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 ．
温度串级控制系统设计
温度串级控制系统设计随着科学技术的不断发展，我们已经可以在生活中使用各种各样的智能系统来方便我们的生活。
其中，温度串级控制系统已经被广泛应用于各种领域，如热处理、工业冷却、石油化工和医疗等。
本文将为您介绍温度串级控制系统的设计，包括系统组成、工作原理、应用场景等方面。
对于正在探索温度串级控制系统的设计和使用的人们，本文将提供一个有指导意义的解决方案。
一、系统组成温度串级控制系统由多个部分组成。
其中最主要的是传感器、控制器和执行器。
传感器被用来检测环境温度，它们将信号传递给控制器，控制器将利用信号来决定执行器的输出。
执行器（如气缸、阀门等）会对环境进行调节，以使环境温度达到设定的目标值。
此外，系统还包括人机界面（HMI）、电源等。
二、工作原理温度串级控制系统的工作过程可以分为两个阶段。
首先是检测环境温度的阶段，传感器负责检测环境温度并将信号传递给控制器。
然后是控制环境温度的阶段，在此阶段中控制器判断环境温度与设定值之间的差异，然后决定执行器的输出，以改变环境温度。
在此过程中，人机界面提供了一个交互和设置环境温度的方式，电源则用于供电。
三、应用场景温度串级控制系统在许多领域中都有广泛的应用，例如：1.热处理:温度串级控制系统可用于钢铁、铝和合金等材料的热处理过程中，以确保产出品质。
2.工业冷却:温度串级控制系统可用于控制冷却水温度，以确保冷却效果，提高效率并减少材料消耗。
3.石油化工:温度串级控制系统可用于石油化工过程中的蒸汽、加热和混合等过程的联合控制，以确保生产效率并降低成本。
4.医疗:温度串级控制系统可用于医院和实验室中的恒温设备和制冷设备，以控制环境温度，确保实验和治疗的效果。
总之，温度串级控制系统是在许多领域中广泛应用的一种重要智能系统，它可自动调整环境温度以确保生产和实验的质量，提高效率并减少能源消耗。
当您需要设计和使用温度串级控制系统时，本文提供了一个解决方案，并可以提供有关系统组成、工作原理和应用场景的指导意义。
加热炉温度串级控制系统(设计部分)
加热炉温度串级控制系统设计摘要：生产自动控制过程中 ,随着工艺要求 ,安全、经济生产不断提高的情况下 ,简单、常规的控制已不能适应现代化生产。
传统的单回路控制系统很难使系统完全抗干扰。
串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量，因此在复杂的过程控制工业中得到了广泛的应用．对串级控制系统的特点和主副回路设计进行了详述，设计了加热炉串级控制系统，并将基于MATLAB的增量式PID算法应用在控制系统中．结合基于计算机控制的PID参数整定方法实现串级控制，控制结果表明系统具有优良的控制精度和稳定性．关键词：串级控制干扰主回路副回路Abstract:Automatic control of production process, with the technical requirements, security, economic production rising cases, simple, conventional control can not meet the modern production. The traditional single-loop control system is difficult to make the system completely anti-interference. Cascade control system with good anti-jamming capability, rapidity, flexibility and quality control, and therefore a complex process control industry has been widely used. Cascade control system of the characteristics and the main and sub-loop design was elaborate, designed cascade control system, furnace, and MATLAB-based incremental PID algorithm is applied in the control system. Combination of computer-based control method to achieve PID parameter tuning cascade control, control results show that the system has excellent control accuracy and stabilityKeywords:Cascade control, interference, the main circuit, the Deputy loop目录1.前言 (2)2、整体方案设计 (3)2.1方案比较 (3)2.2方案论证 (5)2.3方案选择 (5)3、串级控制系统的特点 (6)4. 温度控制系统的分析与设计 (7)4.1控制对象的特性 (7)4.2主回路的设计 (8)4.3副回路的选择 (8)4.4主、副调节器规律的选择 (8)4.5主、副调节器正反作用方式的确定 (8)5、控制器参数的工程整定 (10)6 、MATLAB系统仿真 (10)6.1系统仿真图 (11)6.2副回路的整定 (12)6.3主回路的整定 (13)7.设计总结 (16)【参考文献】 (16)1.前言加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一。
