串级控制器正反作用的选择原则
常用串级和分程控制(介绍)
概述
解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定。
FC
TC
问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾
温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制 系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。
概述
串级控制系统：两套控制系统的协调控制
FC
TC
特点：两个控制器，一个调节阀
- PID正反作用确定 . 先确定副控制器 调节阀选为气开型(故障关FC),特性为正作用; 流
量偏大时,阀门流通量应少, 对象特性为反作用; 所以 PID控制器应选正作用;
调节阀选为气关型(故障关FO),特性为反作用, PID控制器应选反作用;
串级控制系统
. 再确定主控制器 主控制器PID特性,不再需要考虑阀门特性和
一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器 （副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀ຫໍສະໝຸດ 述温度控制器流量控制器
控制阀
流量变送器
温度变送器
流量对象
温度对象
特点：两个闭环环路，内环和外环 内环：副环，副控制器、副对象、副变送器 （流量） 外环：主环，主控制器、主对象、主变送器 （温度）
概述
主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制
例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰
串级控制系统的特点
串级系统具有一定的自适应能力
自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条 件的变化，不断修改副控制器的给定值——自适应能力 “能力有限”，自适应控制（现代控制技术）
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。
串级控制系统
控制器、执行器和被控对象三个环节的作用 方向。
执行器及被控对象的正、反作用
执行器的作用方向： 1.气开阀是正作用方向。 2.气关阀是反作用方向。 3.气开或气关型式从工艺安全角度来确定。
被控对象的作用方向： 1.被控变量随操纵变量增加而增加的对象是正作 用方向。 2.被控变量随操纵变量的增加而降低的对象是反 作用方向。
串级控制系统中副回路的确定
1.主、副回路应有一定的内在联系； 2.副回路应尽可能多地包含干扰因素；
主要干扰应包含在副回路中；在可能条件下，使副回 路包含较多的次要干扰； 3.注意主、副回路的时间匹配，防止“共振”；
1.主副变量间应有一定的内在联系
1)选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量； 管式加热炉的温度串级控制系统中，选择的副变量是燃 料进入量至原料油出口温度通道中间的一个变量，即炉 膛温度。由于它的滞后小、反应快, 可以提前预报主变量 的变化。 2)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。
管式加热炉串级控制系统
生产实践中，往往根据炉膛温度的变化，先改变燃料量， 然后再根据原料油出口温度与其给定值之差，进一步改 变燃料量，保持原料油出口温度的恒定。
管式加热炉串级控制系统基本工作原理
“粗调”作 用。 “细调”作用。 两个控制器协同工作直到原料油出口温度重 新稳定在给定值。
管式加热炉串级控制系统的方框图
2. 干扰作用于主对象
某一时刻，由于原料油的进口流量或温度变化，F2不存 在，只有F1作用于温度对象1上。
结论：在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由 于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到 稳定主变量的目的。
串级控制系统主控制正反作用的判断方法
串级控制系统主控制正反作用的判断方法1. 引言串级控制系统是一种常见的控制系统结构，它由多个级联的控制回路组成，其中每个回路负责控制系统的一部分。
主控制是串级控制系统中的关键部分，它决定了系统的整体性能。
主控制需要根据系统的反馈信息来判断正反作用，并做出相应的调整，以实现系统的稳定性和性能要求。
本文将介绍串级控制系统主控制正反作用的判断方法。
首先，我们将讨论什么是正反作用，以及为什么需要判断正反作用。
