复杂控制系统
化工自动化及仪表第八章复杂控制系统 第一节串级控制系统
图8-4 加热炉温度串级控制系统方块图
图8-5
副回路（副控制系统）
串级
控制 系统 组成 原理 及术
主设 定值
主控 制器
副设 定值
副控 制器
干扰
操纵
变量
副被控
变量
执行器 副对象
-
-
副测量值
副测量、变送
语
主测量值
主测量、变送
(1) 组成原理
①将原被控对象分解为两个串联的被控对象。
干扰 主对象
主被控 变量
TC
TT
PC
PT
燃料油 气开阀
被加热原料
T 出口温度
解答：
(1)阀的气开、气关特性
依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于 全关闭状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀
TC燃料油 气开阀
被加热原料
T 出口温度
(2)控制器的正、反作用
副控 制器
因为：P ys e
P 燃料量 阀开度 u
根据系统的结构和所担负的任务来分：串级、均
匀、比值、分程、选择性、前馈、多冲量等
本章研究内容：
8.1 串级控制系统 8.2 均匀控制系统 8.3 比值控制系统 8.4 分程控制系统 8.6 前馈控制系统
8.1 串级控制系统
复杂控制系统中用的最多的一种。
适用场合：当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、
频繁，采用简单控制质量较差，或要求被控变量 的误差范围很小，简单控制系统不能工艺满足要 求。
人们研究出了一种不需要增加太多的仪表就可以 使被控变量达到较高的控制精度的方法——串级控制 系统。
串级控制系统的思想：
把时间常数较大的被控对象分解为两 个时间常数较小的被控对象。
义务教育版(2024)信息科技六年级全一册 第14课 复杂系统可分解 教案
认真听讲，理解子系统的概念和控制系统与子系统的关系。
观察关系结构图，加深对控制系统和子系统的理解。
小组内成员积极讨论，从手机的功能出发，找出手机控制系统中的子系统及其功能，并填写表格。
派代表向全班分享小组的讨论结果。
思考教师的问题，分析厨房电气系统中的子系统，并绘制关系结构图。
讲解控制系统与子系统的关系，通过绘制关系结构图，让学生直观地理解它们之间的层次关系。
2.了解控制系统中的子系统
组织学生分组，让学生讨论手机控制系统中的子系统和其功能，并填写表格。
巡视各小组的讨论情况，及时给予指导和帮助。
邀请各小组代表分享他们的讨论结果。
3.描述控制系统及其子系统的关系
引导学生分析厨房电气系统中的子系统，并根据给定的关系结构图，描述厨房电气系统及其子系统的关系。
学情分析
六年级的学生已经具备了一定的系统思维和解决问题的能力，但对于复杂系统的分解和子系统的概念可能还比较陌生。在教学中，应引导学生从生活实际出发，通过具体的案例和活动，帮助学生理解复杂系统的可分解性。
教学目标
一、知识与技能
理解复杂控制系统可以分解为多个子系统的概念。
能够绘制控制系统与子系统的关系结构图。
积极回答教师的提问，阐述自己的观点
上网查资料，了解智能家居的特点和功能。
小组内讨论，确定自己理想中的智能家居的功能，并设计子系统，绘制思维导图。
设计意图：
系统的讲解知识，让学生对复杂系统的可分解性有一个清晰的认识。通过具体案例和图示，帮助学生理解抽象的概念；通过设计活动，提高学生的创新能力和实践能力。
设计意图：
通过展示图片引发学生对复杂系统的关注和思考。
复杂系统控制理论及方法研究
复杂系统控制理论及方法研究一、引言复杂系统是由多个互相作用的组成部分所构成的系统，具有不确定性、非线性、耦合性和多样性等特点。
由于其内部结构繁复，和外界相互作用复杂，因此对复杂系统的控制和优化问题一直是科学家和工程师们研究的热点。
复杂系统控制理论及方法是为了解决这一问题而形成的一种交叉学科，涵盖了数学、自动控制、计算机科学和机械工程等多个学科领域。
本文将重点介绍复杂系统控制理论及方法的研究现状和发展趋势。
二、复杂系统控制理论研究1.控制理论的基础概念复杂系统的控制需要在系统的行为、性质和可控性等方面进行深入分析，确定合适的控制策略和算法。
控制理论中的基本概念包括系统模型、控制对象、控制器和监测器等。
2.控制策略与算法控制策略在设计上采用的是系统级控制策略，从系统整体的角度思考，对系统进行统一的控制。
控制算法采用非线性控制算法，通过建立系统的数学模型和控制策略，利用优化方法对系统进行全局优化调整。
三、复杂系统控制方法研究1. 自适应控制方法自适应控制方法是能够自动调整控制策略参数的方法，能够快速适应系统变化。
该方法采用自适应神经网络优化算法，通过在线学习和逐步调整控制策略，使控制器的参数不断逼近最佳值，从而达到控制系统的稳定性和优化性能。
