8 串级控制系统2
《自动化仪表》习题答案解析
第1章（P15）（1）简述过程控制的特点。
Q：1）系统由被控过程与系列化生产的自动化仪表组成；2）被控过程复杂多样，通用控制系统难以设计；3）控制方案丰富多彩，控制要求越来越高；4）控制过程大多属于慢变过程与参量控制；5）定值控制是过程控制的主要形式。
（2）什么是过程控制系统？试用框图表示其一般组成。
Q：1）过程控制是生产过程自动化的简称。
它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制，是自动化技术的重要组成部分。
过程控制通常是对生产过程中的温度、压力、流量、液位、成分和物性等工艺参数进行控制，使其保持为定值或按一定规律变化，以确保产品质量和生产安全，并使生产过程按最优化目标自动进行。
2）组成框图：（3）)单元组合式仪表的统一信号是如何规定的？Q：各个单元模块之间用统一的标准信号进行联络。
1）模拟仪表的信号：气动0.02~0.1MPa、电动Ⅲ型：4~20mADC或1~5V DC。
2）数字式仪表的信号：无统一标准。
（4）试将图1-2加热炉控制系统流程图用框图表示。
Q：是串级控制系统。
方块图：（5）过程控制系统的单项性能指标有哪些？各自是如何定义的？Q：1）最大偏差、超调量、衰减比、余差、调节时间、峰值时间、振荡周期和频率。
2）略（8）通常过程控制系统可分为哪几种类型？试举例说明。
Q：1）按结构不同，分为反馈控制系统、前馈控制系统、前馈-反馈复合控制系统；按设定值不同，分为定值控制系统、随动控制系统、顺序控制系统。
2）略（10）只要是防爆仪表就可以用于有爆炸危险的场所吗？为什么？Q：1）不是这样。
2）比如对安全火花型防爆仪表，还有安全等级方面的考虑等。
（11）构成安全火花型防爆系统的仪表都是安全火花型的吗？为什么？Q：1）是。
2）这是构成安全火花型防爆系统的一个条件。
2、综合练习题（1）简述图1-11所示系统的工作原理，画出控制系统的框图并写明每一框图的输入/输出变量名称和所用仪表的名称。
串级控制方案
串级控制方案引言串级控制（Cascaded Control）是一种常见的控制方案，通常用于处理复杂、多变的控制系统。
串级控制方案将系统拆分为多个级别，每个级别都有独立的控制器，以实现对特定过程变量的控制。
本文将介绍串级控制方案的基本原理、设计要点，并举例说明其在实际应用中的优势。
串级控制的基本原理串级控制方案由两个或多个级别组成，每个级别都有自己的控制器，而其中一个级别的输出被作为下一个级别的输入。
多个级别的控制器协同工作，使得整个控制系统能够更准确地响应于外部变化，并提高系统的稳定性和鲁棒性。
在串级控制方案中，通常将系统的过程变量划分为两个类型：一级过程变量和二级过程变量。
一级过程变量是指直接受控制器输出影响的变量，二级过程变量是指受一级过程变量控制影响的变量。
通过将系统拆分为两个或多个级别，可以更好地应对复杂的控制任务，提高系统性能。
串级控制方案的设计要点1. 级别划分要设计一个有效的串级控制方案，首先需要进行合理的级别划分。
通常情况下，一级控制变量应该是对整个系统性能有直接影响的变量，而二级控制变量是对一级控制变量有间接影响的变量。
合理的级别划分可以提高系统的控制精度和稳定性。
2. 控制器设计每个级别都需要一个独立的控制器来实现对过程变量的控制。
控制器的设计要考虑系统的响应速度、稳定性和鲁棒性。
通常情况下，一级控制器应该具有较快的响应速度，以尽快调整一级过程变量的值；而二级控制器则应更关注系统的稳定性和抗干扰能力。
3. 控制器之间的通信和协调不同级别的控制器之间需要进行通信和协调，以实现整个系统的稳定运行。
一般可以采用PID控制器、模糊控制器或者自适应控制器等方法实现控制器之间的沟通和协调。
通过合理的控制器间通信和协调策略，可以使系统达到更好的控制效果。
串级控制方案的优势串级控制方案相对于传统的单级控制方案有以下优势： 1. 提高系统的鲁棒性：通过引入多级控制，可以更好地应对外界扰动和变化，提高系统的鲁棒性。
简述串级控制系统的特点。
简述串级控制系统的特点
串级控制系统是由多个级联连接的控制回路组成的控制系统。
其特点包括：
1. 多级控制：串级控制系统包含多个级联的控制回路，每个回路负责不同的控制任务。
不同的回路负责不同的控制目标，通过相互协调和影响来实现整体的控制效果。
2. 分层结构：串级控制系统的各个级联回路之间具有明确的层级结构，上层回路控制下层回路。
上层回路通常负责整体的控制策略和目标设定，下层回路负责具体的执行和动作控制。
3. 协调和互补：不同级联回路在控制过程中相互协调，上层回路的控制信号会影响下层回路的控制行为，以保持整个系统的稳定性和性能。
4. 灵活性和可扩展性：串级控制系统可以根据需要添加或删除不同的级联回路，使得系统的控制策略和目标可以根据需求灵活调整和扩展，提高系统的适应性。
5. 鲁棒性和容错性：由于多个回路相互协调和互补，串级控制系统具有较强的鲁棒性和容错性。
当某个回路出现故障或失效时，其他回路可以通过重新配置和调整来维持系统的整体性能。
串级调节系统
实验串级调节系统一、实验目的1、熟悉串级调节系统的组成，结构。
2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。
3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。
二、实验原理串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。
在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。
由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。
1、串级控制系统的结构图1 串级控制系统结构如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。
2、串级控制系统的名词术语：（1）、主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。
（2）、副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。
（3）、主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。
（4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分，其输出控制主控参数。
（5）、主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。
（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。
（7）、副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。
（8）、主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。
（9）、一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
