第三章 串级控制系统

主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1
串级控制系统方框图
串级控制系统定义:由两个测量变送器、两个控制器其中 一个控制器的输出是另一个控制器的给定、一个控制 阀组成的双闭环定值系统.
串级控制系统常用术语
y1,sp
＋ －
主调 节器
二次扰动
一次扰动
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
●复杂控制系统
• 复杂系统--随着控制理论与工业应用的发 展，包含的内容也不同，例如
复杂大系统--人口系统，环境控制， 能源控制，企业生产经营控制等。
●复杂控制系统
定义:通常复杂控制系统是多变量的，具有 两个以上变送器、两个以上控制器或两个以上控 制阀所组成的多个回路的控制系统，所以又称为 多回路控制系统。

TC
出料

冷却剂 进料
干扰变量的影响：冷却水入 口温度变化 → 夹套内冷却 水温度变化 → 槽壁温度变 化 → 反应槽温度变化 控制变量的影响：冷却水调 节阀开度变化 → 冷却水流 量变化 → 夹套内冷却水温 度变化 → 槽壁温度变化 → 反应槽温度变化
TC
出料
解决方法
冷却剂 进料
夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控制的 影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2 以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定 值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求 可用反应温度调节器TC1来自动实现）。
K p2 Tp 2 s + 1
y1,sp
;
＋ －
Gc1
y2,sp ＋ － ym2
Gc2
Gv Gm2
Gp2
Gp1
y1
副回路 主回路
ym1
Gm1
Gc 2 Kc 2 ;
Fra Baidu bibliotek
Gv Kv ;
Gm2 Km2
串级控制系统的特点（3）
结论： Tp 2 s + 1 由于副回路 ' G p 2 (s) 的存在，使 K p2 1 + Kc 2 Kv Km2 主控制通道 Tp 2 s + 1 的动态特性 ' Kc 2 Kv K p 2 K p2 得到改善 ' Tp 2 s + 1 + K c 2 K v K p 2 K m 2 Tp 2 s + 1 （时间常数 显著减少） K K K c2 v p2 ' Kp P44提高了系 2 1 + Kc 2 Kv K p 2 Km2 统的工作频率
2. 主、 副调节器的调节规律选择 主调节器常选择PI或PID控制律凡是


如果要加入微分作用, 一定要采用“微分先行”方式, 因为副回路是个随动系统, 设定值是经常变化的, 调节 器的微分作用会引起调节阀的大幅跳动, 并引起很大的 超调。 但是当副回路是流量(或液体压力)系统时, 它们的开环 静态增益、 时间常数都较小, 并且系统存在高噪声。 因此在实际生产中, 流量(或液体压力)副调节器常采 用PI作用, 以减少系统的波动。
常用的串级控制系统：温度+流量、温度 +压力、液位+流量、温度+温度等。
串级系统副参数的选择分析
1
TC
2
FC
3
FC
1
2
PC
3 再 沸 器
塔 底 部
加热蒸汽
分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范 围之间的矛盾。
串级方案设计举例
加热炉出口温度控制
TC
TC
FC 进料 出料
PC
进料 出料
燃料油
TC1 TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
讨论: 主副控制器的 “正反作用”选择。
D2 TC2
阀 夹套
D1 T2
槽壁 反应槽
T1sp ＋ －
TC1
T2sp ＋ －
T1
夹套水温测量
反应器温度测量
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
y2

3. 主副调节器正、 反作用选择
调节器的正、 反作用选择原则是要使系统成为一 个负反馈系统。 一般有两种选择方法, 即逻辑推理法和方框图法。 用测量值与调节器的输出关系来定义调节器的正 反作用。 具体定义为: 当测量信号增加(隐含的假定是设定值 不变)时, 调节器比例作用的输出也增加的, 称为正作 用; 否则， 称为反作用
串级控制系统的特点（3）

改善了对象的动态特性，提高了系统的工作 频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益 可显著加大。
Gc 2GvGp 2 副回路等效对象为： G ' (s) y2 (s) p2 y2,sp (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2 若：
D2
＋ ＋
D1 y2
＋ ＋
Gp 2
多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路 组成的系统。
常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、
分程、三冲量、前馈、选择性等系统。
●多回路系统的发展
• 80-90%控制系统是基于PID控制的系统， 包括多回路系统。 • 多回路系统应用状况 以乙烯生产厂为例，它共有421个控制回 路 其中：常规PID单回路 347个 串级、比值等 74个（串级24） 多回路系统占17.5%

副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效 地克服二次扰动的影响；
由于
' D2 ( s) 1 D2 (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc 2GvGp 2Gm2 1
' D2 D2
反应器温度的串级控制响应
串级控制系统的特点
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1




主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标 有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变 量。 副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要 参数。 主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其 设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器 给定值。 副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控 变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作 用于控制阀的控制器，简称为“副控”。
Kc 2 Kv T
' p2
K p2

Tp 2 1 + Kc 2 Kv K p 2 Km 2
Tp 2
反应器温度的串级控制响应
串级控制系统的设计原则



单回路控制不能满足性能要求； 有反映系统主要干扰的可测副参数； 调节阀与副参数之间具有因果关系； 副参数的选择应使副对象的时间常数比 主对象的时间常数小，调节通道短，反 应灵敏； 尽可能将带有非线性或时变特性的环节 包含于副回路中。
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; 掌握串级控制系统的投运 ; 了解串级控制系统的防积分饱和措施。
反应釜温度单回路控制系统
?
TC 出料