自适应控制方法适用于受到干扰、具有非线性和不确定性的复杂系统控制。
2. 模糊控制方法模糊控制方法是一种基于权重关系的控制方法，能够对复杂系统的特性进行拟合，处理模糊信息，适用于输入输出变量复杂难以描述的系统。
利用模糊规则建立模糊模型，从而实现对系统的控制。
该方法应用广泛，可用于各种复杂工程领域的控制问题，如电力系统、航空飞行控制等。
四、复杂系统控制方法应用研究1. 无人机控制探索无人机技术正在飞速发展，但由于自身特殊的复杂性，在控制过程中遇到众多困难。
通过采用现代控制理论和方法，探索无人机控制问题，可以有效改善其控制性能、提高其安全性和可靠性，也有利于推动无人机技术的发展。
常用复杂控制系统
0
20
T01 T02' T01T02'
02
1
Kc1K02' K01Km1 T01T02'
标准形式： s2 20s 02 0
串级控制系统的工作频率为：
串 0
12
1 2 T01 T02'
2
T01T02 '
（2）提高了系统的工作频率
单回路系统特征方程为 1 Gc (s)Gv (s)G02 (s)G01(s)Gm1(s) 0
K
' 02
1
Kc2 Kv K02 Kc2 Kv K02 Km2
K
' 02
1 Km2
当K02或KV随操作条件或负荷变化时，K02’几乎不变.
当采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环 却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷 变化的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作 条件和负荷的变化。
5.应用于非线性过程 特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控 制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变； 串级控制，则可自动调整副调节器的给定值。
合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性
注意
串级控制虽然应用范围广，但必 须根据具体情况，充分利用优点，才 能收到预期的效果。
整定原则: 尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，
使主、副回路的工作频率错开，以减少相互影响。 先整副环后整主环。
1. 逐步逼近整定法
1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为 GC2(s)1
2) 副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，
记为
GC1(s)1
3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为
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。
常见的复杂控制系统
串级控制系统主、副被控变量的选择 选择原则如下： 根据工艺过程的控制要求选择主被控变量；主被控 变量应反映工艺指标。 副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽可能多的 扰动。 主、副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率 错开，以防止共振现象发生。 主、副被控变量之间应有一一对应关系。 主被控变量的选择应使主对象有较大的增益和足够 的灵敏度。 应考虑经济性和工艺的合理性。
采用外部积分的防饱和积分系统
y
x1
yep
G2
K
T | |
G1
K
T | |
2-6（a）采用外部积分的防饱和积分系统
yep
1
K2
2
1 TI 2 s
3
G1外部积分的防饱和环节的主环开环系统方框图
最终得到输入节点e1与输出节点x1之间的传递函 数： K 1 G (s)W (s) K G (s)W (s) K G (s)W (s)(1 1 )
=
1-
2 T1 x串 g
+ T 2 + K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 1 g T 1T 2 2x串
w单 =
1-
1 2 T1 + T 2 x单 g g T 1T 2 2x单
假定串级控制系统和单回路控制以同样的衰减率工作，即令
x串 = x单
