常用串级和分程控制(介绍)
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复杂过程控制系统--串级控制
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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 )
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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
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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、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。
化工仪表及自动化第8章 第六节 分程控制系统
90
第六节 分程控制系统
就控制阀的开、关形式分类
两个控制阀同向动作，即随着控制器输出信号 （即阀压）的增大或减小，两控制阀都开大或关 小。
两个控制阀异向动作，即随着控制器输出信号 的增大或减小，一个控制阀开大，另一个控制阀 则关小。
91
第六节 分程控制系统
图8-36 两阀同向动作
图8-37 两阀异向动作
98
可采用分程控制方案。
图8-41 贮罐氮封分程控制方案
图8-42 氮封分程阀特性图
解决贮罐中物料量的增减会导致氮封压力的变化的问题。
96
第六节 分程控制系统
三、分程控制中的几个问题
（1）控制阀流量特性要正确选择。
图8-43 阀门特性
97
第六节 分程控制系统
（2）大小阀并联时，大阀泄漏量不可忽视，否则就不能 充分发挥扩大可调范围的作用。当大阀泄漏量较大时， 系统的最小流通能力就不再是小阀的最小流通能力。 （3）控制器的选择和参数整定，可参照简单控制系统处 理。如果在运行中，两个控制通道特性不同，即广义对 象特性是两个，控制器参数不能同时满足两个不同对象 特性的要求。这时，只好照顾正常情况下的被控对象特 性，按正常情况下整定控制器的参数。对另一台阀的操 作要求，只要能在工艺允许的范围内即可。
前馈控制系统
前馈控制系统及其特点 前馈控制系统的主要形式 前馈控制系统的应用场合
选择性控制系统
基本概念 选择性控制系统的类型 积分饱和及其防止
2
内容提要
分程控制系统
概述 分程控制的应用场合 分程控制的几个问题
多冲量控制系统
3
概述
根据根据系统的结构和所担负的任务
复杂控制系统
92
第六节 分程控制系统
第六节 分程控制系统
就控制阀的开、关形式分类
两个控制阀同向动作，即随着控制器输出信号 （即阀压）的增大或减小，两控制阀都开大或关 小。
两个控制阀异向动作，即随着控制器输出信号 的增大或减小，一个控制阀开大，另一个控制阀 则关小。
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第六节 分程控制系统
图8-36 两阀同向动作
图8-37 两阀异向动作
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可采用分程控制方案。
图8-41 贮罐氮封分程控制方案
图8-42 氮封分程阀特性图
解决贮罐中物料量的增减会导致氮封压力的变化的问题。
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第六节 分程控制系统
三、分程控制中的几个问题
（1）控制阀流量特性要正确选择。
图8-43 阀门特性
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第六节 分程控制系统
（2）大小阀并联时，大阀泄漏量不可忽视，否则就不能 充分发挥扩大可调范围的作用。当大阀泄漏量较大时， 系统的最小流通能力就不再是小阀的最小流通能力。 （3）控制器的选择和参数整定，可参照简单控制系统处 理。如果在运行中，两个控制通道特性不同，即广义对 象特性是两个，控制器参数不能同时满足两个不同对象 特性的要求。这时，只好照顾正常情况下的被控对象特 性，按正常情况下整定控制器的参数。对另一台阀的操 作要求，只要能在工艺允许的范围内即可。
前馈控制系统
前馈控制系统及其特点 前馈控制系统的主要形式 前馈控制系统的应用场合
选择性控制系统
基本概念 选择性控制系统的类型 积分饱和及其防止
2
内容提要
分程控制系统
