串级控制系统
(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。
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。
串级控制系统
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pid
串级控制系统pid
串级控制系统是一种常见的工业过程控制系统，其中包括两个控制器：主控制器和副控制器。
主控制器通常用于控制系统的主要变量，而副控制器则用于控制对主变量有较大影响的次要变量。
PID（比例-积分-微分）控制器是一种常用的控制器类型，在串级控制系统中也常被使用。
PID 控制器通过调整比例、积分和微分参数来实现对系统的控制。
在串级控制系统的 PID 控制器中，主控制器通常采用 PID 控制算法来控制主变量。
它根据主变量的测量值与设定值之间的偏差来计算控制信号，以使主变量尽可能地接近设定值。
副控制器通常采用 P 或 PI 控制算法来控制次要变量。
它根据次要变量的测量值与主控制器输出之间的偏差来计算控制信号，以使次要变量尽可能地稳定在设定范围内。
串级控制系统的 PID 控制器可以通过调整比例系数、积分时间和微分时间来优化控制性能。
这些参数的选择需要根据具体的被控对象和控制要求进行调整，以实现较好的控制效果。
总的来说，串级控制系统的 PID 控制器通过主控制器和副控制器的协同工作，实现了对系统主要变量和次要变量的有效控制，提高了系统的稳定性和控制精度。
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；
第五章 串级控制系统
单回路控制
t
串级控制
调节效果比较
§5-3 串级系统设计和实施中的几个问题
•正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其 正确合理地设计， 特点。 特点。 设计包括主、副回路选择， •设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制 规律选型和正、反作用的确定。 规律选型和正、反作用的确定。
一、副回路的设计
1、副参数的选择应使副回路时间常数最小，调节通 副参数的选择应使副回路时间常数最小， 道短，反应灵敏。 道短，反应灵敏。 •选择原则主要有： 选择原则主要有： (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。 (1)、克服对象的容积滞后和纯延迟。
x2(t) x1 ＋ － 主控制器 ＋ － 温度变送器2 温度变送器1 θ2(t) 副控制器 调节阀 f3、f4 炉膛 管壁 f1、f2 θ1(t)Байду номын сангаас原料油
沈阳理工大学
3．干扰同时作用于副回路和主回路 ． 主副回路干扰的综合影响有两种情况： 主副回路干扰的综合影响有两种情况： （1）主副回路的干扰影响方向相同。如： ）主副回路的干扰影响方向相同。 燃料压力f ↑→炉膛温度↑ →出口温度 ↑→炉膛温度 出口温度↑ 燃料压力 3(t)↑→炉膛温度↑ →出口温度↑ →副控制器开始调节 原油流量f ↓→出口温度↑ ↓→出口温度 原油流量 1(t)↓→出口温度↑→主副控制器共同调节
二次干扰 一次干扰
干扰 给定 ＋ － 主控制器 ＋ － 副变送器 主变送器 副控制器 执行器 副对象 副变量 主对象 主变量
三、串级控制系统的工作过程
沈阳理工大学
1．燃料压力f3(t)、燃料热值 4(t)发生扰动 ．燃料压力 发生扰动—— 、燃料热值f 发生扰动 干扰进入副回路 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度， 进入副回路的干扰首先影响炉膛温度，副变送 器提前测出，副控制器立即开始控制， 器提前测出，副控制器立即开始控制，控制过程大 为缩短。 为缩短。
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。
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单回路PID控制系统回顾
什么是单回路控制系统？ 被控变量的选择原则？ 操纵变量的选择选择？ 执行器的选择需要考虑哪些因素？ 测量变送装置的选择需要考虑哪些因素？ 控制器的选择需要考虑哪些因素？ 比例度、积分时间、微分时间分别对过渡过程有 什么样的影响？
θr
－
主调 Qr 节器
副调 节器 流量 测量 温度测量
Q
D2
调节 阀 蒸汽管 路系统 再沸 器
D1
塔底
θ
－
控制方案1方框图
（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线2）
分析：把加热蒸汽侧的扰动完全 包括在副环之内，与1相比，副 环中包括了更大的时间常数，有 助于改善主环的调节性能。
D2 副调 节器
调节 阀 流量测量 蒸汽管 路系统
1、纯滞后大 2、容量滞后大 3、扰动变化剧烈、幅值大
4、具有非线性特性的过程
容量滞后：物料或能量的传递需要通过一定阻力 而引起的滞后。 纯滞后：介质的输送由于有一段距离需要一段时间 而引起的滞后。
污水处理加药控制系统
污水处理混凝加药单回路控制系统 浊度计
浊度 控制器
溶液池
污水
混合池
反应池
沉淀池
图 混凝加药单回路控制方案
4、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对 主变量影响小。 5、副回路尽量少包含或不包含纯滞后。 6、考虑工艺合理性和经济性。
串级系统副参数的选择分析
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
（1）副参数为加热蒸汽（作用线1）
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。
污水处理混凝加药串级控制系统
浊度计 浊度 控制器 FC
FT
溶液池
污水 混合池 反应池 图 混凝加药串级控制方案
沉淀池
串级控制系统的设计
主、副被控变量 主、副控制器 执行器 主、副测量变送装置 Nhomakorabea
投运与参数整定
主被控变量的选择
主被控变量（简称主变量）的选择与简单控制 系统被控变量的选择原则相同。
主测量 变送
通用的串级控制系统
串级控制系统
定义:
两个控制器串联，两个被控对象，两个测量变送装置，
一个执行器，两个回路 主控制器的输出作为副控制器的设定值 由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具 有更好的控制效果
串级控制系统的名词术语
主被控变量：生产过程中的工艺控制指标。 反应槽内的温度 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
