第三章 串级控制系统
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(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。
《串级控制系统》课件
5 保证系统的可靠性
采取措施确保系统的可靠性，如备份控制器、 故障检测和自动切换等。
串级控制系统的实现1Fra bibliotek软件实现
2
串级控制系统的软件实现包括控制算法
的设计、编程和调试。
3
硬件组成
串级控制系统的硬件组成包括传感器、 执行器、控制器和通信设备。
实现过程
串级控制系统的实现包括系统设计、参 数调整和系统测试等多个步骤。
串级控制系统的应用领域
化工工业
串级控制系统在化工 工业中有广泛的应用， 能够稳定控制各种化 学过程。
食品工业
食品工业中的串级控 制系统能够确保食品 生产过程的高效、稳 定和安全。
制造业
制造业中的串级控制 系统能够提高产品的 质量和生产效率，实 现精细化生产。
冶金工业
冶金工业中的串级控 制系统能够优化冶金 过程，提高冶金产品 的质量和产量。
1 改善系统稳定性
串级控制系统能够减小系统的波动幅度，提 高系统的稳定性。
2 提高系统精度和可靠性
通过串级控制系统，我们能够降低系统的误 差，提高系统的精度和可靠性。
3 减小控制器的负担
串级控制系统能够分担控制器的负荷，使其 更加高效且稳定。
4 减小设备的故障率
串级控制系统能够有效减小设备故障的概率， 提高设备的可靠性和使用寿命。
设计原则
1 正确选择控制器
根据系统需求和特点，选 择合适的控制器类型和参 数。
2 合理设置控制参数
3 统一参考信号
根据系统需求和运行状况， 合理设置控制参数，以达 到最佳控制效果。
将所有控制器的输入信号 统一为相同的参考信号， 以保证系统的稳定性和一 致性。
4 建立完善的监测系统
串级控制系统
串级控制系统的设计
1. 主回路的设计
串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
2. 副回路的设计
由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
2. 用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。
副调节器作用方式的确定：
首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv >0 。然后确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 >0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 2>0 ，副调节器作用方式为反作用方式。
1. 用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。
1. 主回路的设计
串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
2. 副回路的设计
由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。
2. 用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制质量。
副调节器作用方式的确定：
首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv >0 。然后确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 >0 。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 2>0 ，副调节器作用方式为反作用方式。
1. 用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是温度等参数时，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提高系统工作频率，合理构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快速动作的副回路。
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。
串级控制系统整理整理
串级控制系统整理手册一、串级控制系统概述串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，主要由两个或多个控制环组成，每个控制环都负责调节一个特定的过程变量。
这种系统具有结构紧凑、响应速度快、控制精度高等优点，广泛应用于各类工业生产过程中。
二、串级控制系统的组成1. 主控制环：主控制环负责监控整个过程的主要变量，通常与系统的输出直接相关。
主控制器根据主控制环的偏差，调整副控制器的设定值，以实现系统整体的控制目标。
2. 副控制环：副控制环位于主控制环内部，负责调节过程中的辅助变量。
副控制器根据副控制环的偏差，调整执行机构的输出，以影响主控制环的变量。
3. 执行机构：执行机构是串级控制系统的执行者，负责根据控制器的指令调整过程变量。
常见的执行机构有电机、阀门、变频器等。
4. 被控对象：被控对象是串级控制系统的作用对象，包括各种生产过程中的设备、工艺和参数。
三、串级控制系统的特点1. 快速响应：串级控制系统通过多个控制环的协同作用，能够迅速响应过程变化，提高系统的动态性能。
2. 高精度：串级控制系统可以实现对外部干扰的有效抑制，提高控制精度，确保产品质量。
3. 灵活性：串级控制系统可根据实际生产需求，调整控制参数，适应不同工况。
4. 易于维护：串级控制系统结构清晰，便于故障排查和日常维护。
四、串级控制系统的设计要点1. 确定控制目标：明确串级控制系统的主、副控制环控制目标，确保系统稳定运行。
2. 选择合适的控制器：根据被控对象的特性，选择合适的控制器类型和参数。
3. 优化控制参数：通过调整控制器参数，使串级控制系统达到最佳控制效果。
4. 考虑系统抗干扰能力：在设计过程中，充分考虑外部干扰因素，提高系统的抗干扰能力。
5. 系统调试与优化：在系统投运后，根据实际运行情况，不断调整和优化控制参数，确保系统稳定、高效运行。
五、串级控制系统的实施步骤1. 系统分析与建模：深入了解生产工艺，对被控对象进行详细分析，建立准确的数学模型，为控制器设计提供依据。
串级控制系统
串级控制系统一、串级控制系统的概述图1是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值； C1-被控的主参数； C2-副参数；f 1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。
二、串级控制系统的特点串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．改善了过程的动态特性；2．能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；3．提高了系统的鲁棒性；4．具有一定的自适应能力。