概述 分程控制的应用场合 分程控制的几个问题
多冲量控制系统
3
概述
根据根据系统的结构和所担负的任务
复杂控制系统
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第六节 分程控制系统
串级控制系统
反作用方向：当环节的输入增加时，输出减少的称 反作用方向 。 测量元件及变送器，其作用方向一般都是正的。
控制器、执行器和被控对象三个环节的作用 方向。
执行器及被控对象的正、反作用
执行器的作用方向： 1.气开阀是正作用方向。 2.气关阀是反作用方向。 3.气开或气关型式从工艺安全角度来确定。
被控对象的作用方向： 1.被控变量随操纵变量增加而增加的对象是正作 用方向。 2.被控变量随操纵变量的增加而降低的对象是反 作用方向。
串级控制系统中副回路的确定
1.主、副回路应有一定的内在联系； 2.副回路应尽可能多地包含干扰因素；
主要干扰应包含在副回路中；在可能条件下，使副回 路包含较多的次要干扰； 3.注意主、副回路的时间匹配，防止“共振”；
1.主副变量间应有一定的内在联系
1)选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量； 管式加热炉的温度串级控制系统中，选择的副变量是燃 料进入量至原料油出口温度通道中间的一个变量，即炉 膛温度。由于它的滞后小、反应快, 可以提前预报主变量 的变化。 2)选择的副变量就是操纵变量本身，这样能及时克服它的 波动，减少对主变量的影响。
管式加热炉串级控制系统
生产实践中，往往根据炉膛温度的变化，先改变燃料量， 然后再根据原料油出口温度与其给定值之差，进一步改 变燃料量，保持原料油出口温度的恒定。
管式加热炉串级控制系统基本工作原理
“粗调”作 用。 “细调”作用。 两个控制器协同工作直到原料油出口温度重 新稳定在给定值。
管式加热炉串级控制系统的方框图
2. 干扰作用于主对象
某一时刻，由于原料油的进口流量或温度变化，F2不存 在，只有F1作用于温度对象1上。
结论：在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由 于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到 稳定主变量的目的。
控制器、执行器和被控对象三个环节的作用 方向。
执行器及被控对象的正、反作用
执行器的作用方向： 1.气开阀是正作用方向。 2.气关阀是反作用方向。 3.气开或气关型式从工艺安全角度来确定。
被控对象的作用方向： 1.被控变量随操纵变量增加而增加的对象是正作 用方向。 2.被控变量随操纵变量的增加而降低的对象是反 作用方向。
串级控制系统中副回路的确定
1.主、副回路应有一定的内在联系； 2.副回路应尽可能多地包含干扰因素；
主要干扰应包含在副回路中；在可能条件下，使副回 路包含较多的次要干扰； 3.注意主、副回路的时间匹配，防止“共振”；
1.主副变量间应有一定的内在联系
1)选择与主变量有一定关系的某一中间变量作为副变量； 管式加热炉的温度串级控制系统中，选择的副变量是燃 料进入量至原料油出口温度通道中间的一个变量，即炉 膛温度。由于它的滞后小、反应快, 可以提前预报主变量 的变化。 2)选择的副变量就是操纵变量本身，这样能及时克服它的 波动，减少对主变量的影响。
管式加热炉串级控制系统
生产实践中，往往根据炉膛温度的变化，先改变燃料量， 然后再根据原料油出口温度与其给定值之差，进一步改 变燃料量，保持原料油出口温度的恒定。
管式加热炉串级控制系统基本工作原理
“粗调”作 用。 “细调”作用。 两个控制器协同工作直到原料油出口温度重 新稳定在给定值。
管式加热炉串级控制系统的方框图
2. 干扰作用于主对象
某一时刻，由于原料油的进口流量或温度变化，F2不存 在，只有F1作用于温度对象1上。
结论：在串级控制系统中，如果干扰作用于主对象，由 于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到 稳定主变量的目的。
多回路控制系统111111111课件
.
3. 比值控制系统
定义: 凡是用来实现两个或两个以上 参数保持一定的比值关系的过程控制系 统。
类型: 单闭环比值控制系统 （结构简单，调整方便，两个流量间的比 值叫精确） 双闭环比值控制系统 具有其他变量调整的 固定比值控制系统
.
4. 分程控制系统
定义: 调节器的输出同时控制两个或 两个以上的调节阀，每个调节阀根据工 艺要求在控制器输出的一段信号范围内 起作用。
分类: 调节阀同向动作的分成控制系统 调节阀异向动作的分成控制系统
.
