串级控制系统
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(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。
简述串级控制系统的特点。
简述串级控制系统的特点
串级控制系统是由多个级联连接的控制回路组成的控制系统。
其特点包括：
1. 多级控制：串级控制系统包含多个级联的控制回路，每个回路负责不同的控制任务。
不同的回路负责不同的控制目标，通过相互协调和影响来实现整体的控制效果。
2. 分层结构：串级控制系统的各个级联回路之间具有明确的层级结构，上层回路控制下层回路。
上层回路通常负责整体的控制策略和目标设定，下层回路负责具体的执行和动作控制。
3. 协调和互补：不同级联回路在控制过程中相互协调，上层回路的控制信号会影响下层回路的控制行为，以保持整个系统的稳定性和性能。
4. 灵活性和可扩展性：串级控制系统可以根据需要添加或删除不同的级联回路，使得系统的控制策略和目标可以根据需求灵活调整和扩展，提高系统的适应性。
5. 鲁棒性和容错性：由于多个回路相互协调和互补，串级控制系统具有较强的鲁棒性和容错性。
当某个回路出现故障或失效时，其他回路可以通过重新配置和调整来维持系统的整体性能。
串级控制系统
串级控制系统的设计
1. 主回路的设计
串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
2. 副回路的设计
由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
2. 用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。
副调节器作用方式的确定：
首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv >0 。然后确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 >0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 2>0 ，副调节器作用方式为反作用方式。
1. 用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。
1. 主回路的设计
串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
2. 副回路的设计
由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
2. 用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。
副调节器作用方式的确定：
首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv >0 。然后确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 >0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 2>0 ，副调节器作用方式为反作用方式。
1. 用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。
串级控制系统pid
串级控制系统pid
串级控制系统是一种常见的工业过程控制系统，其中包括两个控制器：主控制器和副控制器。
主控制器通常用于控制系统的主要变量，而副控制器则用于控制对主变量有较大影响的次要变量。
PID（比例-积分-微分）控制器是一种常用的控制器类型，在串级控制系统中也常被使用。
PID 控制器通过调整比例、积分和微分参数来实现对系统的控制。
在串级控制系统的 PID 控制器中，主控制器通常采用 PID 控制算法来控制主变量。
它根据主变量的测量值与设定值之间的偏差来计算控制信号，以使主变量尽可能地接近设定值。
副控制器通常采用 P 或 PI 控制算法来控制次要变量。
它根据次要变量的测量值与主控制器输出之间的偏差来计算控制信号，以使次要变量尽可能地稳定在设定范围内。
串级控制系统的 PID 控制器可以通过调整比例系数、积分时间和微分时间来优化控制性能。
这些参数的选择需要根据具体的被控对象和控制要求进行调整，以实现较好的控制效果。
总的来说，串级控制系统的 PID 控制器通过主控制器和副控制器的协同工作，实现了对系统主要变量和次要变量的有效控制，提高了系统的稳定性和控制精度。
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；
第五章 串级控制系统
y
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
§5-3 串级系统设计和实施中的几个问题
•正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其 正确合理地设计， 特点。 特点。 设计包括主、副回路选择， •设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制 规律选型和正、反作用的确定。 规律选型和正、反作用的确定。
一、副回路的设计
1、副参数的选择应使副回路时间常数最小，调节通 副参数的选择应使副回路时间常数最小， 道短，反应灵敏。 道短，反应灵敏。 •选择原则主要有： 选择原则主要有： (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。 (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。
x2(t) x1 ＋ － 主控制器 ＋ － 温度变送器2 温度变送器1 θ2(t) 副控制器 调节阀 f3、f4 炉膛 管壁 f1、f2 θ1(t)Байду номын сангаас原料油
沈阳理工大学
3．干扰同时作用于副回路和主回路 ． 主副回路干扰的综合影响有两种情况： 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： ）主副回路的干扰影响方向相同。 燃料压力f ↑→炉膛温度↑ →出口温度 ↑→炉膛温度 出口温度↑ 燃料压力 3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑ →副控制器开始调节 原油流量f ↓→出口温度↑ ↓→出口温度 原油流量 1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节
二次干扰 一次干扰
干扰 给定 ＋ － 主控制器 ＋ － 副变送器 主变送器 副控制器 执行器 副对象 副变量 主对象 主变量
三、串级控制系统的工作过程
沈阳理工大学
1．燃料压力f3(t)、燃料热值 4(t)发生扰动 ．燃料压力 发生扰动—— 、燃料热值f 发生扰动 干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度， 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送 器提前测出，副控制器立即开始控制， 器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大 为缩短。 为缩短。
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
§5-3 串级系统设计和实施中的几个问题
•正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其 正确合理地设计， 特点。 特点。 设计包括主、副回路选择， •设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制 规律选型和正、反作用的确定。 规律选型和正、反作用的确定。
