反应器串级控制系统整定
串级控制cascade
T 1T 2s 2 + (T 1 + T 2 + K T 2K v K m 2K 2T 1 )s +
(1 + K T 2K v K m 2K 2 + K T 1K T 2K v K m 1K 1K 2 ) = 0
s 2 + 2xw0s + w02 = 0
阻尼系数 自然频率
四.串级控制系统中的量纲
d2 r – WT 1 – WT 2 Wv Wm2 Wm1 Wp 2 2 d1 Wp1
1
副回路
W ( s)
' p2
WT 2 (s)Wv (s)Wp 2 (s) 1 WT 2 (s)Wv (s)Wp 2 (s)Wm 2 (s)
' p2
WT 2 (s) K p 2 (1
或 T1 = (3~10) T2
很小，副回路 包括的干扰因素越少，副回路克服干扰 能力 强的优点未能充分利用。
当 T 1
/ T2 > 10 时，表示T2
/ T2 < 3 时，表明T2 过大，副回路
包括的干扰多， 控制作用不及时。
设对象是惯性环节，其它均为比例环节，即
ü ï ï W p 2 (s ) = ,W p1 (s ) = ï ï T 2s + 1 T 1s + 1 ï ï W T 1 (s ) = K T 1 ,W T 2 (s ) = K T 2 ,W v (s ) = K v ï ý ï ï ï W m 1 (s ) = K m 1 ,W m 2 (s ) = K m 2 ï ï ï ï þ K2 K1
Wp2(s) Y2(s)
Wp1(s)
Y1(s)
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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串级控制系统的基本解决方案与构成
串级控制系统的基本解决方案与构成一、串级控制系统的基本解决方案串级控制系统就像是一个有着明确分工的小团队呢。
它主要是为了解决那些单回路控制系统搞不定的复杂情况。
比如说，当被控对象的时间常数比较大、纯滞后比较严重或者干扰作用比较强的时候，单回路就有点力不从心啦，这时候串级控制系统就闪亮登场咯。
它的基本构成部分就像团队里的不同角色一样。
首先得有主被控变量，这就像是团队的大目标，整个系统都得围绕着它来运作。
然后是主控制器，这个主控制器就像是团队里的小队长，指挥着整个控制的大方向。
主控制器根据主被控变量的偏差，输出一个控制信号。
接着就是副回路啦，副回路里有副被控变量、副控制器、执行器和测量变送器这些成员。
副回路就像是一个小助手，它能够快速地对干扰进行反应，减轻干扰对主被控变量的影响。
副控制器根据副被控变量的偏差，来调整执行器的操作，让整个系统更加稳定。
举个例子来说吧，就像我们要控制一个水箱的水位。
如果只是简单地用一个单回路系统，当进水流量突然有很大变化的时候，可能水位就会忽高忽低。
但是如果采用串级控制系统，把进水流量作为副被控变量，水箱水位作为主被控变量，那么当进水流量突然变化时，副回路就能迅速做出反应，调整阀门开度，让进水流量稳定，进而让水箱水位也能保持稳定，就不会像单回路那样手忙脚乱啦。
二、串级控制系统的构成要素1. 主被控变量这个可是串级控制系统的核心关注点哦。
它是我们最终想要控制好的那个量，就像前面说的水箱水位的例子里，水箱水位就是主被控变量。
它的选择非常关键，要根据实际的控制需求来确定。
如果选错了主被控变量，那整个系统可能就达不到我们想要的控制效果啦。
2. 主控制器主控制器是个很有智慧的“指挥家”呢。
它通常会根据一些控制算法，比如常用的PID算法，根据主被控变量的偏差计算出控制信号。
这个控制信号就像是指挥棒，指挥着副回路该怎么动作。
主控制器的参数整定也很重要，如果参数整定得不好，就会导致控制效果不佳，就像指挥家指挥节奏乱了一样。
串级控制系统
温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、 液位-流量、温度-温度等。
串级控制副参数选择举例
方案 #1
方案 #2
Tsp
TC 23
Fsp
Fm
FC 13
FT u(t)
13
Tm
Ti (t)
T1sp
TC
T1m
23
T2sp
TT 23
TC T2m TT
T2
25
25
T
Ti (t) 工艺介质
工艺介质 Ti (t) 燃料气
Pgas (t)
加热炉
T(t)
TT 23
Tm(t) TO, % u(t) TC CO, % 23 Tsp
假设燃料气的入口压力（即阀前 压力）↑→ 即使 u(t)不变，燃料 气流量↑→（经燃烧过程）炉膛 温度 ↑→ 工艺介质炉出口温度 T ↑→（借助于测量反馈控制） CO↓
问题：从扰动进入到反馈控制器开始响应，所需信息传 递路线远、传递时间长。如何改进？
串级控制思想的引入
加热炉
工艺介质 Ti (t) 燃料气
Pgas (t)
T(t)
TT 23
Tm(t) TO, % u(t) TC CO, % 23 Tsp
如何减少 Pgas变化对炉 出口温度的影响 ?
