第四章 串级控制系统
复杂过程控制系统--串级控制
14
对于一个控制系统来说，当它在给定信号作用 下，其输出量能复现输入量的变化，即Y1(s)/X1(s) 越接近于1时，则系统的控制性能越好；当它在扰 动作用下，其控制作用能迅速克服扰动的影响，即 Y1(s)/F2(s)越接近于0时，则系统的控制性能越 好，系统的抗干扰能力就越强。 ❖ 图4-5串级控制系统抗干扰能力可用下式表示： Q C 2 ( s )= Y Y 1 1 ( ( s s ) ) / /X F 2 1 ( ( s s ) )= W C W 1 ( s * ) 0 W 2 ( 's 0 2 ) ( s )= W C 1 ( s ) W C 2 ( s ) W V ( s )
9
二、串级控制系统的特点与分析
在结构上与电力传动自动控制系统中的双闭 环系统相同(比单回路系统多了一个副回路)，其 系统特点与分析方法亦基本相同。
主回路(外环)：定值控制系统 副回路(内环)：随动控制系统 与单回路系统相比，串级控制系统多用了一 个测量变送器与一个控制器(调节器)，增加的投 资并不多(对计算机控制系统来说，仅增加了一个 测量变送器)，但控制效果却有显著的提高，其原 因在于串级控制系统中增加了一个包含二次扰动 的副回路。
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单回路控制系统的抗干扰能力为
Y(s)/X(s) QD2(s)=Y(s)/F2(s)=W C(s)W V(s)
串级控制系统与单回路控制系统的抗扰动能力
之比:
QC2(s) =WC1(s)WC2(s)
QD2(s)
WC(s)
设串级与单回路系统均采用比例调节器，其比
例放大系数分别为KC1、KC2、KC，则上式变为
第四章 复杂过程控制系统
❖串级控制 ❖前馈控制 ❖大滞后补偿控制 ❖比值控制 ❖分程与选择性控制 ❖多变量解耦控制 ❖模糊控制 ❖预测控制
《串级控制系统》课件
5 保证系统的可靠性
采取措施确保系统的可靠性，如备份控制器、 故障检测和自动切换等。
串级控制系统的实现1Fra bibliotek软件实现
2
串级控制系统的软件实现包括控制算法
的设计、编程和调试。
3
硬件组成
串级控制系统的硬件组成包括传感器、 执行器、控制器和通信设备。
实现过程
串级控制系统的实现包括系统设计、参 数调整和系统测试等多个步骤。
串级控制系统的应用领域
化工工业
串级控制系统在化工 工业中有广泛的应用， 能够稳定控制各种化 学过程。
食品工业
食品工业中的串级控 制系统能够确保食品 生产过程的高效、稳 定和安全。
制造业
制造业中的串级控制 系统能够提高产品的 质量和生产效率，实 现精细化生产。
冶金工业
冶金工业中的串级控 制系统能够优化冶金 过程，提高冶金产品 的质量和产量。
1 改善系统稳定性
串级控制系统能够减小系统的波动幅度，提 高系统的稳定性。
2 提高系统精度和可靠性
通过串级控制系统，我们能够降低系统的误 差，提高系统的精度和可靠性。
3 减小控制器的负担
串级控制系统能够分担控制器的负荷，使其 更加高效且稳定。
4 减小设备的故障率
串级控制系统能够有效减小设备故障的概率， 提高设备的可靠性和使用寿命。
设计原则
1 正确选择控制器
根据系统需求和特点，选 择合适的控制器类型和参 数。
2 合理设置控制参数
3 统一参考信号
根据系统需求和运行状况， 合理设置控制参数，以达 到最佳控制效果。
将所有控制器的输入信号 统一为相同的参考信号， 以保证系统的稳定性和一 致性。
4 建立完善的监测系统
过程控制——串级控制系统
5、主调节器：按主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。 6、副调节器：按副参数的测量值与主调节器 的输出值的偏差进行工作的调节器，其输 出直接控制调节阀动作。
6
7、副回路：由副调节器、副被控过程、副测 量变送器等组成的闭合回路。 8、主回路：由主调节器、副回路、主被控过 程及主测量变送器组成的闭合回路。 9、一次扰动：作用在主被控过程上的，不包 括在副回路范围内的扰动。 10、二次扰动：作用在副控制过程上的，在 副回路范围内的扰动。
一、基本概念 串级控制系统——两只调节器串联起 来工作，其中一个调节器的输出作为另一 个调节器的给定值的系统。
1
加热炉温度控制系统
2
加热炉串级控制系统
3串级控制系统方框图4串级控制系统术语
1、主被控参数：在串级控制系统中起主导作 用的那个被控参数。 2、副被控参数：在串级控制系统中为了稳定 主被控参数而引入的中间辅助变量。 3、主被控过程：由主参数表征其特性的生产 过程。 4、副被控过程：由副被控参数为输出的生产 过程。
7
三、串级控制系统的工业应用实例
1、聚合釜温度与夹套温度串级控制
8
串级控制系统
第三章串级控制系统简单控制系统由于结构简单，而得到广泛的应用，其数量占有所有控制系统总数的80% 以上，在绝大多数场合下已能满足生产要求。
但随着科技的发展，新工艺、新设备的出现，生产过程的大型化和复杂化，必然导致对操作条件的要求更加严格，变量之间的关系更加复杂。
同时，现代化生产往往对产品的质量提出更高的要求，例如甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1℃石油裂解气的生冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%等，此外，生产过程中的某些特殊要求，如物料配比、前后生产工序协调问题、为了安全而采取的软保护的问题、管理与控制一体化问题等，这些问题的解决都是简单控制系统所不能胜任的，因此，相应地就出现了复杂控制系统。
在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统统称为复杂控系统。
复杂控制系统种类较多，按其所满足的控制要求可分为两大类：以提高系统控制质量为目的的复杂控制系统，主要有串级和前馈控制系统；满足某些特定要求的控制系统，主要有比值、均匀、分程、选择性等。