分程控制系统主要应用在以下场合 按工艺要求和节能目的变更调节量, 保证工艺参数稳定和 避免发生事故。 满足工艺生产在不同负荷下的 控制要求
.
5. 自动选择控制系统 定义: 在一个控制系统中设有两个控 制器，通过高、低值选择器选出能适应 生产安全状况的控制信号，实现对生产 过程自动控制的系统。
.
基本概念
主参数: 主控制器所控制的参数。 副参数: 副控制器所检测和控制的参数，是为了稳定主参 数而引入的辅助参数。
特点
能迅速克服副回路的干扰,抗干扰的能力强,控制质量高. 改善过程的动态特性 . 对负荷和操作条件的变化适应性强.
.
应用
克服被控对象中变化较剧烈、幅值较大的局部干扰。 适用于滞后大 、时间常数大的 对象。
.
串级系统结构组成 与简单控制系统明显不同，串级控制系
统有两个对象: 主、副对象；两个控制器: 主、 副控制器；两个测量变送器: 主、副测量变 送器；一个执行器
.
.
主控制器为EPT70比例积分电动温度控制器，副控制器为电动压力导 阀cvM。主控制回路由库温电阻发信器ESD.主控制器EPT70比例积分 电动温度控制器、电动执行器AMD23组成；副控制回路由压力控制器 (电动压力导阂CVM)，调节主阀PM1组成。
3. 比值控制系统
定义: 凡是用来实现两个或两个以上 参数保持一定的比值关系的过程控制系 统。
类型: 单闭环比值控制系统 （结构简单，调整方便，两个流量间的比 值叫精确） 双闭环比值控制系统 具有其他变量调整的 固定比值控制系统
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4. 分程控制系统
定义: 调节器的输出同时控制两个或 两个以上的调节阀，每个调节阀根据工 艺要求在控制器输出的一段信号范围内 起作用。
分类: 调节阀同向动作的分成控制系统 调节阀异向动作的分成控制系统
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分程控制系统主要应用在以下场合 按工艺要求和节能目的变更调节量, 保证工艺参数稳定和 避免发生事故。 满足工艺生产在不同负荷下的 控制要求
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5. 自动选择控制系统 定义: 在一个控制系统中设有两个控 制器，通过高、低值选择器选出能适应 生产安全状况的控制信号，实现对生产 过程自动控制的系统。
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基本概念
主参数: 主控制器所控制的参数。 副参数: 副控制器所检测和控制的参数，是为了稳定主参 数而引入的辅助参数。
特点
能迅速克服副回路的干扰,抗干扰的能力强,控制质量高. 改善过程的动态特性 . 对负荷和操作条件的变化适应性强.
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应用
克服被控对象中变化较剧烈、幅值较大的局部干扰。 适用于滞后大 、时间常数大的 对象。
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串级系统结构组成 与简单控制系统明显不同，串级控制系
统有两个对象: 主、副对象；两个控制器: 主、 副控制器；两个测量变送器: 主、副测量变 送器；一个执行器
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主控制器为EPT70比例积分电动温度控制器，副控制器为电动压力导 阀cvM。主控制回路由库温电阻发信器ESD.主控制器EPT70比例积分 电动温度控制器、电动执行器AMD23组成；副控制回路由压力控制器 (电动压力导阂CVM)，调节主阀PM1组成。
过程控制系统
煤焦油加氢预处理氨水液位控制
离心机 至高空安全处
V1104
L T
LIC 1001
F.C
氨水泵
返回
调节器的“正”“反”作用 如果将调节器的输入信号定义为测量值减去 给定值，那么当偏差增加时，其输出也增加 的调节器，称为“正作用”调节器； 反之，调节器的输出信号随偏差的增加而减 小的称为“反作用”调节器。
控制系统的分类
开环控制系统 控制系统的输出信号（被控变量）不反馈到 系统的输入端，因而也不对控制作用产生影 响的系统，称为开环控制系统。 开环控制系统分为2种。一种是按设定值进 行控制。 另一种是按扰动量进行控制，即 所谓的前馈控制。
闭环控制系统 系统的输出（被控变量） 通过测量变送环节，又 返回到系统的输入端， 与给定信号比较，以偏 差的形式进入调节器， 对系统起控制作用，整 个系统构成了一个封闭 的反馈回路，这种控制 系统称为闭环控制系统， 或成反馈控制系统。
V1101
P-8
