常用复杂控制系统之串级控制原理共27页
复杂过程控制系统--串级控制
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对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 ❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Q C 2 ( s )= Y Y 1 1 ( ( s s ) ) / /X F 2 1 ( ( s s ) )= W C W 1 ( s * ) 0 W 2 ( 's 0 2 ) ( s )= W C 1 ( s ) W C 2 ( s ) W V ( s )
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二、串级控制系统的特点与分析
在结构上与电力传动自动控制系统中的双闭 环系统相同(比单回路系统多了一个副回路)，其 系统特点与分析方法亦基本相同。
主回路(外环)：定值控制系统 副回路(内环)：随动控制系统 与单回路系统相比，串级控制系统多用了一 个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投 资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个 测量变送器)，但控制效果却有显著的提高，其原 因在于串级控制系统中增加了一个包含二次扰动 的副回路。
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单回路控制系统的抗干扰能力为
Y(s)/X(s) QD2(s)=Y(s)/F2(s)=W C(s)W V(s)
串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能力
之比:
QC2(s) =WC1(s)WC2(s)
QD2(s)
WC(s)
设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比
例放大系数分别为KC1、KC2、KC，则上式变为
第四章 复杂过程控制系统
❖串级控制 ❖前馈控制 ❖大滞后补偿控制 ❖比值控制 ❖分程与选择性控制 ❖多变量解耦控制 ❖模糊控制 ❖预测控制
《串级控制系统》课件
5 保证系统的可靠性
采取措施确保系统的可靠性，如备份控制器、 故障检测和自动切换等。
串级控制系统的实现1Fra bibliotek软件实现
2
串级控制系统的软件实现包括控制算法
的设计、编程和调试。
3
硬件组成
串级控制系统的硬件组成包括传感器、 执行器、控制器和通信设备。
实现过程
串级控制系统的实现包括系统设计、参 数调整和系统测试等多个步骤。
串级控制系统的应用领域
化工工业
串级控制系统在化工 工业中有广泛的应用， 能够稳定控制各种化 学过程。
食品工业
食品工业中的串级控 制系统能够确保食品 生产过程的高效、稳 定和安全。
制造业
制造业中的串级控制 系统能够提高产品的 质量和生产效率，实 现精细化生产。
冶金工业
冶金工业中的串级控 制系统能够优化冶金 过程，提高冶金产品 的质量和产量。
1 改善系统稳定性
串级控制系统能够减小系统的波动幅度，提 高系统的稳定性。
2 提高系统精度和可靠性
通过串级控制系统，我们能够降低系统的误 差，提高系统的精度和可靠性。
3 减小控制器的负担
串级控制系统能够分担控制器的负荷，使其 更加高效且稳定。
4 减小设备的故障率
串级控制系统能够有效减小设备故障的概率， 提高设备的可靠性和使用寿命。
设计原则
1 正确选择控制器
根据系统需求和特点，选 择合适的控制器类型和参 数。
2 合理设置控制参数
3 统一参考信号
根据系统需求和运行状况， 合理设置控制参数，以达 到最佳控制效果。
将所有控制器的输入信号 统一为相同的参考信号， 以保证系统的稳定性和一 致性。
4 建立完善的监测系统
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。
串级控制系统资料课件
串级控制系统具有较好的抗干扰能力和对负荷变化的适应性 ，能够提高系统的控制品质和降低对控制参数的敏感性。
串级控制系统基本组成
01
02
03
控制器
是系统的核心部分，负责 接收输入信号并输出控制 信号。
内回路
由控制器、测量变送器和 执行机构组成，负责将控 制器的输出信号转换为实 际的控制动作。
外回路
串级控制系统资料课件
目录
• 串级控制系统概述 • 串级控制系统的设计 • 串级控制系统的应用 • 串级控制系统的优化 • 串级控制系统的案例分析 • 串级控制系统的未来发展与挑战
01
串级控制系统概述
定义与特点
定义
串级控制系统是一种常用的工业控制系统，由两个或更多控 制器串联组成，每个控制器控制一个内回路，内回路的输出 作为下一级控制器的给定值，形成多级控制回路。
内回路的输出值作为 下一级控制器的给定 值，下一级控制器根 据给定值和实际测量 值的偏差计算出控制 信号，调整内回路的 执行机构；
通过多级控制回路的 协同作用，最终实现 系统输出值与目标值 的接近。
02
串级控制系统的设计
设计原则与步骤
01
确定系统结构
根据工艺要求和控制目标，确定 串级控制系统的主控制器和从控 制器。
算法优化
并行计算
利用多核处理器或分布式计算资源，加速控制算法的计算 过程，提高系统的实时性。
01
参数优化
通过智能优化算法，对控制算法的参数 进行优化，以获得更好的控制效果。
02
03
近似算法
在保证控制精度的前提下，采用近似 算法降低计算复杂度，提高系统的响 应速度。
系统结构优化
模块化设计
串级控制原理
串级控制原理
串级控制是一种常见的控制系统结构，它由多个控制环节按照一定的顺序串联组成，每个控制环节都对系统的某一方面进行控制。
串级控制原理在工业自动化领域得到了广泛的应用，它能够有效地提高系统的稳定性、精度和灵活性。
本文将从串级控制的基本原理、应用特点和优势等方面进行介绍。
首先，串级控制的基本原理是将多个控制环节按照一定的顺序连接起来，形成一个整体控制系统。
每个控制环节都对系统的某一方面进行控制，通过串联连接，多个控制环节可以相互协调，共同完成对系统的控制任务。
这种结构能够有效地提高系统的稳定性和精度，使得系统能够更好地适应复杂多变的工作环境。
其次，串级控制具有灵活性强、响应速度快等特点。
由于串级控制系统中的各个控制环节是相互独立的，因此可以根据实际需要对系统进行灵活调整和改进。
