第六章串级控制系统设计
(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。
串级控制系统的设计
串级控制系统的设计为了充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应当合理设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。
1、主、副回路的设计原则（1）副参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。
通常串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。
因此，在设计串级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大提高。
（2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。
串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多地包括一些扰动但这将与要求副回路控制通道短，反应快相矛盾，应在设计中加以协调。
在具体情况下，副回路的范围应当多大，决定于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小副回路的范围也不是愈大愈好。
太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。
一般应使副回路的频率比主回路的频率高得多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果。
（3）主副回路工作频率应适当匹配。
由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。
如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中副参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增加，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度地波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”。
一旦发生了共振，系统就失去控制，不仅使控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。
为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取T dl =（3~10）T d2式中： T dl为主回路的振荡周期；T d2为副回路的振荡周期。
要满足上式，除了在副回路的设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。
2、主、副调节器的选型串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。
第六章串级控制系统1
上面两种方案各有优缺点，下图是把两种方案结合起 来的一种控制方案。
温度变送器 温度设定值
TC
温度测量值 流量测量值 出口温度 流量变送器
QC
控制量 燃料油 控制阀
原料油
在此方案中，用温度控制器的输出作为流量控制器的 设定值，由流量控制器的输出去调燃料油的流量。 从结构看，其特点是两个控制器串接使用，故此案可 叫热炉出口温度燃料油流量的串级控制系统。
(5)副回路设计应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以 防止发生“共振”。 主、副回路之间在串级控制系统中是密切相关的。副变 量的变化会影响到主变量，主变量的变化通过反馈回 路又会影响到副变量，如主、副对象的时间常数比较 接近，则主、副回路的工作频率也较接近，一旦系统 受到干扰，就有可能产生“共振”，轻则使系统的控 制质量下降，重则会导致系统发散而无法工作。
(6)设计的副回路需考虑到方案的经济性和工 艺上的合理性。 举一个丙稀冷却器出口温度串级控制系统为例 来说明方案设计时的经济性问题。
气丙稀 进料
出料 控制阀
LC
TC
液丙稀
通过液丙稀在冷却器内与高温的进料经热交换后，使 出料达到工艺上规定的温度值，而液丙稀吸收热量后 成气丙稀排出并返回冷冻压缩机冷凝后重复使用。主 变量选出料温度，影响出料温度的因素为液丙稀在冷 却器内的液面高度，液面越高，出料温度越底，故温 度对象即主对象为反作用。当液丙稀的流入量与其挥 发的气丙稀达动态平衡时，冷却器内的液面高度保持 恒定，但液丙稀的流入量除受控制阀的开度影响外， 与阀两端压差有关。故方案一以液面高度为副变量组 成出料温度与液面高度的串级控制系统。
例如对于一个加热炉出口温度控制问题，若产品质量主要取决 于出口温度，而工艺上对它要求也较严格，为此需采用串级 控制控制方案。当原料油的成分和处理量比较稳定，燃料油的 组分也较稳定(即热值较稳定)，但燃料油的压力会经常波动， 此时宜采用炉出口温度与燃料油压力串级控制控制方案。