T 1 + T 2 + K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 w串 = = w单 T1 + T 2 K T 2K Z K f K m 2K 2T 1 = 1+ T1 + T 2 1+ T1 (1 + K T 2K Z K f K m 2K 2 ) T2 T 1+ 1 T2
复杂系统控制理论及其应用研究
复杂系统控制理论及其应用研究随着信息技术和系统科学的迅速发展，在日常生活中，我们经常面对各种复杂的系统，如生态系统、交通系统、市场经济等。
如何对这些复杂系统进行合理的控制，一直是人们关注的焦点。
复杂系统控制理论和方法是处理这些问题的有效工具。
一、什么是复杂系统复杂系统是指由许多相互连接、相互作用，其中包含大量部分相互独立的大量元素组成的系统，往往具有非线性、高度不确定、动态演化等特点。
复杂系统的研究内容涉及多个学科，包括物理学、数学、计算机科学、生物学、社会科学等。
复杂系统的结构和特性复杂多样，但通常存在着一些普遍的规律。
例如，许多复杂系统都表现出分形结构，即在不同的尺度上都具有相似的结构和性质。
这些规律的发现，为理解和控制复杂系统提供了重要的线索。
二、复杂系统控制的挑战与传统的线性系统相比，控制复杂系统具有更大的困难。
一方面，复杂系统的非线性和不确定性导致其行为难以预测和掌握，需要更加精细的模型和算法来描述和处理。
另一方面，复杂系统往往具有多层次、多尺度、多目标等特点，系统本身也是动态演化的，因此需要对系统的动态结构和演化进行更加深入的研究。
目前，控制复杂系统的研究主要围绕以下几个方向展开：1、系统建模与分析针对不同类型的复杂系统，需要建立适合的数学模型和理论框架。
常用的模型包括基于微分方程的状态空间模型、基于网络结构的图模型、基于统计方法的随机过程模型等。
建立适合的模型有助于深入理解复杂系统的本质机理和系统特性，并为控制系统提供基础。
2、复杂系统控制策略复杂系统的控制策略需要考虑多个方面的因素，如系统的输入输出关系、系统的状态反馈控制、控制目标是否可达、控制策略与系统性能的匹配等。
针对不同的复杂系统，需要设计出不同的控制方法和算法，如MPC（Model Predictive Control）、PID（Proportional Integral Derivative）算法等。
3、复杂系统的优化与协调控制在复杂系统中，单一的控制策略往往不能完全满足不同的优化目标。
复杂控制系统分析
把副回路看成是一个动态环节，这个环节的
输出为：
若采用单回路控制，在同样条件下采用同样的方法， 可以得到它的稳态输出为：
y1（∞）＜ y‘1 （∞），也就是说，串级控制系统 的稳态偏差比单回路控制系统的稳态误差要小得多， 其原因就在于前者具有一定的自适应能力。
串级控制系统主副回路和主副调节器选择： 一、主副回路的选择原则 (1)副回路应该把生产系统中尽量多的干扰、变
(4)前馈控制系统只能用来克服生产过程中主要的、 可测的扰动。 实际工业生产中使被调量发生变化的原因（扰动） 是很多的，对每一种扰动都需要一个独立的前馈控 制，这就会使控制系统变得非常复杂；而且有的扰 动往往是难于测量的，对于这些扰动就无法实现前 馈控制。 (5)前馈控制系统一般只能实现局部补偿而不能保 证被调量的完全不变。
(4)动态前馈比静态前馈复杂，参数的整定也比较麻烦。 因此，在静态前馈能够满足工艺要求的时候，尽量不采 用动态前馈。实际工程中，通常控制通道和扰动通道的 惯性时间和纯滞后时间接近，往往采用静态前馈就能获 得良好的控制效果。 (5)扰动通道的时间常数远大于控制通道的时间常数， 反馈控制已能获得良好的控制性能，只有控制性能要求 很高时，才有必要引入前馈控制。 (6)扰动通道的时间常数远远小于控制通道的时间常数， 由于扰动的影响十分快速，前馈调节器的输出迅速达到 最大或最小，以至难于补偿扰动的影响，这时不宜采用 前馈控制。
预估补偿控制
Smith（史密斯）预估补偿是针对具有纯迟延
的过程，在PID反馈控制的基础上，引入预补 偿环节，从而使控制品质大大提高的方法。
Smith（史密斯）预估补偿原理
被控变量的闭环传递函数是
扰动作用至被控变量的闭环传递函数是
复杂控制系统课件
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航空航天控制系统实例
总结词
航空航天控制系统的特点是高精度、高可靠性和高度集成化。
详细描述
航空航天控制系统的实例包括飞机和航天器的自动驾驶系统、导航系统、推进系统等。这些系统需要 精确地控制飞行姿态、速度和高度等参数，以实现安全、稳定的飞行和发射。同时，这些系统还需要 能够承受极端环境和条件下的工作，以确保飞行的安全和可靠性。
遗传算法是一种基于生物 进化原理的优化算法。
它通过模拟生物进化过程 中的基因突变、交叉和选 择等操作，来寻找最优解。