而且，由于每个控制环节只需要负责系统的一部分功能，因此可以专注于该部分功能的控制，从而提高系统的响应速度和控制精度。
此外，串级控制还具有优势明显的特点。
首先，串级控制系统可以实现对系统不同方面的精细控制，从而提高系统的整体性能。
其次，串级控制系统可以根据实际需要对系统进行模块化设计，从而提高系统的可维护性和可扩展性。
再次，串级控制系统可以通过对不同控制环节的协调和优化，实现对系统整体性能的提升。
总之，串级控制原理是一种有效的控制系统结构，它能够提高系统的稳定性、精度和灵活性。
在工业自动化领域得到了广泛的应用，为实现对复杂系统的精细控制提供了重要的技术支持。
希望本文的介绍能够对大家对串级控制原理有一个更加深入的了解。
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：
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
串级控制系统课件
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如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快 得到克服，不至于引起主变量的改变。如果这个干 扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱 了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量 仍会受到它的影响偏离了稳态值而升高。经主温度 检测变送器后，主控制器接受到的测量信号增大。 主控制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主 控制器的输出会减小。这就意味着副控制器的设定 值减小，从而会使得副控制器在原来的基础上变的 更小，也即阀门开度也将再关小一点，以克服干扰 对主变量的影响。
如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不 相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器 再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上 。
精选ppt
23
从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器 串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目 的，两个控制器协调一致，互相配合。尤其是对于二 次干扰，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进 一步“细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统 。
例6-1 隔焰式隧道 窑温度控制系统。 （见图6-1）。 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。
精选ppt
3
如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中
的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以
就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧
，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。制品在窑
道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧
串级控制系统ppt课件
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0.013 21
串级控制系统的特点及应用范围
特点
1、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
2、副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影响
3、迅速克服进入副回路扰动的影响，提高系统的抗扰动能力
4、对负荷变化有一定的自适应能力（适应操作条件的变化）
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主被控变量的选择
③ 尽量采用直接指标作为被控变量。当无法获得 直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时， 可选择与直接指标有单值对应关系的间接指标作为 被控变量。 ④ 被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏 度。
⑤ 选择被控变量时，必须考虑工艺合理性和国内仪 表产品现状。⑥ 被控变量应是独立可控的。源自什么样的影响？最新课件
2
课堂提问
采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，比
例度应该怎样变化？ 调大
工程整定方法有哪几种？主要步骤是什么？
× 系统的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？
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5
主要内容
了解串级控制系统的概念与特点； 掌握串级控制系统的方框图表示法； 结合控制原理，掌握串级系统的分析方法； 了解串级控制系统的设计原则； 掌握串级控制系统的参数整定方法；
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。
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应用范围
1、纯滞后大 2、容量滞后大 3、扰动变化剧烈、幅值大 4、具有非线性特性的过程 容量滞后：物料或能量的传递需要通过一定阻力
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常用复杂控制系统之串级控制原理
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