串级控制系统设计
目录1.串级控制的基本概念 (1)2.串级控制系统的原理 (1)3.串级控制系统的特点 (1)4.串级控制主、副控制器的设计 (3)5.Simulink仿真 (5)6.串级控制的改进 (6)附录 (7)参考文献 (7)1.串级控制的基本概念串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。
内环的作用是将外部扰动的影响在内环进行处理，而尽可能不使其波动到外环，这就加快了系统的快速性并提高个系统的品质，因此串级控制系统中选择内环时应考虑其响应速度要比外环快得多。
2.串级控制系统的原理串级控制在结构上形成的两个闭环，一个在闭环里面，成为内环、副环或副控回路，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用；一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起“细调”作用，最终被控量满足控制要求。
主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。
3.串级控制系统的特点（1） 副控制回路具有快速性，能够有效的克服进入副控回路的二次干扰。
图2为简化串级控制系统的结构图，其中)(2S G v 为二次干扰通道传递函数。
当二次干扰经扰动通道)(2S G v 进入副控回路后，首先影响副参数)(2S Y ，于是副控制器立即动作，力图削弱干扰对)(2S Y 的影响。
显然，干扰经副控回路的抑制后再进主控回路，对)(S Y 的影响将有较大的减弱。
按图2所示的串级系统，二次干扰)(2S V 到主参数)(S Y 的传递函数是为了与一个简单单环控制系统相比，由图3可以得到单回路控制下干扰)(2S V 至主参数)(S Y 的传递函数是比较（3.1）和（3.2），假定)()(1S D S D =,可以看到串级系统中的)()(2S V S Y 的分母中多了一项，即)()(22S G S D 。
在主控回路的工作频率下，这项乘积的系数一般较大，且随副控制器比例增益的增大而增大。
串级控制系统课件
Gmp ( + )
GPP ( + ) G PT ( + ) → P ↑ → T ↑
f2
f1
设：反向干扰， f1 → T↓; f2 → P↑ 反向干扰， 动作过程
GmP ( + ) GC 2 ( + ) GV ( − ) 副：P ↑ → e 2 ↑ u2 ↑ q ↓ → → → P →T GmT ( + ) GC ( − ) 主：T ↓ → e1 ↓ u1 ↑→ e 2 ↓→ q ↑ →
等效副对象传递函数： 等效副对象传递函数：
( s) P2 G ′ ( s) = P2 1 + G ( s )G ( s )G ( s )G P2 m2 c2 v( s) G
①提高系统的工作频率----时间常数 提高系统的工作频率 时间常数
令：GC2 = KC2, GV = KV, Gm2 = Km2， 代入前式： 代入前式： K P 2 (TP 2 s + 1)
a.串级控制系统工作频率 串级控制系统工作频率
串级控制等效方框图
由等效方框图， 由等效方框图，得串级控制系统传递函数为
′ GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s ) G( s) = ′ 1 + GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s )Gm 1
2.1.2 精馏塔塔釜温度串级控制动作分析
1）系统设定 方块图
(-) (+) (-) (+) (+)
(+)
(+)
设定元件作用方式： 设定元件作用方式： 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－）
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。
工业过程控制工程课件-串级控制系统
实例2：硝酸生产中氧化炉内温度控制 要求：T控制在840±5℃范围之内
6.1.1 串级控制系统的概念（实例2）
措施之一：简单温度控制系统 特点：对所有T的干扰都包含在控制回路中。 结果：响应不灵敏，动作迟缓， 最大偏差±10℃ 原因：控制通道滞后大，对氨气总管压力波 动引起氨气流量的频繁变化，不能及 时克服。
6.1.2 方块图及常用名词
6.1.2 方块图及常用名词
串级控制系统的名词术语： P69 主变量（ y1），保持其平稳是控制的 主要目标。 副变量（y2），它是被控过程中引出 的中间变量。
6.1.3 串级控制系统的工作过程
下面分析系统引入干扰后的工作过程： a.出现二次干扰F2：导致氧气流量增加Q↑。 由框图可见，F2至副变量Y2距离短，距主变量Y1距离长。流量Q的变化首先被 副变送器检测到，由FC进行控制。 初始阶段，Q的变化不会一下子影响 到炉温T，故TC的输出暂时不变，即FC的 输入暂时不变。