串级控制系统中主、副调节器的正反作用 副调节器的作用方向与简单控制系统中调节 器的正反作用的选择方法相同。 主调节器的作用方向可按：当主、副变量增 大（减小），调节阀的动作方向一致的，则 主调节器选“反作用”。反之，主调节器选 “正作用”。
原料油缓冲罐液位控制系统中 副回路 阀门为“F.C”，“+A” 调节阀开大，流量变大“+B” +A*+B=“+”，副调节器为反作用。 主回路 当流量，液位增大时，调节阀都应减小开度， 作用方向一致。则主调节器为“反作用”。
简单控制系统
简单控制系统的组成 简单控制系统又称单回路反馈控制系统。由一个 被控对象、一个测量变送器、一个调节器和一只 调节阀所组成的单回路闭合控制系统。 简单控制系统结构简单，投资少，易于调整和投 运，能满足一般生产过程的控制要求，因而应用 很广泛。它尤其适用于被控对象纯滞后小，时间 常数小，负荷和干扰变化比较缓慢，或者对被控 变量要求不太高的场合。 简单控制系统常用被控变量来划分，最常见的是 温度、压力、流量、液位和成分等5种控制系统。
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。
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结果：温度控制不稳定
概述
解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定。
FC
TC
问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾
温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制 系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。
概述
串级控制系统：两套控制系统的协调控制
FC
TC
特点：两个控制器，一个调节阀
- PID正反作用确定 . 先确定副控制器 调节阀选为气开型(故障关FC),特性为正作用; 流
量偏大时,阀门流通量应少, 对象特性为反作用; 所以 PID控制器应选正作用;
调节阀选为气关型(故障关FO),特性为反作用, PID控制器应选反作用;
串级控制系统
. 再确定主控制器 主控制器PID特性,不再需要考虑阀门特性和
一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器 （副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀ຫໍສະໝຸດ 述温度控制器流量控制器
控制阀
流量变送器
温度变送器
流量对象
温度对象
特点：两个闭环环路，内环和外环 内环：副环，副控制器、副对象、副变送器 （流量） 外环：主环，主控制器、主对象、主变送器 （温度）
概述
主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制
例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰
串级控制系统的特点
串级系统具有一定的自适应能力
自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条 件的变化，不断修改副控制器的给定值——自适应能力 “能力有限”，自适应控制（现代控制技术）
FC TC
副控制器： 控制阀选“气闭”式——负 正对象，流量对象，阀门开大，
流量增大——正 变送器一般均为正
主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加，
提馏段温度上升——正
串级控制系统
结论 （1）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关； （2）直接先确定主控的正反作用。
50%
0% 4
A 气开 B 气关
100% 50%
A 气关
B 气开
0%
12
20
4
12
20
分程控制系统 概述
一个控制器控制几个控制阀——输出信号分段“分程控制” 如，控制两个阀A、B A阀控制信号:0.02~0.06Mpa B阀控制信号:0.06~0.1Mpa
控制器输出在0.06Mpa以下，只有阀A动作，在0.06Mpa 以上，只有阀B动作
概述
●情况3: ——主环和副环同时 （1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度降低；
（2）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度升高。
sp
FC
sp
FC
串级控制系统的特点
串级控制系统具有较强的抗干扰能力
特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行 控制，副“粗调”，主“细调”，副环起到超前调节的作用 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10—100倍， 干扰作用于主环时，也可提高2—5倍
