串级控制系统

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。

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。

宋彤《过程控制工程》3串级控制系统串级控制系统是由两个或多个控制回路组成的控制系统，每个回路的输出作为下一个回路的输入。

串级控制系统能够提高系统的稳定性、动态性能和鲁棒性，适用于对模型精度要求较高、系统复杂的工控系统中。

串级控制系统一般由两个控制回路组成，分别是主回路和辅助回路。

主回路负责控制系统主要参数，如流量、温度、压力等；辅助回路通过控制主回路的动态特性，在主回路的基础上进一步改善控制性能，如提高系统的响应速度、稳定性等。

在串级控制系统中，主回路的控制器根据参考信号和测量信号来生成控制信号，经过执行机构执行，进而控制被控对象；辅助回路的控制器则根据主回路的输出信号作为输入，调节辅助回路的控制参数，进一步改善主回路的控制性能。

串级控制系统的优势主要体现在以下几个方面：1.提高系统的稳定性：通过辅助回路的控制策略调整主回路的参数，能够降低系统的闭环增益，提高系统的稳定裕度，减小扰动对系统的影响。

2.提高系统的动态性能：辅助回路可以以较高的控制带宽对主回路进行补偿，改善系统的响应速度和抗干扰能力，使系统对于快速变化的被控对象能够更好地进行控制。

3.提供鲁棒性：串级控制系统能够对被控对象参数的变化、扰动的影响具有一定的鲁棒性，使得系统能够在不确定因素的作用下保持良好的控制性能。

4.降低系统的非线性：通过辅助回路的控制策略对主回路进行非线性补偿，可以有效降低系统的非线性，提高系统的线性度和控制准确性。

然而，串级控制系统也存在一些挑战和问题。

首先，串级控制系统的设计和参数调节相对较为复杂，需要对系统的动态特性和模型进行精确的建模和分析。

其次，辅助回路的参数设置和控制策略需要合理选择，否则可能会引入不稳定性或者过度补偿等问题。

此外，辅助回路和主回路之间的耦合效应也需要进行充分的考虑和分析。

总之，串级控制系统作为一种常用的控制策略，可以提高控制系统的稳定性、动态性能和鲁棒性，适用于对系统精度要求较高、系统复杂的工控系统中。

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。