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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。
串级控制系统的工作原理
串级控制系统是一种复杂控制系统结构，由多个单独的控制环路组成，其中每个环路都处理系统的某个方面。
这些环路按照特定的顺序连接在一起，形成一个层次结构。
在串级控制系统中，高层环路的输出成为低层环路的输入。
串级控制系统的工作原理如下：
1. 输入信号：系统的输入信号首先被传递给最高层的环路，也被称为主要控制环路。
这个环路负责处理主要的控制任务，例如设定系统的目标值和跟踪参考信号。
2. 主控制环路：主控制环路从输入信号中提取有用的信息，计算出相应的控制命令，并将其传递给下一层的辅助控制环路。
3. 辅助控制环路：辅助控制环路通常负责系统的细节控制任务，例如补偿控制、补偿非线性特性以及抑制干扰等。
它们从主控制环路接收指令，并根据需要对输入信号进行修正。
4. 信号传递：辅助控制环路将修正后的信号传递给下一层环路，这个过程可以一直继续到系统中的最后一层环路。
5. 输出信号：最后一层环路通常称为执行环路，它负责将辅助控制环路的输出转换成最终的控制信号，并将其送到执行机构或设备中实施控制。
通过这种层次分解和串联的结构，串级控制系统能够将复杂的
控制任务分解为更简单的子任务，并逐级处理。
每个环路都专注于处理一个特定的任务，并通过调整输入信号来改善总体的控制性能。
这种架构使得串级控制系统能够更好地适应系统的复杂性和动态变化。
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。
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。
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。
7．串级控制系统中主、副控制器参数的工程整定主要有哪两种方法?
答：有两步整定法和一步整定法两种。
按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。
根据经验直接确定副控制器的参数，只需按简单控制系统参数整定的方法来整定主控制器
参数的方法称一步整定法。
8．均匀控制系统的目的和特点是什么?
答：均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾，’使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作。
均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制系统那样，不是为了使被控变量保持不变，而是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化。
9．简述均匀控制系统的控制方案。
答：以液位与流量的均匀控制为例，其控制方案有简单均匀控制与串级均匀控制两种。
从结构上来讲，简单均匀控制与一般的液位控制系统一样，串级均匀控制与一般的液位一流量串级控制系统一样。
其区别在于均匀控制与一般的控制系统目的不一样。
之所以能够使两个变量间的关系得到协调，是通过控制器参数整定来实现的。
均匀控制系统中的控制器一般都采用纯比例作用，且比例度很大，必要时才引入少量的积分作用。
10．什么叫比值控制系统?
答实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。
通常为流量比值控制系统，用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系。
11．试简述双闭环比值控制系统及其使用场合。
答：双闭环比值控制系统有两个闭合回路，分别对主、副流量进行定值控制。
同时，当主流量发生变化时，通过比值控制器来改变副流量控制器的给定值，使副流量能随主流量的大小变化而变化，始终保持一定的比值关系。
双闭环比值控制系统主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。
12．什么是前馈控制系统?它有什么特点?
答：按扰动变化大小进行控制的系统称为前馈控制系统。
前馈控制系统的主要特点有：
(1)前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效；
(2)前馈控制是属于“开环”控制系统；
(3)前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，又称前馈补偿装置；
(4)一种前馈作用只能克服一种干扰。
13．前馈控制的主要形式有哪几种?
答前馈控制的主要形式有单纯的前馈控制(又称简单前馈)和前馈一反馈控制两种。
根据对干扰补偿形式的特点，又分静态前馈控制和动态前馈控制。
14．前馈控制主要应用在什么场合?
答：前馈控制主要用于下列场合：
(1)干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；
(2)主要干扰是可测不可控的变量；
(3)对象的控制通道滞后大，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈一反馈控制系统，以提高控制质量。
15．什么是生产过程的软保护措施?与硬保护措施相比，软保护措施有什么优点?
答：所谓生产的软保护措施，就是当生产短期内处于不正常情况时，无须像硬保护措施那样硬性使设备停车，而是通过一个特定设计的自动选择性控制系统，以适当改变控制方式来达到自动保护生产的目的。
这样就可以减少由于停车而带来的巨大经济损失。
16．什么是控制器的“积分饱和”现象?产生积分饱和的条件是什么？
答：积分饱和现象是指有积分作用的控制器当偏差总不为零时，控制器的输出就要一直增加到最大或降低到最小。
产生这种现象的条件有三个：其一是控制器具有积分作用}其二是控制器处于开环工作状态，其输出没有被送往执行器；其三是控制器的输入偏差信号长期存在。
在选择性控制系统中，没有被选择器选中的控制器就有可能产生积分饱和现象。
17．积分饱和的危害是什么?有哪几种主要的抗积分饱和措施?
答：当控制器处于积分饱和状态时，它的输出将达到最大或最小的极限值，该极限值已超出执行器的有效输入信号范围(对于气动薄膜控制阀来说，其有效输入信号范围一般为20～100kPa)。
出现这种现象，对控制系统的工作是很不利的。
因为当需要该控制器恢复工作状态(在取代控制系统中，控制器重新被选择器选中)时，它不能马上动作，必须待它的输出退出饱和区，返回到执行器的有效输入信号范围内后，才能使执行器开始动作。
所以取代是不及时的，这样会对系统的工作带来严重的后果，甚至会造成事故。
抗积分饱和的主要方法有限幅法和积分切除法等。
18．什么是分程控制系统?主要应用在什么场合? ’
答：分程控制系统就是一个控制器的输出信号被送往两个或两个以上的控制阀，每个控制阀都只在控制器的某段信号范围内工作。
分程控制系统的应用场合主要有：
(1)用于扩大控制阀的可调范围，改善控制品质；
(2)用于控制两种不同的介质流量，以满足工艺生产的要求，
(3)用作生产安全的防护措施。
19．什么是多冲量控制系统?
答：所谓多冲量控制系统，是指在控制系统中，有多个变量信号，经过一定的运算后，共同控制一只执行器，以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量。
多冲量控制系统这个名称主要在锅炉的给水系统控制中应用比较广泛。
20．什么是三冲量控制系统?为什么要引入三个冲量?
答：三冲量控制系统主要是指锅炉汽包液位控制系统中，分别引入汽包液位、蒸汽流量和给水流量三个信号，经过一定的运算后，共同控制一只控制阀(给水阀)。
液位信号是该系统的被控变量，是反映锅炉汽包工作状态的主要工艺指标，也是为了保证锅炉安全工作的必要指标。
引入蒸汽流量信号的目的是为了及时克服蒸汽流量波动对汽包液位的影响，并有效地克服由于“假液位”现象而引起的控制系统的误动作。
引入给水流量信号的目的是为了将给水流量作为副变量，利用串级控制系统中副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位的影响。