燃料供应系统的波动首先影响燃料 气流量 Fgas ，然后再影响工艺介质 炉出口温度。
TT 23
Tm(t) TO, % u(t) TC CO, % 23 Tsp
CV：工艺介质炉出口温度 控制阀：气开阀（为什么？） TC23的正反作用如何选择？
D2 (t)
D1 (t)
Tsp +
_
TC 23
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
这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们 影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成 带温度的影响降低到最小限度。但是，我们也知道，还有直接影 响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的 原料成分、窑车上装载制品的数 量以及春夏秋冬、刮风下雨带来 环境温度的变化等等（如图6-2 中用D1表示）。由于在这个控制 系统中，烧成带温度不是被控变 量，所以对于干扰D1造成烧成带 温度的变化，控制系统无法进行 调节。
θ1T
θ1C
θ1T、 θ1C
回路再改
变燃料量
原料
管式加热炉
θ2T θ2C
燃料
17
所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主 控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去 操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果。这样 的控制系统被称为串级控制系统。与图6-4串级控制系统的工 艺流程图对应的原理方框图如图 6-5所示。
第6章 串级控制系统
目录
6.1 串级控制系统的基本概念 6.2 串级控制系统的分析 6.3 串级控制系统的设计 6.4 串级控制系统的整定 6.5 串级控制系统的投运 6.6 MATLAB对串级控制系统进行仿真 本章小结
1
最简单的控制系统——单回路控制系统 系统中只用了一个调节器，调节器也只有一
个输入信号。 从系统方框图看，只有一个闭环。 复杂控制系统—— 多回路控制系统。 由多个测量值、多个调节器；或者由多个测
量值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦 器等等组成多个回路的控制系统。 从系统方框图看，有多个闭环。
2
6. l 串级控制系统的概念
6.2.l 串级控制的提出
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。
第八次课—串级控制系统
讨论：副回路所能包 括的扰动越多，副对 象与主对象的动态特 性的差别越小，越容 易引起内外回路之间 的“共振”（系统稳 定性越差）。
进料
串级系统副调节器选型
副调节器常选择PI控制律
原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，一 般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快 速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能 力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级 系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分 作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗 干扰能力。
对于内环等效对象的增益 K
' p2
Kc 2 Kv K p 2 1 + Kc 2 Kv K p 2 K m2
当 Kc 2 Kv K p 2 Km2 1
' 1 Kp 2
Km2
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）。 主回路对副回路测量反馈通道特性的变化没有鲁棒性。
冷却剂 进料
控制规律：PID
D2
调节阀 夹套
T1sp ＋ －
调节器
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
单回路控制系统扰动分析
TC
冷却水入口温度↑→ 夹套内
出料
冷却水温度 T2 ↑→ （经对流
传热）槽壁温度↑→ 反应槽 温度T1 ↑→（经反馈回路）
冷却剂 进料
冷却水量↑
问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对 于大容量的反应槽，调节滞后更大。
' D2 ( s) 1 D2 (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2
而对于动态滞后较小的副回路，有
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！。
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。
串级控制系统
串级控制系统一、串级控制系统的概述图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1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值； C1-被控的主参数； C2-副参数；f 1(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串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．改善了过程的动态特性；2．能及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；3．提高了系统的鲁棒性；4．具有一定的自适应能力。
三、主、副调节器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，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。
由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。
