第四章 串级控制系统
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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》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
过程控制——串级控制系统
5
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 的输出值的偏差进行工作的调节器，其输 出直接控制调节阀动作。
6
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 程及主测量变送器组成的闭合回路。 9、一次扰动：作用在主被控过程上的，不包 括在副回路范围内的扰动。 10、二次扰动：作用在副控制过程上的，在 副回路范围内的扰动。
一、基本概念 串级控制系统——两只调节器串联起 来工作，其中一个调节器的输出作为另一 个调节器的给定值的系统。
1
加热炉温度控制系统
2
加热炉串级控制系统
3串级控制系统方框图4串级控制系统术语
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。 4、副被控过程：由副被控参数为输出的生产 过程。
7
三、串级控制系统的工业应用实例
1、聚合釜温度与夹套温度串级控制
8
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 的输出值的偏差进行工作的调节器，其输 出直接控制调节阀动作。
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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 程及主测量变送器组成的闭合回路。 9、一次扰动：作用在主被控过程上的，不包 括在副回路范围内的扰动。 10、二次扰动：作用在副控制过程上的，在 副回路范围内的扰动。
一、基本概念 串级控制系统——两只调节器串联起 来工作，其中一个调节器的输出作为另一 个调节器的给定值的系统。
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加热炉温度控制系统
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加热炉串级控制系统
3串级控制系统方框图4串级控制系统术语
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。 4、副被控过程：由副被控参数为输出的生产 过程。
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三、串级控制系统的工业应用实例
1、聚合釜温度与夹套温度串级控制
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串级控制系统
第三章串级控制系统简单控制系统由于结构简单，而得到广泛的应用，其数量占有所有控制系统总数的80% 以上，在绝大多数场合下已能满足生产要求。
但随着科技的发展，新工艺、新设备的出现，生产过程的大型化和复杂化，必然导致对操作条件的要求更加严格，变量之间的关系更加复杂。
同时，现代化生产往往对产品的质量提出更高的要求，例如甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1℃石油裂解气的生冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%等，此外，生产过程中的某些特殊要求，如物料配比、前后生产工序协调问题、为了安全而采取的软保护的问题、管理与控制一体化问题等，这些问题的解决都是简单控制系统所不能胜任的，因此，相应地就出现了复杂控制系统。
在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统统称为复杂控系统。
复杂控制系统种类较多，按其所满足的控制要求可分为两大类：以提高系统控制质量为目的的复杂控制系统，主要有串级和前馈控制系统；满足某些特定要求的控制系统，主要有比值、均匀、分程、选择性等。
本章将重点介绍串级控制系统。
串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，它对改善控制产品有独到之处。
当过程的容量之后较大，负荷或扰动变化比较剧烈、比较频繁、或是工艺对生产质量提出的要求很高，采用单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。
3.1 串级控制系统概述图3-1串级控制系统方框图3.2 串级控制系统的特点串级控制系统从总体来看，仍然是一个定制控制系统，因此主变量在扰动作用下的过渡过程和简单定制控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式。
但是串级控制系统和简单控制系统相比，在结构上增加了一个与之相连的副回路，因此具有一系列特点。
由于副回路的存在，改善了过程的动态特性提高了系统的工作频率。
串级控制系统在结构上区别于接单控制系统的主要标志是用一个闭合的副回路代替了原来的一部分被控对象。