6.1.3 串级控制系统的工作过程
工作过程分析： 实例：氧化炉反应温度流量串级控制系统 已知条件：控制阀：气开式 稳定状态：物料、能量达到平衡并维持不变； TC、FC输出相对稳定，控制阀处 于某一开度位置不变。
6.1.3 串级控制系统的工作过程
b. 出现一次干扰F1 ：导致T升高 （推理方法1） F1 → T↑→ ym1 ↑ → uC1↓ TC设定值r1不变 → FC设定值r2 ↓ → e2 ↓ = r2 ↓ – ym2 ( ym2 暂时不变 ) → u2 ↓ （FC:反作用方式 → “+” 极性）
6.1.1 串级控制系统的概念
串级系统和简单系统的显著区别： 串级系统在结构上形成两个闭环 通用的串级控制方块图： P70图6.1-2 副回路（或副环）：包含在虚线框内的部分， 在控制系统中起“粗调”作用 主回路（或主环）：在控制系统中起“细调”作用
第6章串级控制系统
15
④主、副对象 主回路所包括的对象称为主对象； 副回路所包括的对象称为副对象。 ⑤主、副检测变送器 检测和变送主变量的称为主 检测变送器；检测和变送副变量的称为副检测变送 器。 ⑥一、二次干扰进入主回路的干扰称为一次干扰 ；进人副回路的干扰称为二次干扰。
16
应该指出，系统中尽管有两个调节器，它们 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， 副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产 过程。比较串级系统和简单系统，前者只比后者 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，但控制效果却有显著的提高。
6
但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压 力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发图6-2 隔 焰式隧道客温度简单控制系统方框图生变化，必将引起燃烧室温 度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化 。因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以 对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后， 控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量， 对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的 燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的 通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了 。也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量 增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控 制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定 ，都得不到满意的控制效果。
4
制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度 进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得 超过5C。所以烧成带的烧结温度是影响产品 质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带 的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵 变量。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。
串级控制系统
6.3串级控制系统设计 1、主、副回路选择 （1）副回路应包括主要干扰，并尽可能包括多一些干 扰。 如：加热炉串级可有温度-流量， 温度-压力 温度-温度等 （2）主副对象时间常数匹配 以快速抗干扰为主，T副就小一些 以改善对象特性为主， T副就长一些 以克服非线性为主，T主与T副应拉开些,并应避免“共 振效应”
1 K max,1 ' 19 | G1 ( jc1 ) |
f2 r1
Gf2’(s) Gp2’(s) c2 Gc1(s) c1
其中
-
Gc1(s)
Gm1(s)
G ( s)
' p2
Gc 2G p 2 1 Gc 2G p 2Gm 2 Gf 2 1 Gc 2G p 2Gm 2
' f2
(等效副对象）
Gc1（s）和Gc2（s）都是纯比例的。
F2 Gc1（s） F1 Gp2（s）
y2
+
—
+
Gc2（s）
—
Gp1（s）y1源自串级系统方块图副回路的开环传递函数G2（s）为