一、副回路的设计
1、副参数的选择应使副回路时间常数最小，调节通 副参数的选择应使副回路时间常数最小， 道短，反应灵敏。 道短，反应灵敏。 •选择原则主要有： 选择原则主要有： (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。 (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。
x2(t) x1 ＋ － 主控制器 ＋ － 温度变送器2 温度变送器1 θ2(t) 副控制器 调节阀 f3、f4 炉膛 管壁 f1、f2 θ1(t)Байду номын сангаас原料油
沈阳理工大学
3．干扰同时作用于副回路和主回路 ． 主副回路干扰的综合影响有两种情况： 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： ）主副回路的干扰影响方向相同。 燃料压力f ↑→炉膛温度↑ →出口温度 ↑→炉膛温度 出口温度↑ 燃料压力 3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑ →副控制器开始调节 原油流量f ↓→出口温度↑ ↓→出口温度 原油流量 1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节
二次干扰 一次干扰
干扰 给定 ＋ － 主控制器 ＋ － 副变送器 主变送器 副控制器 执行器 副对象 副变量 主对象 主变量
三、串级控制系统的工作过程
沈阳理工大学
1．燃料压力f3(t)、燃料热值 4(t)发生扰动 ．燃料压力 发生扰动—— 、燃料热值f 发生扰动 干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度， 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送 器提前测出，副控制器立即开始控制， 器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大 为缩短。 为缩短。
串级控制系统整理整理
串级控制系统整理手册一、串级控制系统概述串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，主要由两个或多个控制环组成，每个控制环都负责调节一个特定的过程变量。
这种系统具有结构紧凑、响应速度快、控制精度高等优点，广泛应用于各类工业生产过程中。
二、串级控制系统的组成1. 主控制环：主控制环负责监控整个过程的主要变量，通常与系统的输出直接相关。
主控制器根据主控制环的偏差，调整副控制器的设定值，以实现系统整体的控制目标。
2. 副控制环：副控制环位于主控制环内部，负责调节过程中的辅助变量。
副控制器根据副控制环的偏差，调整执行机构的输出，以影响主控制环的变量。
3. 执行机构：执行机构是串级控制系统的执行者，负责根据控制器的指令调整过程变量。
常见的执行机构有电机、阀门、变频器等。
4. 被控对象：被控对象是串级控制系统的作用对象，包括各种生产过程中的设备、工艺和参数。
三、串级控制系统的特点1. 快速响应：串级控制系统通过多个控制环的协同作用，能够迅速响应过程变化，提高系统的动态性能。
2. 高精度：串级控制系统可以实现对外部干扰的有效抑制，提高控制精度，确保产品质量。
3. 灵活性：串级控制系统可根据实际生产需求，调整控制参数，适应不同工况。
4. 易于维护：串级控制系统结构清晰，便于故障排查和日常维护。
四、串级控制系统的设计要点1. 确定控制目标：明确串级控制系统的主、副控制环控制目标，确保系统稳定运行。
2. 选择合适的控制器：根据被控对象的特性，选择合适的控制器类型和参数。
3. 优化控制参数：通过调整控制器参数，使串级控制系统达到最佳控制效果。
4. 考虑系统抗干扰能力：在设计过程中，充分考虑外部干扰因素，提高系统的抗干扰能力。
5. 系统调试与优化：在系统投运后，根据实际运行情况，不断调整和优化控制参数，确保系统稳定、高效运行。
五、串级控制系统的实施步骤1. 系统分析与建模：深入了解生产工艺，对被控对象进行详细分析，建立准确的数学模型，为控制器设计提供依据。
串级控制系统
串级控制系统一、串级控制系统的概述图1是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值； C1-被控的主参数； C2-副参数；f 1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。
二、串级控制系统的特点串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．改善了过程的动态特性；2．能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；3．提高了系统的鲁棒性；4．具有一定的自适应能力。
三、主、副调节器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，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。
由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。
四、主、副调节器正、反作用方式的选择正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。
对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc 为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K为负。
五、串级控制系统的整定方法在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：（一）逐步逼近法所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。
串级控制系统
Gc 2Gv G p 2Gm 2 >> 1
' D2 << D2
反应器温度的串级控制响应
串级控制系统的特点
串级控制系统的特点（ ） 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 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” 对控制性能的影响（ 线性对控制性能的影响（系统的“鲁棒性” 增强） 增强） 。
冷却剂 进料
）冷却水量↑ 冷却水量
问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大， 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。 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
TC
出料
冷却剂 进料
干扰变量的影响： 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 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 控制变量的影响： 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
串级控制系统的特点
串级控制系统的特点（1） 串级控制系统的特点
副回路（有时称内环）具有快速调节作用， 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； 地克服二次扰动的影响；
由于
' D2 (s ) (s 1 = D2 ( s ) 1 + Gc 2Gv G p 2Gm 2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
