(精选)串级控制系统与比值控制系统完美
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化工自动化及仪表第八章复杂控制系统 第一节串级控制系统
图8-4 加热炉温度串级控制系统方块图
图8-5
副回路（副控制系统）
串级
控制 系统 组成 原理 及术
主设 定值
主控 制器
副设 定值
副控 制器
干扰
操纵
变量
副被控
变量
执行器 副对象
-
-
副测量值
副测量、变送
语
主测量值
主测量、变送
(1) 组成原理
①将原被控对象分解为两个串联的被控对象。
干扰 主对象
主被控 变量
TC
TT
PC
PT
燃料油 气开阀
被加热原料
T 出口温度
解答：
(1)阀的气开、气关特性
依据安全原则，当供气中断时，应使控制阀处于 全关闭状态，不致烧坏加热炉，所以应选气开阀
TC燃料油 气开阀
被加热原料
T 出口温度
(2)控制器的正、反作用
副控 制器
因为：P ys e
P 燃料量 阀开度 u
根据系统的结构和所担负的任务来分：串级、均
匀、比值、分程、选择性、前馈、多冲量等
本章研究内容：
8.1 串级控制系统 8.2 均匀控制系统 8.3 比值控制系统 8.4 分程控制系统 8.6 前馈控制系统
8.1 串级控制系统
复杂控制系统中用的最多的一种。
适用场合：当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、
频繁，采用简单控制质量较差，或要求被控变量 的误差范围很小，简单控制系统不能工艺满足要 求。
人们研究出了一种不需要增加太多的仪表就可以 使被控变量达到较高的控制精度的方法——串级控制 系统。
串级控制系统的思想：
把时间常数较大的被控对象分解为两 个时间常数较小的被控对象。
串级控制系统与比值控制系统
串级控制系统的应用场景
化工生产过程
在化工生产中，常常需要对多个物料进行精确的流量控制 和比例控制，串级控制系统可以很好地满足这些需求。
电力控制系统
在电力控制系统中，需要对发电机的输出电压和频率进行 精确控制，以保证电力系统的稳定运行，串级控制系统可 以应用于此场景。
航空航天领域
在航空航天领域中，需要对多个发动机参数进行精确控制， 以确保飞行的安全和稳定性，串级控制系统也得到了广泛 应用。
比值控制系统的应用场景
总结词
比值控制系统广泛应用于化工、制药、食品、造纸等行业，尤其在需要多种原料按比例混合的生产过程中。
详细描述
比值控制系统适用于化工生产中的反应器进料控制、制药行业中的配料控制、食品加工中的原料混合以及造纸工 业中的浆料配比等场景。在这些生产过程中，需要精确控制各种原料的比例，以确保产品质量和生产的稳定性。 比值控制系统能够根据实际生产需求进行灵活配置，满足不同工艺流程的控制要求。
比值控制系统
广泛应用于化工、食品、制药等行业 的物料配比、混合和输送过程。
优缺点比较
串级控制系统 优点：控制精度高，抗干扰能力强， 对被控对象的变化有较强的适应性。
缺点：系统复杂，设计和调试难度较 大，对控制器的参数调整要求较高。
比值控制系统
优点：结构简单，操作方便，能够保持物料的 比例关系，适用于多种物料的配比和混合。
意义
串级控制和比值控制是工业生产中非常重要的控制方式，通过对这两种控制系 统的研究，可以更好地理解工业控制系统的设计和应用，提高生产效率和产品 质量，促进工业的可持续发展。
PART 02
串级控制系统
串级控系统的定义
串级控制系统是由两个或更多的 控制器串联在一起组成的控制系
串级控制系统.ppt
图2.1-5 干扰进入主回路串级调节系统方框图
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
LOGO
2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。
2.1.1串级控制系统基本概念
当空气流量受干扰作用增加时，造成氧化 炉温度增加，温度调节器（反作用）输出 减小，也就是流量调节器（反作用）的给 定值减小，这样流量调节器输出到氨气流 量调节阀的信号减小，从而使进入氧化炉 的氨气量减小，使氧化炉的温度减小回复 到设定值。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖温度单回路调节系统 最大偏差为10℃（手动时最大偏差20～30 ℃），偏差较大的原因是，温度单回路调 节系统虽 包括了全部扰动，但调节通道滞 后大，对于氨气总管压力和流量的频繁变 化，不能及时克服。
2.1.1串级控制系统基本概念
❖氨气流量调节系统 工艺提供氨气流量变化1%，氧化炉温度变 化64 ℃，设计氨气流量调节系统能迅速克 服氨气流量的干扰，这样把氨气流量变化 克服在影响反应温度前，偏差仍达8 ℃ 。 这是因为氧化炉还存在其他干扰：如空气 量，触煤老化等问题。
第二章 复杂控制系统
常见的复杂控制系统分为两大类：
提高响应曲线性能指标的控制系统：串级、 前馈、纯滞后补偿等；
按某些特定要求开发的系统：比值、均匀、 分程、选择、推断等；
2.1串级控制系统
LOGO
2.1 串级控制系统
串级控制系统
主要内容
串级控制系 统基本概念
串级控制 系统分析
串级控制 系统设计
2.1.1串级控制系统基本概念
❖串级调节系统（温度为主参数） 由温度调节器决定氨气的需要量，氨气的 需要量是由流量调节系统来决定的，即流 量调节器的给定值由温度调节器的需要来 决定：（ⅰ）变还是不变 （ⅱ）变化多少 （ⅲ）朝哪个方向变。因此出现了反应温 度信号自动地校正流量调节器给定值的方 案，即串级调节系统（如图2.1-2所示） 。
串级控制系统课件
C2 V mT C1
Gmp ( + )
GPP ( + ) G PT ( + ) → P ↑ → T ↑
f2
f1
设：反向干扰， f1 → T↓; f2 → P↑ 反向干扰， 动作过程