• 分程控制
- 优点
阀B
. 扩大控制阀的可调范围;
. 控制更加精确和稳定
阀A
- 分程控制曲线
100%
50%
0% 4
A 气开
100%
B 气开 50% A 气关
0%
12
20
4
12
100%
B 气关 50%
A 气关
100%
B 气开
50%
0%
0%
20
4
12
20
4
PIC-101
A 气开
B 气关
12
20
100%
（3）安全生产的防护措施
放空 B
A
氮
PC
B
A
图7-6 油品储罐氮封分程控制
加氮阀A、放空阀B，控制两个阀，共同保持储罐氮封压力 为了防止在分程点两个阀频繁动作，可以设置一个死区
串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂 工程上，宜简不宜繁
串级控制系统的特点
结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，
控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产 过程中应用比较普遍。
串级控制系统
主、副控制器正反作用的选择 选择顺序：先副后主
副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系
两个流通能力相同的阀，
同调节蒸汽压力，小负荷时，
只开一个阀，大负荷时，
再开第2个阀。
通过计算，如果两个阀流通
PC
能力相同，分程后，
总的流通能力扩大1倍。
分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求
TC A
A.C B
A.O
A
B
图7—4 间歇式化学反应器分程控制系统
分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求
器输出作为副控制器的设定
副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，
副控制器输出控制控制阀
概述
●串级控制系统工作过程
气开式控制阀 反作用的流量控制器 反作用的温度控制器 控制系统处于稳定的平衡状态
概述
● 情况1: —— 副环内出现干扰 蒸汽流量突然增大→（一段时间：提馏段温度不变， 温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流 量测量增大→（流量控制器正偏差，流量控制器输出 减小，控制阀关小）→蒸汽流量减小，削弱对提馏段 温度的影响）
PC
TC
串级控制系统的实施
副控制器： 控制阀选“气开”式——正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升——正 变送器一般均为正
主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升——正
串级控制系统的实施
例2
精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统
概述
通过阀门定位器调整
A：0.02~0.06Mpa —— 0~100% B：0.06~0.1Mpa —— 0~100%
根据各阀的气开、气闭形式不同，决定阀的行程方向
两阀同向 动作
0
两阀异向 动作
0
100%
0
100%
0
100% 100%
分程控制的应用场合
（1）扩大控制阀可调范围： 两个阀分程使用，扩大了流通能力
工艺要求：投料后，需由蒸汽加温，以达到反应温度， 反应进行后，放出热量，需要将热量移走。
两个控制阀：冷水阀A（气关）、蒸汽阀B（气开）— —安全角度设置
温度控制器TC（反作用）——副反馈要求 T<设定值，TC输出增加A阀关闭、B阀逐渐打开 T>设定值，TC输出减小A阀逐渐打开、B阀关闭
分程控制的应用场合
副PID作用,只考虑对象特性可以确定; 流量俞大, 主控参数温度俞高,对象特性为正作
用, 所以主控制器选正作用;
串级控制系统
主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对 象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为 “负”，则主控制器取“正”作用
例1
P48 图2-7 加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统
即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号
主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。
