串级控制系统的原理及设计
(工业过程控制)5.串级控制系统
与模糊控制系统的比较
总结词
数据处理方式
详细描述
模糊控制系统处理的是模糊数据，将输入变量的精确值转换为模糊集合的隶属度；串级控制系统则直接处理输入 变量的精确值。
与模糊控制系统的比较
总结词：适用场景
详细描述：模糊控制系统适用于具有不确定性和非线性特性的复杂系统；串级控制系统适用于具有多个重要参数且需要精确 控制的过程。
测量元件是控制系统中的传感器和变 送器，用于检测系统参数和状态，并 将信号传输给控制器。
执行器应具备高精度、高可靠性和长 寿命等特点，以保证系统控制的准确 性和稳定性。
测量元件的选择与校准对于保证系统 测量的准确性和可靠性至关重要，应 根据具体需求进行选择和校准。
04
串级控制系统的调试与优化
系统调试
调试目的：确保系统正常 运行，满足工艺要求。
调试内容
检查硬件设备是否正常工 作。
测试系统逻辑控制功能。
系统优化பைடு நூலகம்
优化方法
优化目标：提高系统性能， 降低能耗。
01
调整控制参数，提高控制精
度。
02
03
优化控制逻辑，降低误操作 风险。
04
05
改进系统结构，提高响应速 度。
系统维护与升级
01
维护内容
02
定期检查硬件设备。
详细描述：多变量控制系统需要处理多个输入和输出变 量之间的耦合关系，系统复杂性较高；串级控制系统则 通过将系统分解为多个子系统来降低复杂性。
详细描述：多变量控制系统通常采用协调控制策略，以 实现多个变量之间的优化；串级控制系统则更注重单个 变量的优化和控制。
与模糊控制系统的比较
总结词：控制规则
详细描述：模糊控制系统基于模糊逻辑和模糊集合理论，通过模糊规则进行控制；串级控制系统则基 于经典控制理论，通过PID控制器等进行控制。
实验四 串级控制系统
实验四 加热炉温度串级控制系统（实验地点：程控实验室，崇实楼407）一、实验目的1、熟悉串级控制系统的结构与特点。
2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。
3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。
二、实验设备1、MATLAB 软件，2、PC 机 三、实验原理工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。
图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为主对象：;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象：21802)1)(110()(++=-s s e s G s主控制器的传递函数为PI 或PID ，副控制器的传递函数为P 。
对PI 控制器有 221111)(),/(,111)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=采用串级控制设计主、副PID 控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。
四、实验过程串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。
1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 （图4-2）在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下：)(01s G 为主被控对象，)(02s G 为副被控对象，Step 为系统的输入，c 为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可以用示波器观察输出波形。
PID1为主控制器，双击PID 控制器可设置参数：（PID 模块在MATLAB/Simulink Library Browser/Simulink Extras ），Step 为阶跃信号，参数起始时间应设置为0。
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。
串级控制系统的工作原理
串级控制系统的工作原理
字符串级控制系统(String-Level Control System)是一种新兴的控制技术，可以控
制和管理大电流和电压高度变化的高压直流(HVDC)系统。
该技术具有低压电流控制、低损
耗和低负载响应，可以实现对电网的优化参数控制和实时有效的负荷发电调整等功能。
字符串级控制系统的主要结构由本地控制单元LCU、远端控制单元RCU、调频控制模
块Clip、接口单元INTU、智能控制电路和电池组成，它的本地控制单元LCU用于本地接
受和发出控制信号，远端控制单元RCU用于监控远端电网状态，以确保字符串级控制可以
及时有效地控制电网。
Clip控制模块用于发送调频信号控制LCU和RCU，INTU则主要用来将控制信号传输到LCU和RCU。
此外，智能控制电路和电池是字符串级控制系统的可选结构，可以根据具体系统需求来进行选择，实现系统的全面有效控制。
字符串级控制系统的工作原理主要有如下几个阶段。
首先，在开始控制之前，必须先
理解远端电网的状态，然后定义一组合理的控制策略，以便在控制过程中产生最佳的调整
效果。
然后，根据电网状态定义的控制策略，利用Clip控制模块发送调频信号给LCU和RCU，实现对本地控制单元的控制，随后，本地控制单元会根据调频信号控制本地电网的电压和
电流，以实现全局管理。
最后，智能控制电路和电池的加入，可以进一步控制字符串级控制系统的输出模式，
并确保在高压和低压电流高度变化的情况下，可以实现有效地控制高压直流电网。
最后通
过实时监控，可以确保字符串级控制系统的正常工作，以便达到安全、可靠、灵活的智能
管理效果。
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。
液位串级控制系统
控制系统分析课程设计课题：液位串级控制系统设计系别：电气与电子工程系专业：自动化姓名：学号：指导教师：任琦梅河南城建学院成绩评定·一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平时表现综合评定）。
课程设计成绩评定1系统结构设计1.1控制方案串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，它是根据系统结构命名的。
一、基本原理：它是由两个或者两个以上的控制器串联而成的，一个控制器的输出是另一个控制器的的给定值。
二、结构：整个系统包括两个控制回路，即主回路和副回路。
主回路有主控制器、副回路、主对象和主变送器构成；而副回路由副控制器、控制阀、副对象和副变送器构成。
三、特点：与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以有以下特点(1)、对于进入副回路的扰动具有较快、较强的克服能力。
(2)、改善主控制器的广义对象的特性。
(3)、对符合和操作条件的变化有一定的自适应能力。
(4)、副回路可以按照主回路的需要更精确地控制操纵变量的质量流和能量流。