然后，我们将介绍几种常用的判断方法，并分析它们的优缺点。
最后，我们将总结本文的主要内容。
2. 正反作用的概念和意义正反作用是指控制系统中控制器输出信号与被控对象响应信号之间的关系。
如果控制器的输出信号与被控对象的响应信号同向变化，即控制器输出增加，被控对象响应也增加，那么我们称之为正作用。
相反，如果控制器的输出信号与被控对象的响应信号反向变化，即控制器输出增加，被控对象响应减小，那么我们称之为反作用。
正反作用的判断对于串级控制系统的稳定性和性能至关重要。
如果正反作用判断错误，可能导致系统不稳定或性能下降。
因此，我们需要准确判断正反作用，并根据判断结果进行相应的调整。
3. 判断正反作用的方法3.1 预先设定法预先设定法是最简单的判断正反作用的方法之一。
在这种方法中，我们根据被控对象的特性和系统的设计要求，预先设定正反作用的方向。
然后，通过观察控制器输出信号和被控对象响应信号的变化关系，判断实际的正反作用是否与预先设定的方向一致。
预先设定法的优点是简单易行，不需要过多的计算和分析。
然而，它的缺点也很明显，即无法考虑到系统的实际情况和动态变化。
如果系统的特性发生变化或者设计要求不准确，预先设定的正反作用方向可能是错误的，导致系统的稳定性和性能下降。
3.2 试控法试控法是一种通过实际试控来判断正反作用的方法。
在这种方法中，我们先设定一个控制器输出信号的初始值，并观察被控对象的响应。
然后，我们逐步调整控制器输出信号的大小，并观察被控对象的响应变化。
判断控制器正反作用
如果是串级控制回路，如图所示，它是一个加热炉出口温度对阀后压力的串级调节系统。
当燃料气压力变化时，副调节器动作使压力保持恒定，克服其可能给出口温度来的波动。
当出口温度变化时，温度调节器发出信号，改变副调节的给定，加减燃料量维护出口温度的稳定。
调节作用判定如下：
就以加热炉为例，对于副回路：其对象阀开大压力上升，则控制对象的特性为A 为“+”，选择合适的阀门气开（B取+），变送器输入变量增大（压力升高），输出信号也增大（毫安值变大）则为“+”。
根据上面的方法，判定副调节器为反作用，取“-”。
对于主回路：其对象阀开大，温度上升为正，对象的特性为A为“+”,气开阀为正，参数B为“+”，变送器的输入变量增大（温度升高），输出信号也增大（毫伏值变大），变送器为正，C为“+”，副调节器为反作用，取参数D为“-”。
A*B*C*D =负,因为选择主回路要使与各环节的乘积一致，所以主回路应该为“-”，主回路为反作用。
检查，当出口温度上升，主调节器输出减小，副调节器给定小于测量（TC 的输出为PC的给定值S.P，PT的输出为PC的测量值，给定值减小等效于给定值不变，测量值增大，反之亦然），反作用使输出减小，气开阀关闭，使出口温度下降，作用正确。
调节器的正反作用简单判定方法
调节器的正反作用设置原理：实际上，调节器的正反作用通常根据PID控制的闭环回路负反馈的原则设置。
（1）现场各种检测仪表一般都认为是正作用的；（不考虑其正反作用）（2）气动调节阀门的正反特性由阀门定位器、执行机构的特性共同组成。
①定位器的正反作用（不考虑其正反作用）输入信号4mA时输出气压最小，输入信号是20mA时输出气压最大，正作用；反之则为反作用。
从理论上说，智能电气阀门定位器可以调校为正作用或者反作用，但是我们在做回路分析时，我们只是以阀门的特性为研究对象，即根据回路特性确定阀门为正作用或者反作用，如果阀门定位器选择反作用，那么也就意味着阀门的执行机构和阀门结构正反作用要调整，也就是说，阀门从结构上做不到气源故障安全位置。
所以说，从实践执行的角度来讲，阀门定位器几乎可以认为永远的正作用，除非使用场合有非常特殊的要求。
②执行机构的正反作用（需要考虑）：气源压力由小变大时，阀门由关到开为正作用，反之为反作用。
气开、电开为正；气关、电关为负。
（3）被控对象正反作用（需要考虑）：当阀门增大时，被控对象也增加为正作用，反之为反作用。
简化后：DCS单回路的调节器的正反作用判定：被控对象×调节器×调节阀= 负反馈DCS串级回路副回路的调节器的正反作用判定：副控对象×调节器×调节阀= 负反馈DCS串级回路主回路的调节器的正反作用判定：主控对象×副控对象×调节器= 负反馈备注：调节阀一般由工艺、安全等原因事先确定气开（FC）、气关（FO）。
被控对象特性由工艺决定，例如温度控制系统：加热工艺中测量值大于设定值，阀门需要关小，被控对象为正作用；冷却工艺中测量值大于设定值，阀门需要开大，被控对象为反作用。
过程控制仪表及控制系统_课后习题答案(林德杰)简答题
6－7 在某生产过程中，冷物料通过加热炉对其进行加热，热物料温度必须满足生产工艺要求，故设计图所示温度控制系统流程图，画出控制框图，指出被控过程、被控参数和控制参数。
确定调节阀的流量特性、气开、气关形式和调节器控制规律及其正、反作用方式。