副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 —— 随动系统，跟踪主 控制器的输出。
• 串级控制系统
给定值 TIC-101 [PID]
FIC-101 [PID]
概述
●串级控制系统原理 精馏控制过程：P42 图2-1 提馏段温度控制 — 通过控制再沸器加热蒸汽量来 维持提馏段温度恒定
精馏塔提馏段温度控制：
TC
概述
分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路 可控制温度
情况一，很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会 有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀 门开度情况下，加热蒸汽量不同。
→提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温 度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小） →流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减 小。
流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调”
概述
● 情况2: —— 主环内出现干扰
进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降→ 温度控制器负偏差，输出增大→（流量控制器负偏差， 流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加） →提馏段温度回升
概述
解决办法：再加入一个蒸汽流量控制系统，可控制 流量稳定。
FC
TC
问题：两套控制系统不能协调，甚至出现矛盾
温度控制系统要求增加或减小蒸汽流量，而流量控制 系统却只能根据事先的流量设定值进行定值控制。
概述
串级控制系统：两套控制系统的协调控制
FC
TC
特点：两个控制器，一个调节阀
- PID正反作用确定 . 先确定副控制器 调节阀选为气开型(故障关FC),特性为正作用; 流
量偏大时,阀门流通量应少, 对象特性为反作用; 所以 PID控制器应选正作用;
调节阀选为气关型(故障关FO),特性为反作用, PID控制器应选反作用;
串级控制系统
. 再确定主控制器 主控制器PID特性,不再需要考虑阀门特性和
一个控制器（主控制器）的输出送到另一个控制器 （副控制器）的给定，副控制器的输出送到控制阀ຫໍສະໝຸດ 述温度控制器流量控制器
控制阀
流量变送器
温度变送器
流量对象
温度对象
特点：两个闭环环路，内环和外环 内环：副环，副控制器、副对象、副变送器 （流量） 外环：主环，主控制器、主对象、主变送器 （温度）
概述
主环，定值控制系统，给定值由工艺设定，主控制
例：精馏塔提馏段温度控制系统 1）副环干扰 2）主环干扰
串级控制系统的特点
串级系统具有一定的自适应能力
自适应问题：控制器的参数往往是根据一定的控制对象设置的， 当控制对象特性发生变化时（非线性特性，操作条件变化、负 荷变化），原来好的控制器参数就变得不好了（不适应了） 串级系统中，副控制系统是随动系统，主控制器可根据操作条 件的变化，不断修改副控制器的给定值——自适应能力 “能力有限”，自适应控制（现代控制技术）
FC TC
副控制器： 控制阀选“气闭”式——负 正对象，流量对象，阀门开大，
流量增大——正 变送器一般均为正
主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 蒸汽流量增大时，加热量增加，
提馏段温度上升——正
串级控制系统
结论 （1）主控制器的正、反作用与阀的开、闭形式无关； （2）直接先确定主控的正反作用。
50%
0% 4
A 气开 B 气关
100% 50%
A 气关
B 气开
0%
12
20
4
12
20
分程控制系统 概述
一个控制器控制几个控制阀——输出信号分段“分程控制” 如，控制两个阀A、B A阀控制信号:0.02~0.06Mpa B阀控制信号:0.06~0.1Mpa
控制器输出在0.06Mpa以下，只有阀A动作，在0.06Mpa 以上，只有阀B动作
概述
●情况3: ——主环和副环同时 （1）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度降低；
（2）副环干扰使蒸汽流量增大， 主环干扰使提馏段温度升高。
sp
FC
sp
FC
串级控制系统的特点
串级控制系统具有较强的抗干扰能力
特别是干扰出现在副环内的时候，相当于两个控制器进行 控制，副“粗调”，主“细调”，副环起到超前调节的作用 据统计，当干扰作用于副环时，控制质量可提高10—100倍， 干扰作用于主环时，也可提高2—5倍
