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第6章 串级控制系统

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过程控制李国勇著第6章串级控制系统

过程控制李国勇著第6章串级控制系统

D2
燃料
D3
33
• 一次扰动D3使TT1↑,同时二次扰动D2使TT2↓→TT1↓， 作用影响控制输出朝相反方向变化 • 二次扰动D2使TT2↓→TC2↑(反作用)→V↑ • 一次扰动D3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓ V↓ • 作用结果：一次扰动D3， 二次扰动D2→V↑↓ sp
TC2 TC1
第6章 串级控制系统
目 录
6.1 串级控制系统的基本概念 6.2 串级控制系统的分析 6.3 串级控制系统的设计 6.4 串级控制系统的整定 6.5 串级控制系统的投运 6.6 利用MATLAB对串级控制系统进行仿真 本章小结
1
• 最简单的控制系统——单回路控制系统
• 系统中只用了一个调节器，调节器的设定值 一般是内给定的。
压力给定
12
温度-压力串级控制系统框图
13
系统结构特点：
• 被控对象分成两部分，对象1和对象2。 • 调节器1输出作为调节器2给定值。 • 1个执行器完成调节。
• 压力回路克服D1(t)保证流量稳定且快速跟随调节器1的给定值(随动控制)。 • 温度回路实现温度设定控制(定值控制)。
温度-压力串级控制系统
6
简单控制系统方框图：
影响烧成带温度l的各种干扰因素都被包括在控 制回路当中，只要干扰造成l偏离设定值，控制器就 会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从 而把变化了的l 重新调回到设定值。
7
sp
TC TT
• 影响控制质量因素：
• 1 被控对象特性； • 对象特性-多环节大惯性对象
V
Y2(S)
D1
-
GC1(S)
-
GC2(S)
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)

电大机电一体化系统设计习题汇总(知识点复习考点归纳总结参考)

电大机电一体化系统设计习题汇总(知识点复习考点归纳总结参考)

机电一体化系统设计习题汇总第一章：概论1.关于机电一体化的涵义，虽然有多种解释，但都有一个共同点。

这个共同点是什么?2.机电一体化突出的特点是什么?重要的实质是什么？3.为什么说微电子技术不能单独在机械领域内获得更大的经济效益?4.机电—体化对我国机械工业的发展有何重要意义?5.试列举20种常见的机电一体化产品。

6.试分析CNC机床和工业机器人的基本结构要素，并与人体五大要素进行对比，指出各自的特点。

7.机电一体化产品各基本结构要素及所涉及的技术的发展方向。

8.机电一体化设计与传统设计的主要区别是什么?9.试举例说明常见的、分别属于开发性设计、适应性设计和变异性设计的情况。

10.为什么产品功能越多，操作性越差?为何产品应向“傻瓜化”方向发展?11.试结合产品的一般性设计原则，分析和理解按“有限寿命”设计产品的目的和意义。

第二章：机械系统设计1. 机电一体化产品对机械系统的要求有哪些?2. 机电一体化机械系统由哪几部分机构组成，对各部分的要求是什么?3. 常用的传动机构有哪些，各有何特点？4. 齿轮传动机构为何要消除齿侧间隙?5. 滚珠丝杠副轴向间隙对传动有何影响?采用什么方法消除它？6. 滚珠丝杠副的支承对传动有何影响?支承形式有哪些类型?各有何特点?7. 试设计某数控机床工作台进给用滚珠丝杠副。

己知平均工作载荷F＝4000N，丝杠工作长度l＝2m，平均转速＝120r／min，每天开机6h，每年300个工作日，要求工作8年以上，丝杠材料为CrwMn钢，滚道硬度为58—62HRC，丝杠传动精度为±0.04mm。

8.导向机构的作用是什么?滑动导轨、滚动导轨各有何特点?9.请根据以下条件选择汉江机床厂的HJG—D系列滚动直线导轨。

作用在滑座上的载荷F＝18000N，滑座数M=4，单向行程长度L＝0.8m，每分钟往返次数为3，工作温度不超过120℃，工作速度为40m／min,工作时间要求10000h以上,滚道表面硬度取60HRC。