PID 主控制器： PI 副控制器： 如果换成流量，又该如何选择？
加热炉温度-压力串级控制 PID 主控制器： P 副控制器：
加热炉温度-温度串级控制 PID 主控制器： P 副控制器：
主、副控制器正、反作用的选择
主、副回路都必须是负反馈
这时不考虑主控制器的作用方式。 与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同。
问题：从扰动开始至调节器动作，滞后较大，
特别对于大容量的反应槽，滞后更大。
TC
出料
解决方法
冷却剂 进料
夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控制的 影响。因而可设计夹套水温单回路控制系统TC2 以尽快地克服冷却水方面的扰动。但TC2的设定 值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求 可用反应温度调节器TC1来自动实现）。
反应器温度测量
串级与单回路控制simulink仿真
串级与单回路控制simulink仿真
调节时间 余差
180 0
60 0
串级与单回路控制simulink仿真
二次扰动最大偏差 0.27
0.013
串级控制系统的特点及应用范围
1、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
副变量越靠近主变量，副回路包含的扰动越多， 同时通道变长，滞后增加，控制速度变慢； 副变量越靠近操纵变量，副回路包含的扰动越少， 通道越短，控制速度越快。
3、要求副变量的变化对主变量影响作用明显，主、 副变量要有一定的内在联系。 a、与主变量有一定关系的中间变量
b、选操纵变量作为副变量
副被控变量的选择
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
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。
反应器温度串级控制框图
TC1
TC2
T2
冷却剂
T1
主控-串级切换的串级控制方案
注意： 串级与主控直接切换的条件:组成的控制系统必须是负反馈控制系统
结论： 只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间直接切换。 如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控 制器的正反作用。
反应釜温度单回路控制系统
操纵变量： 冷却剂流量
TC 出料
被控变量： 反应温度 控制规律： PID
夹 套
冷却剂
槽 壁
进料
T1sp ＋ －
D2
调节器 调节阀 夹套
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
系统控制与扰动的分析
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
塔底
串级控制副变量选择练习
加热炉温度串级控制系统
扰动： 燃料油压力的波动 燃料油成分变化，导致燃油热值不同 方案1、温度-压力串级控制 出口温度为主变量 燃油压力为副变量 能克服燃油压力波动的影响
燃料油
如果燃油波动较大，主要扰动就是燃油压力的波动， 可采用此串级控制系统，以快速克服燃油压力波动带来的扰动。
副环 主对象
－
主回路
主测量 变送
副环始终为正作用‘＋’。 主测量变送为正作用‘＋’。 (主控制器) ×(主对象)=‘－’
主、副控制器正反作用的选择原则
主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。 （1）副控制器的正、反作用与主回路无关。副环可 以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定 副控制器的正、反作用。 （2）主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各 环节来确定。副回路视为“正”，因变送器一般为“ 正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性 相反。
课堂提问
采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，比 例度应该怎样变化？ 工程整定方法有哪几种？主要步骤是什么？ 系统的投运是使执行器从手动平稳过渡到自动 状态，该说法对不对？
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；
(副控制器) ×(执行器) ×(副对象) ×(副测量变送) =‘－’
主、副控制器正、反作用的选择
副回路
副设定值 主设定值
二次扰动
调节 阀 副测量 变送 副对象
一次扰动 主被控 主对象 变量
主控 制器
－
－
副控 制器
副被控 变量
主回路
主测量 变送
主、副控制器正、反作用的选择
主设定值
主控 制器
主被控 变量
例题
例1.确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压 力串级控制系统主、副控制器的正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋” 副控制器：“－” 主对象： “＋” 主控制器：“－”
例题
例2.确定下图所示加热炉出口温度与炉膛温度 串级控制系统主、副控制器的正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋” 副控制器：“－” 主对象： “＋” 主控制器：“－”
加热炉温度串级控制系统
方案2、温度-温度串级控制 出口温度为主变量 炉膛温度为副变量 能克服燃油热值等问题的影响
燃油压力较稳定的情况下，主要扰动是燃油热值的变化， 使用该串级控制系统可以得到更好的控制效果。
精馏塔温度串级控制系统
分析： 温度控制对象滞后较大， 加热蒸汽压力波动大， 控制不及时，控制质量不够理想。 解决方法： 温度-流量串级控制系统 精馏塔塔釜温度为主变量 蒸汽流量为副变量 使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响。
θr －
主调 Qr 节器 －
P
D1
再沸 器 塔底
θ
温度测量
控制方案2方框图
（3）副参数为再沸器的蒸发量（作用线3）
分析：把再沸器侧的扰动包括在 副环内（再沸器液位、塔釜温度 等），有助于改善主环的调节性 能，但副环克服蒸汽方面的扰动 要慢些。
θr －
主调 Qr 节器 － D2 副调 节器 调节 阀 流量测量 温度测量 控制方案3方框图 蒸汽管 路系统 再沸 Q 器 D1 θ