解决方法
夹套冷却水温度T 比反应槽温度T 夹套冷却水温度 2比反应槽温度 1能更快地感受 到来自干扰 冷却水入口温度）以及来自控制 干扰（ 控制的 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 夹套水温单回路控制系统TC 影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统 2 以尽快地克服冷却水方面的扰动。 以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定 值应根据T 的控制要求作相应的变化（ 值应根据 1的控制要求作相应的变化（这一要求 可用反应温度调节器TC 来自动实现） 可用反应温度调节器 1来自动实现）。
' D2 << D2
反应器温度的串级控制响应
串级控制系统的特点
串级控制系统的特点（ ） 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 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” 对控制性能的影响（ 线性对控制性能的影响（系统的“鲁棒性” 增强） 增强） 。
冷却剂 进料
）冷却水量↑ 冷却水量
问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大， 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。 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
TC
出料
冷却剂 进料
干扰变量的影响： 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 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 控制变量的影响： 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
串级控制系统的特点
串级控制系统的特点（1） 串级控制系统的特点
副回路（有时称内环）具有快速调节作用， 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； 地克服二次扰动的影响；
由于
' D2 (s ) (s 1 = D2 ( s ) 1 + Gc 2Gv G p 2Gm 2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
解决方法
夹套冷却水温度T 比反应槽温度T 夹套冷却水温度 2比反应槽温度 1能更快地感受 到来自干扰 冷却水入口温度）以及来自控制 干扰（ 控制的 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 夹套水温单回路控制系统TC 影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统 2 以尽快地克服冷却水方面的扰动。 以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定 值应根据T 的控制要求作相应的变化（ 值应根据 1的控制要求作相应的变化（这一要求 可用反应温度调节器TC 来自动实现） 可用反应温度调节器 1来自动实现）。
第四章 串级控制系统
要求： 被加热物料的出口温度为定值。 控制方案一 影响因素： （1）被加热物料的流量和初温f1(t)； （2）燃料油压力的波动、流量的变化、燃料值的变化f2(t)； 被控参数： 出口温度 控制参数：燃料油流量
（3）烟囱抽力变化f3(t)；
（4）配用、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t). 缺陷：由于对象内部燃料油要经管道传输、燃烧、传热等一系列环节，总滞后较大 （15min），导致控制作用不及时，另燃料油压力变化较大且频繁，致使偏差较大。 东北大学
' K02 K02
K C 2 KV K 02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
' T02
T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
由于Km2>1，有:
' T02 T02
从以上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小，整个 系统中对象总的时间滞后近似地等于主对象的时间滞后，单回路控制系统对象总的时间 滞后要有所缩短，使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
FC
设 定 值 FT
2
蒸汽
凝液 塔底出料
进料 精 1馏 塔
TT
TC
FC
FT
最大偏差不超过 1.5 C
o
再 沸 器
2
蒸汽
凝液 塔底出料
东北大学
4.2串级控制系统的应用范围 4. 克服对象的非线性
工业过程存在非线性，负荷变化引起工作点的移动，通过调节阀的 特性补偿。由于受调节阀等各种条件的限制，仍存在较大非线性。 采用串级控制系统，能适应负荷和操作条件的变化，自动调节副调 节器的给定值，改变调节阀未知，使系统运行在新的工作点。
（3）烟囱抽力变化f3(t)；
（4）配用、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t). 缺陷：由于对象内部燃料油要经管道传输、燃烧、传热等一系列环节，总滞后较大 （15min），导致控制作用不及时，另燃料油压力变化较大且频繁，致使偏差较大。 东北大学
' K02 K02
K C 2 KV K 02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
' T02
T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
由于Km2>1，有:
' T02 T02
从以上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小，整个 系统中对象总的时间滞后近似地等于主对象的时间滞后，单回路控制系统对象总的时间 滞后要有所缩短，使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
FC
设 定 值 FT
2
蒸汽
凝液 塔底出料
进料 精 1馏 塔
TT
TC
FC
FT
最大偏差不超过 1.5 C
o
再 沸 器
2
蒸汽
凝液 塔底出料
东北大学
4.2串级控制系统的应用范围 4. 克服对象的非线性
工业过程存在非线性，负荷变化引起工作点的移动，通过调节阀的 特性补偿。由于受调节阀等各种条件的限制，仍存在较大非线性。 采用串级控制系统，能适应负荷和操作条件的变化，自动调节副调 节器的给定值，改变调节阀未知，使系统运行在新的工作点。
串级控制系统与比值控制系统
R(s)
—
Gc(s)
Gv(s)
Y(s) G(s)
Gm(s)
单回路控制系统方框图
单回路控制系统构成： 一种调整器，一种控制阀，一种被控制对象， 一种测量变送器
§5-1 串级控制系统旳概念
定义:就是采用两个控制器串联工作，主控制器旳输出作为副 控制器旳设定值，由副控制器旳输出去操纵控制阀，从而对主 被控变量具有更好旳控制效果。
考虑旳问题: 副回路旳设计, 副参数旳选择. 主副回路之间 旳关系, 两个调整器也许产生旳问题. 一 副回路旳设计
副回路旳设计重要是怎样选择副参数．其设计原则为：
副参数旳选择应使副对象旳时间常数比主对象旳时间常 数小，调整通道短，反应敏捷； 副回路应包括被控对象所受到旳重要干扰； 尽量将带有非线性或时变特性旳环节包括于副回路中。
（1）副参数为加热蒸汽（作用线1）