第6章串级控制系统

第6章串级控制系统
' 02
G02 ( s )
K 02 1 T02 s
K 02 1 K C 2 KV K 02 K m 2 T02 s
' K 02 ' 1 T02 s
Gm 2 ( s ) K m 2
K 02
K 02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
T02 T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2

通常情况下，副调节器的比例增益可以取得很大， 这样，等效时间常数就可以减到很小的数值，从而加 快了副环的响应速度，提高了系统的工作频率。

65
结论（二）
等效对象的增益也减小 使主控制器增益可增大，提高抗干扰能力。
66
6.2.3 对负荷变化有一定的自适应能力
(1) 在一定负荷下，即在确定的工作点情况下，按 一定控制质量指标整定的控制器参数只适应于工作点 附近的一个小范围。 (2)如果负荷变化过大，超出这个范围，那么控制 质量就会下降。 (3) 在单回路控制中若不采取其它措施是难以解决 的。 (4) 但在串级系统中情况就不同了，负荷变化引起 副回路内个各环节参数的变化，可以较少影响或不影 响系统的控制质量。
K 02 K 02
结论
T02 T02
比较可知，串级系统的等效副对象的放大倍数和时间 64 常数都比原副对象的要小
结论（一）
把整个副回路看成是一个等效对象。 等效对象的时间常数缩小了( 1 K K K K )倍， c 2 v m2 o2 而且随着副调节器比例增益的增大而减小。
27
28
29
串级控制系统
两个控制器串联工作 主控制器的输出作为副控制器的设定值 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

串级控制系统
7
这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它们 影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧成 带温度的影响降低到最小限度。但是，我们也知道，还有直接影 响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、制品的 原料成分、窑车上装载制品的数 量以及春夏秋冬、刮风下雨带来 环境温度的变化等等（如图6-2 中用D1表示）。由于在这个控制 系统中，烧成带温度不是被控变 量，所以对于干扰D1造成烧成带 温度的变化，控制系统无法进行 调节。
θ1T
θ1C
θ1T、 θ1C
回路再改
变燃料量
原料
管式加热炉
θ2T θ2C
燃料
17
所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，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。这样 的控制系统被称为串级控制系统。与图6-4串级控制系统的工 艺流程图对应的原理方框图如图 6-5所示。
第6章 串级控制系统
目录
6.1 串级控制系统的基本概念 6.2 串级控制系统的分析 6.3 串级控制系统的设计 6.4 串级控制系统的整定 6.5 串级控制系统的投运 6.6 MATLAB对串级控制系统进行仿真 本章小结
1
最简单的控制系统——单回路控制系统 系统中只用了一个调节器，调节器也只有一
个输入信号。 从系统方框图看，只有一个闭环。 复杂控制系统—— 多回路控制系统。 由多个测量值、多个调节器；或者由多个测
量值、一个调节器、一个补偿器或一个解耦 器等等组成多个回路的控制系统。 从系统方框图看，有多个闭环。
2
6. l 串级控制系统的概念
6.2.l 串级控制的提出
例6-1 隔焰式隧道 窑温度控制系统。 （见图6-1）。 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。

