第4章 串级控制系统
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2）串级： 一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接
起来的两个控制器称作是“串级”的。 3）串级控制系统：
两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己 独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给执行机构。这样组 成的系统称为串级控制系统。 4）串级与单回路的主要区别：
结构上有两个闭环。一个闭环在里面，称为副环（或副回 路），输出送往调节阀直接控制生产过程。
主要原因： 调节不及时
进料(F1)
水 T1
TT
Fra Baidu bibliotek
TC
Tr
出料
冷却水(F2)
第5章 串级控制系统
5.采用串级控制：
设想：如果能在干扰出现后，调节器立即开始动作，则控制效果就会大大 改善。
如何才能使调节器适时动作呢？
经过分析不难看到：
冷却水方面的干扰F2的变化很快会在夹套温度T2上表现出来，如果把 T2的变化及时测量出来，并反馈给调节器T2C，则控制动作即可大大提前 了。但是仅仅依靠调节器T2C的作用是不够的。进料(F1) 因为：
第二个测量点应该比被控变量更快感知到干扰的影响，这样才能 在干扰对被控变量产生很大影响之前通过第二个反馈回路迅速克服干 扰的影响。
第5章 串级控制系统
为了进一步认识串级控制系统，在这里先举一个实际例子。对 于图5—1所示的连续搅拌反应釜，放热反应所产生的热量被流经夹 套的冷却剂移走。假设反应釜液位稳定，而温度控制系统的控制目 标是使反应混合物温度θ稳定在设定值，控制手段是调节冷剂流量Qc。 扰动来自两方面：来自物料方面的有物料温度f和流量Qf的变化；来 自冷剂方面的有冷源的压力pf,c和温度f,c的变化。
反作用
T1T
T1C
副参数：夹套温度T2
T2T
T2C 反作用 主调节器T1C：根据T1与T1r偏差
自动改变T2C的设定值T2r
冷却水(F2) 副调节器T2C：稳定T2不变。
气关式
图5-3反应釜温度与夹套温度串级控制
第5章 串级控制系统
1）主回路作用： 克服F1干扰对T1的影响，保证T1符合工艺要求。
这种将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统结 构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度串级控制 示意图如图5—3所示。
进料(F1)
T1T
T1C
水
T1
T2T
T2C
冷却水(F2) 出料
图5-3反应釜温度与夹套温度串级控制
第5章 串级控制系统
（1)框图如下：
设定T1r X1(s) +
2.引起温度T1变化的干扰因素有: 进料方面有：进料流量、进料入口温度和化学组成，用F1表 示； 冷却水方面有：水的入口温度和阀前压力，用F2表示。
3.参数选择 （1）被控参数选择——反应釜的温度T1 （2）控制参数选择——冷却水流量。
被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁 和釜中物料。
采用单回路控制如下所示：
第5章 串级控制系统
图中所示为简单控制。其框图如图5—2所示。
进料(F1)
TT
水
T1
TC
Tr
Tr +
-
调节器
出料
F2
调节阀
夹套
冷却水(F2)
F1 + 釜壁 +
温度测量变送器 图5-2 单回路控制系统框图
T1 釜
第5章 串级控制系统
4.采用单回路控制分析：
由图可见，当冷却水方面的参数发生变化，如入口温度突然升高 时，要经过上述三个容积后才能使反应温度T1升高，经反馈后调节器 输出产生变化，导致调节阀开始动作，从而使冷却水流量增加，迫 使温度T1下降。这样，从干扰开始到调节阀动作，其间经历了比较长 的时间，在这段时间里，冷却水温度的升高，使反应温度T1出现了较 大的偏差。
第5章 串级控制系统
（2）名词术语： 1)主、副参数——主、副被控参数
主参数：起主导作用的那个被控参数。如：反应釜温度T1 副参数：为了稳定主参数而引入的中间辅助参数。
第5章 串级控制系统
什么叫串级控制? 其组成结构怎样?