1 G 2( s) Gc 2( s)Gp 2( s) Kc 2 ( s 1) 2 (10s 1)
临界频率ωc2可由下式得到
（3）干扰同进进入主、副回路
干扰同向；调节方向相同，调节作用强，偏差小 干扰反向：调节作用相反，互相抵消，偏差小 可见，副回路不仅能迅速克服作用于副回路的干扰； 也能迅速克服作用于主回路的干 扰。 副回路：先调、粗调、快调 主回路：后调、细调、慢调
2、临界频率和临界增益分析 例 已知
1 1 Gp1( s) , Gp 2( s) (30s 1)(3s 1) ( s 1)2(10s 1)
串级控制系统的设计PPT课件
副对象
输入：控制阀所控制的流量
输出： 副被控变量
主对象
输入： 副被控变量 输出：主被控变量
6
对原油波动较列方案效果好。
原油
此方案副回路包含的干扰多，副对
燃
象时间常数较大
料
油
T1C T1T
对于副控制器，它接受主调节器的输出作为外给 定起随动调节系统的作用，用副参数的快速变化 来保证主参数的不变，副控制器一般采用P作用而 不采用积分和微分，但付参数是流量对象时，副 控制器应选PI调节规律。
5
串级控制系统控制器正、反作用的选择
正、反作用的选择应先副后主的原则选择：
1、先把副回路看成简单控制系统，按简单控制系统 确定副控制器的正、反作用；
热物料
T2T
T2 C
7
若原油较平稳，燃料压力波动大，可建立温度—压力 （流量）调节系统。
原油
此方案副回路包含的干扰只有燃
气压力波动，副对象时间常数较 燃
小，快速性好
气
热物料
TT
FC
TC
FT
8
（要求：TO1 TO2为3~10倍，否则系统无法运行，系统将振 荡。 ⑶付回路设计，应考虑把调节通道中，非线性部分包括在付 回路中。 ⑷副回路的设计应符合工艺上的合理性（付参数的选择与简 单控制系统的操作变量的选择相同）。
4
串级控制系统主、副控制器控制规律选择
主参数如成份、温度等有更高的控制要求，主控 制器一般选用PID调节规律。
2
串级控制系统把非线性环节包含在副回路中
3
主、付参数的选择原则
主参数的选择原则：与单回路控制系统被控变量的选择 相同。可用于滞后大，或直接采用质量参数等为被控变 量。（比单回路控制系统被控变量的选择裕度大）
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
串级控制系统课件
用于控制钢水温度、成分等参 数，实现高效、低耗的冶炼过
程。
02
串级控制系统的设计与实现
控制器设计
01
控制器类型选择
根据被控对象的特性，选择合适 的控制器类型，如PID控制器、 模糊控制器等。
02
控制器参数整定
03
控制器结构调整
根据系统性能要求，对控制器参 数进行整定，以获得良好的控制 效果。
升系统的决策能力。
人工智能技术
03
利用机器学习和深度学习技术，实现自适应学习和智能决策，
提高系统的自主性和智能化程度。
系统集成与优化
系统集成
将多个子系统进行集成，实现信息共享和协同工作，提高系统的 整体性能和效率。
系统优化
通过优化算法和智能技术，对系统进行性能分析和优化设计，提高 系统的稳定性和可靠性。
系统优化
根据调试结果，对系统设计进行优化，提高系统性能、降低能耗等。
03
串级控制系统的性能分析
稳定性分析
稳定性是控制系统的重要性能指标，它决定了 系统在受到扰动后能否回到原始状态的能力。
稳定性分析主要通过判断系统的极点和零点散 布来进行，极点越靠近虚轴，系统越不稳定； 零点越远离虚轴，对系统稳定性的影响越大。
主回路设计
主回路功能确定
明确主回路在系统中的作用，如保证主参数 稳定、克服主要扰动等。
主回路控制器选择
根据主回路功能要求，选择合适的主回路控 制器。
主回路参数整定
根据主回路控制效果，对主回路控制器参数 进行整定，以优化系统性能。
系统调试与优化
系统调试
在系统初步设计完成后，进行实际调试，检查系统各部分是否正常工作、控制效果是否到达预期。
第六章 串级控制系统
吴建国 南通大学电气工程学院 2007.10
单回路PID控制系统小结
介绍了简单被控过程的机理建模方法; 介绍了简单被控过程的机理建模方法; 讨论了控制阀“气开、气关” 讨论了控制阀“气开、气关”形式与流量特性 的选择问题； 的选择问题； 讲述了“广义对象” 讲述了“广义对象” 动态特性的典型测试方 法； 介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则； 介绍了单回路控制器“正反作用”的选择原则； 详细分析了单回路PID参数整定方法, 详细分析了单回路PID参数整定方法, PID参数整定方法 介绍了PID控制器的“防积分饱和” 技术. 介绍了PID控制器的“防积分饱和” 技术. PID控制器的
u
＋ ＋
ym1(t)
串级系统主控制器 防积分饱和连接方法
1 TI s + 1
ym2(t)
结 论
介绍了串级控制系统的概念与特点； 结合控制原理，具体分析了串级系统的抗 干扰性能； 讨论了串级控制系统的设计原则； 介绍了串级控制系统的参数整定过程;
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。