分析：可保持加热量稳定，它只 能迅速消除因蒸汽汽源压力或冷 凝压力变化引起旳扰动。由于蒸 汽流量对象旳滞后非常小，当用 流量作副变量时，并不能使串级 系统旳频率有多少提高，对克服 其他扰动不明显。
D2
θr 主调 Qr 副调 调节
蒸汽管 Q 再沸
节器
节器 阀
－
－
路系统
假如能把这段时间争取过来，让调整器提前动作，那么调整旳效 果就改善了：
处理思绪：由于冷却水方面旳扰动D2很快就会在夹套温度 θ2上体现出来，因此假如把θ2这个温度测量并送入调整 器θC2,让它来控制调整阀，那么调整动作就提前了诸多， 失去旳时间就会争取过来，从而加紧了速度。
不过：不能简朴地仅仅依托一种调整器θC2来替代现图中调整器 θC旳所有作用
措施：根据副回路旳偏差来防止主调整器积分饱和旳 方案。
串级控制
& Instrumentation Technology
串级控制系统设计举例
在冶金行业选矿工艺中，大量使用矿石破碎机 对矿石进行破碎。破碎系统的主体设备是破碎 机，Nordberg HP系列矿石破碎机要求挤满给矿。 下矿量的波动（如粒度、粘度发生变化）是系 统中的一个主要扰动，若仅以机腔料位作为被 控参数构成单回路控制系统，当扰动发生后， 由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在 纯滞后，单回路控制系统已不能满足要求。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的名词术语
主调节器——按主被控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。 副调节器——按副被控参数的测量值与主调节 器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制 调节阀动作。 副 回 路——由副调节器、副被控过程和副 测量变送器组成的闭合回路。 一 次 扰动——不包括在副回路内的扰动。 二 次 扰动——包括在副回路内的扰动。
串级控制系统的整定 串级控制系统主回路是一个定值控制系统， 要求主参数有较高的控制精度，其品质指 标与单回路定值控制系统一样。 副回路是一个随动系统，只要求副参数能 快速而准确地跟随主调节器的输出变化即 可。 在工程实践中，串级控制系统常用的整定 方法有：逐步逼近法、两步整定法等。
Process Control & Instrumentation Technology
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串级主和副调节器的选择 主调节器一般选PI或PID控制规律； 副调节器一般只要选P控制规律即可：
若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副 回路的快速作用。 若引入微分规律会使调节阀动作过大，对控 制不利。
串级控制系统设计举例
在冶金行业选矿工艺中，大量使用矿石破碎机 对矿石进行破碎。破碎系统的主体设备是破碎 机，Nordberg HP系列矿石破碎机要求挤满给矿。 下矿量的波动（如粒度、粘度发生变化）是系 统中的一个主要扰动，若仅以机腔料位作为被 控参数构成单回路控制系统，当扰动发生后， 由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在 纯滞后，单回路控制系统已不能满足要求。
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串级控制系统的名词术语
主调节器——按主被控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。 副调节器——按副被控参数的测量值与主调节 器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制 调节阀动作。 副 回 路——由副调节器、副被控过程和副 测量变送器组成的闭合回路。 一 次 扰动——不包括在副回路内的扰动。 二 次 扰动——包括在副回路内的扰动。
串级控制系统的整定 串级控制系统主回路是一个定值控制系统， 要求主参数有较高的控制精度，其品质指 标与单回路定值控制系统一样。 副回路是一个随动系统，只要求副参数能 快速而准确地跟随主调节器的输出变化即 可。 在工程实践中，串级控制系统常用的整定 方法有：逐步逼近法、两步整定法等。
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串级主和副调节器的选择 主调节器一般选PI或PID控制规律； 副调节器一般只要选P控制规律即可：
若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副 回路的快速作用。 若引入微分规律会使调节阀动作过大，对控 制不利。
串级控制系统
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋”
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；
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；
串级控制系统
1、串级控制系统的概念
串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。
它是由主、副两个控制器串接工作的。
主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。
2、串级控制系统的特点
串级控制系统的主要特点为：
(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；
(2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量}
(3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响；
(4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。
3、串级控制系统的特点主要应用场合?
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。
开环控制和闭环控制的优缺点
一、开环控制
控制器与被控对象间只有顺序作用而无反向联系且控制单方向进行。
开环控制系统方块图
优点：简单、稳定、可靠。
若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能够保持一定的精度。
缺点：精度通常较低、无自动纠偏能力。
二、闭环控制
闭环控制系统特点：输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制过程有直接影响。
闭环的作用：应用反馈，减少偏差。
优点：精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感
缺点：存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻。
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
副参数塔底流量波动使系统状况发生变化时,它会迅速反映出这种情况,副调节器便 立即进行调节.对于幅度小的干扰,经过副回路的及时调节,一般影响不到液面的变化. 当干扰很大时在副回路快速调节下干扰幅值大大减少,尽管还将影响到主参数----塔底 液面,当主调节器投入调节过程后,很快可以克服干扰. 2.干扰作用于副回路 假如塔底流量正常,进料流量发生变化,至使塔底液面偏离给定值,此时主调节器立即 工作,输出相应变化,通过改变副调节器的给定值与塔底流量的偏差发出相应的输出信 号,改变调节阀的开度从而使塔底液面尽快回到给定值上.
