串级控制基本知识与应用

课程设计报告
学院电子信息学院
专业控制理论与控制工程
学生姓名赵显
班级学号132030032
指导教师杜昭平
二零一四年四月
串级控制系统原理及应用
一串级控制系统的基本概念
1 串级控制系统
近二十年，控制技术获得了惊人的成就，已在工业生产和科学发展中起着关键作用。

而且，控制系统已成为大量设备不可分割的重要组成部分。

控制自动化的程度已成为衡量工业企业现代化的一个重要标志。

在众多复杂的控制系统中，串级控制系统在电机控制中的应用更为普遍，串级控制系统是一个双回路系统，一个控制器的输出控制另一个控制器的设定值，这种结构称为串级控制系统。

串级控制系统实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被调量准确保持为设定值]1[。

通常，串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。

2 串级控制系统的组成
串级控制系统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。

主要由以下元件构成：（1）主调节器和副调节器两个调节器
（2）两个测量变送器
（3）一个执行器
（4）一个调节阀们
（5）被控对象组成
系统原理框图如图1－1所示。

图1－1 串级控制系统原理方框图
（1）系统中的两个调节器相互串联，前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入。

这两个调节器分别叫作主调节器和副调节器，即主调节器的输出进入副调节器，作为副调节器的给定值。

（2）串级控制系统中有两个反馈回路，并且一个回路嵌套在另一个回路之中，处于里面的回路称为内回路（副回路），处于外面的回路称为外回路（主回路）。

（3）串级控制系统中有两个测量反馈信号，称为主参数和副参数，分别作为
主、副调节器的反馈输入信号。

二串级控制系统实例——火电厂主汽温度串级控制系统
2.1 应用现状
火电厂中，为更好的对主蒸汽温度进行控制，通常将过热器分为两段，即高温段和低温段，在之间装有一个喷水减温器，喷水减温器是一个三通容器，分别与低温段过热器、高温段过热器以及冷水（减温水）管道连通，蒸汽从低温段流经喷水减温器，再进入高温段。

减温水通过减温水调节阀进入喷水减温器，直接喷洒在蒸汽上，通过控制喷水减温调节阀（即喷水减温阀）的开度来调节进入喷水减温器的冷水流量，从而达到对过热器出口的主蒸汽温度进行调节的目的]3[。

2.2 串级主汽温度系统的原理
串级主汽温度系统的原理方框图如图2－1所示。

图2－1 串级主汽温控制系统原理方框图
结合图2－1，有几个相关的专业术语介绍如下：
主参数（主变量）：串级控制系统中起主导作用的被控参数称为主参数。

上
例中的过热蒸汽温度1θ就是主参数。

副参数（副变量）：串级系统中能提前反映主参数变化趋势的中间参数，称为副参数。

上例中过热器高温段入口处的蒸汽温度2θ就是副参数。

副参数的引入是为了提高控制质量，克服对象的大惯性和大迟延。

主调节器（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，其输出作为另一个调节器给定值的那个调节器称为主调节器。

副调节器（副控制器）：其给定值由主调节器的输出决定，输入为主调节器的输出与副参数的测量变送信号的偏差信号，输出调节信号给执行器的那个调节器称为副调节器]5[。

主回路（外回路）：串级系统中，断开副调节器的测量反馈通道后的闭合回路称为主回路或外回路。

上例中，系统的外回路是由主调节器、副调节器、执行器、喷水调节阀门、喷水减温器、过热器的高温段以及对主参数进行测量变送的温度测量变送器组成。

如图2－2所示。

图2－2 串级主汽温控制系统外回路
副回路（内回路）：串级控制系统中，由副调节器、执行器、调节阀们、被控对象1和副参数的测量变送器组成的回路称为副回路。

在上例中，系统的内
回路由副调节器、执行器、喷水调节阀门、喷水减温器以及对副参数进行测量变送的温度测量变送器组成。

如图2－3所示。

图2－3 串级主汽温控制系统内回路
2.3 系统分析
由于过热器存在很大的惰性，也就是说，当通过调节喷水减温阀门改变进入喷水减温器的喷水流量时，要经过较长的时间，高温段过热器出口的蒸汽温度1θ才发生变化，这给控制带来很大的困难。

若用传统的单回路控制系统对高温段过热器出口的蒸汽温度1θ进行控制（如图2－4），由于过热器惰性的存在，导致控制系统的快速性能变差，控制质量不理想。

为提高控制质量，可以在原单回路系统的基础上，增加一个调节器（即副调节器）将过热器高温段入口处的蒸汽温度θ也作为一个测量信号（副参数），送入副调节器的输入端，构成串级控制系统。

2
因为当有扰动进入系统发生作用时，过热器高温段入口处的蒸汽温度2θ响应较1θ（主参数）快，并且与1θ的变化方向相同]8[，因而可以提前反映1θ的变化趋势，使得系统快速性能提高（如图2－5）。

图2－4 主汽温度单回路控制系统示意图
图2－5 主汽温度串级控制系统示意图结合串级主汽温度控制系统详细分析串级控制系统的结构。

三仿真结果
3.1 仿真曲线
如图3-1、3-2所示。

图3－1 给定值阶跃扰动(r=1)时响应曲线
图3－2 内扰发生(内扰值=1)时响应曲线
3.2 现场运行及控制效果
经实际运行结果证明]10[，该系统性能先进可靠，控制品质明显好于常规PID 控制。

四总结
针对发电厂过热汽温控制系统中被控对象的大惯性和纯滞后性以及存在随机干扰因素多的特点，将PID控制器和Smith预估控制器组成串级控制系统，实现了参数的在线整定，克服了被控对象纯滞后的不稳定性，能够对过热汽温控制系统进行有效的控制，使得过热汽温控制系统具有较强的鲁棒性，提高了控制
系统的运行效率，具有较好的推广应用价值。

参考文献
［1］肖隽. 锅炉温度串级控制系统. 机电工程, 2003,20(4):33-35
［2］涂植英,朱麟章. 过程控制系统[M]. 机械工业出版社,1988.
［3］王积伟,陈一心,吴振顺等. 现代控制理论与工程.(第一版) [M]:高等教育出版社,2003.
［4］侯国莲,和秋旺等.风扇磨直吹式锅炉主汽温自动控制系统设计方法的研究.
山西电力技术, 1996,(6).
［5］张广溢,惠毅. 可控硅串级调速系统的工程设计. 电气传动,1985 (1):3036. ［6］张玉铎. 热工自动控制系统[M]. 北京:水利电力出版社, 1988.
［7］韦庆志,李正明,孙俊. 基于模糊自适应PID控制器的锅炉过热蒸汽温度控制系统.机械设计与制造，2010(7):173-175.
［8］单春贤,陈万家,彭杰. 模糊PID在换热站温度控制系统中的设计与仿真.
仪表技术与传感器, 2010(9): 79-82.
［9］刘保杰，强宝民. 电液比例位置控制系统Fuzzy-PID控制的应用, 仪表技术与传感器，2012(2):82-84.
［10］黄忠霖. 控制系统MATLAB计算及仿真. 国防工业出版社,2001:399-416.。