象 的控制器的设 计。采用 串级控制对纯滞后进行控制有 的重要步骤 ， 怎样 在具体生产里获得这些最优参数 呢？现行 的方法 和主 ， 有 有很 多种 ， 就是 因为蒸馏塔会 全天候持续生产这 个特征 ， 使用 当场 比较理想的效果 。串级控制通过副控制器对副控制对象的作用 ， 效提升 了系统 中反应速度与掌控精确度 。 经验整合法去实现一个 比较好的掌控成果 。 参 考 文 献 现场经验整定法是工作人员在具体运作 中， 就各类掌控规模对 １ １ 方康玲 ． 过 程控 制系统『 Ｍ１ ． 武汉 ： 武汉理工大学出版社， ２ ０ １ ２ ． 掌控 品质 的影响 的定性探究归纳出一些有效 、 合理并获得普遍运用 『 ２ ］ 邵惠鹤 ． 工业过程 高级控制【 Ｍ】 ． 上海 ： 上海交通 大学出版社， １ ９ ９ ７ ． 的一个方式 。 在整个过程中 ， 我们始终要把 Ｐ Ｉ Ｄ维持在先 比例 ， 然后 『 积分 ， 最后在进行微分 这个 处理办法 ， 在探 究 Ｐ Ｖ改变 情况时 ， 不 断 『 ３ １ 金 以慧 ． 过 程控 制『 Ｍ 】 ． 北京 ： 清 华 大 学 出版 社 ， ２ ０ ０ ６ ．
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⑴主、副参数的选择原则 ⑵主、副调节器调节规律的选择； ⑶主、副控制器正、反作用的选择。
2016/11/15
1
副回路包括于扰分析
管式加热炉串级控制
1、若原油较平稳，燃料压力波动大，可建立温度— 压力（流量）调节系统。 2、对原油波动较大、环境温度有变化、燃油成份波 动等干扰，可建立温度—选择应先副后主的原则选择： 1、先把副回路看成简单控制系统，按简单控制系统 确定副控制器的正、反作用； 2、将副回路等效为一个正特性，按简单控制系统确 定主控制器的正、反作用。
输入：控制阀所控制的流量 副对象 输出： 副被控变量 输入： 副被控变量
主对象
输出： 主被控变量
对原油波动较大、环境温度有变化、燃油成份波动 等干扰，用下列方案效果好。
T1C T1T
热物料 原油
T2T
T2 C 此方案副回路包含的干扰多，副对 象时间常数较大 燃 料 油
若原油较平稳，燃料压力波动大，可建立温度—压力 （流量）调节系统。
原油
热物料
TT FC TC
此方案副回路包含的干扰只有燃 气压力波动，副对象时间常数较 燃 气 小，快速性好
FT
串级控制系统主、副控制器控制规律选择
主参数如成份、温度等有更高的控制要求，主控 制器一般选用PID调节规律。 对于副控制器，它接受主调节器的输出作为外给 定起随动调节系统的作用，用副参数的快速变化 来保证主参数的不变，副控制器一般采用P作用而 不采用积分和微分，但付参数是流量对象时，副 控制器应选PI调节规律。
串级控制系统把非线性环节包含在副回路中
主、付参数的选择原则
主参数的选择原则：与单回路控制系统被控变量的选择 相同。可用于滞后大，或直接采用质量参数等为被控变 量。（比单回路控制系统被控变量的选择裕度大） 副参数选择原则： ⑴付参数的选择必须包括主要干扰，可能条件下力求包括更 多的干扰。 ⑵副回路的设计，必须使主、付参数的时间常数匹配得当 TO1 TO 2为3~10倍，否则系统无法运行，系统将振 （要求： 荡。 ⑶付回路设计，应考虑把调节通道中，非线性部分包括在付 回路中。 ⑷副回路的设计应符合工艺上的合理性（付参数的选择与简 单控制系统的操作变量的选择相同）。