反应器串级控制系统整定(DOC)
串级控制系统整理
▲5 串级控制系统主负控制器正、反作用方向的确定▲副控制器的作用方向的确定原则：按简单（单回路）控制系统各环节的正、反作用方向的确定原则确定，以构成负反馈闭环控制回路。
▲主控制器正、反作用的确定原则：主、副变量同方向变化时，都要求操纵变量同方向变化（即：同时要求操纵变量都增大或都减小），此时主控制器方向规定为“反”作用方向。
主、副变量同方向变化时，要求操纵变量的变化方向是相反的（即：主变量要求操纵变量都增大（或减小），而副变量要求操纵变量都减小（或增大），此时主控制器为“正”作用方向。
例1 管式加热炉出口温度串级控制系统。
1）指出该系统中主、副对象、主、副变量、操纵变量、主、副扰动变量、主、副调节器各是什么？2）画出该控制系统的方块图，并确定各个环节的正反作用方向；3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
解：1）主对象：加热炉内加热管的管壁；副对象：加热炉的炉膛主变量：原料的出口温度T1；副变量：炉膛内的温度T2；操纵变量：燃料的流量；主扰动量f1：被加热原料的进口的温度、压力、流量副扰动量f2：燃料油的压力、温度；雾化燃料油用的过热蒸汽的压力、流量；燃烧器的配风、炉膛的漏风以及环境温度等。
3）当燃料油负荷突然增加，试分析该系统是如何实现自动控制的。
在稳定工况下，原料油出口温度和炉膛温度处于相对稳定状态，控制燃料油的阀门保持在一定的开度。
当燃料油负荷突然增加，这个干扰会使炉膛的温度T2升高，原料油出口温度T1也会随之提高，此时温度检测变送器TT1将信号送给主控制器TC1， e1增大，主控制器输出u1减小，即副控制器的给定值减小，副控制器的输入偏差e2增大，副控制器的输出信号u2减小，控制阀开度减小，即操纵变量燃料油m减小，炉膛温度T2下降，从而炉管内原料油出口温度T1也会随之下降。
例题3：如图所示为聚合釜温度控制系统，冷却水通入夹套内，以移走聚合反应所产生的热量。
试问：（1）这是一个什么类型的控制系统？试画出它的方块图。
D400反应器温度串级控制系统的PID参数工程整定
D400反应器温度串级控制系统的PID参数工程整定
董亚君
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2005(032)003
【摘要】针对D400反应器具有较大的滞后、较大的时间常数和时变等特性,基于克服生产过程中的内、外干扰对反应温度的影响,满足工艺保持反应温度恒定的要求,设置了D400反应器的反应温度-冷却水温度串级调节系统,阐述完成串级调节PID参数工程整定的简便方法和步骤.实践结果表明,该PID参数工程整定法的实施较为简便,D400反应器的反应温度-冷却水温度串级调节系统获得了良好的控制品质和抗干扰特性.
【总页数】3页(P84-86)
【作者】董亚君
【作者单位】兰州石化公司厂,石化厂,甘肃,兰州,730060
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.用RBF网络整定的火电厂主汽温PID串级控制系统 [J], 刘吉臻;李建强;张栾英;朱成林
2.基于内模的过热汽温串级控制系统PID参数整定 [J], 胡文斌;韩璞;刘淼
3.过热汽温串级控制系统IMC PID参数整定 [J], 胡文斌;陈庆辉;孙明;刘淼
4.基于期望闭环系统响应的网络化串级控制系统PID整定 [J], 黄从智;白焰;邱忠昌
5.串级控制系统的PID参数自动整定算法 [J], 陈元杰;汪洋;苏宏业;褚健
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第五章-串级控制系统
过程控制
3、主、副调节器的选择
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，副调节器起随动控制作用，这是选择控 制规律的出发点。 主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般 要求无余差。因此，主调节器应选PI或PID控制规律。 副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围 内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律。 引入积分控制规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用 引入微分作用，因副回路本身起着快速作用，再引入微分作用 会使调节阀动作过大，对控制不利。
定量分析：
D2
R1 + Gd2(s) Gv(s) Gp2(s)
过程控制
D1
Gd1(s)
Gc1(s)
R2
Gc2(s)
+ Gp1(s)
Y2
Y1
－
Ym1
－