简述串级控制系统的设计原则。
简述串级控制系统的设计原则。
串级控制系统是一种广泛应用于各种控制系统中的控制方式。
串级控制是一种将多个层次的控制器组成的分层结构，在控制层面实现从上层到下层的控制。
这种控制方式，可以让上层控制器负责整体控制，而下层控制器负责分层控制，将系统控制复杂度降低，并且可以有效地提高控制系统的整体性能。
串级控制系统的设计原则是一组指导串级控制系统的设计原则。
它可以指导设计人员在设计串级控制系统时应遵守的原则，以达到最佳性能。
这些原则主要涉及系统的控制能力、可靠性、安全性、易用性、灵活性和普适性。
第一，控制能力。
串级控制系统的控制能力是指控制系统的性能指标，要求系统具有足够的控制能力来保证系统稳定可靠地运行。
第二，可靠性。
串级控制系统的可靠性是指控制系统的能力，要求系统具有足够的可靠性，确保系统的运行可以长期稳定可靠地进行。
第三，安全性。
串级控制系统的安全性是指系统的能力，要求系统能够在可控范围内实现安全控制，以防止发生不可控的意外情况。
第四，易用性。
串级控制系统的易用性是指系统的能力，要求系统具有良好的用户友好性，以方便用户在控制环境中使用系统。
第五，灵活性。
串级控制系统的灵活性是指系统的可拓展性，要求系统可以根据不同的应用场景进行拓展，使系统有更好的灵活性。
第六，普适性。
串级控制系统的普适性是指系统的可拓展性，要求系统可以满足各种应用场景的要求，并具有较强的可移植性。
总之，以上是串级控制系统的设计原则，主要包括控制能力、可靠性、安全性、易用性、灵活性和普适性。
这些原则可以指导设计人员在设计串级控制系统时应该遵守的原则，以达到最佳性能。
串级控制系统的优势在于它可以将系统的控制复杂度降低，并可以提高系统的可靠性、安全性和易用性。
因此，串级控制系统是当今许多控制环境中应用最广泛的控制方案，它将为许多应用场景提供更好的控制效果。
此外，在设计串级控制系统时，串级控制系统原则还可以指导开发人员在设计控制系统时，应该采用怎样的技术、结构、参数等，以获得最优的控制效果。
dcs串级控制方案
DCS串级控制方案引言在工业控制领域，DCS（分散控制系统）串级控制方案是一种常用的控制策略。
它通过将不同的控制系统串联起来，以实现更复杂的系统控制。
本文将介绍DCS串级控制方案的基本原理、应用场景和开发步骤。
基本原理DCS串级控制方案基于主从结构，其中一个控制器充当主控制器，其他控制器则作为从控制器。
主控制器负责整体控制和决策，从控制器则负责局部控制和执行。
主控制器通过传递控制指令和接收状态反馈来实现对从控制器的控制。
主控制器将整体的控制目标分解成多个子控制目标，并将其分配给各个从控制器。
从控制器根据接收到的控制指令和状态反馈进行局部控制，然后将结果返回给主控制器。
通过将多个控制器串联起来，DCS串级控制方案可以实现对复杂系统的控制。
主控制器可以根据系统的整体性能和目标，动态地调整从控制器的工作方式和控制策略。
应用场景DCS串级控制方案适用于许多工业领域的控制应用，特别是在处理复杂的物理或化学过程时。
以下是一些常见的应用场景：1.化工厂中的流程控制：DCS串级控制方案可以用于调节化工流程中的温度、压力和液位等参数，以确保生产过程的稳定性和安全性。
2.电力系统中的发电控制：DCS串级控制方案可以用于调节发电厂的负荷平衡和频率稳定，以确保电力系统的可靠性和效率。
3.智能建筑中的能源管理：DCS串级控制方案可以用于智能建筑系统中的能源优化和节能控制，以提高能源利用效率并降低能源成本。
开发步骤步骤1：系统需求分析在开发DCS串级控制方案之前，首先需要进行系统需求分析。
这包括定义系统的控制目标、性能要求和功能需求等。
同时，还需要评估系统的复杂性和可行性，以确定是否适合使用DCS串级控制方案。
步骤2：控制器设计在设计DCS串级控制方案时，需要确定主控制器和从控制器的结构和功能。
主控制器负责全局控制和决策，可以采用PID控制器、模糊控制器或其他高级控制算法。
从控制器负责局部控制和执行，通常采用PID控制器或其他简单的控制算法。
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）
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D（2 S） D（1 S）
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§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：
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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
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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。