解：系统方框图：被控过程为加热炉；被控参数是热物料的温度；控制参数为燃料的流量。
加热炉的过程特性一般为二阶带时延特性，即过程为非线性特性。
因此，调节阀流量特性选择对数特性调节阀。
根据生产安全原则，当系统出现故障时应该停止输送燃料，调节阀应选用气开式。
即无气时调节阀关闭。
控制器的正反作用的选择应该在根据工艺要求，原则是：使整个回路构成负反馈系统。
控制器的正、反作用判断关系为：（控制器“±”）·（控制阀“±”） ·（对象“±”）＝“－” 调节阀：气开式为“＋”，气关式为“－”； 控制器：正作用为“＋”，反作用为“－”；被控对象：按工艺要求分析，通过控制阀的物量或能量增加时，被控制量也随之增加为“＋”；反之随之降低的为“－”； 变送器一般视为正作用。
根据安全要求，调节阀选气开式Kv 为正，温度变送器Km 一般为正，当调节器增加时，温度值增加，故过程（对象）为正，为了保证闭环为负。
所以调节器应为负作用。
6－8 下图为液位控制系统原理图。
生产工艺要求汽包水位一定必须稳定。
画出控制系统框图，指出被控过程、被控参数和控制参数。
确定调节阀的流量特性、气开、气关形式和调节器的控制规律及其正反作用方式。
解：控制系统框图如下图所示。
被控过程为汽包；被控参数是汽包的液 位；控制参数为给水的流量。
汽包的过程特性为一阶带时延特性，即过程为非线性特性。
因此，调节阀流量特性选择对数特性调节阀。
根据生产安全原则，当系统出现故障时应该停止输送燃料，调节阀应选用气关式。
即无气时调节阀打开。
保证在控制出现故障时，汽包不会干烧。
调节阀：选择气关式调节阀，故KV 为“－”；被控对象：按工艺要求分析，通过给水增加时，被控制参数的液位也会增加。
串级控制系统
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；
2021春季国家开放大学考试试题及答案
1、数字化工厂数据分层、逐级传递。
答案：错2、高级报警管理(AAS)软件通过OPCDA、OPCAE接口读取DCS、PLC或者SIS的数据，传送到AAS服务器，进行存储、处理，并通过客户端查看各种实时/历史数据、统计报表等。
答案：对3、实时优化的层次结构中，生产计划属于时间层面的月/年级别，集散控制系统则属于分级。
答案：错4、基于操作经验的参数优化只需要保证机房正常运行，几乎不需要维护。
答案：对5、离子膜烧碱装置的先进控制系统中，要实现安全环保需求、自动化需求和优化运行需求。
答案：对6、模糊控制的特点是是不需要建立被控对象的数学模型。
答案：对7、过程模型的建模方法一般有两种：机理建模——用于模拟优化和软测量等，测试建模——用于先进控制等。
答案：对8、主要干扰是可测而不可控的变量时，可以采用前馈-系统答案：对9、被控对象的作用方向：当操纵变量增加(或减小)时，被控变量也增加(或减小)的对象属于正”作用;反之属于反”作用。
被控对象的作用方向是由工艺机理确定的。
答案：对10、余差C的定义：控制系统过渡过程结束时，设定值与被控变量稳态值之差。
答案：对11、调节阀接受控制器发出的控制信号，把()控制在所要求的范围内，从而达到生产过程的自动控制。
A、扰动量B、操纵变量C、偏差D、被控变量答案：被控变量12、()反映了系统的稳定性，()反映了系统的快速性，()反映了系统的准确性A、最大超调量和震荡次数调整时间稳态误差B、调整时间稳态误差最大超调量和震荡次数C、最大超调量和震荡次数稳态误差调整时间D、调整时间最大超调量和震荡次数稳态误差答案：最大超调量和震荡次数调整时间稳态误差13、过程纯滞后时间(τp)的基本定义：()A、过程输入施加激励至对象开始变化平稳所需要的时间B、过程输入施加激励至过程输出开始变化所需要的时间C、过程输入施加激励至过程输出平稳之后所需要的时间D、过程输出开始变化至过程输出变化平稳所需要的时间答案：过程输入施加激励至过程输出开始变化所需要的时间14、过程增益(Kp)一般包含哪三部分a、变量、数值与等式b、符号、数值与单位c、变量、数值与单位d、符号、数值与等式答案：符号、数值与单位15、关于过程特性参数K，T，τ，这三个参数的取值描述了一个实际被控过程的基本特性，其中K反映()，而T、τ反映了过程的()A、静态特性动态特性B、响应速度放大倍数C、动态特性静态特性D、放大倍数响应速度答案：静态特性动态特性16、串级控制中控制策略的选择中，主控制通常采用()控制律A、PIB、PDC、PD、PID答案：PID17、均匀控制PID参数的整定哪种说法是不正确的()A、对于串级均匀控制系统的副调节器，一般应选择比例积分(PI)作用，按单回路控制系统工程整定法确定其PI参数。
常用复杂控制系统之串级控制原理
先副回路， 后主回 路 情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度 升高