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y1 ( s) D2 ( s )
Gd 2 ( s)G p1 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s )
主调节器、副调节器；
主给定值、副给定值；
主对象、副对象；
一次扰动、二次扰动。
三、串级控制系统的组成原理
1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象；
过程控制
2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控量， 构成一个简单控制系统，称为副调节系统或副环 3）以原对象的输出信号为主被控量，即分解后的第二个 被控对象的输出信号，构成一个调节系统，称为主调 节系统或主环。 4）主调节系统中调节器的输出作为副调节器的给定值， 副调节器的输出信号作为主被控对象的输入信号。
串级控制系统的参数整定
1
Wc1sWc2 sWv sW02sW01s Wc1sWc2 sWv sW02 sW01sWm1
s
Y1s F2 s
1
Wc1
s
Wc
2
W02 sW01s sWv sW02s
W01
s
Wm1
s
控制性能与抗干扰能力的综合指标为：
K C1 ,Wm1 ( s)
K m1
则有：s2 20s 02 0，式中:
20
T01 T02 ' T01T02 '
02
1
K C1K 02 ' K 01K m1 T01T02 '
串 0 1 2
1 2 (T01 T02' )
2
T01T02 '
二、主副调节器调节规律的选择。 （1）主调节器起定值控制，所以一般选PI或PID； （2）副调节器起随动控制，一般选P。
三、主副调节器正、反作用的选择；
（1）先确定调节阀的气开、气关形式；
（2）
确定副对象的正、反作用；
（3）确
定负调节器的正、反作用；
（4）确定主对象的正、反作用；
（5）确定主调节器的正、反作用；
在单回路控制系统中， 当KV 或K02变化大时，控制质量难 以保证。
但在串级控制系统中，
由于K 02 '
1
K C 2 KV K 02 K C 2 KV K 02 K m2
1 Km2
与KV
,
K
的变化无关，能够保证
02
控制质量。
小结：串级控制系统能大大提高控制质量的原因有：
串级控制系统参数整定
实验三：串级控制系统参数整定PID 控制器由于自身具有的相对容易理解和实现的特点而被广泛应用于过程控制工业中。
在实践中，它经常被融入一个复杂的控制结构中，以达到一个更好的控制效果。
在这些复杂的控制结构中，通常利用串级控制组合来减小干扰引起的最大偏差和积分误差。
容易实现的优点和潜在的大控制性能的提高导致串级控制广泛应用达数十年。
它已经成为一个由工业过程控制器提供的标准应用。
串级控制系统由两个控制回路构成：一个可以快速动态消除输入干扰的内部回路，和一个可以调节输出效果的外部回路。
通常，他们是通过一个连续的方式来整定的。
首先，外部回路控制器设置为手动，对内部回路进行整定。
随后，启用内部回路的整定结果，接着整定外部回路。
如果控制效果不理想，应该调换整定的顺序。
所以，整定串级控制系统是一项相当笨重耗时的任务，特别是具有大时间常数和时间延迟的系统。
PID 自整定解除了手动整定控制器的烦恼，并且已经成功的应用于很多工业领域中。
但是，到目前为止，却很少有关于串级系统自整定技术的发展的文学报道。
其中，Li et al 利用模糊逻辑进行串级控制器的自整定。
Hang et al. 应用一个重复的延迟自动整定方法来整定串级控制系统，延迟反馈测试被验证了两次，一次在内部回路，另一次在外部回路。
虽然特殊的控制器整定已经被自动化，但整定过程的自然顺序并没有改变。
Tan 提出了一个在一个实验中实行整体整定过程的方法，但是这个实验需要过程的过去的信息。
而且，外部回路设计时所用的极限频率是基于未考虑内部回路控制参数改变的初始极限频率。
这篇论文提供了串级控制系统自整定的一种新方法。
通过利用串级控制系统的基本性能，在外部回路中利用一个简单的延迟反馈测试来确定内部和外部回路过程模型参数。
一个基于Pade 系数和Markov 参数，匹配PID 控制器整定方法的模型，被提出来控制整体系统效果。
两个例子来说明该方法的有效性。
2.串级控制系统的基本原理图1串级控制组合的结构如图1，内部回路嵌套于外部回路里，外部回路的输出变量是被控对象。
串级控制系统参数整定步骤
串级控制系统参数整定步骤嘿，咱今儿就来讲讲串级控制系统参数整定步骤这档子事儿。
你想啊，这串级控制系统就好比是一支训练有素的队伍，要想让它发挥出最大的威力，那每个环节都得精心调整。
这参数整定啊，就是让这个队伍能协调一致、高效作战的关键。
第一步呢，就像是给队伍选好领队一样重要。
咱得先确定主回路的参数，这可是基础中的基础。
得好好琢磨琢磨，怎么让主回路稳定运行，就像给房子打牢地基一样。
