反应器串级控制系统整定
目录
1 前言 (1)
2 总体方案设计 (2)
2、1 方案比较 (2)
2、2 方案选择 (4)
3 反应器串级控制系统分析 (4)
3、1 被控变量与控制变量的选择 (4)
3、2 主、副回路的设计 (5)
3、3 主、副控制器正、反作用的选择 (6)
3、4 控制系统方框图 (7)
3、5 分析被控对象特性及控制算法的选择 (8)
4 串级控制系统的参数整定 (8)
4、1 参数整定方法 (8)
4、2 参数整定 (9)
4、3 两步法的整定步骤 (9)
5 MATLAB仿真 (11)
5、1 控制系统的MATLAB仿真 (11)
5、2 串级控制系统PID参数整定: (13)
5 结论 (16)
6 总结与体会 (17)
7 参考文献 (18)
1 前言
反应器(或称反应釜)就是化工生产中常用的典型设备,种类很多。化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异,使自控的难易程度相差很大,自控方案差别也比较大。
夹套式反应器就是一类重要的化工生产设备,由于化学反应过程伴有许多化学与物理现象以及能量、物料平衡与物料、动量、热量与物质传递等过程,因此夹套反应器操作一般都比较复杂,夹套反应器的自动控制就尤为重要,她直接关系到产品的质量、产量与安全生产。
化工生产过程通常可划分为前处理、化学反应及后处理三个工序。前处理工序为化学反应做准备,后处理工序用于分离与精制反应产物,而化学反应工序通常就是整个生产过程的关键,因此在化学反应工序中设计一套比较完善的控制系统就是很重要的。
设计夹套式反应器的控制方案应从质量指标,物料平衡与能量平衡,约束条件三个方面考虑(假设在本反应器中反应物为一般性的,无腐蚀,无爆炸的液液反应物)。
2 总体方案设计
2、1 方案比较
(1) 简单控制系统
如图所示,温度调节器TC就是根据反应器内物料的温度T与设定值的偏差进行控制,当冷却水部分出现干扰后系统并不能及时产生控制作用,克服干扰对被控参数T的影响控制质量差。但在冷却水扰动可以忽略或很小的情况下,并生产工艺对物料温度要求不就是很严格时,简单控制系统还就是可以满足要求的,如果冷却水的扰动大,而且对系统产生很大影响,则简单控制系统很难满足工艺要求。简单控制系统框图如图所示。
图2、1 反应器温度简单控制系统
图2、2 反应器物料温度简单控制系统框图
被控变量:反应器内物料的温度;
串级控制系统
习题六 1．什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答：串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。 2．串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为： (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； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3．串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是：． (1)主、副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化； (2)通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰； (3)在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近； (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而
主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。 6．如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用? 答副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为—个负反馈系统的原则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。 从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。
管式加热炉串级系统控制过控课设解析
学号1422060213 天津城建大学 过程控制课程设计 设计说明书 串级温度控制系统设计 起止日期：2017 年7 月 3 日至2017 年7 月7 日 学生姓名侯亚东 班级14自动化2班 成绩 指导教师(签字) 控制与机械工程学院 2017年7月7日