所以，也可以把整个副回路看作是主回路的一个环节，或把副回路称为等效副对象。
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。
过程控制系统第四章 串级控制系统
4.1 串级控制基本概念
单回路控制系统解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题，在大多数 情况下，这种简单系统能满足生产工艺的要求。但是，当被控过程的时滞或扰 动量很大，或者工艺对控制质量的要求很高或很特殊时，采用单回路控制系统 就无法满足生产的要求。此外，随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、 质量，对提高生产效率、节能降耗以及环境保护提出了更高的要求，这使工业 生产过程对操作条件要求更加严格，对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系 统的精度和功能要求更高。在这样的情况下，产生了串级控制系统。
4.1 串级控制基本概念
4.1.2 串级控制系统的工作过程
加热炉串级控制系统的工作过程是：当处在稳定工况时，被加热物料的流 量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温 度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值 上，当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同的 扰动，分三种情况讨论。
4.1 串级控制基本概念
x1
主调节器
x2
副调节器
z1
z2
调节阀
f3 f2 炉 膛 y2
副测量变送器
管壁
主测量变送器
图 4-3 串级控制系统框图
f1
物料
y1
2. 被加热物料的流量和初温变化 f1 t ——一次扰动或主回路扰动
扰动 f1 t 使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服f1 t
4.1 串级控制基本概念
T1C
T1T
热物料
T2C
T2 T
热物料
加热炉
燃料
冷物料
加热炉
燃料
冷物料
a）单回路系统（控制出口温度） b）单回路系统（控制炉膛温度） 图4-l 加热炉温度控制系统
过程控制工程第四章串级控制系统
温度控制器应该是定值控制
，起主导作用。而燃烧室温
度控制器则起辅助作用 它
在克服干扰D2的同时，应
该受烧成带温度控制器的操
纵，操纵方法就是烧成带温
度控制器的输出作为燃烧室
温度控制器的设定值，从而
就形成了右图所示的串级控
制系统。
天津大学仁爱学院信息工程系
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
比较上述两个控制系统，它们各有自己的长处。第一种控制系统包
括了所有干扰，设定值第二种控制系统能对主要的和一些次要干＿
上扰提前发现，及早控制。如果能将两个控制系统结合起来，发挥
各自优势，不是两全其美吗! 另外，控制燃烧室的温度2并不是目
的，真正的目的是烧成带的
温度稳定不变，所以烧成带
副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
4.1.2 串级控制系统的组成
1．串级控制系统的方框图 根据隔焰式隧道窑串级控制系统的方框图，可得串级控
制系统标准方框图如下图所示。
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
2. 串级控制系统有关的术语
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；处于 副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副被控变量 主回路的被控交量称为主被控变量，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。 ④主、副对象 主回路所包括的对象称为主对象；副回路所包 括的对象称为副对象。 ⑤主、副检测变送器 检测和变送主变量的称为主检测变送器； 检测和变送副变量的称为副检测变送器。 ⑥一、二次干扰 进入主回路的干扰称为一次干扰；进人副 回路的干扰称为二次干扰。
实验四串级控制系统
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
①串级控制系统的投运准备 串级控制的最主要特征是一个控 制系统，两个控制回路，内回路 （副环）含在外回路（主环）之 内；有两个控制器，仅有一个执 行机构，因为主控制器是通过发 出指令来操纵副控制器，由副控 制器负责执行控制，完成控制动 作，所以，主控制器的输出作为 副控制器的设定。如何实现？-注意控制器在限号转接面板上的 连线或按钮。
液位-液位串级控制系统
(3)SP1加干扰。注意：设定值变化10%，具体向哪个方 向变化取决于当前水位的状况。
(4)给系统施加一干扰后待其稳定，需观察控制过程是 否满意。 (5)然后可将主控制器的比例度调整到50～20，每次改 变后，都要改变给设定值加扰动进行测试，观察控制过 渡过程曲线的变化—是否稳定较快，超调量较小，接近 4:1衰减震荡过程。最后确定一组最合适的参数.