对调节滞后的解决方法之一
对于冷却水方面的扰动， 对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口 温度、阀前压力等扰动， 温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度 T2比反应槽温度 1能更快地感受到。因而 比反应槽温度T 能更快地感受到。 可设计夹套水温单回路控制系统TC 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。 快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设 定值应根据T 定值应根据 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 （这一要求可用反应温度调节器 1来自 动实现）。 动实现）。
简述串级控制系统的设计原则。
简述串级控制系统的设计原则。
串级控制系统是一种广泛应用于各种控制系统中的控制方式。
串级控制是一种将多个层次的控制器组成的分层结构，在控制层面实现从上层到下层的控制。
这种控制方式，可以让上层控制器负责整体控制，而下层控制器负责分层控制，将系统控制复杂度降低，并且可以有效地提高控制系统的整体性能。
串级控制系统的设计原则是一组指导串级控制系统的设计原则。
它可以指导设计人员在设计串级控制系统时应遵守的原则，以达到最佳性能。
这些原则主要涉及系统的控制能力、可靠性、安全性、易用性、灵活性和普适性。
第一，控制能力。
串级控制系统的控制能力是指控制系统的性能指标，要求系统具有足够的控制能力来保证系统稳定可靠地运行。
第二，可靠性。
串级控制系统的可靠性是指控制系统的能力，要求系统具有足够的可靠性，确保系统的运行可以长期稳定可靠地进行。
第三，安全性。
串级控制系统的安全性是指系统的能力，要求系统能够在可控范围内实现安全控制，以防止发生不可控的意外情况。
第四，易用性。
串级控制系统的易用性是指系统的能力，要求系统具有良好的用户友好性，以方便用户在控制环境中使用系统。
第五，灵活性。
串级控制系统的灵活性是指系统的可拓展性，要求系统可以根据不同的应用场景进行拓展，使系统有更好的灵活性。
第六，普适性。
串级控制系统的普适性是指系统的可拓展性，要求系统可以满足各种应用场景的要求，并具有较强的可移植性。
总之，以上是串级控制系统的设计原则，主要包括控制能力、可靠性、安全性、易用性、灵活性和普适性。
这些原则可以指导设计人员在设计串级控制系统时应该遵守的原则，以达到最佳性能。
串级控制系统的优势在于它可以将系统的控制复杂度降低，并可以提高系统的可靠性、安全性和易用性。
因此，串级控制系统是当今许多控制环境中应用最广泛的控制方案，它将为许多应用场景提供更好的控制效果。
此外，在设计串级控制系统时，串级控制系统原则还可以指导开发人员在设计控制系统时，应该采用怎样的技术、结构、参数等，以获得最优的控制效果。
PID串级控制.ppt
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。 ➢ 主、副变量反向变化
两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。
通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制 器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回 路控制系统。
2、应用于纯延时较大的过程 当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能
指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较 小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。 例：网前箱温度-温度串级控制系统
72o C
61o C
滞后0s
要求：最大偏差不超过 1o C 如果纸浆流量波动 35kg / min
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。
4、对负荷变化有一定的适应能力 某控制系统方框图如下：
X1(S)
W（c S）
W0（2 S） H(S)
W0（1 S） Y1(S)
无串级时，开环传函： G(S) Wc (S)W02 (S)W01(S)
有串级时，开环传函：
G(
S
)
Wc
(S
)
1
W02 (S ) W02 (S )H
(
S
)
W01
串级控制系统设计
串级控制系统设计串级控制系统是由多个控制回路串联组成的控制系统。
它适用于那些要求更高的系统，需要更加精确和稳定的控制。
在串级控制系统中，分别有一个主要控制回路和一个或多个次级控制回路，主要控制回路负责整体控制系统的目标，次级控制回路负责对主要控制回路的输出进行修正，以达到更高的控制精度和稳定性。
串级控制系统设计的关键是确定主要控制回路和次级控制回路的结构和参数。