天津城建大学 课程设计任务书 2016 -2017学年第 2学期 控制与机械工程 学院 自动化专业 班级 14自动化2班 姓名 侯亚东 学号 1422060213 课程设计名称： 过程控制 设计题目： 串级温度控制系统设计 完成期限：自 2017 年 7 月 3 日至 2017 年 7 月 7 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容： 一、设计任务 管式加热炉系统，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度作为主变量，主、副对象的传递函数分别为： 2017()81 s G s e s -=+，021()(101)(201)G s s s =++ 试采用串级控制设计温度控制系统，具体要求如下： 1) 进行控制方案设计，包括调节阀的选择、控制器参数整定，给出相应的闭环系统原理图； 2) 进行仿真实验，给出系统的跟踪性能和抗干扰性能； 3）说明不同控制方案对系统的影响。 二、设计要求 采用MATLAB 仿真；需要做出以下结果： （1） 超调量 （2） 峰值时间 （3） 过渡过程时间 （4） 余差 （5） 第一个波峰值 （6） 第二个波峰值 （7） 衰减比 （8） 衰减率 （9） 振荡频率 （10）全部P 、I 、D 的参数 （11）PID 的模型 （12）设计思路 三、设计报告 课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。
夹套式反应器温度串级控制控制方案设计设计
目录 一.概述……………………………………………………………2-6页 1.1化学反应器的基本介绍…………………………………2-3页 1.2夹套式反应器的控制要求…………………………………3 页 1.3夹套式反应器的扰动变量………………………………3-4页 1.4基本动态方程式…………………………………………4-6页二．控制系统方案的确定…………………………………………6-7页三．控制系统设计…………………………………………………7-18页 3.1被控变量和控制变量的选择………………………………7-8页 3.2主、副回路的设计…………………………………………8-9页 3.3现场仪表选型………………………………………………9-12页 3.4主、副控制器正反作用选择………………………………12-13页 3.5控制系统方框图……………………………………………13页 3.6分析被控对象特性及控制算法的选择……………………13-14页 3.7控制系统整定及参数整定…………………………………14-18页四．课程设计总结……………………………………………………18页五．结束语……………………………………………………………18页六．参考文献…………………………………………………………19页
一概述 1.1 化学反应器的基本介绍 反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。 化学反应器可以按进出物料状况、流程的进行方式、结构形式、传热情况四 个方面分类： 一、按反应器进出物料状况可分为间歇式和连续式反应器 通常将半连续和间歇生产方式称为间歇生产过程。间歇式反应器是将反应物 料分次获一次加入反应器中，经过一定反应时间后取出反应中所有的物料，然后重新加料在进行反应。间歇式反应器通常适用于小批量、多品种、多功能、高附加值、技术密集型产品的生产，这类生产反应时间长活对反应过程的反应温度有严格程序要求。 连续反应器则是物料连续加入，化学反应连续不断地进行，产品不断的取出，是工业生产最常用的一种。一些大型的、基本化工产品的反应器都采用连续的形式。 二、从物料流程的进行方式可分为单程与循环两类 物料在通过反应器后不再进行循环的流程称为单程，当反应的转化率和产率都较高时，可采用单程的排列。如果反应速度较慢，祸首化学平衡的限制，物料一次通过反应器转化不完全，则必须在产品进行分离后，把没有反应的物料与新鲜物料混合后，再送送入反应器进行反应。这种流程称为循环流程。 三、从反应器结构形式可分为釜式、管式、塔式、固定床、流化床、移动床反应器等。 四、从传热情况可分为绝热式反应器和非绝热式反应器[1]。 绝热式反应器与外界不进行热量交换，非绝热式反应器与外界进行热量交换。一般当反
什么叫串级控制系统
1．什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答：串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。 2．串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为： (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； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3．串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是：． (1)主、副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化； (2)通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰； (3)在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近； (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。 5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律?
