串级控制系统的原理及设计
(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。
实验四 串级控制系统
实验四 加热炉温度串级控制系统（实验地点：程控实验室，崇实楼407）一、实验目的1、熟悉串级控制系统的结构与特点。
2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。
3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。
二、实验设备1、MATLAB 软件，2、PC 机 三、实验原理工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。
图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为主对象：;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象：21802)1)(110()(++=-s s e s G s主控制器的传递函数为PI 或PID ，副控制器的传递函数为P 。
对PI 控制器有 221111)(),/(,111)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=采用串级控制设计主、副PID 控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。
四、实验过程串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。
1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 （图4-2）在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下：)(01s G 为主被控对象，)(02s G 为副被控对象，Step 为系统的输入，c 为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可以用示波器观察输出波形。
PID1为主控制器，双击PID 控制器可设置参数：（PID 模块在MATLAB/Simulink Library Browser/Simulink Extras ），Step 为阶跃信号，参数起始时间应设置为0。
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。
串级控制系统的工作原理
串级控制系统的工作原理
字符串级控制系统(String-Level Control System)是一种新兴的控制技术，可以控
制和管理大电流和电压高度变化的高压直流(HVDC)系统。
该技术具有低压电流控制、低损
耗和低负载响应，可以实现对电网的优化参数控制和实时有效的负荷发电调整等功能。
字符串级控制系统的主要结构由本地控制单元LCU、远端控制单元RCU、调频控制模
块Clip、接口单元INTU、智能控制电路和电池组成，它的本地控制单元LCU用于本地接
受和发出控制信号，远端控制单元RCU用于监控远端电网状态，以确保字符串级控制可以
及时有效地控制电网。
Clip控制模块用于发送调频信号控制LCU和RCU，INTU则主要用来将控制信号传输到LCU和RCU。
此外，智能控制电路和电池是字符串级控制系统的可选结构，可以根据具体系统需求来进行选择，实现系统的全面有效控制。
字符串级控制系统的工作原理主要有如下几个阶段。
首先，在开始控制之前，必须先
理解远端电网的状态，然后定义一组合理的控制策略，以便在控制过程中产生最佳的调整
效果。
然后，根据电网状态定义的控制策略，利用Clip控制模块发送调频信号给LCU和RCU，实现对本地控制单元的控制，随后，本地控制单元会根据调频信号控制本地电网的电压和
电流，以实现全局管理。
最后，智能控制电路和电池的加入，可以进一步控制字符串级控制系统的输出模式，
并确保在高压和低压电流高度变化的情况下，可以实现有效地控制高压直流电网。
最后通
过实时监控，可以确保字符串级控制系统的正常工作，以便达到安全、可靠、灵活的智能
管理效果。
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。
串级控制系统的工作原理
串级控制系统的工作原理
串级控制系统是一种复杂控制系统结构，由多个单独的控制环路组成，其中每个环路都处理系统的某个方面。
这些环路按照特定的顺序连接在一起，形成一个层次结构。
在串级控制系统中，高层环路的输出成为低层环路的输入。
串级控制系统的工作原理如下：
1. 输入信号：系统的输入信号首先被传递给最高层的环路，也被称为主要控制环路。
这个环路负责处理主要的控制任务，例如设定系统的目标值和跟踪参考信号。
2. 主控制环路：主控制环路从输入信号中提取有用的信息，计算出相应的控制命令，并将其传递给下一层的辅助控制环路。
3. 辅助控制环路：辅助控制环路通常负责系统的细节控制任务，例如补偿控制、补偿非线性特性以及抑制干扰等。
它们从主控制环路接收指令，并根据需要对输入信号进行修正。
4. 信号传递：辅助控制环路将修正后的信号传递给下一层环路，这个过程可以一直继续到系统中的最后一层环路。
5. 输出信号：最后一层环路通常称为执行环路，它负责将辅助控制环路的输出转换成最终的控制信号，并将其送到执行机构或设备中实施控制。
通过这种层次分解和串联的结构，串级控制系统能够将复杂的