(2)投运需按照“先副后主”的原则进行，先投运副控制器，再 投运主控制器。待两个液位都基本达到稳定，分别将两个控制器 的设定值与测量值（液位高度）对齐，即消除系统偏差。
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
特别注意：调整副控制器的设定值时，应该在哪里调？ (实际工业中一般是操作测量值等于设定值，在这为了加快试验速度， 才采用此法操作；)
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
①串级控制系统的投运准备 同上次实验操作，首先检查管路、阀门(闸板的高度)，设备加电， 进行信号连线，构建一个以1#控制器为主控制器，2#控制器为副 控制器，以调节阀为执行环节的串级控制系统； 启动实验软件，选择主、副控制器，全部都置于手动状态；先调 整副控制器的手动输出为50%左右，启动水泵。待系统达到平稳， 其间不要频繁调整阀的开度； 在自动控制系统投运自动前，务必要确保控制系统运行后一定是 负反馈控制，即控制作用是消弱而不是增强干扰作用的影响-根据 调节阀的作用方向，确定主、副控制器的正、反作用；由于副控 制器是先于主控制器投入工作，必须先保证副控制器单独工作时 也是负反馈（通过set键－＞PID->cont->ract/act）
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要求： 被加热物料的出口温度为定值。 控制方案一 影响因素： （1）被加热物料的流量和初温f1(t)； （2）燃料油压力的波动、流量的变化、燃料值的变化f2(t)； 被控参数： 出口温度 控制参数：燃料油流量
（3）烟囱抽力变化f3(t)；
（4）配用、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t). 缺陷：由于对象内部燃料油要经管道传输、燃烧、传热等一系列环节，总滞后较大 （15min），导致控制作用不及时，另燃料油压力变化较大且频繁，致使偏差较大。 东北大学
' K02 K02
K C 2 KV K 02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
' T02
T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
由于Km2>1，有:
' T02 T02
从以上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小，整个 系统中对象总的时间滞后近似地等于主对象的时间滞后，单回路控制系统对象总的时间 滞后要有所缩短，使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
FC
设 定 值 FT
2
蒸汽
凝液 塔底出料
进料 精 1馏 塔
TT
TC
FC
FT
最大偏差不超过 1.5 C
o
再 沸 器
2
蒸汽
凝液 塔底出料
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4.2串级控制系统的应用范围 4. 克服对象的非线性
工业过程存在非线性，负荷变化引起工作点的移动，通过调节阀的 特性补偿。由于受调节阀等各种条件的限制，仍存在较大非线性。 采用串级控制系统，能适应负荷和操作条件的变化，自动调节副调 节器的给定值，改变调节阀未知，使系统运行在新的工作点。
1 KC 2 KV K02 Km2 1 ，有 串 单
从上述公式看出，串级控制系统由于副回路改善了对象的特性，使整个系 统的工作频率得到提高，这就缩短了振荡周期，减少了过渡过程的时间。即便 是干扰作用于主对象．串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统有所改
善。
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4.1.3串级控制系统的特点
值
塔釜的温度： 被控参数 再沸器加热蒸汽：控制参数
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
TT
TC
缺点： 蒸汽流量频繁波动，温度变化以后再克服扰动， 对产品质量产生较大影响。
2
蒸汽
最大偏差达 10o C
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凝液 塔底出料
控制方案二：蒸汽流量控制系统 缺点：塔釜的温度不仅仅是受蒸汽流量影响。 其他影响因素： 进料流量、温度、成分等的干扰。 控制方案三：串级控制系统 以蒸汽流量为副参数、塔釜温度为主参 数的串级级控制系统，把蒸汽压力变化这个 主要扰动包括在副回路中，充分运用对于进 入串级副回路的扰动具有较强抑制能力的特 点。满足了生产工艺要求。
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4.1.1 串级控制系统组成