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：2 1802)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)(),/(, 1 11)(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
串级控制系统的构成投运和参数整定及控制质量研究
实验一串级控制系统的构成、投运和参数整定及控制质量 研究 一、实验目的 1、加深理解串级控制系统的工作原理及特点。 2、掌握串级控制系统的设计和组成。 3、学习相关的组态软件 4、初步掌握串级控制系统的控制器参数调整方法。 二、实验设备 1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统4套 2、A3000－CS上位控制系统4套 三、实验要求 1、根据工艺要求和工况条件，设计出合理可行的串级控制系统。 （1）要求及条件 工艺要求：下水箱液位控制在某一高度上。 对下水箱液位产生影响的扰动量：若干变量。 （2）控制方案 主被控变量c1(t)、副被控变量c2(t)及操纵变量q(t)等的选择；主控制器和副控制器控制算法的选择及正、反作用的确定等。 2、掌握串级控制系统的控制器参数整定方法和系统投运步骤。 3、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。 四、实验内容 1、液位流量串级控制系统方案及工作原理 实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副被控变量，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。 以下水箱为主被控对象。流量的改变需要经过一定时间才能反应到下水箱液位的变化，时间常数比较大（时延较大）。如图2－1所示，
图2－1 液位－流量串级控制系统 设计好下水箱和流量串级控制系统。将主控制器的输出送到副控制器的外给定输入端，而副控制器的输出去控制执行器。经反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动（即，使干扰落入串级控制系统的副回路）。若控制器的各参数设置比较理想，且扰动量较小，经过副回路的及时控制校正，基本不会影响下水箱的液位。如果扰动量较大或控制器的各参数设置不理想，虽然经过副回路的校正，还将会影响主回路的液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动的影响，使液位调回到给定值上。当用第一动力支路把扰动加在下水箱时（即，干扰落入串级控制系统的主回路），扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。该串级控制系统框图如图2-2所示。 图2－2 液位－流量串级控制系统原理方框图 2、液位流量串级控制系统组态 表2－1 液位流量串级控制系统连接示意 测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口 电磁流量计FT102 AI0 下水箱液位LT103 AI1 调节阀FV101 AO0 3、液位流量串级控制系统实验内容与步骤
串级控制系统
过程控制 实验报告实验名称：串级控制班级： 姓名： 学号：
实验二 串级控制系统 一、实验目的 1) 通过本实验，了解串级控制系统的基本结构以及主、副回路的性能特点。 2) 掌握串级控制系统的设计思想和主、副回路控制器的参数整定方法。 二、 实验原理 串级控制系统由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。控制器相串联，副控制器的输入由主控制器的输出设定。主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动系统，对二次扰动而言，副回路是恒值控制系统。 串级控制的主要优点可概括如下: 1) 由于副回路的存在，改善了对象的部分特性，使系统的工作频率提高，加快了调节过程。 2) 由于副回路的存在，串级控制系统对二次扰动具有较强的克服能力。 3) 串级控制系统提高了克服一次扰动的能力和回路参数变化的自适应能力。 串级控制系统副回路的设计原则： 1) 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动。在可能的情况下力求包含尽可能多的扰动。 2) 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。 3) 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。 4) 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。 5) 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。 串级控制系统常用的控制器参数整定方法有逐步逼近法、两步法、一步法等。 ? 逐步逼近法 1) 在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数； 2) 将副控制器的参数设置在所求的数值上，使串级控制系统主回路闭合，以求取主调节器的整定参数值； 3) 将主调节器参数设置在所求值上，再次整定副控制器的参数值。 4) 如控制品质未达到指标，返回2)继续。 三、实验内容 某系统的主、副对象传递函数分别为： 122 11 (),()301(101)(1)P P G s G s s s s = = +++
反应器串级控制系统整定