出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。
情况三：一次干扰和二次干扰同时
存在 主、副变量同向变化
主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化， 使得炉出口温度很快恢复到设定值。
偏差大，控制质量差。
方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）
流量检测 变送器
期望 流量
流量控 制器
存在的问题：
在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入 口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间 接控制系统无法将变化了的温度调回来；
管式加热炉出口温度的间接控制（2）
期望炉膛 温度
返回
Kc2 K 2 ( K c 2 K 2 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。
串级控制系统的设计
一、主变量的选择
与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映 生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求 的参数作为主变量。
Z1 ( s ) E1 ( s )
F1 ( s )
WV ( s )
-
X 2 (s) Wc1 ( s ) +
Z 2 (s)
E2 (s)
+
Wc 2 ( s )
-
+
Y (s) W02 ( s ) 2 +
+
W01 ( s )
Y1 ( s )
Wm 2 ( s )
Wm1 ( s )
输出对于输入的传递函数：
复杂过程控制系统--串级控制专业教学
2.被加热物料的流量和初温变化f1(t)----一次扰动 或主回路扰动
7
技术教育
3.一次扰动和二次扰动同时存在
假设调节阀为气开式，主、副调节器均为反 作用。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参 数同时增大或同时减少，主、副调节器对调节阀 的控制方向是一致的，即大幅度关小或开大阀门， 加强控制作用，使炉出口温度很快调回到给定值 上。
串级控制系统主回路是一个定值控制系统。主 参数的选择和主回路的设计可以按照单回路控制 系统的设计原则进行。串级控制系统的设计主要 是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路 关系的考虑。
1．副回路应包括尽可能多的扰动
副回路对于包含在其内的二次扰动以及非线 性、参数变化有很强的抑制能力与一定的自适应 能力，因此副回路应包括生产过程中变化剧烈且 幅度大的主要扰动。
❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示：
QC2
(s)
=
Y1 (s)/X 1 (s) Y1(s)/F2 (s)
=
WC1 (s)W'02 (s) W *02 (s)
=
WC1
(s)WC2
(s)WV
(s)
14
技术教育
为了与单回路控制系统比较，用同样方法可得 出单回路控制系统(图4—1a)输出Y(s)对输入 X(s)的传递函数。
副调节器选P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。一般不引入积分(会延长控制过程， 减弱副回路的快速作用)。也不引入微分(副回路本 身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作 过大，对控制不利)。
29
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。
串级控制系统主控制正反作用的判断方法
串级控制系统主控制正反作用的判断方法
串级控制系统主控制的正反作用判断方法可以通过以下步骤进行：
1. 确定系统的主要目标：确定控制系统的主要目标是什么，例如温度控制系统的目标可能是维持温度在一个特定的范围内。
2. 确定主控制器输出与被控制变量之间的关系：分析主控制器的输出和被控制变量之间的关系，通常使用反馈控制方式。
如果主控制器的输出与被控制变量正相关，则认为主控制具有正作用；如果主控制器的输出与被控制变量负相关，则认为主控制具有反作用。
3. 设定控制系统的参考值：确定控制系统的期望输出或目标值，例如温度控制系统的参考值可能是设定的温度值。
4. 检测主控制器的输出：通过检测主控制器的输出与参考值之间的差异来确定控制的正反作用。
如果主控制器的输出增加了以接近参考值，那么可以认为主控制具有正作用；如果主控制器的输出减小了以接近参考值，那么可以认为主控制具有反作用。
