(精选)串级控制系统与比值控制系统完美
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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。
串级控制系统与比值控制系统
串级控制系统的应用场景
化工生产过程
在化工生产中，常常需要对多个物料进行精确的流量控制 和比例控制，串级控制系统可以很好地满足这些需求。
电力控制系统
在电力控制系统中，需要对发电机的输出电压和频率进行 精确控制，以保证电力系统的稳定运行，串级控制系统可 以应用于此场景。
航空航天领域
在航空航天领域中，需要对多个发动机参数进行精确控制， 以确保飞行的安全和稳定性，串级控制系统也得到了广泛 应用。
比值控制系统的应用场景
总结词
比值控制系统广泛应用于化工、制药、食品、造纸等行业，尤其在需要多种原料按比例混合的生产过程中。
详细描述
比值控制系统适用于化工生产中的反应器进料控制、制药行业中的配料控制、食品加工中的原料混合以及造纸工 业中的浆料配比等场景。在这些生产过程中，需要精确控制各种原料的比例，以确保产品质量和生产的稳定性。 比值控制系统能够根据实际生产需求进行灵活配置，满足不同工艺流程的控制要求。
比值控制系统
广泛应用于化工、食品、制药等行业 的物料配比、混合和输送过程。
优缺点比较
串级控制系统 优点：控制精度高，抗干扰能力强， 对被控对象的变化有较强的适应性。
缺点：系统复杂，设计和调试难度较 大，对控制器的参数调整要求较高。
比值控制系统
优点：结构简单，操作方便，能够保持物料的 比例关系，适用于多种物料的配比和混合。
意义
串级控制和比值控制是工业生产中非常重要的控制方式，通过对这两种控制系 统的研究，可以更好地理解工业控制系统的设计和应用，提高生产效率和产品 质量，促进工业的可持续发展。
PART 02
串级控制系统
串级控系统的定义
串级控制系统是由两个或更多的 控制器串联在一起组成的控制系
串级控制系统.ppt
图2.1-5 干扰进入主回路串级调节系统方框图
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
LOGO
2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
LOGO
2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。
串级控制系统课件
C2 V mT C1
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（－）
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。
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。
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。
串级控制系统资料
(1)只存在二次干扰 (2)只存在一次干扰 (3)一次干扰和二次干扰同时存在
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程 (1)只存在二次干扰—燃料压力波动
燃料压力升高 燃料的流量增大 燃烧室温度2升高
副控制器接受的测量值增大 副温度检测变送器
D2
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀 燃烧室 θ2 隔焰板
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的术语
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； ✓于副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副变量 ✓主回路的被控变量称为主被控变量，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
第6章 串级控制系统
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; 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。
6.1 串级控制系统的基本概念
简单控制系统（单回路系统）：
R(s)
—
Gc(s)
(S)
K C2 K V K O2
1 + KC2KVKO2KM2
KO2 '
1＋（1＋K
TO2 C2K V K
m2K
O2
)
S
1+ TO2 'S
6.2 串级控制系统的分析
由于在任何情况下：
1＋KC2KVKO2Km2>1
TO2’<TO2
等效对象的时间常数缩小了，加快了副环的响应 速度，提高了系统的工作频率。
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程 (1)只存在二次干扰—燃料压力波动
燃料压力升高 燃料的流量增大 燃烧室温度2升高
副控制器接受的测量值增大 副温度检测变送器
D2
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀 燃烧室 θ2 隔焰板
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的术语
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； ✓于副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副变量 ✓主回路的被控变量称为主被控变量，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
第6章 串级控制系统
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; 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。