然后呢，到了副回路啦。
这副回路就像是队伍里的先锋队，得快速响应，灵活多变。
调整副回路的参数，让它能紧跟主回路的节奏，迅速做出反应。
接下来呀，就开始反复试验啦。
这就跟做菜似的，调料放多少得一次次试，才能找到最合适的味道。
咱得不断地调整这些参数，看看系统的反应，直到找到那个最佳的平衡点。
你说这是不是很有意思？就跟搭积木一样，一块一块地调整，最后搭出一个漂亮、稳定的结构。
要是参数没整定好，那可就好比积木没搭稳，随时可能垮掉。
想象一下，一个没整定好参数的串级控制系统，那不就跟一群没头苍蝇似的乱撞嘛。
咱可不能让这种情况发生呀！咱得精心、细心地去调整，让它乖乖听话，为我们好好干活。
在这个过程中，可不能马虎。
每一个小细节都可能影响到整个系统的性能。
就好像一颗小螺丝钉，看着不起眼，要是松了，可能整个机器都出问题呢。
咱得有耐心，别着急。
参数整定可不是一下子就能搞定的事儿，得慢慢来。
就像跑马拉松，一步一步地跑，才能到达终点。
总之啊，串级控制系统参数整定步骤可不能小瞧。
咱得认真对待，仔细调整，让这个系统发挥出它最大的作用。
这样咱才能在各种控制场景中得心应手，让一切都按照我们的想法顺利进行。
这可不是一件容易的事儿，但只要咱用心去做，就一定能做好！相信自己，一定行！。
夹套式反应器温度串级系统控制
输出电流
原理方框图
仪表选型
3、执行器 4、调节器 执行器选择气动内螺纹球阀。 该阀体铸造，结构合理、造型美 观。阀座采用弹性密封结构，密 封可靠，启闭轻松。可设置90° 开关定位机构，根据需要加锁以 防止误操作。内螺纹连接不堪阀 及对焊连接球阀适用于PN1.0～ 4.0MPa,工作温度-29～180℃（密 封圈为增强聚四氟乙烯）或-29～ 300℃（密封圈为对位聚苯）的各 种管路上，用于截断或接通管路 中的介质，选用不同的材质，可 分别适用于水、蒸汽、油品、硝 酸、醋酸、氨盐水、中和水等多 种介质。 调节器选择智能PID调节仪。 智能PID调节仪与各类传感器、变送器配 合使用，实现对温度、压力、液位、容 量、力等物理量的测量显示、智能PID调 节仪并配合各种执行器对电加热设备和 电磁、电动、气动阀门进行PID调节和控 制、报警控制、数据采集、记录。
主副控制器正反控制选择
假设夹套式反应器中反应为放热反应。则选择如下： （1）控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀Kv<0 ； （2）副控制对象（T2T）：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此 Kp2<0 ； （3）副控制器（T2C）：为保证负反馈，应满足Kp2Kc2KvKm2>0， 因此Km2>0，应选Kc2>0，即选用反作用控制器； （4）主被控对象（T1T）：当夹套温度升高时，反应器温度升高，因 此Kp1>0； （5）主控制器（T1C）：为保证负反馈，应满足Kc1Kp1Km1>0，因 此Km1>0，应选Kc1>0，即选用反作用控制器。
仪表选型
2、温度变送器
检测信号要进入控制系统，必须 符合控制系统的信号标准。变送 器的任务就是将检测信号转换成 标准信号输出。因此，热电偶和 热电阻的输出信号必须经温度变 送器转换成标准信号后，才能进 入控制系统，与调节器等其他仪 表配合工作。
串级控制系统副回路整定方法
串级控制系统副回路整定方法
在串级控制系统中,副回路通常用于对主回路进行控制,以确保主回路能够按照预定的要求运行。
副回路的整定方法主要包括以下几个方面:
1. 确定控制策略:副回路的控制策略应该与主回路控制策略相一致。
例如,如果主回路控制策略是使系统保持在一个特定的温度范围内,那么副回路控制策略应该使系统保持在相同的温度范围内。
2. 确定输入输出关系:副回路应该与主回路构成一个完整的控制系统,因此需要确定输入输出关系。
例如,如果主回路的输出为温度控制信号,那么副回路应该以主回路的输出为输入,并通过调整副回路的开关量来实现对温度的控制。
3. 确定传感器类型:副回路应该包含传感器,以监测主回路系统的运行状态。
确定传感器类型非常重要,因为不同的传感器对系统的影响不同。
4. 确定控制增益:副回路的控制增益应该与主回路控制增益相匹配。
控制增益是指在副回路中,通过对开关量的控制来实现对系统的控制程度。
5. 整定参数:在确定完以上几个方面后,就可以开始整定参数。
例如,可以开始调整副回路的控制增益和传感器类型,以确保副回路能够与主回路协调运行。
需要注意的是,在整定副回路时,应该考虑到系统的可靠性和稳定性,以确保副回路能够长期稳定运行。
串级控制系统的整定
串级控制系统
串级控制系统的整定
串级控制系统的整定
投运原则:先投副环后投主环;投运过程必须保证无扰动切换 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
回路的频率错开，以减少相互影响.先整副环后整主环.