需要注意的是，这种判断方法可能需要进行实际的系统测试和调试，并根据实际情况进行调整和优化。
同时，还需要考虑到系统的动态响应和稳定性等因素。
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
过程检测与控制技术应用项目六任务4主副控制器的控制规律、正反作用的选择及参数整定
——正作用
主、副控制器正反作用的选择（7）
2. 主控制器作用方向的选择
当工艺过程需要时，控制阀由气开改为气关时, 只改变副控制器的正反作用而不需要改变主控制 器的正反作用。
主、副控制器正反作用的选择（8）
2. 系统串级与主控切换的条件
串级切换为主控：主控制器的输出代替原先的 副控制的输出去控制执行器； 主控切换为串级：数控制器的输出代替主控制 器的输出去控制执行器。
δ /% δ s′ 1.2δ s ′ 0.8δ s ′
TI/min
2T升 1.2T升
TD/min 0.4T升
控制器参数整定与系统投运（5）
共振问题
如果主、副对象时间常数相差不大，动态联系密切， 可能会出现“共振”现象。
可适当减小副控制器比例度或积分时间，以达到减 小副回路操作周期的目的。同理，可以加大主控制器的 比例度或积分时间，以期增大主回路操作周期，使主、 副回路的操作周期之比加大，避免“共振”。
主、副控制器正反作用的选择（5）
2. 主控制器作用方向的选择
主变量θ1或副变量θ2增 加时，都要求开大控制阀， 增加冷水的供应量，才能使 θ1或θ2降下来，所以此时主 控制器T1C应确定为反作用 方向。
主、副控制器正反作用的选择（6）
2. 主控制器作用方向的选择
主变量θ1 ——出口温度增 加时，开大控制阀
控制器参数整定与系统投运（4）
表12-3 4∶1衰减曲线法控制器参数计算表
控制作用 比例 比例+积分 比例+积分+微分
δ /%
δs 1.2δ s 0.8δ s
TI/min
0.5TS 0.3TS
TD/min 0.1TS
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。
过程控制系统试题一
过程控制系统试题一一、选择题（10×3分）1、过程控制系统由几大部分组成，它们是：( c )A.传感器、变送器、执行器B.控制器、检测装置、执行机构、调节阀门C. 控制器、检测装置、执行器、被控对象D. 控制器、检测装置、执行器2、在过程控制系统过渡过程的质量指标中, ( A )反映控制系统稳定程度的指标A.超调量B.衰减比C.最大偏差D.振荡周期3、下面对过程的控制质量没有影响的是: ( D )A .控制通道放大倍数K O B.扰动通道放大倍数K fC.扰动通道时间常数D.扰动通道纯滞后时间4、在对象特性中，( )是静特性。
A. 放大系数ΚB. 时间常数TC.滞后时间τD.传递函数5、选择调节参数应尽量使调节通道的( )A.功率比较大B.放大系数适当大C.时间常数适当小D.滞后时间尽量小6、在简单控制系统中，接受偏差信号的环节是( )。
A .变送器 B. 控制器, C. 控制阀 D. 被控对象7、下列说法正确的是( )。
A. 微分时间越长，微分作用越弱；B. 微分时间越长，微分作用越强；C. 积分时间越长，积分时间越弱；D. 积分时间越长，积分时间越强。
8、调节阀按其使用能源不同可分为( )三种。
A．电动B．液动C．气动 D．压动9、打开与控制阀并联的旁路阀，会使可调比(A)。
A.变小B.变大C.不变D. 为零10、串级控制系统主、副对象的时间常数之比，T01/T02＝( )为好，主、副回路恰能发挥其优越性，确保系统高质量的运行。
A. 3～10B. 2～8C. 1～4D. 1～2二、判断题（10×2分）1、过程控制系统中，需要控制的工艺设备(塔、容器、贮糟等)、机器称为被控对象。
( )2、调节阀的结构形式的选择首先要考虑价格因素。
( )3、当生产不允许被调参数波动时，选用衰减振荡形式过渡过程为宜。
( )4、临界比例度法是在纯比例运行下进行的。
通过试验，得到临界比例度δK和临界周期T K，然后根据经验总结出来的关系，求出调节器各参数值。
化工仪表与自动化知识点
知识点1自动化系统的分类:自动检测系统，自动信号和联锁保护系统，自动操纵及自动开停车系统，自动控制系统知识点2开环系统：自动机在操作时，一旦开机，就只能是按照预先规定好的程序周而复始地运转。
这时被控变量如果发生了变化，自动机不会自动地根据被控变量的实际工况来改变自己的操作。
闭环系统：有针对性地根据被控变量的变化情况而改变控制作用的大小和方向，从而使系统的工作状态始终等于或接近于所希望的状态。
知识点3自动控制系统的分类：定值控制系统，随动控制系统，程序控制系统知识点4静态——被控变量不随时间而变化的平衡状态（变化率为0，不是静止）。