四、主、副调节器正、反作用方式的选择正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。
对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc 为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K为负。
五、串级控制系统的整定方法在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：（一）逐步逼近法所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。
串级控制系统整定实验报告
学院过程控制系统实验报告书串级控制系统整定题目串级控制系统整定自动化系系别自动化系自动化专业自动化自本班级自本姓名学号指导老师指导老师一、实验目的一、实验目的(1)(1)掌握动态模型的创建方法掌握动态模型的创建方法.。
(2)(2)掌握串级控制系统整定方法。
掌握串级控制系统整定方法。
掌握串级控制系统整定方法。
(3)(3)了解控制系统的特点。
了解控制系统的特点。
了解控制系统的特点。
二、实验器材二、实验器材计算机一台，MATLAB 应用程序应用程序三、实验步骤三、实验步骤（1）启动计算机，运行MATLAB 应用程序。
应用程序。
（2）在MATLAB 命令窗口输入Smulink,启动Simulink 。
（3）在Simulink 库浏览窗口中，单击工具栏中的新建窗口快捷按钮或在Simulink 库窗口中选择菜单命令File New Modeel,打开一个标题为“Un tled ”的空白模型编辑窗口。
”的空白模型编辑窗口。
（4）设被控对象的传递函数为：2421(110)(120)s s ·++，要求被调量始终维持在设定值。
设计一个串级控制系统，设计一个串级控制系统，并且要求控制系统的衰减率为并且要求控制系统的衰减率为75%，静态误差为零。
静态误差为零。
用用MATLAB 创建仿真模型。
建仿真模型。
（5）按两步整定法整定调节器参数。
）按两步整定法整定调节器参数。
（6）按步骤（5）的结果设置调节器参数，启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。
的变化曲线。
（7）施加内扰，观测系统运行情况。
）施加内扰，观测系统运行情况。
四、衰减曲线法整定参数计算表：四、衰减曲线法整定参数计算表：控制规律控制规律调节器参数调节器参数di Td TP 2s d PI 1.2s d 0.5s T PID 0.8s d0.3s T0.1s T五、系统曲线及其整定参数五、系统曲线及其整定参数 1、内回路系统的整定、内回路系统的整定利用MATLAB 软件进行整定，置内回路调节器积分时间i T 为零，微分时间d T 为零，比例带d 为较大值，并将系统投入运行。
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
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；
串级控制系统参数整定
串级控制系统参数整定串级控制系统又称为级联控制系统，是由两个或多个控制回路组成的系统，其中一个回路的输出作为另一个回路的输入。
串级控制系统广泛应用于工业生产和自动化领域，能够提高系统的稳定性、鲁棒性和动态性能。
参数整定是串级控制系统的一个重要部分，它对系统性能有着直接的影响。
本文将介绍串级控制系统参数整定的方法和步骤。
一、串级控制系统的概念和组成1、串级控制系统的概念串级控制是一种组合控制方式，它由两个或多个控制回路组成，一个回路的输出是另一个回路的输入。
2、串级控制系统的组成二、串级控制系统参数整定的步骤1、收集系统信息和建立数学模型首先，需要收集系统的信息，包括系统的输入输出关系、传输函数、稳态误差等。
然后，根据收集到的信息建立系统的数学模型，通常使用传输函数来描述系统的动态特性。
2、确定性能指标和要求根据实际需求，确定系统的性能指标和要求，如控制系统的稳定性、快速性和精确性等。
这些指标和要求将影响参数整定的选择和调整。
3、参数初步估计和调整根据系统的数学模型和性能要求，初步估计系统参数的范围，并进行调整。
参数的初步估计可以通过观察系统的动态响应、分析系统的特性以及根据经验来确定。
4、参数的优化和整定根据系统的数学模型和性能要求，确定参数的优化方法和整定步骤。
根据优化方法和步骤进行参数的调整和调整。
常见的参数整定方法包括经验整定法、Ziegler-Nichols方法、模型匹配法等。
5、参数调整和修正根据实际情况和系统的动态响应，对参数进行调整和修正。
观察系统的响应曲线，根据曲线的特征对参数进行调整，以达到最优的控制性能。
6、系统性能评估和调整对调整后的系统进行性能评估，并根据评估结果对系统进行调整。
评估系统的稳定性、快速性、精确性等指标，并根据评估结果对参数进行微调，使系统达到最佳的控制效果。
三、串级控制系统参数整定的方法1、经验整定法经验整定法是基于经验和实际经验的参数调整方法。
根据经验公式和经验规律，对参数进行初步估计和调整。
串级控制系统
设计夹套内温度单回路 控制系统，以尽快地克 服冷剂方面的扰动。
TC 22
TT 22
C
Pf ,C
f ,C
QC
产品
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）。
“串级控制”
反应器温度的串级控制响应
反应器温度的串级控制方案
数字PID位置式：
Ts u (k ) Kc e(k ) Ti Td e( j ) e(k ) e(k 1) u0 Ts j 0
k
数字PID增量式
数字PID位置式：
Ts u (k ) Kc e(k ) Ti Td e( j ) e(k ) e(k 1) u0 Ts j 0
u
Gv Gm2
Gp2
＋ ＋
y2
Gp1
＋
＋
y1
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。
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
控制器TC21通过控制夹套内温 度的设定值以保证反应温度维 持在工艺希望的给定值。
反应器温度串级控制方框图
sp
＋ －
TC 21
T2sp ＋ －
（ +） fc
TC 22
（ —）
（ —）
（ —）TT 22冷剂 阀 Nhomakorabea夹套
串级pid参数整定方法