6.1 串级控制系统的基本概念
简单控制系统（单回路系统）：
R(s)
—
Gc(s)
(S)
K C2 K V K O2
1 + KC2KVKO2KM2
KO2 '
1＋（1＋K
TO2 C2K V K
m2K
O2
)
S
1+ TO2 'S
6.2 串级控制系统的分析
由于在任何情况下：
1＋KC2KVKO2Km2>1
TO2’<TO2
等效对象的时间常数缩小了，加快了副环的响应 速度，提高了系统的工作频率。
2.1 串级控制系统(1)
2.1.1串级控制系统基本概念
开始：假设副回路给定值不变，氨气流量干 扰F2使氨气流量y2增加，流量调节器（反 作用）输出减小，从而使调节阀开度（气 开阀）减小，通过副回路的调节，最终使 氨气流量y2恢复到给定值。 继而：由于氨气流量y2增加进入主回路后， 使氧化炉的温度y1增加，温度调节器（反 作用）输出减小，也就是流量调节器给定 值减小，由于流量调节器为反作用，因此 输出到调节阀膜头信号减小，这样引起调 节阀开度减小，使氨气流量y2减小，通过
2.1.2 串级控制系统分析
1）串级系统，如图2.1-6所示方块图的闭环 传递函数：
Gc1 ( s )G 2 ( s )G p1 ( s ) Y ( s) p R( s ) 1 Gc1 ( s )G 2 ( s )G p1 ( s )Gm1 ( s ) p
（2.1-2）
对应的闭环特征方程：
图2.1-3串级调节系统的方块图
2.1.1串级控制系统基本概念
串级控制系统中常用的几个术语 主参数（主被控变量y1）：生产工艺过程中 主要控制的工艺指标，在串级控制系统中起 主导作用的那个被调参数即为主参数，如氧 化炉反应温度。 副参数（副被控变量y2）：影响主参数的主 要变量和中间变量（如上述系统的氨气流 量）。
2.1.1串级控制系统基本概念
温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干K p1 Tp1s 1
常见的复杂控制系统有串级均匀比值精选全文
(1)两个变量在控制过程中都 应该是变化的,且变化缓慢。
(2)前后互相联系又互相矛盾 的两个变量应保持在所允许的 范围内波动。
过程控制系统
二.均匀控制系统的方案 1 .简单均匀控制
过程控制系统
如何能够满足均 匀控制的要求呢?是 通过控制器的参数 整定来实现的。
有时为了克服连续发生的同一方向干扰所造成的 过大偏差，防止液位超出规定范围，则引人积分作 用，这时比例度一般大于100％，积分时间也要放 得大一些。
主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。 副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。 主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表 征其主要特性的生产设备或过程。 副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变 量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。 副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的 闭环回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。 主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象 所构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。
副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要参数。 主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其设定值之差 进行控制运算，并将其输出作为副控制器给定值。 副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控变量和主控 输出之差来进行控制运算，其输出直接作用于控制阀的控制器， 简称为“副控”。
过程控制系统
K= F2/F1 式中K为从动流量与主动流量的工艺流量比值。 F1---主动流量(其物料处于主导地位既主物料 ) F2---从动流量(其物料在控制过程中随主物料而变化 )
燃料与空气成比例,什么是主动物料?什么是从动物料?
氢氧化钠浓溶液与水成比例,什么是主动物料?什么是从动物 料?
一.比值控制系统的类型
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
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。
串级控制与比值控制
2011年12月28日星期三 14:39
No. 4
信息科学与工程学院
过程控制：复杂控制系统 过程控制：复杂控制系统.串级控制与比值控制
Fall 2010
5-1 串级控制系统的概念
TC TT 产品
燃料 物料
影响炉出口温度的因素：
F1:被加热物料的流量和初温， F2:燃料的压力、流量和成份的变化， F3:烟道风抽力的变化等等
Fall 2010
串级控制系统的工作原理
1.干扰作用于副环 即燃料的压力、流量或成份的变化使得提供的 热能增加，使炉膛温度升高，串级控制系统的调 节过程如下：
炉膛温度 T2↑→T2T↑→T2C↓(反作用)→V↓(气开阀) T 2↓
可见副回路起着对物料出口温度的“粗调”作用
2011年12月28日星期三 14:39 No. 15
过程控制：复杂控制系统 过程控制：复杂控制系统.串级控制与比值控制
Fall 2010
过程控制
第一节 串级控制系统
过程控制：复杂控制系统 过程控制：复杂控制系统.串级控制与比值控制
Fall 2010
复杂控制系统概述
单回路控制系统——简单控制系统：在一般 单回路控制系统 情况下能够满足生产控制要求 特殊情况：系统干扰因素多、干扰剧烈，以 特殊情况： 及工艺特殊要求——复杂控制系统 复杂控制系统——串级、比值、均匀、前馈、 复杂控制系统 选择、分程 、解耦等控制系统