三、主、副调节器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，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。
由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。
四、主、副调节器正、反作用方式的选择正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。
对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc 为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K为负。
五、串级控制系统的整定方法在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：（一）逐步逼近法所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。
宋彤《过程控制工程》3 串级控制系统
串级控制系统方框图
主回路：定值控制 给定值为常数 R1(s) =count 副回路：随动控制 给定值是主控制器输出 R2(s)=u1(s) 如图中压力控制器的给定值是温度控制器输出 值，副参数跟随给定值(主控制器输出)变动而变动。
3.1.2 精馏塔塔釜温度串级控制动作分析
1）系统设定 方块图
Z1(s)
管式加热炉出口温度-炉膛温度 串级控制系统方框图
②串级控制系统一般方框图
系统控制图
TC
T1C T1T 原料 出口
TT PT
PC
T2C
T2T
燃料 原料
温度-压力串级控制
方框图
D2(s) R1(s) GCT(s) Z1(s) R2(s) GCP(s) GV(s) GTP(s) GTT(s) GPP(s) Y2(s) D1(s) GPT(s) Y1(s)
GPP(s)
内环（副回路）方框图 GTP(s)
R1(s)
e1(s)
GTC(s) z1(s) TTOUT
u1(s) TCOUT
GTT(s) 副回路
Y2(s) P
GPT(s)
Y1(s) [T]
温度-压力串级控制 主要干扰：加热蒸气压力
串级控制系统方框图 GTT(s)
外环（主回路）方框图
回路： 副回路：由副控制器、执行器、副对象构成的闭环系统 如图中的蒸汽压力控制回路 主回路：由主控制器、副回路、主对象构成的闭环系统 如例中的温度控制回路
Z1(s)
Z2(s)
设：反向干扰， f1 → T↓; f2 → P↑
动作过程
GC 2 ( ) GV ( ) GTP ( ) 副：P e 2 u2 q P T GC ( ) GTT ( ) 主：T e1 u1 e 2 q
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。
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形成两个环: 副环或副回路－－“ 粗调”作用 主环或主回路－－“ 细调”作用
串级控制系统方块图
D2 y1,sp
＋ －
D1 y2
＋ ＋
Gc1
y2,sp ＋ － ym2
Gc2
Gv Gm2
Gp2
＋ ＋
Gp1
y1
副回路 主回路
ym1
Gm1
注： D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参 数的动态影响； 主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成 是一个等效的控制阀）。
副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效 地克服二次扰动的影响；
由于
' D2 ( s) 1 D2 (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc 2GvGp 2Gm2 1
' D2 D2
反应器温度的串级控制响应
串级控制系统的特点
第三章 串级控制系统
单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况 下能够满足生产控制要求 特殊情况：当控制要求较高时，在如下情况下， 单回路不能满足要求。 *过程可控程度较差，如对象有大滞后。 *对象有较明显的时变性或非线性特性。 *扰动剧烈，而且幅度大。 *控制性能要求较高。 *过程参数之间存在严重关联。
串级控制系统的特点（3）
改善了对象的动态特性，提高了系统的工作 频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益 可显著加大。
Gc 2GvGp 2 副回路等效对象为： G ' (s) y2 (s) p2 y2,sp (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2 若：
D2
＋ ＋
D1 y2
＋ ＋
Gp 2
TC-TC 串级控制：炉内温度作为副被 控变量，常用于克服燃料影响，例如， 成份、热值等。温度点不易找准
串级控制系统设计
1. 副变量的选择 从对象中能引出中间变量是设计串级系统 的前提条件。 当对象有多个中间变量可引出 时, 就有一个副变量如何选择的问题。 副变量 的选择原则是要充分发挥串级系统的优点, 为此, 我们总是希望: (1) 将主要干扰包括在副回路内。 (2) 将更多的干扰包括在副回路内
（1） 逻辑推理法 对于单回路, 确定调节器的正反作用的步骤为: ① 根据生产安全要求, 确定调节阀气开、 气关的形式; ② 确定当被调参数变化时, 调节器输出实现负反馈的作用 方向; ③确定调节器的正、 反作用(当被测参数变化与调节器输出 变化同向时为正作用, 否则, 为反作用)。
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
特点： 两个调节器串在一起工作， 调节器TC2通过调节冷却剂 量以克服冷却水方面的扰动 ； 调节器TC1通过调节夹套内 水温的设定值以保证反应温 度维持在工艺所希望的某一 给定值。
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
反应器温度的串级控制响应
反应器温度串级控制框图
多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路 组成的系统。
常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、
分程、三冲量、前馈、选择性等系统。
●多回路系统的发展
• 80-90%控制系统是基于PID控制的系统， 包括多回路系统。 • 多回路系统应用状况 以乙烯生产厂为例，它共有421个控制回 路 其中：常规PID单回路 347个 串级、比值等 74个（串级24） 多回路系统占17.5%
主要内容
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; 掌握串级控制系统的投运 ; 了解串级控制系统的防积分饱和措施。
反应釜温度单回路控制系统
?