串级pid参数整定方法串级PID参数整定方法一、概述串级控制是一种高级控制策略，它将两个或多个PID控制器级联在一起，形成一个更复杂的控制系统。
串级控制可以实现对工业过程的更精确和更稳定的控制，提高生产效率和产品质量。
为了实现良好的串级控制效果，需要对PID参数进行适当的整定。
二、PID参数整定基础1. PID控制器结构PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。
比例部分根据误差信号直接产生输出；积分部分对误差信号进行积分，并将积分结果作为输出；微分部分计算误差信号的变化率，并将结果作为输出。
PID算法可以表示为：u(t) = Kp*e(t) + Ki*∫e(t)dt + Kd*(de(t)/dt)其中u(t)是输出，e(t)是误差信号，Kp、Ki和Kd是比例、积分和微分系数。
2. 整定方法常用的PID参数整定方法有：经验法、试错法、Ziegler-Nichols法等。
其中经验法适用于简单系统；试错法适用于复杂系统；Ziegler-Nichols法适用于大多数系统。
三、串级PID参数整定方法1. 串级控制器结构串级控制器由两个PID控制器组成，其中外层控制器（主控制器）的输出作为内层控制器（从控制器）的输入。
外层控制器通常用于调节过程变量，内层控制器通常用于调节过程变量的速度。
2. 主从控制器参数整定方法(1) 首先，将主从控制器的比例系数和积分时间设置为相同值。
然后，将微分时间设置为0。
(2) 将主从控制器的比例系数逐步增加，直到出现振荡或不稳定现象。
(3) 根据Ziegler-Nichols法计算出主从控制器的临界比例系数和临界周期。
(4) 根据临界比例系数和临界周期计算出主从控制器的最佳参数。
3. 参数调整方法在实际应用中，可能需要对PID参数进行进一步调整以满足特定要求。
常用的调整方法有：手动调整、自适应调整、模型预测调整等。
四、注意事项1. 在进行串级PID参数整定时，应保证系统处于稳态运行状态。
过程控制系统串级控制系统实验
实验一串级控制系统组成实验一、概念在串级控制系统中，采用了主、副两只控制器，其中主控制器的输出作为副控制器的给定，而由副控制器的输出去控制控制阀。
本次实验采用仪表实验装置，其内容就是让学生自行连成液位与液位及液位与流量两个串级控制系统。
二、目的要求、1．熟悉实验装置(参见实验指导书)。
2．利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L1为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统。
3．利用液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，以一阶液位F l为副变量和控制变量的液位与流量串级控制系统。
三、注意事项1．本次实践只连线路，不允许接通电源。
四、思考问题1．串级控制系统中主、副控制器的内、外给定开关应如何放置?2．试分析液位与液位串级控制系统在干扰作用下的工作过程。
3．已知控制阀为气闭式，并安装在水槽的入口处，试分析液位与液位串级控制系统中主、副控制器的正、反作用应如何选?实验二串级控制系统的投运和整定一、概述串级控制系统具有主、副两只控制器，因此投运和整定要比单回路系统复杂一些。
但只要按照先副后主的步骤循序进行，并掌握住投运和整定的要领，串级控制系统的投运和整定方法也是不难掌握的。
串级控制系统的整定方法很多，本次采用的是一步整定法。
即先根据副变量的类型，按经验数据将副控制器参数一次性放好，不再改变，然后再按单回路系统的4：1衰减曲线法直接整定主控制器的参数。
本次实验要求学生利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L l为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统，并对该系统进行投运和整定实践。
二、实验目的1．串级控制系统的投运2．串级控制系统控制器参数的整定三、实验要求1．掌握串级控制系统的投运方法。
2．掌握一步整定法整定串级控制系统控制器参数的方法。
3．要求学生根据实验的目的要求自行拟定实验步骤。
4．实验完成后一星期内每人提交一份实验报告，内容要求同前。
反应器串级控制系统整定
目录1 前言................................................... 错误!未定义书签。
2 总体方案设计........................................... 错误!未定义书签。
2.1 方案比较..................................................................................... 错误!未定义书签。
2.2 方案选择..................................................................................... 错误!未定义书签。
3 反映器串级控制系统分析................................. 错误!未定义书签。
3.1 被控变量和控制变量的选择................................................... 错误!未定义书签。
3.2 主、副回路的设计................................................................... 错误!未定义书签。
3.3 主、副控制器正、反作用的选择........................................... 错误!未定义书签。
3.4 控制系统方框图....................................................................... 错误!未定义书签。
3.5 分析被控对象特性及控制算法的选择................................... 错误!未定义书签。
4 串级控制系统的参数整定................................. 错误!未定义书签。
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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。