遗传算法具有全局搜索能 力强、能够处理多变量和 非线性问题等优点，但计 算量较大，需要调整的参 数也较多。
05
复杂控制系统的稳定性分析
稳定性分析的基本概念
平衡状态
系统在不受外界干扰的情 况下，能够保持不变的状态。
稳定性
系统受到外界干扰后，能 够恢复到平衡状态的性能。
线性系统与非线性系统
线性系统是指系统的输出 与输入成正比，而非线性 系统是指系统的输出与输
入不成正比。
线性系统的稳定性分析
1 2 3
劳斯-赫尔维茨准则 用于判断线性系统是否稳定的准则，通过计算系 统的特征方程的根来判断系统的稳定性。
频域分析法 通过分析系统的频率响应来研究系统的稳定性， 主要方法有Nyquist稳定判据和Bode图法。
优化算法广泛应用于控制系统设 计、信号处理、机器学习等领域。
优化算法的目标是找到使某个性 能指标达到最优的控制参数。
优化算法可以通过不同的迭代方 法来逼近最优解，如梯度下降法、 牛顿法等。
梯度下降法
梯度下降法是一种基于函数梯度的优化算 法。
它通过不断沿着函数梯度的负方向更新参 数，来逐渐逼近最优解。
复杂控制系统(已修改)
21 复杂控制系统一、概述1、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：系统干扰因素多、干扰变化剧烈，以及工艺特殊要求。
2、复杂控制系统——串级控制系统、比值控制系统、均匀控制系统、前馈控制系统、选择控制系统、分程控制系统等复杂系统--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。
3、多回路系统多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路组成的系统。
4、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%。
二、串级控制系统的构成加热炉是工业生产中常用设备之一。
工艺要求被加热物料的温度为某一定值，因此选取加热炉的出口温度为被控变量，选取燃料量为操纵变量，构成图5-1（a）所示的单回路控制系统。
影响炉出口温度的因素很多，主要有：被加热物料的流量和炉前温度变化[f1(t)]；燃料热值的变化、压力的波动[f2(t)]；烟囱挡板位置的改变、抽力的变化[f3(t)]等。
图5-1（a）系统的特点是，所有对被控变量的扰动都包含在这个回路之中，并都由温度控制器来克服。
但是控制通道的时间常数和容量滞后较大，控制作用不用及时，系统克服扰动的能力较差，不能满足工艺的要求。
为此，另外选择，炉膛温度为被控变量，燃料量为操纵变量，设计图5-1（b）所示的单回路控制系统，以维持炉口温度为某一定值。
该系统的特点是对于扰动[f2(t)] 、[f3(t)]能及时有效地克服，但是扰动[f1(t)]未包括在系统内，系统不能克服扰动[f1(t)]对炉出口温度的影响，仍然不能达到生产工艺要求。
综上分析，为了充分应用上述两种方案的优点，选取炉出口温度为被控变量，选择炉膛温度为中间辅助参数，把炉出口温度控制器的输出作为炉膛温度控制器的设定值，构成了图5-2所示的炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统，图5-3是它的方块图。
复杂过程控制系统
复杂过程控制系统复杂过程控制系统是在工业生产中广泛应用的一种自动化控制系统。
它通常由多个子系统和分布式控制单元组成，用于监测和控制物理过程中的各种参数和变量。
这些系统通常用于化工、石油、电力、冶金和制药等行业，帮助提高生产效率、降低生产成本，并确保产品质量的稳定性。
1.传感器和执行器：传感器用于监测和测量物理过程中的各种参数，如温度、压力、流量和浓度等。
执行器用于控制各种执行设备，如阀门、开关和电机等。
2.控制器：控制器是系统的核心组件，负责处理传感器采集到的数据，并根据预定的控制算法进行计算和决策。
常见的控制算法包括PID控制、模糊逻辑控制和模型预测控制等。
3.通信网络：复杂过程控制系统通常是分布式的，需要通过通信网络将各个子系统和分布式控制单元连接起来，实现数据的传输和共享。
通信网络可以采用以太网、现场总线和无线通讯等多种技术。
4.数据存储和处理：复杂过程控制系统通常需要处理大量的实时数据，这些数据需要进行存储和处理，以便后续分析和优化。
常见的数据存储和处理技术包括数据库、数据仓库和大数据分析等。
5.人机界面：复杂过程控制系统通常需要人机界面来展示和操作控制系统的状态和参数。
人机界面可以采用计算机监视器、触摸屏和报警器等多种设备，以便操作员及时了解系统的运行状况并进行调整。
在复杂过程控制系统中，通常还需要考虑以下几个方面的问题：1.安全性：复杂过程控制系统通常处于高风险的工业环境中，因此安全性是一个重要考虑因素。