一次扰动： 二次扰动： 作用在主被控过程下的、 作用在副被控过程上的、即 而不包括在副回路范围内 包括在副回路范围内的扰动 的扰动 串级系统和单回路系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环 在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面， 被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被控量满足工艺要求。
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4.1.1 串级控制系统组成
控制方案三
串级控制
主变量：出口温度 副变量： 炉膛温度 优点： 扰动f2、f3对炉口温度的影响由T2C控制器构成的回路来克服，扰动f1、f4对炉出 口温度控制器T1C构成的控制回路来消除。 T1C和 T2C两个控制串联工作，炉出口温度由控制器T1C输出作为炉膛温度控制器 T2C的给定值，系统构成串级控制。
1. 克服被控过程较大的容量滞后
在工业生产中、 一些以温度或质量等作为被控参数的过程，往往其容量滞后 较大，控制要求又较高。若采用单回路控制系统，因容量滞后较大，控制通道的时 间常数较大，对控制作用反应迟钝而使超调量大，过度过程时间长，控制质量不能 满足要求。
采用串级控制系统，可选择一个滞后较小的辅助变量组成一个快速动作的副回 路，使等效过程的时间常数减小，加快响应速度，从而取得较好的控制质量。 对象容量滞后大，干扰情况复杂时，串级控制系统使用普遍。 例如：加热炉出口温度控制系统。
串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的抑制能力，所以，在工业 应用中只要将变化剧烈、而且幅度大的扰动包括在串级系统副回路中，就可以大大减 少其对主参数的影响。
例：某精馏塔塔釜温度的串级控制系统。
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4.2 串级控制系统的应用范围
工艺过程： 精馏塔塔釜温度由于塔釜温度是保证产品分离纯度的重要工艺指标，要求恒 定，对控制质量要求较高。 要求： 塔釜温度控制在±1.5℃范围。蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，有时从 0.5MPa突然降至0.3MPa，压力变化40％（大扰动）。 单回路存在问题： 设 定 控制方案一：简单的温度控制系统
东北大学
当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副控制器均采用比例作用时，串级 回路与单回路的工作频率之比为：
串 T01 T02 K C 2 KV K 02 K m 2T01 单 T01 T02
[1 (1 K C 2 KV K 02 K m 2 )]T01 / T02 1 T01 / T02
例：醋酸乙炔合成反应
中部温度是保证合成气质量的重要参数， 工艺要求对其进行严格控制。 工艺过程： 控制通道中包括了两个热交换器和 一个合成反应器，当混合流量发生变化 时，换热器的出口温度随负荷的减小而 明显增加，并呈明显的非线性变化。 串级控制： 主变量：中部温度； 副变量：换热器出口温度。 将具有非线性的换热器包括在副回路中， 提高控制质量。
通过理论可以证明，干扰落于副环时的抗干扰能力大于干扰落于主环时的 抗干扰能力。由于副回路的时间常数大大减小，抗一次干扰的能力也高于同 条件下的单回路控制系统。 东北大学
4.1.3串级控制系统的特点
2. 改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率
等效：将副回路看成是主回路中的一个环节，或者把副回路理解为一部分等效对象。此 时，串级控制系统的方块图可简化成上图。
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4.2 串级控制系统的应用范围 2. 克服被控过程的纯滞后
当工业过程纯滞后时间较长，应用串级控制系统来改善其控制质量，即在离调 节阀较近、纯滞后较小的地方．选择一个副参数，构成一个纯滞后较小的副回路， 把主要扰动包括在副回路中，在其影响主参数前，由副回路实现对主要扰动的及时
控制，从而提高控制质量。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后是对二次干扰而言。当干扰从主回 路进入时，这一优越性就不存在了，因为一次干扰不直接影响副变量，只有当主变 量改变以后，控制作用通过较大的纯滞后才能对主变量起控制作用。
第 4章
串级控制系统
4.1 概述
4.1.1 串级控制系统组成
4.1.2 串级控制系统的工作过程
东北大学
4.1.1 串级控制系统组成 复杂控制系统：
控制系统中采用两个以上的检测元件和变送器，或控制器，或执行器， 完成一些复杂或特殊的控制任务。
4.1.1 串级控制系统的组成
例1： 炼油厂管式加热炉温度控制系统
东北大学
求副回路的等效传递函数:
Wc 2 ( s )Wv ( s )W02 ( s ) Z 2 (s) X 2 ( s ) 1 Wc 2 ( s )Wv ( s )W02 ( s )Wm 2 ( s ) K C 2 KV
' W02 (s)
' K 02
K 02 ' T02 s 1 K 02 ' K 02 1 K C 2 KV K m 2 T02 ( s ) s 1 T02 s 1
东北大学