GmP ( + ) GC 2 ( + ) GV ( − ) 副：P ↑ → e 2 ↑ u2 ↑ q ↓ → → → P →T GmT ( + ) GC ( − ) 主：T ↓ → e1 ↓ u1 ↑→ e 2 ↓→ q ↑ →
等效副对象传递函数： 等效副对象传递函数：
( s) P2 G ′ ( s) = P2 1 + G ( s )G ( s )G ( s )G P2 m2 c2 v( s) G
①提高系统的工作频率----时间常数 提高系统的工作频率 时间常数
令：GC2 = KC2, GV = KV, Gm2 = Km2， 代入前式： 代入前式： K P 2 (TP 2 s + 1)
a.串级控制系统工作频率 串级控制系统工作频率
串级控制等效方框图
由等效方框图， 由等效方框图，得串级控制系统传递函数为
′ GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s ) G( s) = ′ 1 + GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s )Gm 1
2.1.2 精馏塔塔釜温度串级控制动作分析
1）系统设定 方块图
(-) (+) (-) (+) (+)
(+)
(+)
设定元件作用方式： 设定元件作用方式： 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－）
Gmp ( + )
GPP ( + ) G PT ( + ) → P ↑ → T ↑
f2
f1
设：反向干扰， f1 → T↓; f2 → P↑ 反向干扰， 动作过程
GmP ( + ) GC 2 ( + ) GV ( − ) 副：P ↑ → e 2 ↑ u2 ↑ q ↓ → → → P →T GmT ( + ) GC ( − ) 主：T ↓ → e1 ↓ u1 ↑→ e 2 ↓→ q ↑ →
等效副对象传递函数： 等效副对象传递函数：
( s) P2 G ′ ( s) = P2 1 + G ( s )G ( s )G ( s )G P2 m2 c2 v( s) G
①提高系统的工作频率----时间常数 提高系统的工作频率 时间常数
令：GC2 = KC2, GV = KV, Gm2 = Km2， 代入前式： 代入前式： K P 2 (TP 2 s + 1)
a.串级控制系统工作频率 串级控制系统工作频率
串级控制等效方框图
由等效方框图， 由等效方框图，得串级控制系统传递函数为
′ GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s ) G( s) = ′ 1 + GP 1 ( s )GP 2 ( s )GV ( s )GC 2 ( s )GC 1 ( s )Gm 1
2.1.2 精馏塔塔釜温度串级控制动作分析
1）系统设定 方块图
(-) (+) (-) (+) (+)
(+)
(+)
设定元件作用方式： 设定元件作用方式： 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－） 调节阀门：气关阀（－） 温度控制器：副作用（－）
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。
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。
第五章 串级控制系统
y
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。
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。
串级控制系统资料
(1)只存在二次干扰 (2)只存在一次干扰 (3)一次干扰和二次干扰同时存在
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程 (1)只存在二次干扰—燃料压力波动
燃料压力升高 燃料的流量增大 燃烧室温度2升高
副控制器接受的测量值增大 副温度检测变送器
D2
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀 燃烧室 θ2 隔焰板
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的术语
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； ✓于副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副变量 ✓主回路的被控变量称为主被控变量，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
第6章 串级控制系统
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; 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。
6.1 串级控制系统的基本概念
简单控制系统（单回路系统）：
R(s)
—
Gc(s)
(S)
K C2 K V K O2
1 + KC2KVKO2KM2
KO2 '
1＋（1＋K
TO2 C2K V K
m2K
O2
)
S
1+ TO2 'S
6.2 串级控制系统的分析
由于在任何情况下：
1＋KC2KVKO2Km2>1
TO2’<TO2
等效对象的时间常数缩小了，加快了副环的响应 速度，提高了系统的工作频率。
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程 (1)只存在二次干扰—燃料压力波动