• 分程控制
- 优点
阀B
. 扩大控制阀的可调范围;
. 控制更加精确和稳定
阀A
- 分程控制曲线
100%
50%
0% 4
A 气开
100%
B 气开 50% A 气关
0%
12
20
4
12
100%
B 气关 50%
A 气关
100%
B 气开
50%
0%
0%
20
4
12
20
4
PIC-101
A 气开
B 气关
12
20
100%
（3）安全生产的防护措施
放空 B
A
氮
PC
B
A
图7-6 油品储罐氮封分程控制
加氮阀A、放空阀B，控制两个阀，共同保持储罐氮封压力 为了防止在分程点两个阀频繁动作，可以设置一个死区
串级系统的缺点：仪表多，投运和整定都比单回路复杂 工程上，宜简不宜繁
串级控制系统的特点
结论：串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，
控制质量优于单回路控制系统，并且，实现方便，生产 过程中应用比较普遍。
串级控制系统
主、副控制器正反作用的选择 选择顺序：先副后主
副控制器：副回路按单回路独立考虑，与主回路没有关系
两个流通能力相同的阀，
同调节蒸汽压力，小负荷时，
只开一个阀，大负荷时，
再开第2个阀。
通过计算，如果两个阀流通
PC
能力相同，分程后，
总的流通能力扩大1倍。
分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求
TC A
A.C B
A.O
A
B
图7—4 间歇式化学反应器分程控制系统
分程控制的应用场合
（2）同时控制两种介质，满足工艺要求
器输出作为副控制器的设定
副环，随动控制系统，给定值由主控制器输出给定，
副控制器输出控制控制阀
概述
●串级控制系统工作过程
气开式控制阀 反作用的流量控制器 反作用的温度控制器 控制系统处于稳定的平衡状态
概述
● 情况1: —— 副环内出现干扰 蒸汽流量突然增大→（一段时间：提馏段温度不变， 温度控制器输出不变，流量控制器设定值不变，但流 量测量增大→（流量控制器正偏差，流量控制器输出 减小，控制阀关小）→蒸汽流量减小，削弱对提馏段 温度的影响）
PC
TC
串级控制系统的实施
副控制器： 控制阀选“气开”式——正 副对象，压力对象，阀门开大，负，反作用 压力上升——正 变送器一般均为正
主控制器： 副环——正 主对象，温度对象， 燃料压力增大时，燃料量增加，负，反作用 出口温度上升——正
串级控制系统的实施
例2
精馏塔提馏段温度与再沸器加热蒸汽流量串级控制系统
概述
通过阀门定位器调整
A：0.02~0.06Mpa —— 0~100% B：0.06~0.1Mpa —— 0~100%
根据各阀的气开、气闭形式不同，决定阀的行程方向
两阀同向 动作
0
两阀异向 动作
0
100%
0
100%
0
100% 100%
分程控制的应用场合
（1）扩大控制阀可调范围： 两个阀分程使用，扩大了流通能力
工艺要求：投料后，需由蒸汽加温，以达到反应温度， 反应进行后，放出热量，需要将热量移走。
两个控制阀：冷水阀A（气关）、蒸汽阀B（气开）— —安全角度设置
温度控制器TC（反作用）——副反馈要求 T<设定值，TC输出增加A阀关闭、B阀逐渐打开 T>设定值，TC输出减小A阀逐渐打开、B阀关闭
分程控制的应用场合
副PID作用,只考虑对象特性可以确定; 流量俞大, 主控参数温度俞高,对象特性为正作
用, 所以主控制器选正作用;
串级控制系统
主控制器的符号主要取决于主对象的符号，即，主对 象为“正”，则主控制器取“反”作用，主对象为 “负”，则主控制器取“正”作用
例1
P48 图2-7 加热炉出口温度与燃料压力的串级控制系统
即从稳定性考虑，开环放大倍数必须为“负” 要求，知道副对象的符号，以及控制阀的符号
主控制器：考虑主环内各个环节的符号情况 主控制器、主对象，以及副回路。
副回路可以看作是一个符号为“正”的环节 —— 随动系统，跟踪主 控制器的输出。
• 串级控制系统
给定值 TIC-101 [PID]
FIC-101 [PID]
概述
●串级控制系统原理 精馏控制过程：P42 图2-1 提馏段温度控制 — 通过控制再沸器加热蒸汽量来 维持提馏段温度恒定
精馏塔提馏段温度控制：
TC
概述
分析干扰：若干扰仅来自精馏塔进料的波动，则通过此回路 可控制温度
情况一，很多情况下，除了进料因素影响，加热蒸汽流量也会 有波动（如锅炉蒸汽出口压力的波动），这时，在一定的阀 门开度情况下，加热蒸汽量不同。
→提馏段温度缓慢上升→（温度控制器正偏差，温 度控制器输出减小，输出到流量控制器的设定值减小） →流量控制器设定值减小，流量控制阀开度进一步减 小。
流量控制器：“粗调” 温度控制器：“细调”
概述
● 情况2: —— 主环内出现干扰
进料量突然增大，塔釜液位上升，提馏段温度下降→ 温度控制器负偏差，输出增大→（流量控制器负偏差， 流量控制器输出增大，控制阀开度增大，蒸汽量增加） →提馏段温度回升