4.1.2 串级控制系统的工作过程
初始状态：两个控制器输出不变，控制阀稳定在某一开度。 第一种情况：燃料油流量变化（二次干扰f2）
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4.1.2 串级控制系统的工作过程
第二种情况：被加热料流量和初温变化（一次干扰f1）
第三种情况：一次干扰f1和二次干扰f2同时出现
东北大学
课堂作业：
出量为主变量。如上例中从炉膛温度控制点到炉出口温度检测点之间的工 艺生产设备及管道。
东北大学
4.1.1 串级控制系统组成
副对象： 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过程，其输入量为系统的操纵变 量，输出量为副变量。如上例中由执行器至炉膛温度检测点之间的生产过 程及工艺设备。 主控制器：按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制 器的给定值。如上例中的炉出口温度控制器T1C。 副控制器：按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器，其输 出直接控制执行器的动作。如上例中的炉膛温度控制器T 2C。 主回路： 由主测量变送器、主控制器、副回路等效环节和主对象组成的闭合回路，又 称外环或主环。 副回路： 由副测量变送器、副控制器、执行器和副对象所组成的闭合回路，又称内环 或副环。
4.1.1 串级控制系统组成
控制方案二
被控参数： 炉膛温度
方案优点： 调节通道的时间常数缩短3min，对f2 和f3具有很强的抑制作用，当燃料量和热值 出现波动时，不等到出口温度发生变化就能 提早发现并及时地进行控制，将干扰对出口温度的影响降低。 缺陷： 由于方案中没有把炉出口温度作为被控变量，当被加热物料的流量或入口温度产生 波动使炉出口温度发生变化时，系统将无法使炉出口温度再调回到给定值上。
3．对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力 对象非线性 生产负荷和操作条件改变 对象的特性 发生变化。
控制器参数却是在一定的负荷和操作条件下， 按某种质量指标整定得到的。 因此，这些控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象 特性相匹配， 如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，那么控制质量就很 难 保证。这个问题是单回路控制系统中的一个难题。 但是，在串级控制系统中情况就不同了。 虽然主回路是一个定值控制 系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主控制器 的输出而变 化的。主控制器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副控 制 器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作 条件下，控制系统 仍然具有较好的控制质量。
（3）烟囱抽力变化f3(t)；
（4）配用、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t). 缺陷：由于对象内部燃料油要经管道传输、燃烧、传热等一系列环节，总滞后较大 （15min），导致控制作用不及时，另燃料油压力变化较大且频繁，致使偏差较大。 东北大学
' K02 K02
K C 2 KV K 02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
' T02
T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
由于Km2>1，有:
' T02 T02
从以上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小，整个 系统中对象总的时间滞后近似地等于主对象的时间滞后，单回路控制系统对象总的时间 滞后要有所缩短，使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
FC
设 定 值 FT
2
蒸汽
凝液 塔底出料
进料 精 1馏 塔
TT
TC
FC
FT
最大偏差不超过 1.5 C
o
再 沸 器
2
蒸汽
凝液 塔底出料
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4.2串级控制系统的应用范围 4. 克服对象的非线性
工业过程存在非线性，负荷变化引起工作点的移动，通过调节阀的 特性补偿。由于受调节阀等各种条件的限制，仍存在较大非线性。 采用串级控制系统，能适应负荷和操作条件的变化，自动调节副调 节器的给定值，改变调节阀未知，使系统运行在新的工作点。
1 KC 2 KV K02 Km2 1 ，有 串 单
从上述公式看出，串级控制系统由于副回路改善了对象的特性，使整个系 统的工作频率得到提高，这就缩短了振荡周期，减少了过渡过程的时间。即便 是干扰作用于主对象．串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统有所改