（10）、二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。
3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点：串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。
它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统的结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：（1）、改善了过程的动态特性串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。
函授《过程控制》习题集王丽华
XX 工业大学继续教育学院《过程控制 》习题集2011学年第一学期 使用班级：H 化本081、HY 自升本101、HY 自升本091习题集1一、填空题1．在自动控制系统中，能够测量某物理量的大小并把它转化为一种特定信号的自动化装置是（测量元件与变送器）。
2．过渡过程终了时，被调参数所达到的新的稳态值与给定值之差叫做（余差）。
3．在研究对象的动态特性时，将（被调参数）看作对象的输出量，而将（干扰作用和调节作用）看作对象的输入量。
4．自动调节系统方块图中,给定值R,测量值M 和偏差e 三者之间的关系是（E=R-M ）。
5．积分时间愈（短），积分作愈强。
6.可用一阶微分方程式描绘其动态特性的对象称为（一阶对象）。
二、单项选择题1．在如图所示的水槽液位控制系统中，（ C ）是被控变量。
A. 进水流量B. 出水流量C. 水槽液位D. 水槽2．下列（A ）不是描述对象特性的数。
A.过渡时间B.时间常数C.放大系数D.滞后时间3．下列关于积分饱和的说法，错误的是（ D ）。
A.调节器处于开环工作状态是出现积分饱和现象的必要条件 B.调节器具有积分作用才会出现积分饱和现象C.积分饱和状态时，调节器的输出将达到最大或最小的极限值D.只有在选择性调节系统中才会出现积分饱和现象4．串级调节系统中，副回路一般采用（ A ）调节规律。
A.比例B.比例积分C.比例微分D.比例积分微分5．如图所示为丙烯冷却器的控制方案示意图，图中所采用的控制系统为（ D ）控制系统。
A. 串级B. 均匀C. 分程D. 选择6．在合成纤维锦纶生产中，熟化罐的温度是一个重要的参数，其期望值是一已知的时间函数，则熟化罐的温度控制系统属于（D ）。
A. 定值控制系统B. 随动控制系统C. 正反馈控制系统D. 程序控制系统三、判断改错题（判断下列各题，在题后的括号内，对的打“√”，错的打“×”。
）1．每个控制系统都有相应的方块图，同一形式的方块图只能代表一个控制系统。
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。
串级控制系统
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。
2 串级控制系统
2019/9/26
过程控制 青海大学
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TC1
TC2
T2
T1
冷却剂
进料
气开阀
出料
T2 TC2 GV 正作用
T1 TC1 TC2给定 反作用
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过程控制 青海大学
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2.1.3 串级系统设计和工程应用
Tp1Tp2
2 0单
Tp1 Tp2 T p1T p 2
20串 1 (Tp1 Tp2 ) (Tp1 Tp2 ) Tp1Tp2 1 20单 1 (Tp1 Tp2 ) (Tp1 Tp2 ) Tp1Tp2
c串 c单
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R(s) 1 Gc (s)Gv (s)Gp2 (s)Gp1 (s)Gm (s)
对应的闭环特征 方程
1 Gc1 (s)Gv (s)G p2 (s)G p1 (s)K m1 (s) 0
s 2 Tp1 Tp2 s 1 Kc1Kv K p2 K p1Km1 0
Tp1Tp2
1
K
mห้องสมุดไป่ตู้
2
K
' P
2
Y2 (s)
KC 2 KV KP2
R2 (s) TPS 1 KC2KV KP2Km2
KC2KV KP2 1 KC2KV KP2Km2 TP 1 KC2KV KP2Km2 S 1
TP' 2
G'
p2
(s)
T
K 'p2 'p2s 1
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过程控制 青海大学
串级控制系统在副环进入的扰动作用下，控制
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阶跃响应
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二次扰动
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串级控制
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2 1.5 1 0.5 0 0 20 40 60 80
全响应
9
控制器整定：副环
1.5 1 0.5 0
Kc2=10
20 40 60 80
0
10
控制器整定：副环
1.5 1 0.5 0
0
20
40
60
80
Kc1=12 T=16
11
1.5 1 0.5 0
0
20
40
60
80
Kc1=10 Tc1=8 Kc1=8.4 Tc1=1.5
2 1.5 1 0.5 0 0 20 40 60 80
12
作业
2.2，2.7，2.8
13
4
2. 串级控制系统整定
两步法：先副环，再主环，按4:1衰减曲 线法整定 一步法：首先按经验选取副控制器比例放 大倍数，然后按单回路系统整定方法直接 整定主控制器参数
5
3. 串级控制系统仿真
隧道窑炉系统单回路控制
6
1.5
0.3 0.2 0.1
1
0.5
0 -0.1 0
0
0
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100
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过程控制工程
8. 串级控制系统2
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内容提要
串级控制系统副回路的设计 串级控制系统整定 串级控制系统仿真
2
1. 串级控制系统副回路的设计副环内 在可能情况下，应使副环包含更多一些干扰 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性 环节处于副环之中
3
当对象具有较大滞后时，使设计的副回路尽量少包括或 不包括纯滞后 副回路设计应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防 “共振”发生