TC 出料
控制目标:反应釜温度恒定 操纵变量：冷却剂流量 被控变量：反应温度 扰动变量： D2冷却剂温度以 及D1工艺介质流量
冷却剂 进料
控制规律：PID
D2
调节器 调节阀 夹套
T1sp ＋ －
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
反应釜温度单回路控制响应曲线
T1sp ＋ － D2
调节器 调节阀 夹套
T2
D1
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1
主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标 有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变 量。 副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要 参数。 主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其 设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器 给定值。 副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控 变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作 用于控制阀的控制器，简称为“副控”。
2. 主、 副调节器的调节规律选择 主调节器常选择PI或PID控制律凡是
如果要加入微分作用, 一定要采用“微分先行”方式, 因为副回路是个随动系统, 设定值是经常变化的, 调节 器的微分作用会引起调节阀的大幅跳动, 并引起很大的 超调。 但是当副回路是流量(或液体压力)系统时, 它们的开环 静态增益、 时间常数都较小, 并且系统存在高噪声。 因此在实际生产中, 流量(或液体压力)副调节器常采 用PI作用, 以减少系统的波动。
3. 主副调节器正、 反作用选择
调节器的正、 反作用选择原则是要使系统成为一 个负反馈系统。 一般有两种选择方法, 即逻辑推理法和方框图法。 用测量值与调节器的输出关系来定义调节器的正 反作用。 具体定义为: 当测量信号增加(隐含的假定是设定值 不变)时, 调节器比例作用的输出也增加的, 称为正作 用; 否则， 称为反作用
因素进行权衡。
设计串级控制系统的场合, 对象特性总有较大的滞后, 主调节器采用三作用PID控制规律是必要的。 而副回路是随动回路, 允许存在余差。 从这个角度来讲, 副调节器不需要积分作用, 一般只采用P作用。 如当温度作副变量时, 副调节器不宜加积分, 这样可以 将副回路的开环静态增益调整得较大, 以提高克服干扰 的能力。
(3) 副对象的滞后不能太大, 以保持副回路的快速响应 性能。 (4) 将副对象中具有显著非线性或时变特性的一部分 归于副对象中。 (5) 需要流量实现精确的跟踪时, 可选流量为副变量。 (6) 主、 副对象的时间常数应相差3倍以上, 以防主、 副回路产生共振。 应该指出, 以上几条都是从某个局部角度来考虑的 , 如(2)与(3)就相互矛盾, 在具体选择时需要兼顾各种
TC1 TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
讨论: 主副控制器的 “正反作用”反应槽
T1sp ＋ －
TC1
T2sp ＋ －
T1
夹套水温测量
反应器温度测量
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
y2
串级控制系统的特点（2）
能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非 线性对控制性能的影响（系统的“鲁棒性” 增强） 。
对于内环等效对象的稳态增益：
K
' p2
Kc 2 Kv K p 2 1 + Kc 2 Kv K p 2 K m2
' 1 Kp 2
Kc 2 Kv K p 2 Km2 1
Km2
串级控制系统的特点
常用的串级控制系统：温度+流量、温度 +压力、液位+流量、温度+温度等。
串级系统副参数的选择分析
1
TC
2
FC
3
FC
1
2
PC
3 再 沸 器
塔 底 部
加热蒸汽
分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范 围之间的矛盾。
串级方案设计举例
加热炉出口温度控制
TC
TC
FC 进料 出料
PC
进料 出料
燃料油
燃料油
TC-FC串级控制：用于克服燃油上游侧压力干扰的影 响燃油黏度大，易堵，不常采用 TC-PC串级控制：取压点在控制阀后，用于克服压力 影响喷嘴易堵，使用时要增加报警系统
串级方案设计举例（续）
TC 出料
TC
燃料油
进料
讨论：副回路所能 包括的扰动越多， 副对象与主对象的 动态特性的差别越 小，越容易引起内 外回路之间的“共 振”（系统稳定性 越差）。
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1