在设计主要控制回路时，需要考虑系统的目标和性能要求，并选择适合的控制器类型（如比例控制、比例积分控制或比例积分微分控制）。
同时，还需要根据系统动态特性对主要控制回路进行参数调整，以实现快速而稳定的响应。
次级控制回路的设计通常是根据主要控制回路输出的误差信号来进行的。
次级控制回路的作用是修正主要控制回路的输出，以进一步提高系统的控制精度。
次级控制回路可以采用不同的控制器类型，如比例控制或预测控制。
在设计次级控制回路时，需要考虑其对主要控制回路的影响，并调整其参数以实现理想的修正效果。
在串级控制系统设计中，还需要考虑控制回路之间的耦合问题。
具体来说，主要控制回路的输出应当能够适应次级控制回路的要求，并且次级控制回路的输出对主要控制回路的性能影响应当最小化。
为了实现这一点，可以采用信号分离和滤波等技术来减小回路之间的耦合。
另外，串级控制系统设计还需要考虑反馈环节的设计。
反馈环节可以提供对系统状态的实时监测，并利用这些信息对控制回路的输出进行修正。
在串级控制系统中，反馈环节通常位于主要控制回路之后，以便对主要控制回路输出的误差进行修正。
反馈环节的设计应当考虑系统的稳定性和鲁棒性，以确保系统能够稳定运行并对扰动有良好的抑制能力。
最后，串级控制系统设计还需要进行模拟和调试。
通过模拟和调试可以验证设计的有效性，并对系统性能进行评估。
模拟和调试可以通过数学模型和仿真软件来进行，以避免对实际系统造成不必要的干扰和损坏。
总结起来，串级控制系统设计是一个复杂的过程，需要考虑系统的目标和要求、主要控制回路和次级控制回路的设计、控制回路之间的耦合问题和反馈环节的设计等因素。
过程控制系统设计-串级控制系统分析
1 Gc (s)Gv (s)Go 2 (s)Go1 (s)Gm1 (s) 0
设其控制器为 Gc ( s) K c ，其环节与串级控制系统相同，则有
（6-11）
s2
To1 To 2 1 K c K m1 K o1 K o 2 K v s 0 To1To 2 To1To 2
2 另由式 （6-3）可知，通常情况下，等效副对象的增益 K o
K c2 K v K o2 K o2 ， 1 K c2 K v K m2 K o2
即等效对象增益减小。 这种减小可以通过增大控制器的比例增益消除， 因而不仅不会影响控 制质量，反而可使主控制器增益 K c1 可以整定地比简单控制系统中更大些，更加有效提高了 系统抗干扰能力。 2.提高系统的工作频率 根据特征方程式求取系统的工作频率。由图 6-9（串级的等效图）可知，系统的特征方 程为
（6-2）
K c2 K v K o2 2 Ko 1 K c2 K v K m2 K o2 令 To 2 To2 1 K c2 K v K m2 K o2
则
（6-3）
2 ( s) Go
2 Ko Y2 ( s) X 2 ( s) To2 s 1
To1 To2 2 T To1 To 2 1 1 o1 To 2 To1To 2 2 1
To1 T 1 o1 To2 To 2
To1 To2 1 2 To1To2 2
（6-14）
由前 To2 To 2 ，可得 1
所以 串 单 。也就是说，串级控制系统改善了副回路的对象特征，提高了整个系统的工 作频率，可以使系统过渡过程的振荡周期减小，在相同的衰减指数下，调节时间缩短，系统 速度提高，改善了系统的控制品质。当主、副对象的特性一定时，副控制器的比例系数 K c 2 整定得越大，这种效果越显著。
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§6.1 串级控制原理 §6.2 串级控制系统的特点 §6.3 串级控制系统的设计 §6.4 串级控制系统的参数整定 §6.5 串级控制系统的工业应用
返回
§6.1 串级控制原理
一、串级控制系统的组成
例 ：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示）， 其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。
E1 (s)
Wc1 (s)
X 2 (s) +
-
E2 (s) Wc2 (s) + -
Z1(s)
Z2 (s)
F2 (s) +
WV (s)
W02 (s)
Y2 (s) +
F1 (s) +
W01 (s)
Wm2 (s)
Y1 (s)
Wm1 (s)
输出对于二次扰动的传递函数：
FY（（12 SS）） 1
WV (s)W02 (s)W01(s) Wc1(s)Wc2 (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm1(s) Wc2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
若克服二次干扰的能力 用Y（1 S）/ X（1 S）来表示 Y（1 S）/ F（2 S）
则
Y（1 S）/ Y（1 S）/
XF（（21 SS））
Wc1
(S
)Wc
2
(
S
)
K c1 K c 2
假设主、副调节器均采 用比例调节器，即 Wc1(S) Kc1，Wc2 (S) Kc2
