常用复杂控制系统之串级控制原理共27页
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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。
16
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.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（－）
串级控制系统的工作原理
串级控制系统的工作原理
串级控制系统是一种复杂控制系统结构，由多个单独的控制环路组成，其中每个环路都处理系统的某个方面。
这些环路按照特定的顺序连接在一起，形成一个层次结构。
在串级控制系统中，高层环路的输出成为低层环路的输入。
串级控制系统的工作原理如下：
1. 输入信号：系统的输入信号首先被传递给最高层的环路，也被称为主要控制环路。
这个环路负责处理主要的控制任务，例如设定系统的目标值和跟踪参考信号。
2. 主控制环路：主控制环路从输入信号中提取有用的信息，计算出相应的控制命令，并将其传递给下一层的辅助控制环路。
3. 辅助控制环路：辅助控制环路通常负责系统的细节控制任务，例如补偿控制、补偿非线性特性以及抑制干扰等。
它们从主控制环路接收指令，并根据需要对输入信号进行修正。
4. 信号传递：辅助控制环路将修正后的信号传递给下一层环路，这个过程可以一直继续到系统中的最后一层环路。
5. 输出信号：最后一层环路通常称为执行环路，它负责将辅助控制环路的输出转换成最终的控制信号，并将其送到执行机构或设备中实施控制。
通过这种层次分解和串联的结构，串级控制系统能够将复杂的
控制任务分解为更简单的子任务，并逐级处理。
每个环路都专注于处理一个特定的任务，并通过调整输入信号来改善总体的控制性能。
这种架构使得串级控制系统能够更好地适应系统的复杂性和动态变化。
常用复杂控制系统之串级控制原理共27页
常用复杂控制系统之串级控制原理
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
第6章-串级控制系统讲解全文编辑修改
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
主测量变送器 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。
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程
(2)只存在一次干扰
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀
D2 燃烧室 θ2
隔焰板
D1
烧成带 θ1
副测量变送器
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
图6-6 串级控制系统标准方框图
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成．副回路 起“粗调”作用，主回路起“细调”作用。
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
－
－
Gm2(s)
Y2(s)
Gm1(s)
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ ＋
GGpo22
D2 y2
D2(s)
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
y2,sp
Gc2GvGGop2
1 + Gc G 2Gv op22Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
Go2’(s)
6.2 串级控制系统的分析
6.2 串级控制系统的分析
串级控制特点总结：
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。其中主回路是定值控制，副回路是随动控制；
工业过程控制工程课件-串级控制系统
6.1.1 串级控制系统的概念
实例2：硝酸生产中氧化炉内温度控制 要求：T控制在840±5℃范围之内
6.1.1 串级控制系统的概念（实例2）
措施之一：简单温度控制系统 特点：对所有T的干扰都包含在控制回路中。 结果：响应不灵敏，动作迟缓， 最大偏差±10℃ 原因：控制通道滞后大，对氨气总管压力波 动引起氨气流量的频繁变化，不能及 时克服。
6.1.2 方块图及常用名词
6.1.2 方块图及常用名词
串级控制系统的名词术语： P69 主变量（ y1），保持其平稳是控制的 主要目标。 副变量（y2），它是被控过程中引出 的中间变量。
6.1.3 串级控制系统的工作过程
下面分析系统引入干扰后的工作过程： a.出现二次干扰F2：导致氧气流量增加Q↑。 由框图可见，F2至副变量Y2距离短，距主变量Y1距离长。流量Q的变化首先被 副变送器检测到，由FC进行控制。 初始阶段，Q的变化不会一下子影响 到炉温T，故TC的输出暂时不变，即FC的 输入暂时不变。
6.1.3 串级控制系统的工作过程
工作过程分析： 实例：氧化炉反应温度流量串级控制系统 已知条件：控制阀：气开式 稳定状态：物料、能量达到平衡并维持不变； TC、FC输出相对稳定，控制阀处 于某一开度位置不变。
6.1.3 串级控制系统的工作过程