控制任务分解为更简单的子任务，并逐级处理。
每个环路都专注于处理一个特定的任务，并通过调整输入信号来改善总体的控制性能。
这种架构使得串级控制系统能够更好地适应系统的复杂性和动态变化。
液位串级控制系统
控制系统分析课程设计课题：液位串级控制系统设计系别：电气与电子工程系专业：自动化姓名：学号：指导教师：任琦梅河南城建学院成绩评定·一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。
课程设计成绩评定1系统结构设计1.1控制方案串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，它是根据系统结构命名的。
一、基本原理：它是由两个或者两个以上的控制器串联而成的，一个控制器的输出是另一个控制器的的给定值。
二、结构：整个系统包括两个控制回路，即主回路和副回路。
主回路有主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控制器、控制阀、副对象和副变送器构成。
三、特点：与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以有以下特点(1)、对于进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力。
(2)、改善主控制器的广义对象的特性。
(3)、对符合和操作条件的变化有一定的自适应能力。
(4)、副回路可以按照主回路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。
四、应用场合：(1)、用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰。
(2)、用于时滞较大的对象。
(3)、用于容量之后较大的对象。
(4)、用于克服对象的非线性。
本控制系统中，被控参量有两个，上水箱的液位和下水箱的液位，这两个参量具有相关关系。
上水箱的液位可以影响下水箱的液位，根据上下水箱的液位相关关系，故系统采用的串级控制。
其中，内环控制上水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统远行使下水箱的液位跟随给定值，系统框图如下图3.1所示图3.1液位－液位串级控制系统框图1.2控制规律本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。
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。
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；
串级控制和前馈-串级控制的控制原理
串级控制和前馈-串级控制的控制原理
一、串级控制原理
串级控制是一种常用的控制方法，主要用于处理具有较大时滞或时间常数、大容量滞后特性的被控对象，例如温度、液位等。
串级控制系统主要由两个控制器串联在一起组成，分为主控制器和副控制器。
主控制器主要对被控对象进行初步控制，其输出作为副控制器的给定值，副控制器则对主控制器输出进行进一步调整。
串级控制的原理是针对被控对象的精确控制需求，将一个控制系统分成两个或多个控制回路，其中每个回路都针对被控对象的一个特定参数进行控制。
通过这种分级控制的方式，可以提高系统的控制精度和抗干扰能力。
在串级控制中，副控制器对主控制器的输出进行修正，以减小主控制器对副控制量的影响，从而提高了系统的控制精度。
同时，由于副控制器的引入，使得系统对被控对象的参数变化具有更好的适应性。
二、前馈-串级控制原理
前馈-串级控制是一种结合了前馈控制和串级控制的复合控制系统。
前馈控制是指通过测量并补偿干扰因素对被控变量的影响，从而实现对被控对象的精确控制。
在复合控制系统中，前馈控制器和串级控制器协同工作，以实现对被控对象的更精确、更快速的控制。
前馈-串级控制的原理是将前馈控制器和串级控制器通过适当的方式结合起来，以达到更好的控制效果。
通常，前馈控制器用于补偿主要干扰因素的影响，而串级控制器则用于对被控对象的精确调整。
这种复合控制系统能够提高系统的响应速度、减小超调和降低误差，从而更好地满足实际控制需求。
在实际应用中，前馈-串级控制系统需要根据被控对象的特性、干扰因素以及对控制精度的要求等因素进行合理的设计和配置。
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。
双容水箱液位流量串级控制系统设计
双容水箱液位流量串级控制系统设计引言：双容水箱液位流量串级控制系统是一种用于控制液位和流量的自动化系统。
该系统通过对水泵和阀门的控制，实现对水箱液位和流量的精确调节。
在工业生产中，液位和流量的稳定控制对于保证生产过程的正常运行至关重要。
因此，设计一个可靠的双容水箱液位流量串级控制系统具有重要的实际意义。
系统设计：1.系统硬件组成-水泵：负责将水从源头输送至水箱中。
-水箱：承装和储存水，通过液位传感器测量液位。
-液位传感器：用于测量水箱液位，将测量结果传输给控制器。
-流量传感器：用于测量水流量，将测量结果传输给控制器。
-控制阀：通过控制水流量来调节水箱液位。
-控制器：根据液位和流量传感器的反馈信号，控制水泵和控制阀的启停和开关。
2.系统工作原理双容水箱液位流量串级控制系统的工作原理是通过液位和流量传感器实时监测水箱液位和水流量的变化，并将测量结果传输给控制器。
控制器根据设定的目标液位和流量值，计算出所需的水泵和控制阀的工作状态。