No. 21
信息科学与工程学院
过程控制：复杂控制系统 过程控制：复杂控பைடு நூலகம்系统.串级控制与比值控制
Fall 2010
5-2 串级控制系统的特点及其分析
假设副回路各环节传递函数分别为：
K o2 W2 ( S ) = K 2 , Wv ( S ) = K v , Wo 2 ( S ) = , Wm 2 ( S ) = K m 2 1 + To 2 S
1.1.3串极控制系统
1.1.3串极控制系统第一节串级控制系统✧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➢串级控制系统的结构和方框图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：●扰动作用于副回路●扰动作用于主过程●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➢特点：●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6，串级控制系统的整定目前采用较为普遍的投运方法，是先把副调节器投入自动，然后在整个系统比较稳定的情况下，再把主调节器投入自动，实现串级控制。
第五章 串级控制与比值控制系统
过程控制
第五章
由P181-2分析，可得式(4-21) 181- 分析，可得式( 21) 意味着串级副回路的存在能迅速克服进入副回路 Kc1Kc2>>Kc意味着串级副回路的存在能迅速克服进入副回路 的二次扰动 大大减小了二次扰动的影响，提高了控制质量 大大减小了二次扰动的影响， 3.对一次扰动有较好的克服能力 3.对一次扰动有较好的克服能力 分析得式（ 27） 分析得式（4-27） (s)<1意味着串级控制系统的抗一次扰动 意味着串级控制系统的抗一次扰动的能 Wv(s)W02(s)Wm2(s)<1意味着串级控制系统的抗一次扰动的能 力要比单回路控制系统略强一些 4.有一定的自适应能力 4.有一定的自适应能力 串级控制系统的副回路是一个随动系统， 串级控制系统的副回路是一个随动系统，其设定值随主控制 器的输出而变化，副回路对包含在其内的非线性、参数、 器的输出而变化，副回路对包含在其内的非线性、参数、负 荷的变化具有一定的自适应能力。 荷的变化具有一定的自适应能力。
管式加热炉系统结构框图
x1 z1
f2
主调节器
f3
y2
x2 z2
f1
管壁 物料
y1
副调节器
调节阀 副变送器
炉膛
主变送器
三.串级控制系统的特点
1.改善过程的动态特性 1.改善过程的动态特性 由P181分析，可得式(4-3) 181分析，可得式( 分析 T‘02<T02意味着控制通道的缩短 容量滞后减小，控制更为及时 容量滞后减小，
过程控制
第五章
一.串级控制系统的组成 二.串级控制系统的工作过程 三.串级控制系统的特点 四.串级控制系统的工业应用 串级控制系统的工业应用 五.串级控制系统的设计 六.串级控制系统的参数整定
串级控制系统课件
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。
精选ppt
18
如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快 得到克服，不至于引起主变量的改变。如果这个干 扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱 了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量 仍会受到它的影响偏离了稳态值而升高。经主温度 检测变送器后，主控制器接受到的测量信号增大。 主控制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主 控制器的输出会减小。这就意味着副控制器的设定 值减小，从而会使得副控制器在原来的基础上变的 更小，也即阀门开度也将再关小一点，以克服干扰 对主变量的影响。
如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不 相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器 再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上 。
精选ppt
23
从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器 串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目 的，两个控制器协调一致，互相配合。尤其是对于二 次干扰，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进 一步“细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统 。
例6-1 隔焰式隧道 窑温度控制系统。 （见图6-1）。 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。
精选ppt
3
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。制品在窑
道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧
精选ppt
18
如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快 得到克服，不至于引起主变量的改变。如果这个干 扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱 了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量 仍会受到它的影响偏离了稳态值而升高。经主温度 检测变送器后，主控制器接受到的测量信号增大。 主控制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主 控制器的输出会减小。这就意味着副控制器的设定 值减小，从而会使得副控制器在原来的基础上变的 更小，也即阀门开度也将再关小一点，以克服干扰 对主变量的影响。