常用复杂控制系统

常用复杂控制系统

0
20
T01 T02' T01T02'
02
1
Kc1K02' K01Km1 T01T02'
标准形式： s2 20s 02 0
串级控制系统的工作频率为：
串 0
12
1 2 T01 T02'
2
T01T02 '
（2）提高了系统的工作频率
单回路系统特征方程为 1 Gc (s)Gv (s)G02 (s)G01(s)Gm1(s) 0
K
' 02
1
Kc2 Kv K02 Kc2 Kv K02 Km2
K
' 02
1 Km2
当K02或KV随操作条件或负荷变化时，K02’几乎不变.
当采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环 却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷 变化的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作 条件和负荷的变化。
5.应用于非线性过程 特点：负荷或操作条件改变导致过程特性改变。若单回路控 制，需随时改变调节器整定参数以保证系统的衰减率不变； 串级控制，则可自动调整副调节器的给定值。
合成反应器温度串级控制：换热器呈非线性特性
注意
串级控制虽然应用范围广，但必 须根据具体情况，充分利用优点，才 能收到预期的效果。
整定原则: 尽量加大副调节器的增益，提高副回路的频率，
使主、副回路的工作频率错开，以减少相互影响。 先整副环后整主环。
1. 逐步逼近整定法
1）主开环、副闭环，整定副调的参数；记为 GC2(s)1
2) 副回路等效成一个环节，闭合主回路，整定主调节器参数，
记为
GC1(s)1
3）观察过渡过程曲线，满足要求，所求调节器参数即为

第6章-串级控制系统讲解全文编辑修改

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6章串级控制系统


15
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。
16
应该指出，系统中尽管有两个调节器，它们 的作用各不相同。 主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为 副调节器的设定值， 副调节器的输出信号则是送到调节阀去控制生产 过程。比较串级系统和简单系统，前者只比后者 多了一个测量变送元件和一个调节器，增加的仪 表投资并不多，但控制效果却有显著的提高。
6
但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压 力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发图6-2 隔 焰式隧道客温度简单控制系统方框图生变化，必将引起燃烧室温 度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化 。因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以 对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后， 控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量， 对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的 燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的 通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了 。也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量 增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控 制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定 ，都得不到满意的控制效果。
4




制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度 进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得 超过5C。所以烧成带的烧结温度是影响产品 质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带 的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵 变量。如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧 气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色 ，所以就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室 中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。