本章将重点介绍串级控制系统。
串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，它对改善控制产品有独到之处。
当过程的容量之后较大，负荷或扰动变化比较剧烈、比较频繁、或是工艺对生产质量提出的要求很高，采用单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。
3.1 串级控制系统概述图3-1串级控制系统方框图3.2 串级控制系统的特点串级控制系统从总体来看，仍然是一个定制控制系统，因此主变量在扰动作用下的过渡过程和简单定制控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式。
但是串级控制系统和简单控制系统相比，在结构上增加了一个与之相连的副回路，因此具有一系列特点。
由于副回路的存在，改善了过程的动态特性提高了系统的工作频率。
串级控制系统在结构上区别于接单控制系统的主要标志是用一个闭合的副回路代替了原来的一部分被控对象。
所以，也可以把整个副回路看作是主回路的一个环节，或把副回路称为等效副对象。
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。
过程控制系统第四章 串级控制系统
4.1 串级控制基本概念
单回路控制系统解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题，在大多数 情况下，这种简单系统能满足生产工艺的要求。但是，当被控过程的时滞或扰 动量很大，或者工艺对控制质量的要求很高或很特殊时，采用单回路控制系统 就无法满足生产的要求。此外，随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、 质量，对提高生产效率、节能降耗以及环境保护提出了更高的要求，这使工业 生产过程对操作条件要求更加严格，对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系 统的精度和功能要求更高。在这样的情况下，产生了串级控制系统。
4.1 串级控制基本概念
4.1.2 串级控制系统的工作过程
加热炉串级控制系统的工作过程是：当处在稳定工况时，被加热物料的流 量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温 度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值 上，当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同的 扰动，分三种情况讨论。
4.1 串级控制基本概念
x1
主调节器
x2
副调节器
z1
z2
调节阀
f3 f2 炉 膛 y2
副测量变送器
管壁
主测量变送器
图 4-3 串级控制系统框图
f1
物料
y1
2. 被加热物料的流量和初温变化 f1 t ——一次扰动或主回路扰动
扰动 f1 t 使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服f1 t
4.1 串级控制基本概念
T1C
T1T
热物料
T2C
T2 T
热物料
加热炉
燃料
冷物料
加热炉
燃料
冷物料
a）单回路系统（控制出口温度） b）单回路系统（控制炉膛温度） 图4-l 加热炉温度控制系统
过程控制工程第四章串级控制系统
温度控制器应该是定值控制
，起主导作用。而燃烧室温
度控制器则起辅助作用 它
在克服干扰D2的同时，应
该受烧成带温度控制器的操
纵，操纵方法就是烧成带温
度控制器的输出作为燃烧室
温度控制器的设定值，从而
就形成了右图所示的串级控
制系统。
天津大学仁爱学院信息工程系
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
比较上述两个控制系统，它们各有自己的长处。第一种控制系统包
括了所有干扰，设定值第二种控制系统能对主要的和一些次要干＿
上扰提前发现，及早控制。如果能将两个控制系统结合起来，发挥
各自优势，不是两全其美吗! 另外，控制燃烧室的温度2并不是目
的，真正的目的是烧成带的
温度稳定不变，所以烧成带
副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
4.1.2 串级控制系统的组成
1．串级控制系统的方框图 根据隔焰式隧道窑串级控制系统的方框图，可得串级控
制系统标准方框图如下图所示。
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
2. 串级控制系统有关的术语
①主、副回路 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（副环）。 ②主、副控制器 处于主回路中的控制器称为主控制器；处于 副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副被控变量 主回路的被控交量称为主被控变量，也称 为主变量或主参数；副回路的被控变量称为副被控变量，也 称为副变量或副参数。 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。
实验四串级控制系统
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
①串级控制系统的投运准备 串级控制的最主要特征是一个控 制系统，两个控制回路，内回路 （副环）含在外回路（主环）之 内；有两个控制器，仅有一个执 行机构，因为主控制器是通过发 出指令来操纵副控制器，由副控 制器负责执行控制，完成控制动 作，所以，主控制器的输出作为 副控制器的设定。如何实现？-注意控制器在限号转接面板上的 连线或按钮。