1.逐步逼近法
1） 主开、副闭环，整定副调的参数；记为[Gc2]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]1 3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为[Gc1]1 ,， [Gc2]1
串级控制系统的整定
思路：先根据副过程特性或经验确定副调节器的参数，然后 一步完成主调节器参数的整定。理论依据：主、副调节器的 放大系数在 0 Kc1Kc2 0.5 条件下，主、副过程特性一 定时，K c1K c2 为一常数。 1）根据经验确定副调节器比例度；
2）按单回路系统整定方法直接整定主调节器参数；
2) 副调节器比例度置δ2S ，整定主调参数，求得主回路在4： 1衰减比下的比例度δ1S和振荡周期T1S ；根据两种情况 下的
比例度和振荡周期，按经验公式求出主、副调节器的积 分时间和微分时间，然后再按先副后主、先比例后积分再微
分的次序投入运行，观察曲线，适当调整，满意为止。
串级控制系统
3.一步整定法
否则，再整定副调节器参数，记为[Gc2]2 ……反复进行，满意为止。
该方法适用于主、副过程时常相差不大、主、副回路动态联系密切，需反 复进行，费时较多
串级控制系统
串级控制系统的整定
2.两步整定法 1）主、副闭合，主调为比例,比例度为100%，先用4：1衰减
曲线法整定副调节器的参数，求得比例度δ2S和振荡周期T2S；
3）观察曲线，在约束条件下，适当调整主、副调节器的参数， 满意为止。
串级控制系统-浙江大学
串级PID参数的整定方法#1
手操器 手操器
Tsp ＋ －
Man TC 23 Auto 主控制器
ym1
外回路/ 主回路 Gm1
注：D1 反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，D2 反 映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。 试指出主副回路所对应的“广义对象” ？
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
＋ －
主控 制器
y2,sp ＋ －
副控 制器 控制阀 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
以传递函数形式表示的 串级控制系统方块图
D2 内回路/副回路 y1,sp
＋ －
D1
y2,sp Gc1 ＋ － Gc2 ym2
u
Gv Gm2
Gp2
＋ ＋
y2
Gp1
＋
＋
y1
F1 进料 T2 T3
T1
A2
AC
反应器
A1 产品
串级控制副参数选择举例
方案 #1
Tsp Fsp Fm
FC 13 TT 23 TC 23
方案 #2
T1sp T2sp
TC 25 TC 23
Tm
T1m
T2m
TT 25
T2
TT 23
FT 13
u(t)
Ti (t)
T1 工艺 介质
串级控制系统
f ,C
C
量变化 → 夹套内冷剂温度变 化 → 槽壁温度变化 → 反应 槽温度变化
解决方法
夹套冷剂温度比反应槽温度能更快地感受到来自 干扰（冷剂入口温度）以及来自控制的影响。因 而可设计夹套内温度单回路控制系统TC22以尽 快地克服冷剂方面的扰动。但TC22的设定值应 根据反应槽温度的控制要求作相应的变化（这一 要求可用温度控制器TC21来自动实现）。
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ D2
＋
Gp2
y2
D2(s)
1 1 Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
Gc2GvG p2 1 Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
串级控制系统的特点1
副回路（或称内回路）通常具有快速调节作用 ，它能有效地克服二次扰动的影响
D2(s)
能自动地克服副对象增益或控制阀特性的非 线性对控制性能的影响。
对于内环等效对象的稳态增益：
K
' p
2
1
Kc2KvK p2 Kc2KvK p2Km2
Kc2 Kv K p2 Km2 1
K
' p
2
1 Km2
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； 控制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
Kgas = 0.4，u0 = 60 %，Pgas0= 0.25 MPa，Fgas0 = 12 T/hr，T0 = 300 ℃，Ti0= 120 ℃
测量仪表量程（即测量范围）
为什么 ?