西华大学课程设计说明书 目录 1 前言 (1) 2 总体方案设计 (2) 2.1 方案比较 (2) 2.2 方案选择 (5) 3 反应器串级控制系统分析 (6) 3.1 被控变量和控制变量的选择 (6) 3.2 主、副回路的设计 (6) 3.3 主、副控制器正、反作用的选择 (8) 3.4 控制系统方框图 (8) 3.5 分析被控对象特性及控制算法的选择 (9) 4 串级控制系统的参数整定 (10) 4.1 参数整定方法 (10) 4.2 参数整定 (11) 4.3 两步法的整定步骤 (12) 5 MATLAB仿真 (14)
5.1 控制系统的MATLAB仿真 (14) 5.2 串级控制系统PID参数整定： (16) 5 结论 (20) 6 总结与体会 (21) 7 参考文献 (22) 1 前言 反应器（或称反应釜）是化工生产中常用的典型设备，种类很多。化学反应器在结构、物料流程、反应机理、传热、传质等方面存在差异，使自控的难易程度相差很大，自控方案差别也比较大。 夹套式反应器是一类重要的化工生产设备，由于化学反应过程伴有许多化学和物理现象以及能量、物料平衡和物料、动量、热量和物质传递等过程，因此夹套反应器操作一般都比较复杂，夹套反应器的自动控制就尤为重要，他直接关系到产品的质量、产量和安全生产。 化工生产过程通常可划分为前处理、化学反应及后处理三个工序。前处理工序为化学反应做准备，后处理工序用于分离和精制反应产物，而化学反应工序通常是整个生产过程的关键，因此在化学反应工序中设计一套比较完善的控制系统是很重要的。 设计夹套式反应器的控制方案应从质量指标，物料平衡和能量平衡，约束条件三个方面考虑（假设在本反应器中反应物为一般性的，无腐蚀，无爆炸的液液反应物）。
串级控制系统的原理及设计
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。
串级控制系统参数整定
实验三：串级控制系统参数整定 PID 控制器由于自身具有的相对容易理解和实现的特点而被广泛应用于过程控制工业中。 在实践中，它经常被融入一个复杂的控制结构中，以达到一个更好的控制效果。在这些复杂的控制结构中，通常利 用串级控制组合来减小干扰引起的最大偏差和积分误差。容易实现的优点和潜在的大控制性能的提高导致串级控制广泛应用达数十年。它已经成为一个由工业过程控制器提供的标准应用。 串级控制系统由两个控制回路构成：一个可以快速动态消除输入干扰的内部回路，和一个可以调节输出效果的外部 回路。通常，他们是通过一个连续的方式来整定的。首先，外部回路控制器设置为手动，对内部回路进行整定。随后， 启用内部回路的整定结果，接着整定外部回路。如果控制效果不理想，应该调换整定的顺序。所以，整定串级控制系统 是一项相当笨重耗时的任务，特别是具有大时间常数和时间延迟的系统。 PID 自整定解除了手动整定控制器的烦恼，并且已经成功的应用于很多工业领域中。但是，到目前为止，却很少有关于串 级系统自整定技术的发展的文学报道。其中，Li et al 利用模糊逻辑进行串级控制器的自整定。Hang et al. 应用一个重复的延迟自动整定方法来整定串级控制系统，延迟反馈测试被验证了两次，一次在内部回路，另一次在外部回路。虽然特 殊的控制器整定已经被自动化，但整定过程的自然顺序并没有改变。Tan 提出了一个在一个实验中实行整体整定过程的方法，但是这个实验需要过程的过去的信息。而且，外部回路设计时所用的极限频率是基于未考虑内部回路控制参数改 变的初始极限频率。这篇论文提供了串级控制系统自整定的一种新方法。通过利用串级控制系统的基本性能，在外部回 路中利用一个简单的延迟反馈测试来确定内部和外部回路过程模型参数。 一个基于Pade 系数和Markov 参数，匹配PID 控制器整定方法的模型，被提出来控制整体系统效果。两个例子来说明该方法的有效性。 2.串级控制系统的基本原理 图1 串级控制组合的结构如图1，内部回路嵌套于外部回路里，外部回路的输出变量是被控对象。控制系统由两个过程 和两个控制器组成。分别为外部回路传递函数1p G ，内部回路传递函数2p G ，外部回路控制器1c G 和内部回路控制器2c G 。 串级控制系统的两个控制器都是标准的反馈控制器。通常情况下，内部回路为一个比例控制器，当内部回路过程包 含基本时间延迟时需要用到积分作用，外部过程使内部回路增益是有限的。 为了在它影响到外部回路之前减小或消除内部回路干扰 d 2，内部回路比外部回路应该有一个更快的动态响应（工业经验法则里，至少应快5倍以上）。因此，内部闭环回路的相位滞后应该比外部回路小。这个特点就是应用串级控制的基本原理。内部回路的交叉频率比外部回路高，使内部回路控制器有更高的增益，能够在没有危及系统的稳定性的情况下
串级调节系统
实验三串级调节系统 一、实验目的 1、熟悉串级调节系统的组成，结构。 2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。 3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。 二、实验原理 串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。 1、串级控制系统的结构 如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个 调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。2、串级控制系统的名词术语： （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，主回路所包含的过程， 是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。 （4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分， 其输出控制主控参数。 （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输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。 （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等组成的闭合回路。 （9）、一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 （10）、二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。 3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点： 串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统的结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点： （1）、改善了过程的动态特性 串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。 （2）、具有较强的抗扰动能力 在串级控制系统中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则系统的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制系统由于存在副回路，只要扰动进入副回路，不等它影响到主参数的变化，通过副回路的及时调节，该扰动对主参数的影响就会大大地削弱或完全消除，从而提高了主参数的控制质量。 （3）、具有一定的自适应能力 串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统。主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。 4、主、副回路的设计 串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的调整，其设计原则为：（1）、主参数的选择和主回路的设计 串级控制系统是由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统，副回路是随动调节系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。 （2）、副参数的选择和副回路的设计 1）、副参数的选择 副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等
第四章 串级控制系统实验
要做的实验项目是：实验一单容自衡水箱液位特性测试实验实验二单容液位定值控制系统实验实验三双容（串联）水箱特性的测试实验实验四双容（串联）水箱液位定值控制系统实验实验五双容（串联）液位串级控制系统实验实验六前 馈-反馈控制系统实验 第四章串级控制系统实验 第一节串级控制系统概述 一、串级控制系统的概述 图4-1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4-1 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； f1(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，调节器输出也增加，则调节器的放大系数K c为负（即正作用调节器），反之，K c为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数K v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K0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。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。 （二）两步整定法 两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。 整定的具体步骤为： 1．在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度δ2S和振荡周期T2S。 2．将副调节器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T1S。 3．根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度δ、积分时间T I和微分时间T d的数值。 4．按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。 （三）一步整定法 由于两步整定法要寻求两个4：1的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。 具体的整定步骤为： 1．在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。 2．按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。 3．改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质指标最佳。
加热炉串级控制(参数整定)
目录 1 前言 (1) 2总体方案设计 (2) 2.1 方案比较 (2) 2.2 方案论证 (4) 2.3 任务与设计要求 (5) 3串级控制系统的参数整定 (6) 3.1 参数整定方法 (6) 3.2 参数整定 (6) 3.3 两步法的整定步骤 (7) 4 MATLAB仿真 (8) 4.1 副回路的整定 (8) 4.2.2 主回路的整定 (9) 4.2.3 整体参数整定 (9) 5 结论 (13) 6总结与体会 (14) 7参考文献 (15)