主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。 副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。 主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其 主要特性的生产设备或过程。 副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量 表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。 副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环 回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。 主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所 构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。
TC
出料
冷却剂 进料
干扰变量的影响：冷却水入 口温度变化 → 夹套内冷却 水温度变化 → 槽壁温度变 化 → 反应槽温度变化 控制变量的影响：冷却水调 节阀开度变化 → 冷却水流 量变化 → 夹套内冷却水温 度变化 → 槽壁温度变化 → 反应槽温度变化
串级控制系统方块图
D2 y1,sp
＋ －
D1 y2
＋ ＋
Gc1
y2,sp ＋ － ym2
Gc2
Gv Gm2
Gp2
＋ ＋
Gp1
y1
副回路 主回路
ym1
Gm1
注： D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参 数的动态影响； 主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成 是一个等效的控制阀）。
副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效 地克服二次扰动的影响；
由于
' D2 ( s) 1 D2 (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc 2GvGp 2Gm2 1
' D2 D2
反应器温度的串级控制响应
串级控制系统的特点
第三章 串级控制系统
单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况 下能够满足生产控制要求 特殊情况：当控制要求较高时，在如下情况下， 单回路不能满足要求。 *过程可控程度较差，如对象有大滞后。 *对象有较明显的时变性或非线性特性。 *扰动剧烈，而且幅度大。 *控制性能要求较高。 *过程参数之间存在严重关联。
串级控制系统的特点（3）
改善了对象的动态特性，提高了系统的工作 频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益 可显著加大。
Gc 2GvGp 2 副回路等效对象为： G ' (s) y2 (s) p2 y2,sp (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2 若：
D2
＋ ＋
D1 y2
＋ ＋
Gp 2
TC-TC 串级控制：炉内温度作为副被 控变量，常用于克服燃料影响，例如， 成份、热值等。温度点不易找准
串级控制系统设计
1. 副变量的选择 从对象中能引出中间变量是设计串级系统 的前提条件。 当对象有多个中间变量可引出 时, 就有一个副变量如何选择的问题。 副变量 的选择原则是要充分发挥串级系统的优点, 为此, 我们总是希望: (1) 将主要干扰包括在副回路内。 (2) 将更多的干扰包括在副回路内
（1） 逻辑推理法 对于单回路, 确定调节器的正反作用的步骤为: ① 根据生产安全要求, 确定调节阀气开、 气关的形式; ② 确定当被调参数变化时, 调节器输出实现负反馈的作用 方向; ③确定调节器的正、 反作用(当被测参数变化与调节器输出 变化同向时为正作用, 否则, 为反作用)。
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
特点： 两个调节器串在一起工作， 调节器TC2通过调节冷却剂 量以克服冷却水方面的扰动 ； 调节器TC1通过调节夹套内 水温的设定值以保证反应温 度维持在工艺所希望的某一 给定值。
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
反应器温度的串级控制响应
反应器温度串级控制框图
多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路 组成的系统。
常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、
分程、三冲量、前馈、选择性等系统。
●多回路系统的发展
• 80-90%控制系统是基于PID控制的系统， 包括多回路系统。 • 多回路系统应用状况 以乙烯生产厂为例，它共有421个控制回 路 其中：常规PID单回路 347个 串级、比值等 74个（串级24） 多回路系统占17.5%
主要内容
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; 掌握串级控制系统的投运 ; 了解串级控制系统的防积分饱和措施。
反应釜温度单回路控制系统
?