1 1 Gc2GvG p2Gm2
流化床反应器温度串级控制系统设计
目录第一章流化床的工作原理 (2)1.1流化现象 (2)1.2流化床的种类与结构 (2)1.3流化床反应器的特性 (2)第二章流化床的一般控制方法 (4)第三章丙烯腈温度串级控制系统的设计 (6)3.1控制系统方框图 (6)3.2仪表的选型及参数的确定 (6)3.2.1温度的测量 (6)第四章控制系统的仿真 (12)4.1各个环节传递函数及各个参数的确定 (12)4.2控制系统的simulink仿真 (13)4.4温度串级控制与单回路控制的比较 (14)第五章课程设计总结 (17)第六章结束语 (18)第一章流化床的工作原理流化床反应器是气相反应常用的一种反应器。
当反应气体通过反应器时，催化剂颗粒受到气流的作用悬浮起来，在反应器内作剧烈的翻滚、流动，整个系统与流动的或沸腾的液体很相像，所以称流化床或沸腾床。
它既具有化学反应器的共同点，又具有自身的特点。
1.1流化现象对于固定床反应器，因为催化剂是固定的。
流体实际上只能在催化剂颗粒间的孔隙内穿流，不但催化剂的表面反应受到限制，降低了催化剂利用率。
而且，床层的温度分布不均匀，不能保证各部分都在最适宜的温度条件下进行化学反应。
如果减少颗粒大小，增加气流温度，且让气流由下自上通过，当气流速度达到某一值以后，催化剂在床内处于气流的湍动状态，大大增加了催化剂和气流的接触面积，既增加了催化剂的利用率，又改善了温度分布，这种固体在气流作用下产生像流体一样流动状态称流化态。
1.2流化床的种类与结构为了保证流化和一定反应温度以及回收催化剂等原因，使流化床结构不同于固定床。
1.2.1流化床的种类大体上可以分为单器和双器；单层和多层；圆柱床和圆锥床；自由床和限制床等几类。
1.2.2流化床反应器的结构为适应流化状态、传热和催化剂回收等作用，流化床结构一般都由壳体、气体分布装置、内部构件、换热装置、气固分离装置和固体颗粒加卸载装置等组成。
1.3流化床反应器的特性1.3.1流化床内温度分布比较均匀在流化床内固体颗粒成湍动状态。
串级控制系统整定实验报告
串级控制系统整定实验报告本次实验旨在掌握串级控制系统的整定方法，实验采用了PI控制器对串级控制系统进行整定，并对实验结果进行分析。
一、实验原理1. 串级控制系统的构成串级控制系统由两个控制器组成，上位控制器和下位控制器。
它们之间通过某种方式相互联系，实现对被控制对象的控制。
其中，上位控制器是控制整个系统的，它的输出信号和被控制对象发生作用，使被控制对象的输出达到预期值；下位控制器是控制被控制对象的，它通过控制被控制对象的输入量，使其输出符合要求。
2. PI控制器PI控制器是一种比较常见的控制器，在控制对象存在较大惯性时，应用比较广泛。
它就是对比例控制器和积分控制器的组合，可以使输出更快速地接近目标值，并且具有谷值现象消失的优点。
PI控制器的传递函数为：Gc(s) = Kp + Ki/s其中，Kp是比例增益，Ki是积分增益，s是惯性环节。
3. 整定方法常用的PI控制器整定方法有经验法和试验法两种。
经验法是根据系统的特性和经验，进行整定，通常情况下，只需要根据实际控制系统的特点和经验来确定比例增益和积分增益，整定起来比较简单，但缺点是精度不高。
试验法是通过不断试验调整比例增益和积分增益，让系统的响应满足某种条件，从而获得最优的控制效果。
试验法整定起来比较繁琐，但是精度高，能够获得最优的控制效果。
二、实验过程1. 实验装置及原理图本次实验的串级控制系统如下图所示：其中，上位控制器采用了PI控制器，下位控制器采用了P控制器。
被控对象为有机硅喷淋塔，输出为有机硅的质量含量。
2. 实验步骤（1）按照上图将实验装置连接，打开实验软件。
（2）设置实验参数，并开始实验。
（3）通过试验方法进行PI控制器的参数整定，在试验过程中，不断调整比例增益和积分增益，使得系统的稳态误差尽可能小。
（4）根据实验结果进行分析。
三、实验结果分析经过试验，得到的PI控制器参数为：比例增益Kp=0.01，积分增益Ki=0.0001。
串级控制参数整定方法
串级控制参数整定方法串级控制是一种常用的自动控制策略，可用于处理具有复杂动态特性的系统。
其基本原理是将控制系统分为两个或多个级别，每个级别都有一个独立的控制器，并根据不同的目标和需求进行控制。
本文将介绍串级控制参数整定方法。
首先，串级控制的参数整定要从两个级别的控制器开始。
一般来说，上级控制器负责整体过程的控制，下级控制器负责细致的控制。
上级控制器的目标是调节下级控制器的参数，以实现期望的系统动态特性。
针对上级控制器的参数整定，常用的方法有：基于模型的方法、基于频率响应的方法和基于树状图的方法。
基于模型的方法是一种基于数学模型的参数整定方法。
首先，建立系统的数学模型，包括输入、输出和控制器。
然后，根据系统的动态特性，通过对数学模型进行分析推导，得到控制器的参数。
这种方法需要对系统有一定的了解，适用于相对简单的系统。
基于频率响应的方法是一种基于系统的频率响应特性的参数整定方法。
通过对系统的频率响应进行测试和分析，得到系统的幅频特性和相频特性。
根据系统的频率响应特性，可以计算出适当的控制器增益和相位裕度。
这种方法适用于频率响应特性较为明显的系统。
基于树状图的方法是一种结合上述两种方法的参数整定方法。
首先，根据系统的数学模型建立树状图，将系统的各个部分以及控制器的参数表示出来。
然后，根据系统的动态特性和频率响应特性，逐步调整树状图中的各个参数，以达到期望的控制效果。
这种方法结合了系统模型和频率响应的信息，使参数整定更加准确。
对于下级控制器的参数整定，常用的方法有：经验调整法、试-调法和自适应控制。
经验调整法是一种根据经验和专业知识进行参数整定的方法。
根据系统的特性和知识，选择适当的控制器增益、积分时间和微分时间。
这种方法需要丰富的经验和专业知识，适用于特定的应用场景。