1 前言 随着我国国民经济的快速发展，加热炉的使用范围越来越广泛。而加热炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。现代加热炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为加热炉的自动化提供了有利条件。加热炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。目前，加热炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。实现加热炉自动化能够提高加热炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。 加热炉是将物料或工件加热的设备。按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。 在生产过程控制中，一些复杂环节，往往需要进行串级控制。即把两个控制器串联起来，第一个控制器的设定值是控制目标，它的输出传给第二个控制器，作为它的设定值，第二个控制器的输出作为串级控制系统的输出，送到被控系统，作为它的控制“动作”。控制系统的这种串级形式对于复杂对象的控制往往比单回路控制的效果更好。串级控制对克服被控系统的时滞之所以能收到好的效果，是因为当用两个控制器进行串级控制时,每个控制器克服时滞的负担相对减小,这就使得整个控制系统克服时滞的能力得到加强。
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。 由于副过程在一般情况下可以用一阶滞后环节来表示，如果副控制器采用比例作用，那么串级控制系统由于副回路的存在，改善了过程的动态特性，是。而等效副对象的时间常数减小，意味着对象的容量滞后减小，这会使系统的反应速度增加，控制更为及时。另一方面，由于等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率可获得提高。当主副对象都是一阶惯性环节，主副控制器均采用纯比例作用是，与简单控制系统相比，在相同衰减比的条件下，串级系统的工作频率要高于简单控制系统。 所以，串级控制系统由于副回路的存在，改善了被控对象的动态特性，是控制过程加快，从而有效地克服容量滞后、使整个系统的工作频率有所提高，进一步提高了控制质量，其主要优点表现在： ①能及时克服进入副回路的扰动影响，提高了系统抗扰动能力 与同等条件下的简单控制系统相比较，串级控制系统由于副回路的存在，能迅速克服进入副回路扰动的影响，从而大大提高了抗二次扰动的能力，抗一次扰动的能力也有所提高。这是因为当扰动进入副回路后，在他还未影响到主变量之前，首先由副变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值控制作用，及时调节操纵变量，师傅变量回复到设定值，从而是扰动对主主变量的影响减少。即副回路对扰动进行粗调，主回路对扰动进行细调。由于对进入副回路的扰动有两级控制措施，即使扰动作用影响主环，也比单回路的控制及时，因此，串级控制系统能迅速克服副回路的影响。 ②具有一定的自适应能力。 在简单控制系统中，控制器的参数是在一定的负荷、一定的操作条件下，根据该
串级控制原理与实例分析
自动化学报 AGTA AUTOMATICA SINICA 1999年 第25卷 第2期 Vol.25 No.2 1999 磁浮列车悬浮系统的串级控制1) 李云钢 常文森 摘 要 为了消除磁浮列车的轨道共振，必须设计鲁棒性较强的悬浮控制系统.将悬浮控制系统分解为电流环和悬浮子控制系统两个串行、解耦的子系统来考虑，并应用H∞控制理论设计了电流环控制器，用时域法设计了悬浮子系统的控制器，给出了所设计的控制器在一个单转向架磁浮列车上的悬浮试验结果. 关键词 磁浮列车，串级，电流环，H∞控制. CASCADE CONTROL OF AN EMS MAGLEV VEHICLE'S LEVITATION CONTROL SYSTEM LI Yungang CHANG Wensen (Depart. of Automatic Control, Changsha Institute of Technology, Changsha 410073) Abstract To eliminate guideway resonance vibration in an EMS maglev vehicle system, a robust levitation controller should be designed. This paper divides a maglev control system into two serial-connected de-coupled sub-systems:current loop sub-system and levitation subsystem. H∞control theory is applied to the design of current loop controller while the time-domain method is applied to the design of the levitation controller. Testing results of the designed controllers for a whole size single bogie EMS maglev vehicle is given. Key words EMS maglev vehicle, cascade control, current loop, H∞ control. 1 引言 常导吸力型磁浮列车的悬浮控制技术已相当成熟，特别是在结构上采用磁轮或模块等控制概念，十分巧妙地实现了多个电磁铁的悬浮控制之间的解耦，以致于由多个电磁铁共同悬浮的磁浮列车特性，主要取决于单个电磁铁(简称单铁)的控制特性.因此单铁控制系统的设计就变得十分关键了.如何使单铁控制系统有较满意的特性及较好的鲁棒性，至今仍是磁浮列车控制界比较关心的热点.特别是在我国这一工作还刚刚起步，这个问题的顺利解决将会十分有力地促进磁浮列车技术在我国的发展. 目前进行单铁的悬浮控制系统设计主要采用状态反馈法［1］.用这种方法，电磁铁的电流作为状态变量之一引入系统，和悬浮间隙以及电磁铁的加速度信号等一起起作用；因此，电流信号和其它信号之间会产生耦合，对电流的控制也不灵活、不方便.对电流信号的处理还有另一种方法，就是首先通过强电流反馈改善电磁铁的响应时间，