b. 出现一次干扰F1 ：导致T升高 （推理方法1） F1 → T↑→ ym1 ↑ → uC1↓ TC设定值r1不变 → FC设定值r2 ↓ → e2 ↓ = r2 ↓ – ym2 ( ym2 暂时不变 ) → u2 ↓ （FC:反作用方式 → “+” 极性）
6.1.1 串级控制系统的概念
串级系统和简单系统的显著区别： 串级系统在结构上形成两个闭环 通用的串级控制方块图： P70图6.1-2 副回路（或副环）：包含在虚线框内的部分， 在控制系统中起“粗调”作用 主回路（或主环）：在控制系统中起“细调”作用
实例2：硝酸生产中氧化炉内温度控制 要求：T控制在840±5℃范围之内
6.1.1 串级控制系统的概念（实例2）
措施之一：简单温度控制系统 特点：对所有T的干扰都包含在控制回路中。 结果：响应不灵敏，动作迟缓， 最大偏差±10℃ 原因：控制通道滞后大，对氨气总管压力波 动引起氨气流量的频繁变化，不能及 时克服。
6.1.2 方块图及常用名词
6.1.2 方块图及常用名词
串级控制系统的名词术语： P69 主变量（ y1），保持其平稳是控制的 主要目标。 副变量（y2），它是被控过程中引出 的中间变量。
6.1.3 串级控制系统的工作过程
下面分析系统引入干扰后的工作过程： a.出现二次干扰F2：导致氧气流量增加Q↑。 由框图可见，F2至副变量Y2距离短，距主变量Y1距离长。流量Q的变化首先被 副变送器检测到，由FC进行控制。 初始阶段，Q的变化不会一下子影响 到炉温T，故TC的输出暂时不变，即FC的 输入暂时不变。
6.1.3 串级控制系统的工作过程
工作过程分析： 实例：氧化炉反应温度流量串级控制系统 已知条件：控制阀：气开式 稳定状态：物料、能量达到平衡并维持不变； TC、FC输出相对稳定，控制阀处 于某一开度位置不变。
6.1.3 串级控制系统的工作过程
b. 出现一次干扰F1 ：导致T升高 （推理方法1） F1 → T↑→ ym1 ↑ → uC1↓ TC设定值r1不变 → FC设定值r2 ↓ → e2 ↓ = r2 ↓ – ym2 ( ym2 暂时不变 ) → u2 ↓ （FC:反作用方式 → “+” 极性）
6.1.1 串级控制系统的概念
串级系统和简单系统的显著区别： 串级系统在结构上形成两个闭环 通用的串级控制方块图： P70图6.1-2 副回路（或副环）：包含在虚线框内的部分， 在控制系统中起“粗调”作用 主回路（或主环）：在控制系统中起“细调”作用
串级控制系统资料课件
特点
串级控制系统具有较好的抗干扰能力和对负荷变化的适应性 ，能够提高系统的控制品质和降低对控制参数的敏感性。
串级控制系统基本组成
01
02
03
控制器
是系统的核心部分，负责 接收输入信号并输出控制 信号。
内回路
由控制器、测量变送器和 执行机构组成，负责将控 制器的输出信号转换为实 际的控制动作。
外回路
串级控制系统资料课件
目录
• 串级控制系统概述 • 串级控制系统的设计 • 串级控制系统的应用 • 串级控制系统的优化 • 串级控制系统的案例分析 • 串级控制系统的未来发展与挑战
01
串级控制系统概述
定义与特点
定义
串级控制系统是一种常用的工业控制系统，由两个或更多控 制器串联组成，每个控制器控制一个内回路，内回路的输出 作为下一级控制器的给定值，形成多级控制回路。
内回路的输出值作为 下一级控制器的给定 值，下一级控制器根 据给定值和实际测量 值的偏差计算出控制 信号，调整内回路的 执行机构；
通过多级控制回路的 协同作用，最终实现 系统输出值与目标值 的接近。
02
串级控制系统的设计
设计原则与步骤
01
确定系统结构
根据工艺要求和控制目标，确定 串级控制系统的主控制器和从控 制器。
算法优化
并行计算
利用多核处理器或分布式计算资源，加速控制算法的计算 过程，提高系统的实时性。
01
参数优化
通过智能优化算法，对控制算法的参数 进行优化，以获得更好的控制效果。
02
03
近似算法
在保证控制精度的前提下，采用近似 算法降低计算复杂度，提高系统的响 应速度。
系统结构优化
模块化设计
串级控制系统具有较好的抗干扰能力和对负荷变化的适应性 ，能够提高系统的控制品质和降低对控制参数的敏感性。
串级控制系统基本组成
01
02
03
控制器
是系统的核心部分，负责 接收输入信号并输出控制 信号。
内回路
由控制器、测量变送器和 执行机构组成，负责将控 制器的输出信号转换为实 际的控制动作。
外回路
串级控制系统资料课件
目录
• 串级控制系统概述 • 串级控制系统的设计 • 串级控制系统的应用 • 串级控制系统的优化 • 串级控制系统的案例分析 • 串级控制系统的未来发展与挑战
01
串级控制系统概述
定义与特点
定义
串级控制系统是一种常用的工业控制系统，由两个或更多控 制器串联组成，每个控制器控制一个内回路，内回路的输出 作为下一级控制器的给定值，形成多级控制回路。
内回路的输出值作为 下一级控制器的给定 值，下一级控制器根 据给定值和实际测量 值的偏差计算出控制 信号，调整内回路的 执行机构；
通过多级控制回路的 协同作用，最终实现 系统输出值与目标值 的接近。
02
串级控制系统的设计
设计原则与步骤
01
确定系统结构
根据工艺要求和控制目标，确定 串级控制系统的主控制器和从控 制器。
算法优化
并行计算
利用多核处理器或分布式计算资源，加速控制算法的计算 过程，提高系统的实时性。
01
参数优化
通过智能优化算法，对控制算法的参数 进行优化，以获得更好的控制效果。
02
03
近似算法
在保证控制精度的前提下，采用近似 算法降低计算复杂度，提高系统的响 应速度。
系统结构优化
模块化设计
串级控制系统课件
冶金行业