试-调法是一种通过试验和调整的方法进行参数整定。
首先，将控制器的参数设置为一些初始值，然后进行实际试验或仿真实验。
根据试验结果，分析系统的动态特性和控制效果，逐步调整控制器的参数，直到达到期望的控制效果。
串级控制系统
假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等（如图6-2中用D2表示），都是首先进人燃烧室。人们会想，能否通过控制燃烧室温度 2的方法来达到稳定烧成带的温度呢？于是就出现了图6-3所示的以燃烧室温度 2为被控变量的单回路控制系统。
1. 只存在二次干扰 假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度T1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。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。
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。
串级控制系统整定实验报告
串级控制系统整定实验报告实验目的：掌握串级控制系统的整定方法，了解串级控制系统的特点和优势。
实验器材：1.信号发生器2.示波器3.串级控制系统实验装置4.计算机实验原理：串级控制系统是由两个或多个级联连接的控制环路组成的。
它以内环的输出作为外环的输入，通过内环的控制作用影响外环的控制效果。
内环的任务是根据外环发送过来的控制指令对被控对象进行快速而精确的调节，外环的任务则是为内环提供稳定的控制环境，并保持内环的输出在可接受的范围内。
实验步骤：1.搭建串级控制系统实验装置，根据实验要求连接信号发生器、示波器和计算机。
2.设计合理的控制结构，确定主控制器和辅助控制器的类型和参数。
3.根据实验要求设置信号发生器的输出频率，在示波器上观察到输入和输出信号的波形。
4.在计算机上打开数据采集软件，记录输入和输出信号的数据。
5.根据采集到的数据计算系统的频率响应曲线，并分析系统的参数，包括幅频特性、相频特性和相位裕量。
6.根据分析结果对控制器的参数进行整定，使系统的稳定性和性能达到要求。
7.重复实验步骤3-6，直到系统的控制效果满足要求。
实验结果：根据实验数据计算得到的频率响应曲线显示，系统在低频段（0~10Hz）具有较大的增益，但随着频率的增加，增益逐渐减小。
相频特性显示，系统的相位随着频率的增加而呈现出先增大后减小的趋势。
相位裕量为20°，说明系统具有较好的相位裕量，有一定的稳定性。
实验结论：通过实验可以得出，串级控制系统具有较好的控制效果和稳定性。
同时，通过频率响应曲线的分析和参数的计算，可以对控制器的参数进行整定，使系统的性能得到改善。
实验中还发现，串级控制系统整定方法具有一定的难度，需要丰富的理论知识和实践经验才能得到较好的结果。
因此，在实际应用中，需要根据系统的具体情况和要求选择合适的整定方法，并进行充分的实验验证，以确保系统的控制效果和稳定性。
反应器串级控制系统整定(DOC)
目录1 前言 12 总体方案设计 22.1 方案比较 22.2 方案选择 43 反应器串级控制系统分析 53.1 被控变量和控制变量的选择 53.2 主、副回路的设计 53.3 主、副控制器正、反作用的选择 73.4 控制系统方框图 73.5 分析被控对象特性及控制算法的选择 84 串级控制系统的参数整定 94.1 参数整定方法 94.2 参数整定 94.3 两步法的整定步骤 105 MATLAB仿真 125.1 控制系统的MATLAB仿真 125.2 串级控制系统PID参数整定： 145 结论 186 总结与体会 197 参考文献 201 前言反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。
化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。
夹套式反应器是一类重要的化工生产设备，由于化学反应过程伴有许多化学和物理现象以及能量、物料平衡和物料、动量、热量和物质传递等过程，因此夹套反应器操作一般都比较复杂，夹套反应器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。
化工生产过程通常可划分为前处理、化学反应及后处理三个工序。
前处理工序为化学反应做准备，后处理工序用于分离和精制反应产物，而化学反应工序通常是整个生产过程的关键，因此在化学反应工序中设计一套比较完善的控制系统是很重要的。
设计夹套式反应器的控制方案应从质量指标，物料平衡和能量平衡，约束条件三个方面考虑（假设在本反应器中反应物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反应物）。
2 总体方案设计2.1 方案比较（1）简单控制系统如图所示，温度调节器TC是根据反应器内物料的温度T与设定值的偏差进行控制，当冷却水部分出现干扰后系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数T的影响控制质量差。
但在冷却水扰动可以忽略或很小的情况下，并生产工艺对物料温度要求不是很严格时，简单控制系统还是可以满足要求的，如果冷却水的扰动大，而且对系统产生很大影响，则简单控制系统很难满足工艺要求。