加热器出口水温串级控制系统解析
目录 1设计要求及分析 (1) 2被控对象分析 (2) 3系统设计过程分析 (4) 3.1方案论证 (4) 3.2 串级控制系统 (4) 3.3 测量环节 (8) 3.3.1 温度传感器 (8) 3.3.2 温度变送器 (9) 3.4 控制器 (10) 3.5 执行器 (12) 4小结 (15) 参考文献 (16)
1设计要求及分析 这次是要进行设计一个加热器出口水温控制系统，要求学习调节仪表与过程控制、传感与检测技术、单片机原理及应用、电子电路等知识。主要涉及的知识有控制理论、检测理论与方法。而主要采用的工具MATLAB、PROTEL、AUTOCAD等。 所要设计的被控对象为加热器，针对它的相关特性，和在实际应用中的工艺要求及特性，来确定控制被控对象，实现控制加热器出口水温的系统的类型。我们学过的如简单控制系统，复杂控制系统，其中包括串级控制系统、比例控制系统，均匀控制系统等。结合被控对象特性和各控制系统的适用范围去进行设计。 具体的设计任务可分为： 1、了解被控对象相关特性及工艺要求 2、设计系统实现方案 3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数 4、撰写系统调节原理及调节过程说明书
2被控对象分析 被控对象为加热器。当前国内小型加热器一般分为两种类型，电加热式和燃油加热式。用油或者电都几乎不产生灰渣，二氧化硫、二氧化碳的排放量也极少，另外占用体积小。故在小型加热器中极少采用煤、气等其它燃料方式。电加热式以电源作动力，其效率较高、运行成本比燃油加热式略低，但体积比燃油加热式大，其适宜于宾馆及住宅等有稳定市电场所的集中供热用能。而燃油加热式可以满足大功率、野外作业的要求，而不会消耗过多的能源的形式。 我选用立式盘管燃油式加热器为例，由燃油供给系统、鼓风系统、燃烧器、加热管、控制系统等组成，它的材料选择、结构设计上具有独到的特点，具有体积小、效率高、启动快和安全可靠的优点。燃油式加热器原理图如图1所示 图1 燃油加热器工作原理图 此加热器加热水的工作原理可叙述如下： 盘管加热器的受热面是一组盘管。给水从加热器的底部进入内盘管，水沿内盘管螺旋上升至加热器上部，随即进外盘管，水沿外盘管螺旋下降至加热器底部。水在内外盘
串级复杂控制系统考试试卷答案
石化公司维修公司（仪表维修工） 串级复杂控制系统考试试卷答案 （考试时间：年月日考试时长：120 分钟） 一、填空题（每空1分，满分 30分） 1.串级控制系统是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的 给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。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； 2.串级控制系统的目的在于通过改变副变量来提高对主变量的控制质量 由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主 变量的影响；系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 3.串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷 变化大、对控制质量要求较高的场合。 4.在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调节 器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器 的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差， 一般情况选取P控制规律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制，会延长控制 过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 D控制，因为副回路采用 P 控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系 统的控制 5.P控制作用的特点是保证过程的稳定性。 I控制作用的特点是保证控制过程作无差控制。 D控制作用的特点是补偿控制对象的迟延和惯性 6.过度过程要有较好的稳定性和快速性一般希望调节过程具有较大的衰减比，超调量 要小些，调节时间越短越好，又要没有余差 二、简答题（共 6 题，每题5分，满分 30 分） 1. 简述串级控制系统的投用步骤？ 参考答案： （1）将副调节器“内、外”给定置外给定，“自动、手动”放在“手动”。主调节器 “内、外”给定置内给定，“自动、手动”放在“手动”，并把“正、反”作用开 关分别放在正确位置，调节器参数分别放在预定值。 （2）用副调节器手动控制 （3）当主参数接近给定值，副参数也较平稳后，调节主调节器手动输出，使副调节 器偏差为零，将副调节器由手动切到自动。 （4）调节主调节器给定值，使主调节器偏差为零 （5）将主调节器由手动切到自动。 2.简述串级控制系统主、副控制器作用方式的选择依据？ 参考答案： （主控制器±）（副对象±）（主对象±）＝（—） 因此：当主、副变量同向变化时，主控制器应选反作用方式，反向变化则应选正作用 方式。 副控制器作用方式选择： （副控制器±）（控制阀±）（副对象±）＝（—） 3. 简述单回路控制系统的投用步骤？ 参考答案： 1. 设置好控制器正反作用和Ｐ、Ｉ、Ｄ参数。 2. 先手动控制使测量值逐步接近给定值，并保持测量值稳定 3. 按无扰动切换（指手、自动切换时阀上信号基本不变）的要求将控制器切入自动 4. 简述单回路控制系统的“4 :1衰减振荡”参数整定方法？ 参考答案： 第 1 页共3页