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
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
第8-1章串级控制系统
1.干扰作用于副对象
即干扰f2(t) 、f3(t)使炉膛温度升高，串级控制系统的 调节过程如下：
炉 膛 温 度 T 2 ↑ → T 2 T↑ → T 2C↓ (反 作 用 )→ V↓ (气 开 阀 ) T 2↓
扰动小：经过副回路的控制一般不会影响炉出口温度 扰动大：经过副回路的控制仍影响炉出口温度，此 时再由主回路进一步调节，从而克服上述扰动。
④大大增强了对二次扰动 的克服能力；对一次扰动也有 一定克服能力。
串级控制系统的抗干扰能力比单回路控制系统要强 得多，特别是当干扰作用于副回路时，系统的抗干扰能 力更强。 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10～100倍， 干扰作用于主环时，也可提高2～。
⑤对副回路参数变化有一定的自适应能力 适用：负荷和操作条件有较大变化的场合。
思考题与习题(P217)
5. 图8－46所示为聚合釜温度控制系统。
(1)这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。
(2)聚合釜的温度不允许过高，否则易发生事故，试确定控制阀的气开、 气关型式，及主、副控制器的正、反作用方式。
(4) 如果冷却水的压力是经常波动的，上述系统应如何改进？
(5)如果选择夹套内的水温作为副变量构成串级控制系统，试画出它的方 块图，并确定主、副控制器的正、反作用。
F2 X1 (S) Z1(S) X2(S) W c1(S) Z2(S) W c2(S ) W V (S) W m2(S ) W m1(S ) W f2(S) W O2(S ) F1 W f1(S) W O1(S ) Y1(S)
Y2(S)
一次扰动F1 ：作用在主对象上，不包括在副回路范围内的扰动 二次扰动F2 ：作用在副对象上，包括在副回路范围内的扰动
串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂
串级控制系统
思考题
1、与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主 要特点？ 2、为什么说串级控制系统具有改善过程动态特 性的特点？T’02和K’02减小与提高控制质量有何关系 ？ 3、为什么提高系统工作频率也算是串级控制系 统的一大特点？
下一章
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温度测量
加热
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加热 流量测量
§4-2 串级控制系统的特点
一、时间常数
•串级控制系统能使等效副对象的时间常数变 小，放大系数增大，从而显著提高控制质量。 •将整个副回路看成一个副对象，则简化图如图 4-5所示（或下张两图）。 •由P181分析，可得式(4-3) •T‘02<T02意味着控制通道的缩短。
二、工作频率
•由于等效副回路时间常数的缩短，系统的工作 频率提高了（可使振荡周期缩短）。 •通过对串级和单回路控制系统特征方程的分析 (P181～2)，可知:ω串>ω单。
2、系统组成 (1)、结构图：将图4-1、图4-2方案综合起来， 即得串级控制系统如图4-4所示。
温度测量
加热 流量测量
(2)、方框图：如图4-3所示。 (3)、特征：两台控制器串联在一起，控制一个 调节阀。
(4)、另一实例
(5)、常见名词术语:
主、副变量，主、副控制器，主、副对象，主、 副变送器，主、副回路等，如图4-5.