系统需要采取措施来防止任何非法、损坏或恶意的访问，并确保系统的稳定性和可靠性。
2.可靠性：复杂过程控制系统通常需要长时间的运行，因此可靠性是一个重要指标。
系统需要设计合理的备份机制和冗余系统，以防止单点故障导致系统的停机或数据丢失。
3.故障诊断和维护：系统需要具备故障诊断和维护功能，以便快速发现和解决系统中的故障。
这可以通过自动化的故障诊断系统和远程监控系统来实现。
4.系统集成：复杂过程控制系统通常由多个子系统和分布式控制单元组成，系统集成是一个重要的工作。
复杂控制系统说明
复杂控制系统一、一段炉水碳比1. 控制回路图2. 工艺控制描述工艺蒸汽在进入一段炉111-101B之前与脱硫后的天然气混合。
这个仪表复杂回路的目的是确定装置产量和期望的水碳比。
工艺蒸汽和原料天然气流量自动调节来保持产量和水碳比。
因为这个复杂控制系统的功能，FICA-A2502和FICA-A2503控制器都必须设定为远程（串级）给定模式。
3. 仪表描述在运算中蒸汽流量及天然流量均为摩尔流量。
原料天然气需要增加分子量自动校正功能，由中化分析天然气组分，工艺人员输入由DCS自动实现分子量计算。
实际的蒸汽原料气流量比（压力＆温度补偿蒸汽流量FIA-A2503除以压力＆温度补偿天然气流量流量FIA-A2502）由FFS-A2504显示。
一个内部联锁监测实际的蒸汽原料气流量比，如果这个比率低就报警并且在此比率低低报警钟时停车（I-101）。
操作人员也可以通过开关PB-101。
参见因果图63-D119停车动作。
操作人员用DCS手动点FFN-1001设定期望的水碳比。
操作人员用DCS手动点HIC-1001设定氨厂产量流率到期望的流率。
装置流率调整是“补偿器”由HN-1001斜率功能为最小过程干扰。
斜率功能限制流率改变，最大流率改变为5%的产量流率每小时。
由于在原料气中有高含量“惰气”（氮气和二氧化碳）的存在，于是采取了一些措施以便操作人员手动输入原料气组分数据校正原料气流量为碳流量。
工艺设计的基础水碳比为2.77。
工艺设计基础蒸汽原料气质量流量比为99729/76763或1.3。
碳仅占大约47%的原料气流量，所以除以质量流量由碳含量给出一个正确的水碳比2.77。
原料气组分数据可以从AI-1008A-F（62-D102）或人工取样分析获得。
斜率功能块（HN-1001）输出直接去原料气流量选择器（FFN-1001B）和蒸汽流量选择器（FFN-1001C）。
期望的水碳比（FFN-1001）输出直接去蒸汽流量除法器（FFN-1001A）和原料气流量乘法器（FFN-1001D）。
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串级控制系统
串级控制系统概述 串级控制系统的特点及应用 主、副控制器控制规律的选择 主、副控制器正反作用的选择 控制器参数工程整定与系统投运
其他复杂控制系统
概述
根据根据系统的结构和所担负的任务
复杂控制系统
串级 控制 系统
均匀 控制 系统
比值 控制 系统
分程 控制 系统
第一节 串级控制系统
选择串级控制系统的副变量一般有两类情况： 一类情况是选择与主变量有一定关系的某一中间变量作 为副变量; 另一类选择的副变量就是操纵变量本身,这样能及时克服 它的波动,减小对主变量的影响。
第一节 串级控制系统
举例
通过这套串级控制系统， 能够在塔釜温度稳定不变时， 蒸汽流量能保持恒定值，而 当温度在外来干扰作用下偏 离给定值时，又要求蒸汽流 量能作相应的变化，以使能 量的需要与供给之间得到平 衡，从而保持釜温在要求的 数值上。
第一节 串级控制系统
三、主、副控制器控制规律的选择 目的 为了高精度地稳定主变量。主控制器通常都选
用比例积分控制规律，以实现主变量的无差控 制。 副变量的给定值是随主控制器的输出变化而 变化的。副控制器一般13-1 主、副变量不同时应选用的控制规律 选择 方法 序号 1 2 3 4 对变量的要求 主变量 重要指标,要求很高 主要指标,要求较高 允许变化,要求不高 要求不高,互相协调 副变 量 允许变化,要求不严 主要指标,要求较高 要求较高,变化较快 要求不高,互相协调 应选控 制规律 主 控 PI PI P P 副 控 P 主控必要时引入微分 PI PI 工程上很少采用 P 备 注
串级控制系统典型方块图
第一节 串级控制系统
二、串级控制系统的特点及应用
1.系统的结构
串级控制系统有两个闭合回路。主回路是个定值控制 系统, 副回路是个随动系统。 在串级控制系统中 , 主变量是反映产品质量或生产过 程运行情况的主要工艺参数。副变量的引入往往是为了 提高主变量的控制质量,它是基于主,副变量之间具有一 定的内在关系而工作的。
第一节 串级控制系统