现以连续反应釜的温度控制为例加以说明。
1.工艺过程
物料自顶部连续进入釜中，
进料(F1)
经反应后由底部排出，反应产生 水
的热量由夹套中的冷却水带走。
T1
为保证产品质量，对反应温度T1
要进行严格控制。
冷却水(F2)
出料
图5-1 反应釜示意图
第5章 串级控制系统
控制的最终目标——保持T1不变， 而T2C的作用——只能稳定T2不变，
TT
水
T1
TC
Tr
它不能克服Fl干扰对T1的影响。
因而也就不能保证T1符合工艺要求。
冷却水(F2)
出料
第5章 串级控制系统
方法之一：
适当改变T2C的设定值T2r,从而使T1稳定在所需要的数值上。这个 改变T2r的工作，将由另一个调节器T1C来完成(它的主要任务就是根据 T1与T1r的偏差自动改变T2C的设定值T2r)。
第5章 串级控制系统
第5章 串级控制系统
第5章 串级控制系统
5.1 串级控制的概念及方框图描述
传统的反馈控制是在被控变量和设定值之间产生偏差之后才起作 用的，因此在第4章中介绍采用前馈控制来帮助克服干扰的影响。但 是如果干扰不可测或者无法获得干扰与被控变量之间的模型时，就不 能采用前馈控制策略。
另外一种可以克服干扰的方法就是串级控制，它通过选择第二个 测量点构成第二个反馈回路来克服干扰。
图5-1 夹套式连续搅拌反应釜的温度控制
第5章 串级控制系统
由于来自物料温度f和流量Qf的变化将很快由反映出来，采用 单回路控制足以克服该干扰。这里主要讨论来自冷剂方面的干扰。
Pf,c和Qf,c的变化首先反映为夹套内冷剂温度θc的变化，而后才反 映为θ的变化，因而由θ-Qc组成的单回路控制对克服来自冷剂方面的 干扰不是很及时。假若改用θc-Qc组成单回路，则能较快克服这些干 扰，然而θc-Qc组成的单回路不能克服进料方面干扰对θ的影响。为了 兼顾这两者的作用，设计成图5—1(b)所示的串级控制。图中θc-Qc回 路主要用以快速克服冷剂方面的干扰，而θc控制器的设定值接受θ控 制器的调整，用以克服其他干扰。
主调节器 T2r
副调节器
GC1(s) +
GC2(s)
-
-
T1C
T2C
调节阀 GV(s)
冷却水
F2(s) 二次扰动
+
+
副对象
G02(s)
T2T
副变送器
Gm2(s)
副参数
F1(s) 一次扰动
++
主对象
Y2(s)
T2
G01(s)
主参数
Y1(s) T1
进料(F1) 水
T1
出料
主变送器 Gm1(s)
T1T
图5-4 一般串级控制系统框图
起来的两个控制器称作是“串级”的。 3）串级控制系统：
两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己 独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给执行机构。这样组 成的系统称为串级控制系统。 4）串级与单回路的主要区别：
结构上有两个闭环。一个闭环在里面，称为副环（或副回 路），输出送往调节阀直接控制生产过程。
主要原因： 调节不及时
进料(F1)
水 T1
TT
Fra Baidu bibliotek
TC
Tr
出料
冷却水(F2)
第5章 串级控制系统
5.采用串级控制：
设想：如果能在干扰出现后，调节器立即开始动作，则控制效果就会大大 改善。
如何才能使调节器适时动作呢？
经过分析不难看到：
冷却水方面的干扰F2的变化很快会在夹套温度T2上表现出来，如果把 T2的变化及时测量出来，并反馈给调节器T2C，则控制动作即可大大提前 了。但是仅仅依靠调节器T2C的作用是不够的。进料(F1) 因为：
第二个测量点应该比被控变量更快感知到干扰的影响，这样才能 在干扰对被控变量产生很大影响之前通过第二个反馈回路迅速克服干 扰的影响。
第5章 串级控制系统
为了进一步认识串级控制系统，在这里先举一个实际例子。对 于图5—1所示的连续搅拌反应釜，放热反应所产生的热量被流经夹 套的冷却剂移走。假设反应釜液位稳定，而温度控制系统的控制目 标是使反应混合物温度θ稳定在设定值，控制手段是调节冷剂流量Qc。 扰动来自两方面：来自物料方面的有物料温度f和流量Qf的变化；来 自冷剂方面的有冷源的压力pf,c和温度f,c的变化。
反作用
T1T
T1C
副参数：夹套温度T2
T2T
T2C 反作用 主调节器T1C：根据T1与T1r偏差
自动改变T2C的设定值T2r
冷却水(F2) 副调节器T2C：稳定T2不变。
气关式
图5-3反应釜温度与夹套温度串级控制
第5章 串级控制系统