③根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法 整定计算公式(见上表4-1)，计算主、副控制器的整定 参数为： 主控制器(温度控制器)：比例度δ1=1.2δ1S=60%， 积分时间T1=0.5× T1S=3.5min 副控制器(流量控制器)：比例度δ2 = δ2S =32% ④把上述计算的参数，按先P后I的次序，分别设 置在主、副控制器上，并使串级控制系统在该参数下 运行。 实际运行，氧化炉温度稳定，完全满足生产工艺 的要求。
第五章-串级控制系统
二次干扰 给定
一次干扰 副参数 调节阀 副对象 主对象
主控制器
副控制器
副变送器
主变送器
1.主、副回路（外、内回路）：在外面的闭合回路称为主回路(主环)，在里面的 闭合回路称为副回路。 2.主、副控制器：处于主回路中的控制器为主控制器，根据主参数与给定值的偏差而 动作；处于副回路的控制器为副控制器，其给定值由主控制器的输出决定，根据副参 数对给定值的偏差动作。 3.主、副参数：主回路的被控参数为主参数，起主导作用；副回路的被调参数为副参 数，能提前反映主信号数值变化的中间参数。 4.主、副对象：(惰性区、导前区)主回路中的被控对象称主对象，副回路所包含的 对象为副对象。 5.主、副变送器； 一次干扰、二次干扰
式中：
K c 2 KV K 2 K 1 K c 2 KV K 2 K m2 T2 ' T2 1 K c 2 KV K 2 K m2
' 2
1 Kc 2 KV K 2 K m2 1
T2' T2
1 1 K c2 KV K 2 K m 2
表明：由于副回路的存在，起到了改善对象动态特性的作用。 等效对象的时间常数缩小到原来的
正作用调节器，即当系统的测量值减给定 值增加时，调节器的输出也增加；反作用 调节器，即当系统的测量值减给定值增加 时，调节器的输出减小； 控制对象的正特性，即当控制对象的输入 量增加时，其输出也增加；控制对象的反 特性，即当控制对象的输入量增加时，其 输出却减小；
组成控制系统各环节的极性规定
K2 G2 ( s) T2 s 1 Gc 2 ( S ) K c 2 GV ( s ) KV Gm2 ( s ) km2
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串级控制系统 Cascade Control System
单回路PID控制系统回顾
什么是单回路控制系统？ 被控变量的选择原则？ 操纵变量的选择选择？ 执行器的选择需要考虑哪些因素？ 测量变送装置的选择需要考虑哪些因素？ 控制器的选择需要考虑哪些因素？ 比例度、积分时间、微分时间分别对过渡过程有 什么样的影响？
θr
－
主调 Qr 节器
副调 节器 流量 测量 温度测量
Q
D2
调节 阀 蒸汽管 路系统 再沸 器
D1
塔底
θ
－
控制方案1方框图
（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线2）
分析：把加热蒸汽侧的扰动完全 包括在副环之内，与1相比，副 环中包括了更大的时间常数，有 助于改善主环的调节性能。
D2 副调 节器
调节 阀 流量测量 蒸汽管 路系统
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 而引起的滞后。 纯滞后：介质的输送由于有一段距离需要一段时间 而引起的滞后。
污水处理加药控制系统
污水处理混凝加药单回路控制系统 浊度计
浊度 控制器
溶液池
污水
混合池
反应池
沉淀池
图 混凝加药单回路控制方案
4、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对 主变量影响小。 5、副回路尽量少包含或不包含纯滞后。 6、考虑工艺合理性和经济性。
串级系统副参数的选择分析
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
（1）副参数为加热蒸汽（作用线1）
分析：可保持加热量稳定，它只 能快速消除因蒸汽汽源压力变化 引起的扰动。由于蒸汽流量对象 的滞后非常小，当用流量作副变 量时，并不能使串级系统的频率 有多少提高，对克服其它扰动不 明显。
污水处理混凝加药串级控制系统
浊度计 浊度 控制器 FC
FT
溶液池
污水 混合池 反应池 图 混凝加药串级控制方案
沉淀池
串级控制系统的设计
主、副被控变量 主、副控制器 执行器 主、副测量变送装置 Nhomakorabea
投运与参数整定
主被控变量的选择
主被控变量（简称主变量）的选择与简单控制 系统被控变量的选择原则相同。
主测量 变送
通用的串级控制系统
串级控制系统
定义:
两个控制器串联，两个被控对象，两个测量变送装置，
一个执行器，两个回路 主控制器的输出作为副控制器的设定值 由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具 有更好的控制效果
串级控制系统的名词术语
主被控变量：生产过程中的工艺控制指标。 反应槽内的温度 副被控变量：为了稳定主被控变量而引入的中 间辅助变量。 夹套内的温度 主被控对象：生产过程中要控制的生产设备、 装置。 反应槽 副被控对象：表征副被控变量特性的设备（输 入量为操纵变量，输出量为副被控变量）。 夹套
PID 主控制器： PI 副控制器： 如果换成流量，又该如何选择？
加热炉温度-压力串级控制 PID 主控制器： P 副控制器：
加热炉温度-温度串级控制 PID 主控制器： P 副控制器：
主、副控制器正、反作用的选择
主、副回路都必须是负反馈
这时不考虑主控制器的作用方式。 与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同。
问题：从扰动开始至调节器动作，滞后较大，
特别对于大容量的反应槽，滞后更大。
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）。
反应器温度测量
串级与单回路控制simulink仿真
串级与单回路控制simulink仿真
调节时间 余差
180 0
60 0
串级与单回路控制simulink仿真
二次扰动最大偏差 0.27
0.013
串级控制系统的特点及应用范围
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
副变量越靠近主变量，副回路包含的扰动越多， 同时通道变长，滞后增加，控制速度变慢； 副变量越靠近操纵变量，副回路包含的扰动越少， 通道越短，控制速度越快。
3、要求副变量的变化对主变量影响作用明显，主、 副变量要有一定的内在联系。 a、与主变量有一定关系的中间变量
b、选操纵变量作为副变量
副被控变量的选择
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
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。