善。
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4.1.3串级控制系统的特点
值
塔釜的温度： 被控参数 再沸器加热蒸汽：控制参数
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
TT
TC
缺点： 蒸汽流量频繁波动，温度变化以后再克服扰动， 对产品质量产生较大影响。
2
蒸汽
最大偏差达 10o C
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凝液 塔底出料
控制方案二：蒸汽流量控制系统 缺点：塔釜的温度不仅仅是受蒸汽流量影响。 其他影响因素： 进料流量、温度、成分等的干扰。 控制方案三：串级控制系统 以蒸汽流量为副参数、塔釜温度为主参 数的串级级控制系统，把蒸汽压力变化这个 主要扰动包括在副回路中，充分运用对于进 入串级副回路的扰动具有较强抑制能力的特 点。满足了生产工艺要求。
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4.1.1 串级控制系统组成
一次扰动： 二次扰动： 作用在主被控过程下的、 作用在副被控过程上的、即 而不包括在副回路范围内 包括在副回路范围内的扰动 的扰动 串级系统和单回路系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环 在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面， 被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被控量满足工艺要求。
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4.1.1 串级控制系统组成
控制方案三
串级控制
主变量：出口温度 副变量： 炉膛温度 优点： 扰动f2、f3对炉口温度的影响由T2C控制器构成的回路来克服，扰动f1、f4对炉出 口温度控制器T1C构成的控制回路来消除。 T1C和 T2C两个控制串联工作，炉出口温度由控制器T1C输出作为炉膛温度控制器 T2C的给定值，系统构成串级控制。
1. 克服被控过程较大的容量滞后
在工业生产中、 一些以温度或质量等作为被控参数的过程，往往其容量滞后 较大，控制要求又较高。若采用单回路控制系统，因容量滞后较大，控制通道的时 间常数较大，对控制作用反应迟钝而使超调量大，过度过程时间长，控制质量不能 满足要求。
采用串级控制系统，可选择一个滞后较小的辅助变量组成一个快速动作的副回 路，使等效过程的时间常数减小，加快响应速度，从而取得较好的控制质量。 对象容量滞后大，干扰情况复杂时，串级控制系统使用普遍。 例如：加热炉出口温度控制系统。
串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的抑制能力，所以，在工业 应用中只要将变化剧烈、而且幅度大的扰动包括在串级系统副回路中，就可以大大减 少其对主参数的影响。
例：某精馏塔塔釜温度的串级控制系统。
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4.2 串级控制系统的应用范围
工艺过程： 精馏塔塔釜温度由于塔釜温度是保证产品分离纯度的重要工艺指标，要求恒 定，对控制质量要求较高。 要求： 塔釜温度控制在±1.5℃范围。蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，有时从 0.5MPa突然降至0.3MPa，压力变化40％（大扰动）。 单回路存在问题： 设 定 控制方案一：简单的温度控制系统
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当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副控制器均采用比例作用时，串级 回路与单回路的工作频率之比为：
串 T01 T02 K C 2 KV K 02 K m 2T01 单 T01 T02
[1 (1 K C 2 KV K 02 K m 2 )]T01 / T02 1 T01 / T02
例：醋酸乙炔合成反应
中部温度是保证合成气质量的重要参数， 工艺要求对其进行严格控制。 工艺过程： 控制通道中包括了两个热交换器和 一个合成反应器，当混合流量发生变化 时，换热器的出口温度随负荷的减小而 明显增加，并呈明显的非线性变化。 串级控制： 主变量：中部温度； 副变量：换热器出口温度。 将具有非线性的换热器包括在副回路中， 提高控制质量。
通过理论可以证明，干扰落于副环时的抗干扰能力大于干扰落于主环时的 抗干扰能力。由于副回路的时间常数大大减小，抗一次干扰的能力也高于同 条件下的单回路控制系统。 东北大学
4.1.3串级控制系统的特点
2. 改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率
等效：将副回路看成是主回路中的一个环节，或者把副回路理解为一部分等效对象。此 时，串级控制系统的方块图可简化成上图。