1）主回路作用： 克服F1干扰对T1的影响，保证T1符合工艺要求。
这种将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统结 构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度串级控制 示意图如图5—3所示。
进料(F1)
T1T
T1C
水
T1
T2T
T2C
冷却水(F2) 出料
图5-3反应釜温度与夹套温度串级控制
第5章 串级控制系统
（1)框图如下：
设定T1r X1(s) +
2.引起温度T1变化的干扰因素有: 进料方面有：进料流量、进料入口温度和化学组成，用F1表 示； 冷却水方面有：水的入口温度和阀前压力，用F2表示。
3.参数选择 （1）被控参数选择——反应釜的温度T1 （2）控制参数选择——冷却水流量。
被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁 和釜中物料。
采用单回路控制如下所示：
第5章 串级控制系统
图中所示为简单控制。其框图如图5—2所示。
进料(F1)
TT
水
T1
TC
Tr
Tr +
-
调节器
出料
F2
调节阀
夹套
冷却水(F2)
F1 + 釜壁 +
温度测量变送器 图5-2 单回路控制系统框图
T1 釜
第5章 串级控制系统
4.采用单回路控制分析：
由图可见，当冷却水方面的参数发生变化，如入口温度突然升高 时，要经过上述三个容积后才能使反应温度T1升高，经反馈后调节器 输出产生变化，导致调节阀开始动作，从而使冷却水流量增加，迫 使温度T1下降。这样，从干扰开始到调节阀动作，其间经历了比较长 的时间，在这段时间里，冷却水温度的升高，使反应温度T1出现了较 大的偏差。
第5章 串级控制系统
（2）名词术语： 1)主、副参数——主、副被控参数
主参数：起主导作用的那个被控参数。如：反应釜温度T1 副参数：为了稳定主参数而引入的中间辅助参数。
第5章 串级控制系统
什么叫串级控制? 其组成结构怎样?
现以连续反应釜的温度控制为例加以说明。
1.工艺过程
物料自顶部连续进入釜中，
进料(F1)
经反应后由底部排出，反应产生 水
的热量由夹套中的冷却水带走。
T1
为保证产品质量，对反应温度T1
要进行严格控制。
冷却水(F2)
出料
图5-1 反应釜示意图
第5章 串级控制系统
控制的最终目标——保持T1不变， 而T2C的作用——只能稳定T2不变，
TT
水
T1
TC
Tr
它不能克服Fl干扰对T1的影响。
因而也就不能保证T1符合工艺要求。
冷却水(F2)
出料
第5章 串级控制系统
方法之一：
适当改变T2C的设定值T2r,从而使T1稳定在所需要的数值上。这个 改变T2r的工作，将由另一个调节器T1C来完成(它的主要任务就是根据 T1与T1r的偏差自动改变T2C的设定值T2r)。
第5章 串级控制系统
第5章 串级控制系统
第5章 串级控制系统
5.1 串级控制的概念及方框图描述
传统的反馈控制是在被控变量和设定值之间产生偏差之后才起作 用的，因此在第4章中介绍采用前馈控制来帮助克服干扰的影响。但 是如果干扰不可测或者无法获得干扰与被控变量之间的模型时，就不 能采用前馈控制策略。
另外一种可以克服干扰的方法就是串级控制，它通过选择第二个 测量点构成第二个反馈回路来克服干扰。
图5-1 夹套式连续搅拌反应釜的温度控制
第5章 串级控制系统
由于来自物料温度f和流量Qf的变化将很快由反映出来，采用 单回路控制足以克服该干扰。这里主要讨论来自冷剂方面的干扰。
Pf,c和Qf,c的变化首先反映为夹套内冷剂温度θc的变化，而后才反 映为θ的变化，因而由θ-Qc组成的单回路控制对克服来自冷剂方面的 干扰不是很及时。假若改用θc-Qc组成单回路，则能较快克服这些干 扰，然而θc-Qc组成的单回路不能克服进料方面干扰对θ的影响。为了 兼顾这两者的作用，设计成图5—1(b)所示的串级控制。图中θc-Qc回 路主要用以快速克服冷剂方面的干扰，而θc控制器的设定值接受θ控 制器的调整，用以克服其他干扰。
主调节器 T2r
副调节器
GC1(s) +
GC2(s)
-
-
T1C
T2C
调节阀 GV(s)
冷却水
F2(s) 二次扰动
+
+
副对象
G02(s)
T2T
副变送器
Gm2(s)
副参数
F1(s) 一次扰动
++
主对象
Y2(s)
T2
G01(s)
主参数
Y1(s) T1
进料(F1) 水
T1
出料
主变送器 Gm1(s)
T1T
图5-4 一般串级控制系统框图