当实际液位或流量低于目标值时，控制器启动水泵和控制阀以增加水流量，从而提高液位；反之，当实际液位或流量高于目标值时，控制器关闭水泵和控制阀以减少水流量，以降低液位。
3.系统控制策略双容水箱液位流量串级控制系统的控制策略可以采用PID控制器。
PID控制器是一种常用的控制算法，它通过对比实际测量值和目标值，计算出一个控制量，然后对被控对象进行控制。
其算法由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个部分组成，可以有效地控制系统稳定性和响应速度。
在双容水箱液位流量串级控制系统中，可以将液位作为主要控制量，流量作为辅助控制量。
首先，通过对液位传感器和流量传感器的测量值进行PID控制，控制水泵的启动和停止，以满足目标液位和流量的要求。
接下来，根据控制阀的反馈信号，通过控制阀的开关来实现对水箱液位的精确调节。
4.系统安全性和可靠性双容水箱液位流量串级控制系统设计中，应考虑系统的安全性和可靠性。
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
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）
−
D（2 S） D（1 S）
返回
§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：
−
−
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 。
串级控制系统ppt课件
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s +1
讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限 时，自动切除积分作用。
串级回
路的等 R1
效系统
＋ －
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
＋
D2
D1
u
1
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
－
副回路对主对象开环特性 的影响举例
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
（4） 如果 [GT2 (s)]2 的参数值与第（1）步得到的 [GT2 (s)]1 的参数
值基本相同，那么整定就告完成。
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5 串级控制
二. 两步整定法
当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回
路控制过程就告结束；在此期间，主回路基本上不 参加动作。可断开主回路,按单回路系统的整定方法 整定副控制器 GT2 (s) 的参数。 2．再整定主控制器 1．先整定副控制器
5 串级控制
5 串级控制
本章学习内容
5.1 5.2 5.3 串级控制系统的基本原理和结构 串级控制系统的分析 串级控制系统的设计
5.4
串级控制系统应用举例
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5 串级控制
5.1 串级控制系统的基本原理和结构
电厂锅炉过热汽温控制系统 被 控 量：主汽温θ 控制手段：喷水减温
导前信号
1
5 串级控制
主调 副调 导前区 惰性区
副回路（内回路）：粗调 副参数（副变量）： θ
2
主回路（外回路）：细调 主参数（主变量）： θ
1
副（导前区）对象
副控制(调节）器
主（惰性区）对象
主控制（调节）器
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5 串级控制 5.2 串级控制系统的分析 5.2.1串级控制系统的特点
（1）串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克 F(s) 服能力。
使控制作用更加及时。
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5 串级控制 （3）提高系统的工作频率，改善了系统控制 质量。
将整个副回路看成是一个等效对象 G02 (s) 等效对象的时间常数缩小了，而且随着副调节 器比例增益的增大而减小 , 从而加快了副回路的响 应速度，提高了系统的工作频率。(证明)
串级控制原理范文
串级控制原理范文串级控制原理是一种控制系统的设计方法，它通过将复杂的系统分解成多个简单的子系统并将其连接在一起，从而实现对整个系统的控制。
串级控制原理在工业自动化、电力系统、交通运输等领域都得到广泛应用。
以下将详细介绍串级控制原理的工作原理、优点和应用。
具体而言，串级控制原理可分为两个阶段：前级控制和后级控制。
前级控制主要负责对外部扰动进行补偿，提供干扰抑制的功能；后级控制主要负责对前级控制器提供的信号进行调节，实现对系统的精确控制和调节。
通过串级控制原理，实现了对系统的分层控制。
前级控制器主要关注系统整体的动态特性，通过前馈控制实现对系统的快速响应和抑制外部扰动；后级控制器主要关注系统的静态特性，通过反馈控制实现对系统的稳定性和精度控制。
1.系统模块化：将复杂的系统划分为多个模块，模块之间解耦且相互独立，可以单独进行设计、调试和维护。
这样可以提高开发效率和系统的鲁棒性。