动态——被控变量随时间变化的不平衡状态。
知识点5控制系统的品质指标假定自动控制系统在阶跃输入作用下，被控变量的变化曲线如下图所示，这是属于衰减振荡的过渡过程知识点6研究对象的特性，就是用数学的方法来描述出对象输入量与输出量之间的关系。
这种对象特性的数学描述就称为对象的数学模型。
分为静态数学模型和动态数学模型知识点7数学建模有机理建模，实验建模和混合建模知识点8放大系数：在稳定状态时，对象一定的输入就对应着一定的输出，这种特性称为对象的静态特性。
K 在数值上等于对象重新稳定后的输出变化量与输入变化量之比。
K 越大，就表示对象的输入量有一定变化时，对输出量的影响越大，即被控变量对这个量的变化越灵敏。
时间常数越大，表示对象受到干扰作用后，被控变量变化得越慢，到达新的稳定值所需的时间越长。
当对象受到阶跃输入后，被控变量达到新的稳态值的63.2％所需的时间，就是时间常数T ，实际工作中，常用这种方法求取时间常数。
显然，时间常数越大，被控变量的变化也越慢，达到新的稳定值所需的时间也越大。
知识点9大气压力绝对压力表压p p p -=绝对压力大气压力真空度p p p -=知识点10弹性式压力计:弹性式压力计是利用各种形式的弹性元件，在被测介质压力的作用下，使弹性元件受压后产生弹性变形的原理而制成的测压仪表。
5.1 串级控制系统
主、副变量间应有一定的内在联系，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。
图10-4 精馏塔塔釜温度与加热蒸汽 流量串级控制系统 1-精馏塔；2-再沸器
5.1.3 控制器参数的工程整定
两步整定法：先整定副环，再稳定主环。 系统运行工况稳定后，主、副控制器运行在纯比例作
用条件下，将主控制器比例度1调到100%，逐渐减小副 控制器比例度2，按4:1（或其它比值）衰减曲线法整定 副环，获得副环相应的2s和T2s。
在副环2=2s条件下，逐渐减小主控制器比例度1， 按4:1衰减曲线法整定主环，获得主环相应的1s和T1s。
干扰F1作用于主对象 主回路控制，及时改变副变量的数值 ，稳定主变量。
干扰（ F2 、 F1 ）同时作用于副对象和主对象 作用方向相同，主、副回路共同控制，加强、加快；
作用方向相反，主、副控制能相互抵消一部分，控制平稳。
串级控制系统结构:
串级控制系统由主、副两个控制系统串级工作组成。
具有两个对象、两个被控变量、两个控制器、两个控制回
要使系统的主要干扰被包含在副回路内。
图10-5 加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统 尽可能使副回路包含更多的次要干扰。 考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发 生。
例如前面管式加热炉中，如果主要干扰来自燃料油的压 力波动时，应选择燃料油压力作为副变量，图10-6所示的加 热炉原料油出口温度与燃料油压力串级控制系统。
图5-1 管式加热炉出口温度控制系统
图10-2是管式加热炉出口温度串级控制系统，主对象为受 热管道，温度对象1，输出变量为原料出口温度1，主控制 器为T1C；副对象为炉膛及燃烧装置，温度对象2，输出变 量为炉膛温度2，副控制器为T2C；操纵变量为燃料流量.
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控制器正、反作用的选择
串级控制系统中，必须分别根据各种不同情况，选择主、副控制器的作用方向，选择方法如下。
（1）串级控制系统中的副控制器作用方向的选择。
是根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定的。
因此，副控制器的作用方向与副对象特性、执行器的气开、气关形式有关。
其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，这时可不考虑主控制器的作用方向，只是将主控制器的输出作为副控制器的给定就行了。
（2）串级控制系统中主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加（或减小）时，如果由工艺分析得出，为使主、副变量减小（或增加），要求控制阀的动作方向是一致的时候，主控制器应选“反”作用；反之，则应取“正”方向。
从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。
因此，串级控制系统中主、副控制器的选择可以按先副后主的顺序、即先确定执行器的开、关型式及副控制器的正、反作用，然后确定主控制器的作用方向；也可以按先主后副的顺序，即先按工艺过程特性的要求确定主控制器的作用方问，然后按一般单回路控制系统的方法再选定执行器的开、关型式及副控制器的作用方向。