燃料压力升高 燃料的流量增大 燃烧室温度2升高
副控制器接受的测量值增大 副温度检测变送器
D2
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀 燃烧室 θ2 隔焰板
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的术语
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； ✓于副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副变量 ✓主回路的被控变量称为主被控变量，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
第6章 串级控制系统
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; 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。
6.1 串级控制系统的基本概念
简单控制系统（单回路系统）：
R(s)
—
Gc(s)
(S)
K C2 K V K O2
1 + KC2KVKO2KM2
KO2 '
1＋（1＋K
TO2 C2K V K
m2K
O2
)
S
1+ TO2 'S
6.2 串级控制系统的分析
由于在任何情况下：
1＋KC2KVKO2Km2>1
TO2’<TO2
等效对象的时间常数缩小了，加快了副环的响应 速度，提高了系统的工作频率。
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11
串级控制系统的组成及工作过程
副回路
随动控 制系统
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
一般串级控制系统
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成． 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
16
3) 副回路的引入对系统负荷变化的影响
对于内环等效对象的增益
等效副对象 Gp2'(s)
R2(S) －
Gc2(s)
Gv(s)
Gm2(s)
Gp2(s)
Y2(s)
K p 2 ' 1 K K C C 2 2 K K v v K K p p 2 2 K m 2K C K 2 C K 2 v K K vK p2K p2 m 2K 1 m 2
－
Gc1 (s) R2(S) Gv(s)
D2(s)
Gd2(s)
Gp2(s)
Gp1(s)
Y1(s)
Gm1(s) 单回路控制系统方框图
Y 1(s)
G d2(s)G p1(s)
D 2(s)单 1G c1(s)G v(s)G p1(s)G p2(s)G m 1(s)
结论: 串级控制系统的结构使二次扰动对主控参数的动态增益
结论: 当副回路增益足够大时, 使主回路的特性基本上和副 对象, 调节阀的增益无关(系统的“鲁棒性”强).
反应器的温度串级控制方案
6
θ1r
主调节器
环路2
副调节器 调节阀
D2 夹套 θ2 槽壁
D1 反应槽 θ1
温度测量 温度测量
环路1
7
例5-2 精馏塔提馏段的温度控制 1) 生产过程 2) 控制系统方框图 3) 缺点
精馏塔提馏段温度控制方案
D2(蒸汽压力)
D1(液相加料方面)
θr
调节器 调节阀
蒸汽管路 Q 再沸器
R(s)
一个输入信号，一个输出信
—
号，一个调节器，组成一个
闭环．
Gc(s)
Gv(s)
Y(s) G(s)
Gm(s)
单回路控制系统方框图
2) 单回路控制系统的不足
① 对象的动态特性使其难以进行控制，同时对调节质量要求较高．
如：τ/T>1
② 控制任务特殊
③ 生产过程的发展,对操作条件要求更加严格, 参数间关系更加复杂,
2) 控制系统方框图 3) 缺点
夹套 反应器温度控制系统
D2
D1
θ1r
调节器 调节阀
夹套 θ2 槽壁
反应槽 θ1
－ 三个热容积
温度测量
物料方面扰动D1: 流量,入口温度,化学成分
冷却水扰动D2: 入口温度, 阀前压力 5
采用串级控制 特点: 两个调节器串在一 起工作, 调节器θC2通过调节冷却剂 量以克服冷却水方面的扰动; 调节器θC1 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.
Gc1(s)
Gc2(s)
－
Gv(s) Gm2(s)
Gd2(s) Gp2(s)
Gp1(s) Y1(s)
Y2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y 1(s)
G d2(s)G p 1(s)
D 2(s) 1G c2 G vG p2 G m 2G c1 G m 1 G p 1 G c2 G vG p2
14
R1(S)
对控制精度和功能有许多新的要求
在单回路的基础上, 采取其他措施, 组成复杂控制系统(多回路系统)
3
第五章 串级控制系统与比例控制系统
4
§5-1 串级控制系统的概念
定义: 在多回路控制系统中,有 两个被控过程,两套测量变送装 置, 两台控制器和一个调节阀 构成的双闭环系统．
槽壁
例5-1 连续槽反应器温度控制 1) 生产过程(扰动)
Gp2(s)
Kp2 ; Tp2s1
Gv(s)Kv;
Gm1(s)
Gc2(s)Kc2; Tp2'=Tp2/(1+Kc2KvKm2Kp2)
Gm2(s)Km2
G'p2(s)YR22((ss))
Kc2KvKp2 (1Kc2KvKm2Kp2) 1Tp2s #39;s
结论: 引入副回路, 使等效副对象时间常数减小, 快速性得到改善, 调节速度加快, 使迟延大的问题得到了改善.