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西华大学课程设计说明书目录1 前言 (1)2 总体方案设计 (2)2.1 方案比较 (2)2.2 方案选择 (4)3 反应器串级控制系统分析 (5)3.1 被控变量和控制变量的选择 (5)3.2 主、副回路的设计 (5)3.3 主、副控制器正、反作用的选择 (7)3.4 控制系统方框图 (7)3.5 分析被控对象特性及控制算法的选择 (8)4 串级控制系统的参数整定 (9)4.1 参数整定方法 (9)4.2 参数整定 (9)4.3 两步法的整定步骤 (10)5 MATLAB仿真 (12)5.1 控制系统的MATLAB仿真 (12)5.2 串级控制系统PID参数整定： (14)5 结论 (18)6 总结与体会 (19)7 参考文献 (20)1 前言反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。
化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。
夹套式反应器是一类重要的化工生产设备，由于化学反应过程伴有许多化学和物理现象以及能量、物料平衡和物料、动量、热量和物质传递等过程，因此夹套反应器操作一般都比较复杂，夹套反应器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。
化工生产过程通常可划分为前处理、化学反应及后处理三个工序。
前处理工序为化学反应做准备，后处理工序用于分离和精制反应产物，而化学反应工序通常是整个生产过程的关键，因此在化学反应工序中设计一套比较完善的控制系统是很重要的。
设计夹套式反应器的控制方案应从质量指标，物料平衡和能量平衡，约束条件三个方面考虑（假设在本反应器中反应物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反应物）。
12 总体方案设计2.1 方案比较（1）简单控制系统如图所示，温度调节器TC是根据反应器内物料的温度T与设定值的偏差进行控制，当冷却水部分出现干扰后系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数T的影响控制质量差。
但在冷却水扰动可以忽略或很小的情况下，并生产工艺对物料温度要求不是很严格时，简单控制系统还是可以满足要求的，如果冷却水的扰动大，而且对系统产生很大影响，则简单控制系统很难满足工艺要求。
简单控制系统框图如图所示。
图2.1 反应器温度简单控制系统图2.2 反应器物料温度简单控制系统框图2被控变量：反应器内物料的温度；操控变量：冷却水流量。
（2）串级控制系统串级控制系统采用两套检测変送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入，后一个调节器的输出送往调节阀。
中间被控变量：夹套和槽壁温度；被控变量：反应器内物料的温度；操纵变量：冷却水流量。
夹套和槽壁温度变化时，TC可以及时动作，克服扰动。
图2.3和图2.4分别为串级系统工艺流程图和串级系统框图。
图2.3 串级系统工艺流程图3图2.4 串级系统框图2.2 方案选择方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变冷却水的流量。
在开始时，物料的温度离设定值偏差大，用冷却水降温传温慢，就造成开始是反应时间过长，动作不及时，偏差在短时间内不能消除。
方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。
在系统开始时，在副回路的作用下先对槽壁进行冷却，这样就等于较少了一个热容，继而加速了系统的平衡。
对于串级系统而言，副回路有先调、初调、快调的特点；主回路有后调、细调、慢调的特点。
两者相互配合，使控制质量明显提高，与简单系统相比，对离被控对象较远的扰动（二次扰动）有明显的抑制作用，增加了系统的稳定性，提高了系统的响应速度。
综上所述，根据本设计系统的特点，选择串级控制。
43 反应器串级控制系统分析3.1 被控变量和控制变量的选择（1）被控变量的选择根据工艺过程的控制要求，主被控变量应该能反映工艺指标。
夹套式反应器的工艺指标主要是反应器内温度，利用反应器内温度来衡量反应物之间反映的充分情况。
因此，若要反映工艺指标，夹套式反应器内反应温度必须是T-T串级控制系统的主被控变量。
从串级控制的特点可知，当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地克服它，起到超前控制作用，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在副回路内，并力求把尽量多的扰动包含在副回路中，以充分发挥串级控制的最大优点，吧对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低程度，以确保主被控变量的控制质量。
同时冷却水温度变化是主要扰动，包括水温变化、水量变化等许多的扰动。
因此采用夹套水温度作为副被控变量。
这样完全符合副被控变量包括主要扰动且包含尽可能多的扰动的原则。
（2）控制变量的选择控制变量是在系统中加以控制的变量。
除去系统的主、副被控变量外的一切变量，这些变量有些必须加以控制。
在夹套式反应器中反应温度和夹套水温度构成的T-T串级控制系统中，冷却水流量这一变量在系统中包括的扰动变量最多，因此选取冷却水流量作为系统的控制变量，这样符合系统的整体控制。
3.2 主、副回路的设计（1）主回路的设计串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统，主回路的设计仍可用单回路控制系统的设计原则进行。
因此主回路应包括主要的质量指标等标准。
因此确定了主被控变量、主控制变量及主要扰动变量就能组成主回路。
由上述的主被控变量和控制变量的选择可设计出系统主回路。
如图3.1所示；5图3.1 串级控制系统主回路（2）副回路的设计副回路可看作是一种新的动态环节。
副回路设计是串级控制系统设计的一个关键问题。
从结构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为父对象，然后组成一个控制回路，即可归纳为如何选择福参数。