（1） 逻辑推理法 对于单回路, 确定调节器的正反作用的步骤为: ① 根据生产安全要求, 确定调节阀气开、 气关的形式; ② 确定当被调参数变化时, 调节器输出实现负反馈的作用 方向; ③确定调节器的正、 反作用(当被测参数变化与调节器输出 变化同向时为正作用, 否则, 为反作用)。
串级系统副环的等效性
y2,sp ＋ － Gc2 ym2 Gv Gm2 Gp2
＋ ＋
D2 y2
D2(s) 1 1 + Gc 2 Gv G p 2 G m 2
y2,sp
Gc 2 Gv G p 2 1 + Gc 2 Gv G p 2 G m 2
＋ ＋
' D2 ( s)
y2(s)
串级控制系统的特点
串级控制系统的特点（1）
控制目标:反应釜温度恒定 操纵变量：冷却剂流量 被控变量：反应温度 扰动变量： D2冷却剂温度以 及D1工艺介质流量
冷却剂 进料
控制规律：PID
D2
调节器 调节阀 夹套
T1sp ＋ －
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
反应釜温度单回路控制响应曲线
T1sp ＋ － D2
调节器 调节阀 夹套
T2
D1
TC-TC 串级控制：炉内温度作为副被 控变量，常用于克服燃料影响，例如， 成份、热值等。温度点不易找准
串级控制系统设计

1. 副变量的选择 从对象中能引出中间变量是设计串级系统 的前提条件。 当对象有多个中间变量可引出 时, 就有一个副变量如何选择的问题。 副变量 的选择原则是要充分发挥串级系统的优点, 为此, 我们总是希望: (1) 将主要干扰包括在副回路内。 (2) 将更多的干扰包括在副回路内
第三章 串级控制系统


单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况 下能够满足生产控制要求 特殊情况：当控制要求较高时，在如下情况下， 单回路不能满足要求。 *过程可控程度较差，如对象有大滞后。 *对象有较明显的时变性或非线性特性。 *扰动剧烈，而且幅度大。 *控制性能要求较高。 *过程参数之间存在严重关联。

因素进行权衡。

设计串级控制系统的场合, 对象特性总有较大的滞后, 主调节器采用三作用PID控制规律是必要的。 而副回路是随动回路, 允许存在余差。 从这个角度来讲, 副调节器不需要积分作用, 一般只采用P作用。 如当温度作副变量时, 副调节器不宜加积分, 这样可以 将副回路的开环静态增益调整得较大, 以提高克服干扰 的能力。
燃料油
TC-FC串级控制：用于克服燃油上游侧压力干扰的影 响燃油黏度大，易堵，不常采用 TC-PC串级控制：取压点在控制阀后，用于克服压力 影响喷嘴易堵，使用时要增加报警系统
串级方案设计举例（续）
TC 出料
TC
燃料油
进料
讨论：副回路所能 包括的扰动越多， 副对象与主对象的 动态特性的差别越 小，越容易引起内 外回路之间的“共 振”（系统稳定性 越差）。
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
单回路控制系统分析
冷却水入口温度↑→ 夹套内
TC 出料
冷却水温度 T2 ↑→ （经对
流传热）槽壁温度↑→ 反应 槽温度T1 ↑→（经反馈回路
冷却剂 进料
）冷却水量↑
问题：从扰动开始至调节器动作，调 节滞后较大，特别对于大容量的反应 槽，调节滞后更大。
系统控制与扰动的分析
形成两个环: 副环或副回路－－“ 粗调”作用 主环或主回路－－“ 细调”作用
串级控制系统方块图
D2 y1,sp
＋ －
D1 y2
＋ ＋
Gc1
y2,sp ＋ － ym2
Gc2
Gv Gm2
Gp2
＋ ＋
Gp1
y1
副回路 主回路
ym1
Gm1
注： D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参 数的动态影响； 主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成 是一个等效的控制阀）。
串级控制系统的特点（2）

能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非 线性对控制性能的影响（系统的“鲁棒性” 增强） 。
对于内环等效对象的稳态增益：
K
' p2

Kc 2 Kv K p 2 1 + Kc 2 Kv K p 2 K m2
' 1 Kp 2
Kc 2 Kv K p 2 Km2 1
Km2
串级控制系统的特点
(3) 副对象的滞后不能太大, 以保持副回路的快速响应 性能。 (4) 将副对象中具有显著非线性或时变特性的一部分 归于副对象中。 (5) 需要流量实现精确的跟踪时, 可选流量为副变量。 (6) 主、 副对象的时间常数应相差3倍以上, 以防主、 副回路产生共振。 应该指出, 以上几条都是从某个局部角度来考虑的 , 如(2)与(3)就相互矛盾, 在具体选择时需要兼顾各种
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
特点： 两个调节器串在一起工作， 调节器TC2通过调节冷却剂 量以克服冷却水方面的扰动 ； 调节器TC1通过调节夹套内 水温的设定值以保证反应温 度维持在工艺所希望的某一 给定值。
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
反应器温度的串级控制响应
反应器温度串级控制框图
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1





主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。 副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。 主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其 主要特性的生产设备或过程。 副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量 表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。 副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环 回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。 主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所 构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。