聚合反应釜串级控制系统原理

聚合反应釜串级控制系统原理
聚合反应釜串级控制系统是一种用于化工生产过程的自动化控制系统。

它通过
联动控制多个反应釜，在保持稳定的前提下，实现高效的生产过程。

该系统的原理主要包括三个方面：反应釜控制、串级控制和聚合控制。

首先，反应釜控制是指对单个反应釜中的温度、压力、物料流量等参数进行监
测和调节。

通过传感器实时获取反应过程中的关键参数，并传递给控制器，控制器根据事先设定的目标值和控制策略，自动调节反应条件，以实现所需的化学反应。

这种反应釜控制可以保证单个反应釜中的稳定操作。

其次，串级控制是在多个反应釜之间建立相互联系的控制系统。

在串级控制中，相邻的反应釜之间通过物料的传递进行耦合。

控制器会根据前一个反应釜的输出，来调整后一个反应釜的输入，以保持串级反应的稳定性。

串级控制可以降低反应釜之间的传递延迟，提高反应的效率和一致性。

最后，聚合控制是将多个串级控制系统综合起来，形成整个聚合反应釜串级控
制系统。

在聚合控制中，各个串级控制系统通过信息交互和调节，协同工作，以实现更加复杂的反应过程。

聚合控制可以在不同釜之间进行物料的均衡分配，以及对整个系统进行全局优化。

通过聚合控制，反应釜串级控制系统能够适应不同的工艺要求，并保持整个过程的稳定运行。

总之，聚合反应釜串级控制系统的原理是通过反应釜控制、串级控制和聚合控
制三个方面的协同作用，实现化工生产过程的自动化、高效和稳定运行。

这种控制系统的应用可以大大提高生产效率，降低生产成本，同时保证产品质量的稳定性。

串级控制系统通用方块图

2
§7-1 串级控制系统
一、串级控制系统的结构 管式加热炉是石化工业中的重要装置之一，工艺上要求被加热 油料炉出口温度的波动范围应控制±2℃内。
3
主要扰动：
（1）原料方面的扰动（包括物料的流量和入口温度的变化）；
（2）燃料方面的扰动（包括燃料的流量、热值及压力的波动）；
（3）燃烧条件方面的扰动（包括供风量和炉膛漏风量的变化、燃
助变量。 炉出口温度
炉膛温度
7
主对象 — 由主变量表征其主要特征的工艺设备或过 程，其输入量为副变量，输出量为主变量。
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。 炉出口温度对象
炉膛温度对象
8
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。
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。
炉出口温度控制器
炉膛温度控制器
9
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。
第7章 复杂控制系统
31 串级控制系统
2 比值控制系统 3 前馈控制系统 4 均匀控制系统 5 分程控制系统 6 选择性控制系统 7 多冲量控制系统
1
第7章 复杂控制系统
复杂控制系统 ➢凡是结构上比单回路控制系统复杂或控制目的较 特殊的控制系统，都称为复杂控制系统。
特点： ➢通常包含有两个以上的变送器、控制器或者执行 器，构成的回路数也多于一个，所以，复杂控制系 统又称为多回路控制系统。

《过程控制与自动化仪表(第3版)》第6章 思考题与习题

第6章 思考题与习题1．基本练习题（1）与单回路控制系统相比，串级控制系统有什么结构特点？ 答：串级控制系统在结构上增加了一个测量变送器和一个调节器，形成了两个闭合回路，其中一个称为副回路，一个称为主回路。

由于副回路的存在，使得控制效果得到了显著的改善。

（2）前馈控制与反馈控制各有什么特点？为什么采用前馈-反馈控制系统能改善控制品质？答：前馈控制的特点：开环控制、比反馈控制及时、可以作为专用调节器。

反馈控制的特点：属于闭环控制、可以抑制干扰对被控对象的影响、能够使被控参数稳定在设定值上保证系统的较高控制质量。

采用前馈－反馈控制系统能改善控制品质是因为该复合控制系统一方面利用前馈控制制及时有效的减少干扰对被控参数的影响；另一方面则利用反馈控制使参数稳定在设定值上，从而保证系统有较高的控制质量。

（3）前馈控制系统有哪些典型结构形式？什么是静态前馈和动态前馈？答：静态前馈：是指前馈补偿器的静态特性，是由干扰通道的静态放大系数和控制通道的静态放大系数的比值所决定的，它的作用是使被控参数的静态偏差接近或等于零，而不考虑其动态偏差。

动态前馈：必须根据过程干扰通道和控制通道的动态特性加以确定，鉴于动态补偿器的结构复杂，只有当工艺要求控制质量特别高时才需要采用动态前馈补偿控制方案。

（4）单纯前馈控制在生产过程控制中为什么很少采用？ 答：因为前馈控制做不到对干扰的完全补偿：1）前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控参数的影响。

对不可测的干扰则无法实现前馈控制；2）在实际生产过程中，影响被控参数变化的干扰因素是很多的，不可能对每一个干扰设计和应用一套前馈补偿器；3）前馈补偿器的数学模型是由过程的动特性()F G s 和0()G s 决定的，而()F G s 和0()G s 的精确模型是很难得到的；即使能够精确得到，由其确定的补偿器在物理上有时也是很难实现的。

（5）简述前馈控制系统的选用原则和前馈控制系统的设计。

答：1）前馈控制系统的选用原则为：a）当系统中存在变化频率高、幅值大、可测而不可控的干扰、反馈控制又难以克服其影响、工艺生产对被控参数的要求又十分严格时，为了改善和提高系统的控制品质，可以考虑引入前馈控制。