如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不 相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器 再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上 。
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23
从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器 串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目 的，两个控制器协调一致，互相配合。尤其是对于二 次干扰，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进 一步“细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统 。
例6-1 隔焰式隧道 窑温度控制系统。 （见图6-1）。 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。
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3
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。制品在窑
道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧
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11
串级控制系统的组成及工作过程
副回路
随动控 制系统
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
一般串级控制系统
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成． 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
16
3) 副回路的引入对系统负荷变化的影响
对于内环等效对象的增益
等效副对象 Gp2'(s)
R2(S) －
Gc2(s)
Gv(s)
Gm2(s)
Gp2(s)
Y2(s)
K p 2 ' 1 K K C C 2 2 K K v v K K p p 2 2 K m 2K C K 2 C K 2 v K K vK p2K p2 m 2K 1 m 2
－
Gc1 (s) R2(S) Gv(s)
D2(s)
Gd2(s)
Gp2(s)
Gp1(s)
Y1(s)
Gm1(s) 单回路控制系统方框图
Y 1(s)
G d2(s)G p1(s)
D 2(s)单 1G c1(s)G v(s)G p1(s)G p2(s)G m 1(s)
结论: 串级控制系统的结构使二次扰动对主控参数的动态增益
结论: 当副回路增益足够大时, 使主回路的特性基本上和副 对象, 调节阀的增益无关(系统的“鲁棒性”强).
反应器的温度串级控制方案
6
θ1r
主调节器
环路2
副调节器 调节阀
D2 夹套 θ2 槽壁
D1 反应槽 θ1
温度测量 温度测量
环路1
7
例5-2 精馏塔提馏段的温度控制 1) 生产过程 2) 控制系统方框图 3) 缺点
精馏塔提馏段温度控制方案
D2(蒸汽压力)
D1(液相加料方面)
θr
调节器 调节阀
蒸汽管路 Q 再沸器
R(s)
一个输入信号，一个输出信
—
号，一个调节器，组成一个
闭环．
Gc(s)
Gv(s)
Y(s) G(s)
Gm(s)
单回路控制系统方框图
2) 单回路控制系统的不足
① 对象的动态特性使其难以进行控制，同时对调节质量要求较高．
如：τ/T>1
② 控制任务特殊
③ 生产过程的发展,对操作条件要求更加严格, 参数间关系更加复杂,
2) 控制系统方框图 3) 缺点
夹套 反应器温度控制系统
D2
D1
θ1r
调节器 调节阀
夹套 θ2 槽壁
反应槽 θ1
－ 三个热容积
温度测量
物料方面扰动D1: 流量,入口温度,化学成分
冷却水扰动D2: 入口温度, 阀前压力 5
采用串级控制 特点: 两个调节器串在一 起工作, 调节器θC2通过调节冷却剂 量以克服冷却水方面的扰动; 调节器θC1 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.
Gc1(s)
Gc2(s)
－
Gv(s) Gm2(s)
Gd2(s) Gp2(s)
Gp1(s) Y1(s)
Y2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y 1(s)
G d2(s)G p 1(s)
D 2(s) 1G c2 G vG p2 G m 2G c1 G m 1 G p 1 G c2 G vG p2
14
R1(S)
对控制精度和功能有许多新的要求
在单回路的基础上, 采取其他措施, 组成复杂控制系统(多回路系统)
3
第五章 串级控制系统与比例控制系统
4
§5-1 串级控制系统的概念
定义: 在多回路控制系统中,有 两个被控过程,两套测量变送装 置, 两台控制器和一个调节阀 构成的双闭环系统．
槽壁
例5-1 连续槽反应器温度控制 1) 生产过程(扰动)
Gp2(s)
Kp2 ; Tp2s1
Gv(s)Kv;
Gm1(s)
Gc2(s)Kc2; Tp2'=Tp2/(1+Kc2KvKm2Kp2)
Gm2(s)Km2
G'p2(s)YR22((ss))
Kc2KvKp2 (1Kc2KvKm2Kp2) 1Tp2s #39;s
结论: 引入副回路, 使等效副对象时间常数减小, 快速性得到改善, 调节速度加快, 使迟延大的问题得到了改善.