单回路控制系统方框图如下：
Wm2 (s)
Y1 (s)
Wm1 (s)
输出对于输入的传递函数：
XY（（11 SS）） 1
Wc1(s)Wc2 (s)WV (s)W02 (s)W01(s) Wc1(s)Wc2 (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm1(s) Wc2 (s)WV (s)W02 (s)Wm2 (s)
X1(s) +
返回
§6.2 串级控制系统的特点
1、能迅速克服进入副回路的二次干扰 串级控制系统方框图如下：
X1(s) +
E1 (s)
Wc1 (s)
X 2 (s) +
-
E2 (s) Wc2 (s) + -
Z1(s)
Z2 (s)
F2 (s) +
WV (s)
W02 (s)
Y2 (s) +
F1 (s) +
W01 (s)
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。 ➢ 主、副变量反向变化
两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。
通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制 器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回 路控制系统。
(s)
则：YY（（SS））// XF（（2 SS）） Wc (S) Kc
假设：Wc (S) Kc
一般
K
c
取值较大，
2
K c1
Kc
Kc1 Kc2 Kc
即：串级控制系统克服二次干扰的能力大于单回路控制系统（约10～100倍）。 串级控制系统克服一次干扰的能力也比单回路控制系统强。
2、提高了系统的工作频率 双容对象的单回路控制系统如下图所示：
• 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 。
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。
串级控制系统中常见的名词术语：
主、副变量，主、副控制器（调节器），主、副对象，主、副检测变送器，主、 副回路。
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：
二次扰动 一次扰动
设定值
主调节器
副调节器
执行阀
副检测变送器
副 对象
主 对象
副参数
主参数
主检测变送器
内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
方案一：管式加热炉出口温度的单回路控制
温度检测 变送器
期望 温度
存在的问题：
由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时； 偏差大，控制质量差。
温度控 制器
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
存在的问题：
流量控 制器
X（S）
F（2 S） Wc (S)
WV (S)
F（1 S） W02(S)
Y（S） W01(S)
Wm (S )
Y(S)
Wc (s)WV (s)W02 (s)W01(s)
X (S ) 1Wc (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm (s)
Y（S） F（2 S）
1
Wc
WV (s)W02 (s)W01(s) (s)WV (s)W02 (s)W01(s)Wm
流量的扰动和热值扰动。
温度-流量串级控制系统的方框图如下：
R（1 S） E（1 S） 温 度 调 R（2 S） E（2 S） 流 量 调
节器
节器
执行阀
D（2 S） D（1 S）
流量
流量
温度
对象
对象
原料出口温度
流量检测变送器
温度检测变送器
串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个执 行阀，实现定值控制的控制系统。
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。
X (S)
Kc
K2 1T02S
K1 1T01S
Y (S )
其特征方程式为：
T01T02S 2 (T01 T02 )S (1 Kc K1K2 ) 0
则:
2 1 01
T01 T02 T01T02
阻尼比 阻尼振荡频率为：
d1 01
自然振 荡频率
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
方案三：加热炉出口温度与燃料流量的串级控制
用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制器的输出去控 制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料油流量的扰动 同样：加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油