2.快速响应：前级控制器主要负责系统的快速响应，能够迅速补偿外部扰动，提供系统的稳态性能和动态性能。
3.精确控制：后级控制器主要负责对前级控制器提供的信号进行调节，实现对系统的精确控制和调节。
通过反馈控制和优化算法，可以使系统达到更高的控制精度和稳定性。
4.可扩展性强：串级控制原理可以根据系统的需求进行模块的增减和替换，适应不同的控制要求和工作状态。
这样可以提高系统的适应性和可扩展性。
串级控制原理广泛应用于工业自动化、电力系统、交通运输等领域。
在工业自动化领域，串级控制原理可以应用于复杂的生产过程控制系统，实现对系统的高效控制和优化。
在电力系统领域，串级控制原理可以应用于发电机调速系统、电压和无功控制系统等，保证电力系统的稳定运行和可靠性。
在交通运输领域，串级控制原理可以用于交通信号灯控制、交通流量控制等，提高交通的效率和安全性。
总之，串级控制原理是一种将复杂的系统分解为多个简单的子系统并将其连接在一起的控制方法。
它通过分层控制和模块化设计，实现对系统的精确控制和调节，并具有快速响应和高稳定性的特点。
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。
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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。
图1.2 提馏段温度串级控制方案
副调节器QC2根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，这样就可以在加热蒸汽压力波动的情况下，仍能保持蒸汽流量稳定。
副调节器QC2的给定值则受主调节器tc1的控制，后者根据温度t改变流量给定值Qr，从而保证在发生进料方面的扰动的情况下，仍能保持温度t满足要求。
用这种方法可以非常有效的克服蒸汽压力波动对于温度t的影响。
因为流量自稳定系统的动作很快，蒸汽压力变化引起的流量波动在2至3秒内就消除了，而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度t 的影响是很微小的。
图1.3 提馏段温度串级控制系统
图1.4 一般串级控制系统
从图中可以看出，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上
形成可两个闭环。
一个闭环在里面，称为副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，称为主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。
无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。
主副调节器的作用各不相同。
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，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。
与简单控制系统相比，只是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，但控制效果却有明显的提高。
2、串级控制系统的性能简析
2.1在串级控制系统中，由于加入了一个副回路，而二次扰动是先进副回
路，经副回路的抑止作用再进主环，在此过程中，串级系统的结构使二次干扰对主参数这一通道的动态增益明显减少，因此对主回路中的主参数的影响将较大的减弱。
2.2由于副回路的存在，使得对象的动态特性得到明显改善，即使得等效
对象的时间常数减小了，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。
因此副回路的比例增益可以取的很大，等效时间常数可减小到很小的数值，从而加快了副环的响应速度；因此可以加大主调节器的增益，而保证系统稳定，这都将提高系统的工作频率。
2.3在串级系统中，由于串级控制系统的结构，负荷的变化引起副回路内
各环节参数的变化时，对等效对象的增益影响不大，因此在不改变调节器整定参数的情况下，系统的副回路能能自动的克服一些非线性因素的影响，保持或接近原有的控制质量。
另一方面，由于副回路通常是一个流量随动系统，当系统操作条件或负荷改变时，主调节器将改变其输出值，副回路能快速跟踪及时精确的控制流量，从而保证系统的控制品质。
以上两方面都说明串级控制系统对负荷的变化有一定的自适应能力。
3、串级系统设计和实施中应注意的几个问题
3.1副回路的设计
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在。
其中的关键又是副参数的选择。
一般应遵循以下几个原则：
1.副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏。
2.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存在矛盾，应在设计中加以协调。
3.2主、副回路工作频率的选择
要注意串级系统的共振现象。
一般取主回路的阻尼自然振荡周期为副回路的阻尼自然震荡周期的3到10倍。
3.3设计中应采取措施防止调节器积分饱和的现象。
以上是我对串级控制系统及其应用的几点认识，在今后的工作中我将继续深入了解有关理论，注重其在实际中的应用，完善自己有关方面的知识。
2002、11、26。