θ 塔底
温度测量
8
两种改进方案：
(1) 附加蒸汽压力控制方案
缺点：
不经济, 增加了管道的压力 损失
把蒸汽压力的干扰 克服在入塔前,提高 了温度调节品质,但 需增加一个调节阀, 且增加了蒸汽管路 的压力损失,经济上 不合理.
附加蒸汽压力控制方案
9
(2) 串级控制方案
θC2控制流量稳定， θC1控制温度稳定。
12
串级控制系统中的名词:
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. 副变量: 串级控制系统中为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量.
主对象: 为主变量表征其特性的生产设备。 副对象:为副变量表征其特性的工艺生产设备。
主控制器: 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，称为主控制器。
优点: 有效地克服蒸汽 压力波动对温度θ的影 响。
D2
D1
θr
主调 Qr 副调 调节
节器
节器 阀
蒸汽管 Q 再沸
路系统
器
θ 塔底
－
－
流量自稳定系统
流量测量
温度控制系统 温度测量
10
例5-3 炼油厂管式加热炉温度控制 (略) 1) 生产过程 2) 控制系统方框图 3) 缺点
串级控制使用特点: 被控过程延迟较大
明显减小, 二次扰动出现后, 很快就被副调节器克服, 与单回路
控制系统相比, 被调量受二次扰动的影响可以减小10~100倍.
15
2) 副回路的引入对被控对象响应速度的影响
Gp2'(s)
R1(S)
_
R2(S)
Gc1(s)
Gc2(s)
－
Gv(s) Gm2(s)
D2(s) Gp2(s)
等效副对象 Y2(s) Gp1(s) Y1(s)
副控制器:其给定值来在主控制器的输出, 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称为副控制器。
一次干扰: 进入主回路的干扰称为一次干扰 二次干扰: 进入副回路的干扰称为二次干扰
13
§5-2 串级控制系统的分析及特点
1) 副回路的引入对二次扰动的影响
Gp2'(s)
D2(s)
R1(S)
－
R2(S)
第二篇 复杂控制系统
1
基本要求: 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; 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。 了解比值控制系统的几种控制方案 掌握比值系数的计算
2
1) 单回路控制系统的组成
串级控制系统的组成及工作过程
副回路
随动控 制系统
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
一般串级控制系统
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成． 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
16
3) 副回路的引入对系统负荷变化的影响
对于内环等效对象的增益
等效副对象 Gp2'(s)
R2(S) －
Gc2(s)
Gv(s)
Gm2(s)
Gp2(s)
Y2(s)
K p 2 ' 1 K K C C 2 2 K K v v K K p p 2 2 K m 2K C K 2 C K 2 v K K vK p2K p2 m 2K 1 m 2
－
Gc1 (s) R2(S) Gv(s)
D2(s)
Gd2(s)
Gp2(s)
Gp1(s)
Y1(s)
Gm1(s) 单回路控制系统方框图
Y 1(s)
G d2(s)G p1(s)
D 2(s)单 1G c1(s)G v(s)G p1(s)G p2(s)G m 1(s)
结论: 串级控制系统的结构使二次扰动对主控参数的动态增益
结论: 当副回路增益足够大时, 使主回路的特性基本上和副 对象, 调节阀的增益无关(系统的“鲁棒性”强).
反应器的温度串级控制方案
6
θ1r
主调节器
环路2
副调节器 调节阀
D2 夹套 θ2 槽壁
D1 反应槽 θ1
温度测量 温度测量
环路1
7
例5-2 精馏塔提馏段的温度控制 1) 生产过程 2) 控制系统方框图 3) 缺点
精馏塔提馏段温度控制方案
D2(蒸汽压力)
D1(液相加料方面)
θr
调节器 调节阀
蒸汽管路 Q 再沸器
R(s)
一个输入信号，一个输出信
—
号，一个调节器，组成一个
闭环．
Gc(s)
Gv(s)
Y(s) G(s)
Gm(s)
单回路控制系统方框图
2) 单回路控制系统的不足
① 对象的动态特性使其难以进行控制，同时对调节质量要求较高．
如：τ/T>1
② 控制任务特殊
③ 生产过程的发展,对操作条件要求更加严格, 参数间关系更加复杂,
2) 控制系统方框图 3) 缺点
夹套 反应器温度控制系统
D2
D1
θ1r
调节器 调节阀
夹套 θ2 槽壁
反应槽 θ1
－ 三个热容积
温度测量
物料方面扰动D1: 流量,入口温度,化学成分
冷却水扰动D2: 入口温度, 阀前压力 5
采用串级控制 特点: 两个调节器串在一 起工作, 调节器θC2通过调节冷却剂 量以克服冷却水方面的扰动; 调节器θC1 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.