首先副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；其次副回路因包含被控对象所受到主要干扰。
由此可设计出系统的副回路。
如图3.2所示；图3.2 串级控制系统副回路673.3 主、副控制器正、反作用的选择假设夹套式反应器中反应为放热反应。
则选择如下：（1）控制阀：从安全角度考虑，选择气关型控制阀0v k <； （2）副控制对象（2T T ）：冷却水流量增加，夹套温度下降，因此20p k <； （3）副控制器（2T C ）：为保证负反馈，应满足2220c v p m k k k k >，因此20m k >，应选20c k >，即选用反作用控制器；（4）主被控对象（1TT ）：当夹套温度升高时，反应器温度升高，因此10p k >； （5）主控制器（1T C ）：为保证负反馈，应满足1110c p m k k k >，因此10m k >，应选10c k >，即选用反作用控制器。
[3]3.4 控制系统方框图图3.3 反应温度与夹套水温度串级控制系统方框图如图3.3所示；反应温度与夹套温度构成串级控制系统，反应温度为主被控变量，夹套温度为副被控变量。
反应温度控制器的输出作为夹套温度控制的设定值。
此温度串级控制系统的具体工作过程为：当工况稳定时，物料的流量和温度不变，冷却水的压力和温度稳定。
反应温度和夹套水温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定开度，1T也稳定在设定值上。
如果工况平衡被破坏，一方面冷却水干扰2F会影响夹套水的温度，副控制器动作，控制调节阀改变冷却水流量，以克服其对夹套水温度的影响。
如果干扰量不大，经过副回路的及时控制一般不会影响反应温度。
如果干扰量副职较大，副回路虽能及时矫正，但仍可能影响反应温度，此时再通过主控制器的进一步调节，就可以完全克服上述扰动。
若进料干扰1F使反应温度变化，通过主回路即可抑制其影响。
显然由于副回路的存在加快了控制作用，使扰动对反应温度的影响比单回路要小。
3.5 分析被控对象特性及控制算法的选择（1）被控对象特性分析由于被控变量的选择中可知主被控变量为反应器内的反应温度，副被控变量为夹套内冷却水的温度。
由设计可知；主扰动为进料口进料流量，副扰动为冷却水流量。
依据文献资料可做以下假设：对于夹套式反应器反应温度对象，控制通道与扰动通道的动态特性可假设为：111 ()1psPPPK eG sT s τ=+，111()1DsDDDK eG sT sτ=+。
对于夹套冷却水温度对象，控制通道与扰动通道动态特性可假设为：222()1PPPKG sT s=+，222()1DDDKG sT s=+。
（2）控制算法的选择根据夹套式反应器的工艺指标及工艺要求，该系统设计的控制算法选择PID算法。
89 4 串级控制系统的参数整定串级控制系统从整体上来看是定制控制系统，要求主参数有较高的控制精度。
但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主调节器输出的变化。
串级控制系统主、副回路的原理不同，对主、副参数的要求也不同。
通过正确的参数整定，可取得理想的控制效果。
4.1 参数整定方法串级控制系统主、副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。
1. 逐步逼近法逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。
2.两步整定法两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副调节器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主调节器进行一次参数整定。
3.一步整定法一步整定发就是根据经验，先将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。
本设计选择两步整定法来整定串级控制系统的参数。
4.2 参数整定在串级控制系统中，主、副回路中被控过程的时间常数应有适当的匹配关系，一般为1o T =（3~10）2o T 。
主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，主、副回路间的动态10关联较小。
因此，当副调节器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主调节器参数，而不再考虑主调节器参数变化对副回路的影响。
一般串级系统对主参数的控制质量要求高，而对副参数的控制要求相对较低。
因此，当副调节器参数整定好之后再去整定主调节器参数时，虽然会影响副参数的控制品质，但只要主参数控制品质得到保证，副变量的控制品质差一点也是可以接受的。
4.3 两步法的整定步骤1） 在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副调节器均为比例作用的条件下，先将主调节器的比例度1P 置于100%刻度上，然后由大到小逐渐降低副调节器的比例度2P ，直到得到副回路过渡过程衰减比为4：1的比例度2sP ，过渡过程的振荡周期为2sT 。
2） 在副调节器的比例度等于2sP 的条件下，逐步降低主调节器的比例度1P ，直到同样得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度1sP ，过渡过程的振荡周期为1sT 。
3） 按已求得的1sP 、1s T 和2s P 、2s T值，结合已选定的调节规律，按下表衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数。