四、应用场合：(1)、用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰。
(2)、用于时滞较大的对象。
(3)、用于容量之后较大的对象。
(4)、用于克服对象的非线性。
本控制系统中，被控参量有两个，上水箱的液位和下水箱的液位，这两个参量具有相关关系。
上水箱的液位可以影响下水箱的液位，根据上下水箱的液位相关关系，故系统采用的串级控制。
其中，内环控制上水箱的液位，外环控制下水箱的液位，系统远行使下水箱的液位跟随给定值，系统框图如下图3.1所示图3.1液位－液位串级控制系统框图1.2控制规律本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。
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。
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串级控制系统的原理及设计中应注意的问题
摘要：介绍了串级控制系统的基本原理，性能和设计中应注意的几个问题。
关键词：内环；外环；增益；时间常数；对象；共振现象；积分饱和现象。
1、概述
1.1串级控制系统介绍
单回路控制系统只用一个调节器,调节器只有一个输入信号,即只有一个闭环,在大多数情况下，这种简单系统能够满足工艺生产的要求。
但是也有一些另外的情况,譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制,而工艺对调节质量的要求又很高;或者对调节对象的控制任务要求特殊,则单回路控制系统就无能为力了。
另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,为此,需要在单回路的基础上,采取其他措施,组成复杂控制系统。
串级控制是改善调节过程的一种极为有效的方法,并且在实际中得到了广泛的应用。
我厂的生产过程自动控制系统中，串级控制系统是应用最为广泛的复杂控制系统。
1.2
（简单控制系统）
图1.1是精馏塔底部示意图,在再沸器中,用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽,然后在塔釜中与下降物料流进行传质传热。
为了保证生产过程顺利进行,需要把提馏段温度t保持恒定。
为此，在蒸汽管路上装一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。
从调节阀动作到温度t发生变化，需要相继通过很多热容积。
实践证明，加热蒸汽压力的波动对温度t的影响很大。
此外，还有来自液相加料方面的各种扰动，包括他的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质传热过程，以及再沸器中的传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度t。
当加热蒸汽压力较大时，如果采用图1.1所示的简单控制系统，调节质量一般都不能满足生产要求。
如果采用一个附加的蒸汽压力控制系统，把蒸汽压力的干扰克服在入塔前，这样也提高了温度调节的品质，但这样就需要增加一只调节阀并增加了蒸汽管路的压力损失，在经济上很不合理。
比较好的方法是采用串级控制，如图1.2所示。
图1.2 提馏段温度串级控制方案
副调节器QC2根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，这样就可以在加热蒸汽压力波动的情况下，仍能保持蒸汽流量稳定。
副调节器QC2的给定值则受主调节器tc1的控制，后者根据温度t改变流量给定值Qr，从而保证在发生进料方面的扰动的情况下，仍能保持温度t满足要求。
用这种方法可以非常有效的克服蒸汽压力波动对于温度t的影响。
因为流量自稳定系统的动作很快，蒸汽压力变化引起的流量波动在2至3秒内就消除了，而这样短暂时间的蒸汽流量波动对于温度t 的影响是很微小的。
图1.3 提馏段温度串级控制系统
图1.4 一般串级控制系统
从图中可以看出，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上
形成可两个闭环。
一个闭环在里面，称为副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，称为主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。
无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。
主副调节器的作用各不相同。
主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程。
与简单控制系统相比，只是多了一个测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却有明显的提高。
2、串级控制系统的性能简析
2.1在串级控制系统中，由于加入了一个副回路，而二次扰动是先进副回
路，经副回路的抑止作用再进主环，在此过程中，串级系统的结构使二次干扰对主参数这一通道的动态增益明显减少，因此对主回路中的主参数的影响将较大的减弱。
2.2由于副回路的存在，使得对象的动态特性得到明显改善，即使得等效
对象的时间常数减小了，而且随着副调节器比例增益的增大而减小。
因此副回路的比例增益可以取的很大，等效时间常数可减小到很小的数值，从而加快了副环的响应速度；因此可以加大主调节器的增益，而保证系统稳定，这都将提高系统的工作频率。
2.3在串级系统中，由于串级控制系统的结构，负荷的变化引起副回路内
各环节参数的变化时，对等效对象的增益影响不大，因此在不改变调节器整定参数的情况下，系统的副回路能能自动的克服一些非线性因素的影响，保持或接近原有的控制质量。
另一方面，由于副回路通常是一个流量随动系统，当系统操作条件或负荷改变时，主调节器将改变其输出值，副回路能快速跟踪及时精确的控制流量，从而保证系统的控制品质。
以上两方面都说明串级控制系统对负荷的变化有一定的自适应能力。
3、串级系统设计和实施中应注意的几个问题
3.1副回路的设计
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在。
其中的关键又是副参数的选择。
一般应遵循以下几个原则：
1.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。
2.副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。
调节通道短与尽可能多的纳入干扰这两者间存在矛盾，应在设计中加以协调。
3.2主、副回路工作频率的选择
要注意串级系统的共振现象。
一般取主回路的阻尼自然振荡周期为副回路的阻尼自然震荡周期的3到10倍。
3.3设计中应采取措施防止调节器积分饱和的现象。
以上是我对串级控制系统及其应用的几点认识，在今后的工作中我将继续深入了解有关理论，注重其在实际中的应用，完善自己有关方面的知识。
2002、11、26。