θ 塔底
温度测量
8
两种改进方案：
(1) 附加蒸汽压力控制方案
缺点：
不经济, 增加了管道的压力 损失
把蒸汽压力的干扰 克服在入塔前,提高 了温度调节品质,但 需增加一个调节阀, 且增加了蒸汽管路 的压力损失,经济上 不合理.
附加蒸汽压力控制方案
9
(2) 串级控制方案
θC2控制流量稳定， θC1控制温度稳定。
12
串级控制系统中的名词:
主变量: 工艺控制指标,在串级控制系统中起主导作用的被控变量. 副变量: 串级控制系统中为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量.
主对象: 为主变量表征其特性的生产设备。 副对象:为副变量表征其特性的工艺生产设备。
主控制器: 按主变量的测量值与给定值而工作, 其输出作为副变量给定值 的那个控制器，称为主控制器。
优点: 有效地克服蒸汽 压力波动对温度θ的影 响。
D2
D1
θr
主调 Qr 副调 调节
节器
节器 阀
蒸汽管 Q 再沸
路系统
器
θ 塔底
－
－
流量自稳定系统
流量测量
温度控制系统 温度测量
10
例5-3 炼油厂管式加热炉温度控制 (略) 1) 生产过程 2) 控制系统方框图 3) 缺点
串级控制使用特点: 被控过程延迟较大
明显减小, 二次扰动出现后, 很快就被副调节器克服, 与单回路
控制系统相比, 被调量受二次扰动的影响可以减小10~100倍.
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2) 副回路的引入对被控对象响应速度的影响
Gp2'(s)
R1(S)
_
R2(S)
Gc1(s)
Gc2(s)
－
Gv(s) Gm2(s)
D2(s) Gp2(s)
等效副对象 Y2(s) Gp1(s) Y1(s)
副控制器:其给定值来在主控制器的输出, 并按副变量的测量值与给定值 的偏差而工作的那个控制器称为副控制器。
一次干扰: 进入主回路的干扰称为一次干扰 二次干扰: 进入副回路的干扰称为二次干扰
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§5-2 串级控制系统的分析及特点
1) 副回路的引入对二次扰动的影响
Gp2'(s)
D2(s)
R1(S)
－
R2(S)
第二篇 复杂控制系统
1
基本要求: 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; 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。 了解比值控制系统的几种控制方案 掌握比值系数的计算
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1) 单回路控制系统的组成
串级控制系统的组成及工作过程
副回路
随动控 制系统
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
一般串级控制系统
1) 在结构上，串级控制系统由两个闭环组成． 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
16
3) 副回路的引入对系统负荷变化的影响
对于内环等效对象的增益
等效副对象 Gp2'(s)
R2(S) －
Gc2(s)
Gv(s)
Gm2(s)
Gp2(s)
Y2(s)
K p 2 ' 1 K K C C 2 2 K K v v K K p p 2 2 K m 2K C K 2 C K 2 v K K vK p2K p2 m 2K 1 m 2
－
Gc1 (s) R2(S) Gv(s)
D2(s)
Gd2(s)
Gp2(s)
Gp1(s)
Y1(s)
Gm1(s) 单回路控制系统方框图
Y 1(s)
G d2(s)G p1(s)
D 2(s)单 1G c1(s)G v(s)G p1(s)G p2(s)G m 1(s)
结论: 串级控制系统的结构使二次扰动对主控参数的动态增益
结论: 当副回路增益足够大时, 使主回路的特性基本上和副 对象, 调节阀的增益无关(系统的“鲁棒性”强).