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。
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。
常用复杂控制系统之串级控制原理
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。
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。
偏差大，控制质量差。
方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）
流量检测 变送器
期望 流量
流量控 制器
存在的问题：
在这个方案中，炉出口温度不是被控量，当来自原料入 口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间 接控制系统无法将变化了的温度调回来；
管式加热炉出口温度的间接控制（2）
期望炉膛 温度
返回
Kc2 K 2 ( K c 2 K 2 1)
等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数，意
味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时，响应速度
更快。
串级控制系统的设计
一、主变量的选择
与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映 生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求 的参数作为主变量。
Z1 ( s ) E1 ( s )
F1 ( s )
WV ( s )
-
X 2 (s) Wc1 ( s ) +
Z 2 (s)
E2 (s)
+
Wc 2 ( s )
-
+
Y (s) W02 ( s ) 2 +
+
W01 ( s )
Y1 ( s )
Wm 2 ( s )
Wm1 ( s )
输出对于输入的传递函数：
串级控制系统ppt课件
副参数塔底流量波动使系统状况发生变化时,它会迅速反映出这种情况,副调节器便 立即进行调节.对于幅度小的干扰,经过副回路的及时调节,一般影响不到液面的变化. 当干扰很大时在副回路快速调节下干扰幅值大大减少,尽管还将影响到主参数----塔底 液面,当主调节器投入调节过程后,很快可以克服干扰. 2.干扰作用于副回路 假如塔底流量正常,进料流量发生变化,至使塔底液面偏离给定值,此时主调节器立即 工作,输出相应变化,通过改变副调节器的给定值与塔底流量的偏差发出相应的输出信 号,改变调节阀的开度从而使塔底液面尽快回到给定值上.
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
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
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。
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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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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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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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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
串级控制系统PPT课件
分析：可保持加热量稳定，它只 能快速消除因蒸汽汽源压力变化 引起的扰动。由于蒸汽流量对象 的滞后非常小，当用流量作副变 量时，并不能使串级系统的频率 有多少提高，对克服其它扰动不 明显。
θr
主调 Qr
副调 Q 调节
D2
蒸汽管
节器
节器 阀
路系统
－
－
流量
测量
温度测量
2021/3/9
控制方案1方框图
D1
再沸
D1 T1
反应槽
反应器温度测量
2021/3/9
17
串级1/3/9
18
串级与单回路控制simulink仿真
调节时间 余差
2021/3/9
180 0
60
0
19
串级与单回路控制simulink仿真
二次扰动最大偏差 0.27 2021/3/9
0.013 20
串级控制系统的特点及应用范围
副被控变量：为了稳定主被控变量而引入的中 间辅助变量。 夹套内的温度
主被控对象：生产过程中要控制的生产设备、
装置。
反应槽
副被控对象：表征副被控变量特性的设备（输 入量为操纵变量，输出量为副被控变量）。
夹套
2021/3/9
13
串级控制系统的名词术语
主控制器：按主被控变量的测量值与设定值的 偏差而工作，其输出为副被控变量的设定值。
浊度 控制器
浊度计
溶液池
2021/3/9
污水 混合池
反应池
图 混凝加药单回路控制方案
沉淀池
23
污水处理混凝加药串级控制系统
浊度 控制器
FC
FT
浊度计
溶液池
2021/3/9