以原料油出口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛温 度的串级控制系统
管式加热炉出口温度串 级控制系统
管式加热炉出口温度串级控制系 统的方框图
第一节 串级控制系统
在上述控制系统中，有两个控制器T1C和T2C，接收来 自对象不同部位的测量信号 θ1 和 θ2 。 T1C 的输出作为 T2C 的给定值，而后者的输出去控制执行器以改变操纵变量。 从系统的结构看，这两个控制器是串接工作的。
精馏塔塔釜温度串级控制 系统
1—精馏塔；2—再沸器
第一节 串级控制系统
在上例中，选择的副变量就是操纵变量（加热 蒸汽量）本身。这样，当干扰来自蒸汽压力或流量 的波动时，副回路能及时加以克服，以大大减少这 种干扰对主变量的影响，使塔釜温度的控制质量得 以提高。
第一节 串级控制系统
小结
由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干 扰进入回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控 制作用，有效地克服燃料油压力或热值变化对原料油 出口温度的影响，从而大大提高了控制质量。 在确定副回路时，除了要考虑它的快速性外，还应 该使副回路包括主要干扰，可能条件下应力求包括较 多的次要干扰。
前馈 控制 系统
选择 控制 系统
三冲量 控制系 统
第一节 串级控制系统
一、串级控制系统概述 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。
举例
说明串级控制系统的结构及其工作原理 控制好温度
可延长炉子寿命，防止炉管烧坏； 可保证后面精馏分离的质量。
管式加热炉出口温度控制 系统
第一节 串级控制系统
根据原油出口温度的变化来控制燃料阀门的开度 在实际生产过程中，特别是当加热炉的燃料 压力或燃料本身的热值有较大波动时，该简单控 制系统的控制质量往往很差，原料油的出口温度 波动较大，难以满足生产上的要求。
第一节 串级控制系统
原因
当燃料压力或燃料本身的热值变化后，先影响炉 膛的温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的 出口温度，这个通道容量滞后很大，时间常数约 15min左右，反应缓慢，而温度控制器TC是根据原料 油的出口温度与给定值的偏差工作的。所以当干扰作 用在对象上后，并不能较快地产生控制作用以克服干 扰被控变量的影响。当工艺上要求原料油的出口温度 非常严格时，为了解决容量滞后问题，还需对加热炉 的工艺作进一步分析。
第一节 串级控制系统
四、主、副控制器正反作用的选择
1.副控制器作用方向的选择
串级控制系统中的副控制器作用方向的选择，根据工 艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照 使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。 例如图所示的管式加热炉温度 - 温度串级控制系统中的 副回路。
第一节 串级控制系统
加热炉出口温度与燃料油 压力串级控制系统
如果燃料油的压力比较稳定, 而燃料油的组分波动较大, 那么,该图串级控制系统的 副回路作用就不大。
第一节 串级控制系统
小结
在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路， 不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作 用于主对象上的干扰也能加速克服过程。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。因此，在串级控 制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充， 充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。
主对象 副对象 主控制器
第一节 串级控制系统
副控制器 其给定值来自主控制器的输出，并按副变
量的测量值与给定值的偏差而工作的那个 控制器。
主回路
由主变量的测量变送装置，主、副控制器， 执行器和主、副对象构成的外回路。 由副变量的测量变送装置，副控制器执行器和 副对象所构成的内回路。
副回路
第一节 串级控制系统
几个串级控制系统中常用的名词
主变量
工艺控制指标，在串级控制系统中起主导 作用的被控变量。
第一节 串级控制系统
副变量
串级控制系统中为了稳定主变量或因某 种需要而引入的辅助变量。 为主变量表征其特性的生产设备。
为副变量表征其特性的工艺生产设备。 按主变量的测量值与给定值而工作，其输 出作为副变量给定值的那个控制器。