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6.1.3 串级控制的特点
串级控制的主要优点可概括如 下： 1．副回路的内部干扰，通 常在它影响主被调量之前 就已经被副控制器所控制 了。 2．副对象的相位滞后由于 存在副回路而显著减小， 因而改善了主回路的响应 速度。 3．副对象增益变化的影响 在副回路内部被克服。 4．副回路可按主回路的需 要进行精确的控制。
习题与思考
6.3.2 主、副控制器的设计
主、副控制器的设计主要包括三个问题： 1．主、副控制器的控制规律选择 一般说来主变量是控制的主要参数，其状态是生产工艺的主要指标，而只有对主变量控制要 求较高的条件下才考虑采用串级控制方式。 至于副控制器，如果副被控量的控制范围在工艺上要求不是太严格，那么副控制器就可以只 采用P控制。 从另一方面来说，副控制器不必要的积分作用引入，会使副回路的谐振峰值加大，谐振频率 降低，从而加大了主、副回路之间共振的可能。 2．主、副控制器的正反作用的选择 控制器正反作用的选择原则和单回路系统没有什么原则区别，先考虑副控制的正反作用选择， 其方式同单回路控制，然后考虑主调，考虑主回路时需确定副给定和其输出的“正反作用”。 此处还有一个问题应予以注意，在某些场合生产工艺要求系统既可以按串级方式运行，又可 以按以主调节器为控制器的单回路方式运行，这时应仔细核对主调的正反作用是否需加以改 变。 一般来说，如果副调节是反作用的，则主调在单纯使用时其正反作用无须改变。相反，如果 副调节是正作用的，则主调单纯使用时其正反作用方向就需要改变。 3．抗积分饱和的问题 如果副控制器采用比例控制，则主控制器的抗积分饱和与单回路控制时无任何区别，可以利 用带外反馈的间歇单元表来解决问题。如果副控制器也采用PI控制，副控制的积分饱和限制 同单回路控制器，而主控制器就复杂些，主要有两重原因： （1）积分饱和的影响更为严重。 （2）在串级系统中，不管原来原料油温度的偏差是否很大，因为某种原因副控制器进入积分 饱和，这时副控制器的输出不再变化，相当于系统开环运行，主控制器也会进入级控制系统而言，它 对二次扰动的抑制能力比 对一次扰动的抑制能力更 强，而且在系统的其他环 节特性不变的情况下，副 控制器的增益越大，则副 回路的抗干扰能力越强， 这点在设计串级控制系统 时应该加以注意。 串级控制系统对动态过程 的改善更为明显，一般认 为对二次扰动的最大动态 偏差可以减小几十倍，对 一次扰动的最大动态偏差 也可以减小几倍。
内容提要
本章描述串级控制的基本概念，介绍串 级控制的基本特点、串级控制系统的设 计以及串级控制系统控制器参数整定等 基础知识，并通过仿真实例讲述串级控 制系统的特点、设计及整定。 通过本章，读者对串级控制的特点、串 级控制系统的功能有较为全面的认识， 并能通过仿真深化对串级控制的理解。
6.1 串级控制系统概述
6.4 串级控制参数整定
串级控制系统中主副两个回路是彼此互相影响的，而 副控制器的整定对主控制器的影响是一目了然的，因 为副回路的特性本身就是主回路广义对象的一个组成 部分。主回路的特性对副回路的影响可以这么来考虑， 即主控制器的输出本身就是副回路的设定值，当然对 副回路的响应有影响。 如果主回路的工作频率相差很大，例如十倍以上，则 对副回路而言在其控制过程中可以近似认为主回路还 没有来得及反应，可以忽略主回路对副回路的影响， 则控制器参数整定可以按由内而外的原则，分别独立 按单回路系统控制器的参数整定方法整定。 如果必须考虑主副回路之间的影响，则通常可以采用 三种方法：逐次逼近法、两步法和一步法，
串级控制也存在如下一些不足： 1．只有当中间变量能够被检测 出来时，才可能采用串级控制， 但许多过程在结构上是不容易以 这种方式加以分割的。 2．串级控制系统比单回路控制 系统需要更多的仪表。 3．串级控制系统的投放和整定 比单回路控制系统要复杂一些。
6.2 串级控制系统性能分析
与单回路控制相比，串级控制 增加了副控制回路，使控制 系统性能得到改善，串级控 制系统的性能一般可以从以 下四个方面进行分析： 系统的抗扰性能 动态性能 工作频率 自适应能力
p2 v o2 m2
6.2.3 工作频率