液位-液位串级控制系统
(3)SP1加干扰。注意：设定值变化10%，具体向哪个方 向变化取决于当前水位的状况。
(4)给系统施加一干扰后待其稳定，需观察控制过程是 否满意。 (5)然后可将主控制器的比例度调整到50～20，每次改 变后，都要改变给设定值加扰动进行测试，观察控制过 渡过程曲线的变化—是否稳定较快，超调量较小，接近 4:1衰减震荡过程。最后确定一组最合适的参数.
(2)投运需按照“先副后主”的原则进行，先投运副控制器，再 投运主控制器。待两个液位都基本达到稳定，分别将两个控制器 的设定值与测量值（液位高度）对齐，即消除系统偏差。
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
特别注意：调整副控制器的设定值时，应该在哪里调？ (实际工业中一般是操作测量值等于设定值，在这为了加快试验速度， 才采用此法操作；)
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
①串级控制系统的投运准备 同上次实验操作，首先检查管路、阀门(闸板的高度)，设备加电， 进行信号连线，构建一个以1#控制器为主控制器，2#控制器为副 控制器，以调节阀为执行环节的串级控制系统； 启动实验软件，选择主、副控制器，全部都置于手动状态；先调 整副控制器的手动输出为50%左右，启动水泵。待系统达到平稳， 其间不要频繁调整阀的开度； 在自动控制系统投运自动前，务必要确保控制系统运行后一定是 负反馈控制，即控制作用是消弱而不是增强干扰作用的影响-根据 调节阀的作用方向，确定主、副控制器的正、反作用；由于副控 制器是先于主控制器投入工作，必须先保证副控制器单独工作时 也是负反馈（通过set键－＞PID->cont->ract/act）
天津大学过程控制系统 4)串级控制系统(王江教授)
School of electrical engineering and automation
天津大学电气与自动化工程学院
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过程控制系统
2011-05-08
第四章串级控制系统
过程特性的讨论
（ 1 ）扰动压力 P 与被控 温度T（无控制）的因果 关系。 （ 2 ）当压力 P 变化时， 哪种发生改变的影响可 测。
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过程控制系统
2011-05-08
第四章串级控制系统
串级控制系统中的常用名词
主变量：是工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量； 副变量：是在串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要引入的辅助 变量； 主对象：是表征主变量特性的生产设备；（在管式炉管中，主要指原料 油受热管道） 副对象：是表征副变量特性的生产设备；（在管式炉管中，主要指燃料 油燃烧装置） 主控制器：按主变量对给定值的偏差而动作，其输出作为副控制器的给 定值； 副控制器：其给定值由主控制器的输出所决定，并按副变量对给定值的 偏差而动作； 主回路：是由主测量、变送，主、副控制器，执行器和主、副对象构成 的外环回路； 副回路：是由副测量、变送，副控制器，执行器和副对象构成的内环回 路。
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过程控制系统
2011-05-08
第四章串级控制系统
示例（2）
合成氧厂的硝酸生产过程，国内在60年代初最早使用的串级控 制。 Pt 4NH3 5O 2 4NO 6H2O Q 氨氧化生成一氧化氮过程： 840 o C
被控变量：氧化炉温度 操作变量：加入的氨量 被控对象：滞后大，时间常数大 干扰分析：氨压力和流量影响大 方案1：氨流量定值控制；炉温是开环 方案2：炉温定值控制；氨流量压力影响大 方案3：炉温主环，氨流量副环的串级控制
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。
串级控制系统的分析
04
副控制器 与副参数的测量变送信号的偏差信号，输出控制信号给执
行器的那个控制器。
05
主回路
（外回路）
断开副控制器的测量反馈通道后的闭合回路。
06
副回路 由副控制器、执行器、喷水控制阀、减温器和测量变送器
（内回路） 组成的回路。
12
第三部分
串级控制 系统的工 作原理
串级控制系统的工作原理
+
副控
_
为提高控制质量，在原单回路控制 系统的基础上：
增加一个控制器 过热器高温段入口处的蒸汽温度 送入副控制器的输入端
过热器 低 温段
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
减温 器
θ2
过热器 高 温段
温度测量变送器
θ1 温度测量变送器
主控制器
喷水减 温阀
副控制器 执行器
图 3－3 主汽温度串级控制系统示意图
系统快速性能提高
8
第二部分
串级控制 系统的构 成
01
主参数 起主导作用的被控参数。如：过热蒸汽温度θ1。
（主变量）
副参数 能提前反映主参数变化趋势的中间参数。如过热器高温段
02
（副变量） 入口处的蒸汽温度θ2。
03
主控制器
输入为主参数的测量反馈信号与主参数的给定值信号的偏 差，其输出作为另一个控制器给定值的那个控制器。
其给定值由主控制器的输出决定，输入为主控制器的输出
串级控制系统
任务要求
任务 要求
01 理解串级控制系统的概念 02 掌握串级控制系统的组成 03 会分析串级控制系统的内回路和外回路
2
主目录
串级控制 系统
构成
基本概念
工作原理
串级控制系统
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；
串级控制系统基础