反应器温度串级控制框图
TC1
TC2
T2
冷却剂
T1
主控-串级切换的串级控制方案
注意： 串级与主控直接切换的条件:组成的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能由串级与主控之间直接切换。 如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控 制器的正反作用。
反应釜温度单回路控制系统
操纵变量： 冷却剂流量
TC 出料
被控变量： 反应温度 控制规律： PID
夹 套
冷却剂
槽 壁
进料
T1sp ＋ －
D2
调节器 调节阀 夹套
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
系统控制与扰动的分析
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
塔底
串级控制副变量选择练习
加热炉温度串级控制系统
扰动： 燃料油压力的波动 燃料油成分变化，导致燃油热值不同 方案1、温度-压力串级控制 出口温度为主变量 燃油压力为副变量 能克服燃油压力波动的影响
燃料油
如果燃油波动较大，主要扰动就是燃油压力的波动， 可采用此串级控制系统，以快速克服燃油压力波动带来的扰动。
副环 主对象
－
主回路
主测量 变送
副环始终为正作用‘＋’。 主测量变送为正作用‘＋’。 (主控制器) ×(主对象)=‘－’
主、副控制器正反作用的选择原则
主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。 （1）副控制器的正、反作用与主回路无关。副环可 以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定 副控制器的正、反作用。 （2）主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各 环节来确定。副回路视为“正”，因变送器一般为“ 正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性 相反。
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？ 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？
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；
(副控制器) ×(执行器) ×(副对象) ×(副测量变送) =‘－’
主、副控制器正、反作用的选择
副回路
副设定值 主设定值
二次扰动
调节 阀 副测量 变送 副对象
一次扰动 主被控 主对象 变量
主控 制器
－
－
副控 制器
副被控 变量
主回路
主测量 变送
主、副控制器正、反作用的选择
主设定值
主控 制器
主被控 变量
例题
例1.确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压 力串级控制系统主、副控制器的正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋” 副控制器：“－” 主对象： “＋” 主控制器：“－”
例题
例2.确定下图所示加热炉出口温度与炉膛温度 串级控制系统主、副控制器的正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋” 副控制器：“－” 主对象： “＋” 主控制器：“－”
加热炉温度串级控制系统
方案2、温度-温度串级控制 出口温度为主变量 炉膛温度为副变量 能克服燃油热值等问题的影响
燃油压力较稳定的情况下，主要扰动是燃油热值的变化， 使用该串级控制系统可以得到更好的控制效果。
精馏塔温度串级控制系统
分析： 温度控制对象滞后较大， 加热蒸汽压力波动大， 控制不及时，控制质量不够理想。 解决方法： 温度-流量串级控制系统 精馏塔塔釜温度为主变量 蒸汽流量为副变量 使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响。
θr －
主调 Qr 节器 －
P
D1
再沸 器 塔底
θ
温度测量
控制方案2方框图
（3）副参数为再沸器的蒸发量（作用线3）
分析：把再沸器侧的扰动包括在 副环内（再沸器液位、塔釜温度 等），有助于改善主环的调节性 能，但副环克服蒸汽方面的扰动 要慢些。
θr －
主调 Qr 节器 － D2 副调 节器 调节 阀 流量测量 温度测量 控制方案3方框图 蒸汽管 路系统 再沸 Q 器 D1 θ
单回路PID控制系统回顾
什么是单回路控制系统？ 被控变量的选择原则？ 操纵变量的选择选择？ 执行器的选择需要考虑哪些因素？ 测量变送装置的选择需要考虑哪些因素？ 控制器的选择需要考虑哪些因素？ 比例度、积分时间、微分时间分别对过渡过程有 什么样的影响？
θr
－
主调 Qr 节器
副调 节器 流量 测量 温度测量
Q
D2
调节 阀 蒸汽管 路系统 再沸 器
D1
塔底
θ
－
控制方案1方框图
（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线2）
分析：把加热蒸汽侧的扰动完全 包括在副环之内，与1相比，副 环中包括了更大的时间常数，有 助于改善主环的调节性能。
D2 副调 节器
调节 阀 流量测量 蒸汽管 路系统
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 而引起的滞后。 纯滞后：介质的输送由于有一段距离需要一段时间 而引起的滞后。
污水处理加药控制系统
污水处理混凝加药单回路控制系统 浊度计
浊度 控制器
溶液池
污水
混合池
反应池
沉淀池
图 混凝加药单回路控制方案
4、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对 主变量影响小。 5、副回路尽量少包含或不包含纯滞后。 6、考虑工艺合理性和经济性。
串级系统副参数的选择分析
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
（1）副参数为加热蒸汽（作用线1）
分析：可保持加热量稳定，它只 能快速消除因蒸汽汽源压力变化 引起的扰动。由于蒸汽流量对象 的滞后非常小，当用流量作副变 量时，并不能使串级系统的频率 有多少提高，对克服其它扰动不 明显。
污水处理混凝加药串级控制系统
浊度计 浊度 控制器 FC
FT
溶液池
污水 混合池 反应池 图 混凝加药串级控制方案
沉淀池
串级控制系统的设计
主、副被控变量 主、副控制器 执行器 主、副测量变送装置 Nhomakorabea
投运与参数整定
主被控变量的选择
主被控变量（简称主变量）的选择与简单控制 系统被控变量的选择原则相同。
主测量 变送
通用的串级控制系统
串级控制系统
定义:
两个控制器串联，两个被控对象，两个测量变送装置，
一个执行器，两个回路 主控制器的输出作为副控制器的设定值 由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具 有更好的控制效果
串级控制系统的名词术语
主被控变量：生产过程中的工艺控制指标。 反应槽内的温度 副被控变量：为了稳定主被控变量而引入的中 间辅助变量。 夹套内的温度 主被控对象：生产过程中要控制的生产设备、 装置。 反应槽 副被控对象：表征副被控变量特性的设备（输 入量为操纵变量，输出量为副被控变量）。 夹套
PID 主控制器： PI 副控制器： 如果换成流量，又该如何选择？
加热炉温度-压力串级控制 PID 主控制器： P 副控制器：
加热炉温度-温度串级控制 PID 主控制器： P 副控制器：
主、副控制器正、反作用的选择
主、副回路都必须是负反馈
这时不考虑主控制器的作用方式。 与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同。
问题：从扰动开始至调节器动作，滞后较大，
特别对于大容量的反应槽，滞后更大。
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）。
反应器温度测量
串级与单回路控制simulink仿真
串级与单回路控制simulink仿真
调节时间 余差
180 0
60 0
串级与单回路控制simulink仿真
二次扰动最大偏差 0.27
0.013
串级控制系统的特点及应用范围
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
副变量越靠近主变量，副回路包含的扰动越多， 同时通道变长，滞后增加，控制速度变慢； 副变量越靠近操纵变量，副回路包含的扰动越少， 通道越短，控制速度越快。
3、要求副变量的变化对主变量影响作用明显，主、 副变量要有一定的内在联系。 a、与主变量有一定关系的中间变量
b、选操纵变量作为副变量
副被控变量的选择
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
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。
反应器温度串级控制框图
TC1
TC2
T2
冷却剂
T1
主控-串级切换的串级控制方案
注意： 串级与主控直接切换的条件:组成的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能由串级与主控之间直接切换。 如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控 制器的正反作用。
反应釜温度单回路控制系统
操纵变量： 冷却剂流量
TC 出料
被控变量： 反应温度 控制规律： PID
夹 套
冷却剂
槽 壁
进料
T1sp ＋ －
D2
调节器 调节阀 夹套
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
系统控制与扰动的分析
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
塔底
串级控制副变量选择练习
加热炉温度串级控制系统
扰动： 燃料油压力的波动 燃料油成分变化，导致燃油热值不同 方案1、温度-压力串级控制 出口温度为主变量 燃油压力为副变量 能克服燃油压力波动的影响
燃料油
如果燃油波动较大，主要扰动就是燃油压力的波动， 可采用此串级控制系统，以快速克服燃油压力波动带来的扰动。
副环 主对象
－
主回路
主测量 变送
副环始终为正作用‘＋’。 主测量变送为正作用‘＋’。 (主控制器) ×(主对象)=‘－’
主、副控制器正反作用的选择原则
主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。 （1）副控制器的正、反作用与主回路无关。副环可 以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定 副控制器的正、反作用。 （2）主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各 环节来确定。副回路视为“正”，因变送器一般为“ 正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性 相反。
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？ 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？
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；
(副控制器) ×(执行器) ×(副对象) ×(副测量变送) =‘－’
主、副控制器正、反作用的选择
副回路
副设定值 主设定值
二次扰动
调节 阀 副测量 变送 副对象
一次扰动 主被控 主对象 变量
主控 制器
－
－
副控 制器
副被控 变量
主回路
主测量 变送
主、副控制器正、反作用的选择
主设定值
主控 制器
主被控 变量
例题
例1.确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压 力串级控制系统主、副控制器的正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋” 副控制器：“－” 主对象： “＋” 主控制器：“－”
例题
例2.确定下图所示加热炉出口温度与炉膛温度 串级控制系统主、副控制器的正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋” 副控制器：“－” 主对象： “＋” 主控制器：“－”
加热炉温度串级控制系统
方案2、温度-温度串级控制 出口温度为主变量 炉膛温度为副变量 能克服燃油热值等问题的影响
燃油压力较稳定的情况下，主要扰动是燃油热值的变化， 使用该串级控制系统可以得到更好的控制效果。
精馏塔温度串级控制系统
分析： 温度控制对象滞后较大， 加热蒸汽压力波动大， 控制不及时，控制质量不够理想。 解决方法： 温度-流量串级控制系统 精馏塔塔釜温度为主变量 蒸汽流量为副变量 使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响。
θr －
主调 Qr 节器 －
P
D1
再沸 器 塔底
θ
温度测量
控制方案2方框图
（3）副参数为再沸器的蒸发量（作用线3）
分析：把再沸器侧的扰动包括在 副环内（再沸器液位、塔釜温度 等），有助于改善主环的调节性 能，但副环克服蒸汽方面的扰动 要慢些。
θr －
主调 Qr 节器 － D2 副调 节器 调节 阀 流量测量 温度测量 控制方案3方框图 蒸汽管 路系统 再沸 Q 器 D1 θ