在相同阻尼比的条件下，串级控制系统的工作频率高于单回路系统，系统的工作频 率提高，过渡过程也就缩短了，因而控制质量得到改善，而且，副回路控制器的比 例带越小，这种改善越明显。 当主、副对象特性一定时，副控制器的增益越大，串级控制系统的工作频率提高的 越明显，当副控制器的增益不变时，随着的增大，串级控制系统的工作频率也越高。
6.1.1 基本概念
6.1.2 基本组成
串级控制系统的结构特点： 1．由两个或两个以上的控制器串 联而成，一个控制器的输入是另一 个控制器的设定。 2．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。 3．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。
6.4.1 逐次逼近法
6.4.2 两步法
6.4.3 一步法
6.5 综合仿真实例
6.5.1 串级与单回路控制对比仿真
6.5.2 串级控制的参数整定仿真
6.5.3 串级控制系统设计仿真
5.4 本章小结
本章主要讲述串级控制系统的基本理论、设计方法以及仿真方 法： 1．串级控制系统的基本理论 主要讲述了串级控制系统的结构、主副回路的特点等基础知 识。 2．串级控制系统的设计 主要讲述了串级控制系统的主、副回路的设计思想和方法、 主副回路的参数整定流程和方法。 3．串级控制系统的仿真 对串级控制的特点、参数整定方法以及串级控制系统的设计 进行了详尽的仿真分析，深化对串级控制的理解。
6.2.2 动态性能
1．副回路显著减小了副对象的时间常数 由于闭环控制的影响，副回路的等效时间常数T2较之副对象时的时间常数缩小 1 为 1 + K K K K ，从而进一步错开了与主对象的时间常数（一般较大）之间的距 离。。 副回路的等效时间常数减小，相当于在系统中增加了一个起超前作用的微分环节， 使得系统的反应速度加快，控制更为及时。等效对象的放大倍数的减小，可以通过 增加主控制器的增益来加以补偿。因此，副回路的等效时间常数缩小，可使系统的 控制质量得到提高。 2．副回路可以减小副对象的相位滞后 由于副对象的相位滞后减小了，相应就提高了整个系统的稳定性
6.3 串级控制系统设计
6.3.1 副回路选择
1．从抗干扰方面考虑 从抗干扰角度考虑，副回路选择应遵循以下一些原 则： （1）副回路应包含尽可能多的主要扰动。 （2）主、副回路的时间常数应匹配。 2．从防止主、副回路产生共振出发 主副回路的时间常数应保持合理的比配关系。选择 副回路的其他可以考虑的因素是从改善系统的动态 性能和提高系统的工作频率出发，则副回路包含的 时间常数稍大一些效果更好。若希望系统对于非线 性的影响有一定的适应能力，则应把相关的非线性 包含在副回路之中。
6.2.4 自适应能力
当副控制器的增益足够大时，副回路的特性主要由反馈检测所决定，而与副对象的 增益无关，因此，串级控制系统具有一定的自适应能力，只要反馈检测装置的特性 是线性的，就可以大大削弱包括调节阀在内的副对象的非线性特性的影响，当然， 这种自适应能力是有一定限度的。 串级控制系统的性能可归纳为： 1．可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至二次扰动在对主被控量尚未产生 明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作用 也加快了，对一次扰动的抑制能力也提高了。 2．提高了系统的动态性能，由于副回路显著改善了包括控制阀在内的副对象的特性， 减小其时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能有明显的改善。 3．提高了系统的工作频率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带可以更 窄，从而提高了系统的工作频率。 4．有一定的自适应能力，在副回路作用下，包括控制阀在内的副对象在操作条件和 负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱了，需要注意的是当副回路是流 量环节时，流量检测的线性化。
《过程控制系统仿真》 过程控制系统仿真》 电子工业出版社 出版 2009.3
作者：郭阳宽 王正林 联系邮箱：wa_2003@
第6章 串级控制系统
6.1 串级控制系统基础知识 6.2 串级控制系统性能分析 6.3 串级控制系统设计 6.4 串级控制参数整定 6.5 综合仿真实例 6.6 本章小结 习题与思考