TC 出料
控制目标:反应釜温度恒定 操纵变量：冷却剂流量 被控变量：反应温度 扰动变量： D2冷却剂温度以 及D1工艺介质流量
冷却剂 进料
控制规律：PID
D2
调节器 调节阀 夹套
T1sp ＋ －
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
反应釜温度单回路控制响应曲线
T1sp ＋ － D2
调节器 调节阀 夹套
T2
D1
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1
主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标 有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变 量。 副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要 参数。 主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其 设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器 给定值。 副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控 变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作 用于控制阀的控制器，简称为“副控”。
2. 主、 副调节器的调节规律选择 主调节器常选择PI或PID控制律凡是
如果要加入微分作用, 一定要采用“微分先行”方式, 因为副回路是个随动系统, 设定值是经常变化的, 调节 器的微分作用会引起调节阀的大幅跳动, 并引起很大的 超调。 但是当副回路是流量(或液体压力)系统时, 它们的开环 静态增益、 时间常数都较小, 并且系统存在高噪声。 因此在实际生产中, 流量(或液体压力)副调节器常采 用PI作用, 以减少系统的波动。
3. 主副调节器正、 反作用选择
调节器的正、 反作用选择原则是要使系统成为一 个负反馈系统。 一般有两种选择方法, 即逻辑推理法和方框图法。 用测量值与调节器的输出关系来定义调节器的正 反作用。 具体定义为: 当测量信号增加(隐含的假定是设定值 不变)时, 调节器比例作用的输出也增加的, 称为正作 用; 否则， 称为反作用
因素进行权衡。
设计串级控制系统的场合, 对象特性总有较大的滞后, 主调节器采用三作用PID控制规律是必要的。 而副回路是随动回路, 允许存在余差。 从这个角度来讲, 副调节器不需要积分作用, 一般只采用P作用。 如当温度作副变量时, 副调节器不宜加积分, 这样可以 将副回路的开环静态增益调整得较大, 以提高克服干扰 的能力。
(3) 副对象的滞后不能太大, 以保持副回路的快速响应 性能。 (4) 将副对象中具有显著非线性或时变特性的一部分 归于副对象中。 (5) 需要流量实现精确的跟踪时, 可选流量为副变量。 (6) 主、 副对象的时间常数应相差3倍以上, 以防主、 副回路产生共振。 应该指出, 以上几条都是从某个局部角度来考虑的 , 如(2)与(3)就相互矛盾, 在具体选择时需要兼顾各种
TC1 TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
讨论: 主副控制器的 “正反作用”反应槽
T1sp ＋ －
TC1
T2sp ＋ －
T1
夹套水温测量
反应器温度测量
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
y2
串级控制系统的特点（2）
能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非 线性对控制性能的影响（系统的“鲁棒性” 增强） 。
对于内环等效对象的稳态增益：
K
' p2
Kc 2 Kv K p 2 1 + Kc 2 Kv K p 2 K m2
' 1 Kp 2
Kc 2 Kv K p 2 Km2 1
Km2
串级控制系统的特点
常用的串级控制系统：温度+流量、温度 +压力、液位+流量、温度+温度等。
串级系统副参数的选择分析
1
TC
2
FC
3
FC
1
2
PC
3 再 沸 器
塔 底 部
加热蒸汽
分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范 围之间的矛盾。
串级方案设计举例
加热炉出口温度控制
TC
TC
FC 进料 出料
PC
进料 出料
燃料油
燃料油
TC-FC串级控制：用于克服燃油上游侧压力干扰的影 响燃油黏度大，易堵，不常采用 TC-PC串级控制：取压点在控制阀后，用于克服压力 影响喷嘴易堵，使用时要增加报警系统
串级方案设计举例（续）
TC 出料
TC
燃料油
进料
讨论：副回路所能 包括的扰动越多， 副对象与主对象的 动态特性的差别越 小，越容易引起内 外回路之间的“共 振”（系统稳定性 越差）。
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1
主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。 副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。 主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其 主要特性的生产设备或过程。 副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量 表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。 副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环 回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。 主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所 构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。
TC
出料
冷却剂 进料
干扰变量的影响：冷却水入 口温度变化 → 夹套内冷却 水温度变化 → 槽壁温度变 化 → 反应槽温度变化 控制变量的影响：冷却水调 节阀开度变化 → 冷却水流 量变化 → 夹套内冷却水温 度变化 → 槽壁温度变化 → 反应槽温度变化