串级控制系统基础串级控制系统-----两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统1. 基本概念即组成结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
2. 串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。
根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：* 1）扰动作用于副回路* 2）扰动作用于主过程* 3）扰动同时作用于副回路和主过程分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
3. 系统特点及分析* 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。
* 能迅速克服进入副回路的二次扰动。
* 提高了系统的工作频率。
* 对负荷变化的适应性较强4. 工程应用场合* 应用于容量滞后较大的过程* 应用于纯时延较大的过程* 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程* 应用于参数互相关联的过程* 应用于非线性过程5. 系统设计* 主参数的选择和主回路的设计* 副参数的选择和副回路的设计* 控制系统控制参数的选择* 串级控制系统主、副调节器控制规律的选择* 串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定串级控制是一种复杂控制系统，它根据系统结构命名，是由两个或以上的控制器（主环、副环、次副环……）串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象。
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ppt课件
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
A3000过程控制实验指导 第四章
第四章串级控制系统实验第一节串级控制系统的连接实践一、串接控制系统的组成图4-1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设定值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4-1 串级控制系统的方框图R-主参数的给定值 C1-被控的主参数 C2-副参数f1(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1.改善了过程的动态特性由负反馈原理可知，副回路不仅能改变副对象的结构，而且还能使副对象的放大系数减小，频带变宽，从而使系统的响应速度变快，动态性能得到改善。
2.能与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串级控制系统由于比单回路控制系统多了一个副回路，当二次扰动进入副回路，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当扰动还没有影响到主控参数时，副调节器就开始动作，与时减小或消除扰动对主参数的影响。
基于这个特点，在设计串级控制系统时尽可能把可能产生的扰动都纳入到副回路中，以确保主参数的控制质量。
至于作用在主对象上的一次扰动对主参数的影响，一般通过主回路的控制来消除。
3.提高了系统的鲁棒性由于副回路的存在，它对副对象（包括执行机构）特性变化的灵敏度降低，即系统的鲁棒性得到了提高。
具有一定的自适应能力串级控制系统的主回路是一个定值控制系统，副回路则是一个随动系统。
主调节器能按照负荷和操作条件的变化，不断地自动改变副调节器的给定值，使副调节器的给定值能适应负荷和操作条件的变化。
三、串级控制系统的设计原则1.主、副回路的设计1)副回路不仅要包括生产过程中的主要扰动，而且应该尽可能包括更多的扰动信号。
2)主、副对象的时间常数要合理匹配，一般要求主、副对象时间常数的匹配能使主、副回路的工作频率之比大于3。
为此，要求主、副回路的时间常数之比应该在3～10之间。
第4-1章 复杂过程控制系统-串级控制系统
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。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
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。
-过程控制 过程控制
第四章 复杂过程控制系统
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
回顾
单回路系统： 一个被控过程，采用一个测量变送器检测被控
过程，采用一个控制器保持一个被控参数恒定， 或在小范围内变化，其输出也只控制一个执行 机构的系统。
着眼点：
运用PID控制，着眼于一个物理量的稳定工作， 控制方块图也是由一个闭环完成的。
控参数，输出量为主被控参数。
t 副被控过程—由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参 数。 t 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。 t 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。
t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。
t一次扰动—不包括在副回路内的扰动。 t二次扰动—包括在副回路内的扰动。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