Gc1(s)
Gc2(s)
－
Gv(s) Gm2(s)
Gd2(s) Gp2(s)
Gp1(s) Y1(s)
Y2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y 1(s)
G d2(s)G p 1(s)
D 2(s) 1G c2 G vG p2 G m 2G c1 G m 1 G p 1 G c2 G vG p2
14
R1(S)
对控制精度和功能有许多新的要求
在单回路的基础上, 采取其他措施, 组成复杂控制系统(多回路系统)
3
第五章 串级控制系统与比例控制系统
4
§5-1 串级控制系统的概念
定义: 在多回路控制系统中,有 两个被控过程,两套测量变送装 置, 两台控制器和一个调节阀 构成的双闭环系统．
槽壁
例5-1 连续槽反应器温度控制 1) 生产过程(扰动)
Gp2(s)
Kp2 ; Tp2s1
Gv(s)Kv;
Gm1(s)
Gc2(s)Kc2; Tp2'=Tp2/(1+Kc2KvKm2Kp2)
Gm2(s)Km2
G'p2(s)YR22((ss))
Kc2KvKp2 (1Kc2KvKm2Kp2) 1Tp2s #39;s
结论: 引入副回路, 使等效副对象时间常数减小, 快速性得到改善, 调节速度加快, 使迟延大的问题得到了改善.
θ 塔底
温度测量
8
两种改进方案：
(1) 附加蒸汽压力控制方案
缺点：
不经济, 增加了管道的压力 损失
把蒸汽压力的干扰 克服在入塔前,提高 了温度调节品质,但 需增加一个调节阀, 且增加了蒸汽管路 的压力损失,经济上 不合理.
附加蒸汽压力控制方案
9
(2) 串级控制方案
θC2控制流量稳定， θC1控制温度稳定。
12
串级控制系统中的名词:
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. 副变量: 串级控制系统中为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量.
主对象: 为主变量表征其特性的生产设备。 副对象:为副变量表征其特性的工艺生产设备。
主控制器: 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，称为主控制器。
优点: 有效地克服蒸汽 压力波动对温度θ的影 响。
D2
D1
θr
主调 Qr 副调 调节
节器
节器 阀
蒸汽管 Q 再沸
路系统
器
θ 塔底
－
－
流量自稳定系统
流量测量
温度控制系统 温度测量
10
例5-3 炼油厂管式加热炉温度控制 (略) 1) 生产过程 2) 控制系统方框图 3) 缺点
串级控制使用特点: 被控过程延迟较大
明显减小, 二次扰动出现后, 很快就被副调节器克服, 与单回路
控制系统相比, 被调量受二次扰动的影响可以减小10~100倍.
15
2) 副回路的引入对被控对象响应速度的影响
Gp2'(s)
R1(S)
_
R2(S)
Gc1(s)
Gc2(s)
－
Gv(s) Gm2(s)
D2(s) Gp2(s)
等效副对象 Y2(s) Gp1(s) Y1(s)
副控制器:其给定值来在主控制器的输出, 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称为副控制器。
一次干扰: 进入主回路的干扰称为一次干扰 二次干扰: 进入副回路的干扰称为二次干扰
13
§5-2 串级控制系统的分析及特点
1) 副回路的引入对二次扰动的影响
Gp2'(s)
D2(s)
R1(S)
－
R2(S)
第二篇 复杂控制系统
1
基本要求: 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; 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。 了解比值控制系统的几种控制方案 掌握比值系数的计算
2
1) 单回路控制系统的组成