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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。
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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。
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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
dcs水泵压力串级控制系统的设计
dcs水泵压力串级控制系统的设计简介本文档旨在介绍dcs水泵压力串级控制系统的设计。
水泵压力串级控制系统是一种用于调节水泵压力的系统，通过控制多个水泵的运行来实现对压力的控制。
设计原理水泵压力串级控制系统的设计基于以下原理：- 通过传感器监测水泵的出口压力，作为反馈信号。
- 根据设定的目标压力，通过控制主泵和辅助泵的运行，以实现对水泵压力的调节。
- 利用PID控制算法，对主泵和辅助泵的运行速度进行调节，以达到稳定的压力控制效果。
系统组成水泵压力串级控制系统主要由以下组件组成：- 传感器：用于监测水泵出口压力的传感器。
- 主泵：负责提供大部分的压力输出。
- 辅助泵：辅助主泵，用于在需要更多压力输出时提供额外支持。
- 控制器：使用PID控制算法，通过控制主泵和辅助泵的运行，实现对压力的调节。
- 人机界面：用于设定目标压力和监控实时压力的界面。
设计步骤设计dcs水泵压力串级控制系统的步骤如下：1. 确定需求：根据实际应用需求，确定所需的目标压力范围和控制精度。
2. 选择传感器：选择适用的压力传感器，安装在水泵出口，以实时监测压力信号。
3. 选择主泵和辅助泵：根据需求确定所需的主泵和辅助泵的类型和性能参数。
4. 设计控制算法：根据目标压力和实时压力信号，设计PID控制算法，并进行参数调优。
5. 确定控制策略：根据算法设计，确定主泵和辅助泵的控制策略，如启停、转速调节等。
6. 编程实现：使用相应的编程语言，编写控制器的程序，并与传感器和泵进行连接。
7. 调试测试：进行系统调试和测试，验证系统的控制效果和稳定性。
8. 优化改进：根据测试结果，对系统进行优化改进，以达到更好的控制效果。
结论dcs水泵压力串级控制系统的设计是一项复杂而重要的工程任务。
通过合理选择传感器、泵和控制算法，并进行有效的系统设计和调试，可以实现对水泵压力的精确控制，满足实际应用的需求。
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。
串级控制系统设计
串级控制系统设计串级控制系统是由多个控制回路串联组成的控制系统。
它适用于那些要求更高的系统，需要更加精确和稳定的控制。
在串级控制系统中，分别有一个主要控制回路和一个或多个次级控制回路，主要控制回路负责整体控制系统的目标，次级控制回路负责对主要控制回路的输出进行修正，以达到更高的控制精度和稳定性。
串级控制系统设计的关键是确定主要控制回路和次级控制回路的结构和参数。
在设计主要控制回路时，需要考虑系统的目标和性能要求，并选择适合的控制器类型（如比例控制、比例积分控制或比例积分微分控制）。
同时，还需要根据系统动态特性对主要控制回路进行参数调整，以实现快速而稳定的响应。
次级控制回路的设计通常是根据主要控制回路输出的误差信号来进行的。
次级控制回路的作用是修正主要控制回路的输出，以进一步提高系统的控制精度。
次级控制回路可以采用不同的控制器类型，如比例控制或预测控制。
在设计次级控制回路时，需要考虑其对主要控制回路的影响，并调整其参数以实现理想的修正效果。
在串级控制系统设计中，还需要考虑控制回路之间的耦合问题。
具体来说，主要控制回路的输出应当能够适应次级控制回路的要求，并且次级控制回路的输出对主要控制回路的性能影响应当最小化。
为了实现这一点，可以采用信号分离和滤波等技术来减小回路之间的耦合。
另外，串级控制系统设计还需要考虑反馈环节的设计。
反馈环节可以提供对系统状态的实时监测，并利用这些信息对控制回路的输出进行修正。
在串级控制系统中，反馈环节通常位于主要控制回路之后，以便对主要控制回路输出的误差进行修正。
反馈环节的设计应当考虑系统的稳定性和鲁棒性，以确保系统能够稳定运行并对扰动有良好的抑制能力。
最后，串级控制系统设计还需要进行模拟和调试。
通过模拟和调试可以验证设计的有效性，并对系统性能进行评估。
模拟和调试可以通过数学模型和仿真软件来进行，以避免对实际系统造成不必要的干扰和损坏。
总结起来，串级控制系统设计是一个复杂的过程，需要考虑系统的目标和要求、主要控制回路和次级控制回路的设计、控制回路之间的耦合问题和反馈环节的设计等因素。
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。
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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
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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）。