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。
干扰：
原料的流量、初始温度； 燃料的流量、燃料热值。
-过程控制
第四章 复杂过程控制系统
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。
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（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
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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。
1 KC 2 KV K02 Km2 1 ，有 串 单
从上述公式看出，串级控制系统由于副回路改善了对象的特性，使整个系 统的工作频率得到提高，这就缩短了振荡周期，减少了过渡过程的时间。即便 是干扰作用于主对象．串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统有所改
善。
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4.1.3串级控制系统的特点
值
塔釜的温度： 被控参数 再沸器加热蒸汽：控制参数
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
TT
TC
缺点： 蒸汽流量频繁波动，温度变化以后再克服扰动， 对产品质量产生较大影响。
2
蒸汽
最大偏差达 10o C
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凝液 塔底出料
控制方案二：蒸汽流量控制系统 缺点：塔釜的温度不仅仅是受蒸汽流量影响。 其他影响因素： 进料流量、温度、成分等的干扰。 控制方案三：串级控制系统 以蒸汽流量为副参数、塔釜温度为主参 数的串级级控制系统，把蒸汽压力变化这个 主要扰动包括在副回路中，充分运用对于进 入串级副回路的扰动具有较强抑制能力的特 点。满足了生产工艺要求。
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4.1.1 串级控制系统组成
一次扰动： 二次扰动： 作用在主被控过程下的、 作用在副被控过程上的、即 而不包括在副回路范围内 包括在副回路范围内的扰动 的扰动 串级系统和单回路系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环 在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面， 被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被控量满足工艺要求。
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4.1.1 串级控制系统组成
控制方案三
串级控制
主变量：出口温度 副变量： 炉膛温度 优点： 扰动f2、f3对炉口温度的影响由T2C控制器构成的回路来克服，扰动f1、f4对炉出 口温度控制器T1C构成的控制回路来消除。 T1C和 T2C两个控制串联工作，炉出口温度由控制器T1C输出作为炉膛温度控制器 T2C的给定值，系统构成串级控制。
1. 克服被控过程较大的容量滞后
在工业生产中、 一些以温度或质量等作为被控参数的过程，往往其容量滞后 较大，控制要求又较高。若采用单回路控制系统，因容量滞后较大，控制通道的时 间常数较大，对控制作用反应迟钝而使超调量大，过度过程时间长，控制质量不能 满足要求。
采用串级控制系统，可选择一个滞后较小的辅助变量组成一个快速动作的副回 路，使等效过程的时间常数减小，加快响应速度，从而取得较好的控制质量。 对象容量滞后大，干扰情况复杂时，串级控制系统使用普遍。 例如：加热炉出口温度控制系统。
串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的抑制能力，所以，在工业 应用中只要将变化剧烈、而且幅度大的扰动包括在串级系统副回路中，就可以大大减 少其对主参数的影响。
例：某精馏塔塔釜温度的串级控制系统。
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4.2 串级控制系统的应用范围
工艺过程： 精馏塔塔釜温度由于塔釜温度是保证产品分离纯度的重要工艺指标，要求恒 定，对控制质量要求较高。 要求： 塔釜温度控制在±1.5℃范围。蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，有时从 0.5MPa突然降至0.3MPa，压力变化40％（大扰动）。 单回路存在问题： 设 定 控制方案一：简单的温度控制系统
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当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副控制器均采用比例作用时，串级 回路与单回路的工作频率之比为：
串 T01 T02 K C 2 KV K 02 K m 2T01 单 T01 T02
[1 (1 K C 2 KV K 02 K m 2 )]T01 / T02 1 T01 / T02
例：醋酸乙炔合成反应
中部温度是保证合成气质量的重要参数， 工艺要求对其进行严格控制。 工艺过程： 控制通道中包括了两个热交换器和 一个合成反应器，当混合流量发生变化 时，换热器的出口温度随负荷的减小而 明显增加，并呈明显的非线性变化。 串级控制： 主变量：中部温度； 副变量：换热器出口温度。 将具有非线性的换热器包括在副回路中， 提高控制质量。