反应器的温度串级控制方案
6
θ1r
主调节器
环路2
副调节器 调节阀
D2 夹套 θ2 槽壁
D1 反应槽 θ1
温度测量 温度测量
环路1
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例5-2 精馏塔提馏段的温度控制 1) 生产过程 2) 控制系统方框图 3) 缺点
精馏塔提馏段温度控制方案
D2(蒸汽压力)
D1(液相加料方面)
θr
调节器 调节阀
蒸汽管路 Q 再沸器
R(s)
一个输入信号，一个输出信
—
号，一个调节器，组成一个
闭环．
Gc(s)
Gv(s)
Y(s) G(s)
Gm(s)
单回路控制系统方框图
2) 单回路控制系统的不足
① 对象的动态特性使其难以进行控制，同时对调节质量要求较高．
如：τ/T>1
② 控制任务特殊
③ 生产过程的发展,对操作条件要求更加严格, 参数间关系更加复杂,
2) 控制系统方框图 3) 缺点
夹套 反应器温度控制系统
D2
D1
θ1r
调节器 调节阀
夹套 θ2 槽壁
反应槽 θ1
－ 三个热容积
温度测量
物料方面扰动D1: 流量,入口温度,化学成分
冷却水扰动D2: 入口温度, 阀前压力 5
采用串级控制 特点: 两个调节器串在一 起工作, 调节器θC2通过调节冷却剂 量以克服冷却水方面的扰动; 调节器θC1 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.
Gc1(s)
Gc2(s)
－
Gv(s) Gm2(s)
Gd2(s) Gp2(s)
Gp1(s) Y1(s)
Y2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y 1(s)
G d2(s)G p 1(s)
D 2(s) 1G c2 G vG p2 G m 2G c1 G m 1 G p 1 G c2 G vG p2
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R1(S)
对控制精度和功能有许多新的要求
在单回路的基础上, 采取其他措施, 组成复杂控制系统(多回路系统)
3
第五章 串级控制系统与比例控制系统
4
§5-1 串级控制系统的概念
定义: 在多回路控制系统中,有 两个被控过程,两套测量变送装 置, 两台控制器和一个调节阀 构成的双闭环系统．
槽壁
例5-1 连续槽反应器温度控制 1) 生产过程(扰动)
Gp2(s)
Kp2 ; Tp2s1
Gv(s)Kv;
Gm1(s)
Gc2(s)Kc2; Tp2'=Tp2/(1+Kc2KvKm2Kp2)
Gm2(s)Km2
G'p2(s)YR22((ss))
Kc2KvKp2 (1Kc2KvKm2Kp2) 1Tp2s #39;s
结论: 引入副回路, 使等效副对象时间常数减小, 快速性得到改善, 调节速度加快, 使迟延大的问题得到了改善.
θ 塔底
温度测量
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两种改进方案：
(1) 附加蒸汽压力控制方案
缺点：
不经济, 增加了管道的压力 损失
把蒸汽压力的干扰 克服在入塔前,提高 了温度调节品质,但 需增加一个调节阀, 且增加了蒸汽管路 的压力损失,经济上 不合理.
附加蒸汽压力控制方案
9
(2) 串级控制方案
θC2控制流量稳定， θC1控制温度稳定。
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串级控制系统中的名词:
主变量: 工艺控制指标,在串级控制系统中起主导作用的被控变量. 副变量: 串级控制系统中为稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量.
主对象: 为主变量表征其特性的生产设备。 副对象:为副变量表征其特性的工艺生产设备。
主控制器: 按主变量的测量值与给定值而工作, 其输出作为副变量给定值 的那个控制器，称为主控制器。
优点: 有效地克服蒸汽 压力波动对温度θ的影 响。
D2
D1
θr
主调 Qr 副调 调节
节器
节器 阀
蒸汽管 Q 再沸
路系统
器
θ 塔底
－
－
流量自稳定系统
流量测量
温度控制系统 温度测量
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例5-3 炼油厂管式加热炉温度控制 (略) 1) 生产过程 2) 控制系统方框图 3) 缺点
串级控制使用特点: 被控过程延迟较大
明显减小, 二次扰动出现后, 很快就被副调节器克服, 与单回路
控制系统相比, 被调量受二次扰动的影响可以减小10~100倍.
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2) 副回路的引入对被控对象响应速度的影响
Gp2'(s)
R1(S)
_
R2(S)
Gc1(s)
Gc2(s)
－
Gv(s) Gm2(s)
D2(s) Gp2(s)
等效副对象 Y2(s) Gp1(s) Y1(s)
副控制器:其给定值来在主控制器的输出, 并按副变量的测量值与给定值 的偏差而工作的那个控制器称为副控制器。
一次干扰: 进入主回路的干扰称为一次干扰 二次干扰: 进入副回路的干扰称为二次干扰
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§5-2 串级控制系统的分析及特点
1) 副回路的引入对二次扰动的影响
Gp2'(s)
D2(s)
R1(S)
－
R2(S)
第二篇 复杂控制系统
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基本要求: 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; 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。 了解比值控制系统的几种控制方案 掌握比值系数的计算
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1) 单回路控制系统的组成