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4.2 串级控制系统的应用范围 2. 克服被控过程的纯滞后
当工业过程纯滞后时间较长，应用串级控制系统来改善其控制质量，即在离调 节阀较近、纯滞后较小的地方．选择一个副参数，构成一个纯滞后较小的副回路， 把主要扰动包括在副回路中，在其影响主参数前，由副回路实现对主要扰动的及时
控制，从而提高控制质量。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后是对二次干扰而言。当干扰从主回 路进入时，这一优越性就不存在了，因为一次干扰不直接影响副变量，只有当主变 量改变以后，控制作用通过较大的纯滞后才能对主变量起控制作用。
第 4章
串级控制系统
4.1 概述
4.1.1 串级控制系统组成
4.1.2 串级控制系统的工作过程
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4.1.1 串级控制系统组成 复杂控制系统：
控制系统中采用两个以上的检测元件和变送器，或控制器，或执行器， 完成一些复杂或特殊的控制任务。
4.1.1 串级控制系统的组成
例1： 炼油厂管式加热炉温度控制系统
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求副回路的等效传递函数:
Wc 2 ( s )Wv ( s )W02 ( s ) Z 2 (s) X 2 ( s ) 1 Wc 2 ( s )Wv ( s )W02 ( s )Wm 2 ( s ) K C 2 KV
' W02 (s)
' K 02
K 02 ' T02 s 1 K 02 ' K 02 1 K C 2 KV K m 2 T02 ( s ) s 1 T02 s 1
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4.1.2 串级控制系统的工作过程
初始状态：两个控制器输出不变，控制阀稳定在某一开度。 第一种情况：燃料油流量变化（二次干扰f2）
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4.1.2 串级控制系统的工作过程
第二种情况：被加热料流量和初温变化（一次干扰f1）
第三种情况：一次干扰f1和二次干扰f2同时出现
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课堂作业：
出量为主变量。如上例中从炉膛温度控制点到炉出口温度检测点之间的工 艺生产设备及管道。
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4.1.1 串级控制系统组成
副对象： 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过程，其输入量为系统的操纵变 量，输出量为副变量。如上例中由执行器至炉膛温度检测点之间的生产过 程及工艺设备。 主控制器：按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制 器的给定值。如上例中的炉出口温度控制器T1C。 副控制器：按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器，其输 出直接控制执行器的动作。如上例中的炉膛温度控制器T 2C。 主回路： 由主测量变送器、主控制器、副回路等效环节和主对象组成的闭合回路，又 称外环或主环。 副回路： 由副测量变送器、副控制器、执行器和副对象所组成的闭合回路，又称内环 或副环。
4.1.1 串级控制系统组成
控制方案二
被控参数： 炉膛温度
方案优点： 调节通道的时间常数缩短3min，对f2 和f3具有很强的抑制作用，当燃料量和热值 出现波动时，不等到出口温度发生变化就能 提早发现并及时地进行控制，将干扰对出口温度的影响降低。 缺陷： 由于方案中没有把炉出口温度作为被控变量，当被加热物料的流量或入口温度产生 波动使炉出口温度发生变化时，系统将无法使炉出口温度再调回到给定值上。
3．对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力 对象非线性 生产负荷和操作条件改变 对象的特性 发生变化。
控制器参数却是在一定的负荷和操作条件下， 按某种质量指标整定得到的。 因此，这些控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象 特性相匹配， 如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，那么控制质量就很 难 保证。这个问题是单回路控制系统中的一个难题。 但是，在串级控制系统中情况就不同了。 虽然主回路是一个定值控制 系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主控制器 的输出而变 化的。主控制器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副控 制 器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作 条件下，控制系统 仍然具有较好的控制质量。