通过理论可以证明，干扰落于副环时的抗干扰能力大于干扰落于主环时的 抗干扰能力。由于副回路的时间常数大大减小，抗一次干扰的能力也高于同 条件下的单回路控制系统。 东北大学
4.1.3串级控制系统的特点
2. 改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率
等效：将副回路看成是主回路中的一个环节，或者把副回路理解为一部分等效对象。此 时，串级控制系统的方块图可简化成上图。
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4.2 串级控制系统的应用范围 2. 克服被控过程的纯滞后
当工业过程纯滞后时间较长，应用串级控制系统来改善其控制质量，即在离调 节阀较近、纯滞后较小的地方．选择一个副参数，构成一个纯滞后较小的副回路， 把主要扰动包括在副回路中，在其影响主参数前，由副回路实现对主要扰动的及时
控制，从而提高控制质量。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后是对二次干扰而言。当干扰从主回 路进入时，这一优越性就不存在了，因为一次干扰不直接影响副变量，只有当主变 量改变以后，控制作用通过较大的纯滞后才能对主变量起控制作用。
第 4章
串级控制系统
4.1 概述
4.1.1 串级控制系统组成
4.1.2 串级控制系统的工作过程
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4.1.1 串级控制系统组成 复杂控制系统：
控制系统中采用两个以上的检测元件和变送器，或控制器，或执行器， 完成一些复杂或特殊的控制任务。
4.1.1 串级控制系统的组成
例1： 炼油厂管式加热炉温度控制系统
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求副回路的等效传递函数:
Wc 2 ( s )Wv ( s )W02 ( s ) Z 2 (s) X 2 ( s ) 1 Wc 2 ( s )Wv ( s )W02 ( s )Wm 2 ( s ) K C 2 KV
' W02 (s)
' K 02
K 02 ' T02 s 1 K 02 ' K 02 1 K C 2 KV K m 2 T02 ( s ) s 1 T02 s 1
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4.1.2 串级控制系统的工作过程
初始状态：两个控制器输出不变，控制阀稳定在某一开度。 第一种情况：燃料油流量变化（二次干扰f2）
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4.1.2 串级控制系统的工作过程
第二种情况：被加热料流量和初温变化（一次干扰f1）
第三种情况：一次干扰f1和二次干扰f2同时出现
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课堂作业：
出量为主变量。如上例中从炉膛温度控制点到炉出口温度检测点之间的工 艺生产设备及管道。
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4.1.1 串级控制系统组成
副对象： 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过程，其输入量为系统的操纵变 量，输出量为副变量。如上例中由执行器至炉膛温度检测点之间的生产过 程及工艺设备。 主控制器：按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制 器的给定值。如上例中的炉出口温度控制器T1C。 副控制器：按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器，其输 出直接控制执行器的动作。如上例中的炉膛温度控制器T 2C。 主回路： 由主测量变送器、主控制器、副回路等效环节和主对象组成的闭合回路，又 称外环或主环。 副回路： 由副测量变送器、副控制器、执行器和副对象所组成的闭合回路，又称内环 或副环。
4.1.1 串级控制系统组成
控制方案二
被控参数： 炉膛温度
方案优点： 调节通道的时间常数缩短3min，对f2 和f3具有很强的抑制作用，当燃料量和热值 出现波动时，不等到出口温度发生变化就能 提早发现并及时地进行控制，将干扰对出口温度的影响降低。 缺陷： 由于方案中没有把炉出口温度作为被控变量，当被加热物料的流量或入口温度产生 波动使炉出口温度发生变化时，系统将无法使炉出口温度再调回到给定值上。
3．对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力 对象非线性 生产负荷和操作条件改变 对象的特性 发生变化。
控制器参数却是在一定的负荷和操作条件下， 按某种质量指标整定得到的。 因此，这些控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象 特性相匹配， 如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，那么控制质量就很 难 保证。这个问题是单回路控制系统中的一个难题。 但是，在串级控制系统中情况就不同了。 虽然主回路是一个定值控制 系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主控制器 的输出而变 化的。主控制器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副控 制 器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作 条件下，控制系统 仍然具有较好的控制质量。