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第6章 串级控制系统

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第六章串级控制系统1

第六章串级控制系统1


上面两种方案各有优缺点，下图是把两种方案结合起 来的一种控制方案。
温度变送器 温度设定值
TC
温度测量值 流量测量值 出口温度 流量变送器
QC
控制量 燃料油 控制阀
原料油


在此方案中，用温度控制器的输出作为流量控制器的 设定值，由流量控制器的输出去调燃料油的流量。 从结构看，其特点是两个控制器串接使用，故此案可 叫热炉出口温度燃料油流量的串级控制系统。
(5)副回路设计应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以 防止发生“共振”。 主、副回路之间在串级控制系统中是密切相关的。副变 量的变化会影响到主变量，主变量的变化通过反馈回 路又会影响到副变量，如主、副对象的时间常数比较 接近，则主、副回路的工作频率也较接近，一旦系统 受到干扰，就有可能产生“共振”，轻则使系统的控 制质量下降，重则会导致系统发散而无法工作。


(6)设计的副回路需考虑到方案的经济性和工 艺上的合理性。 举一个丙稀冷却器出口温度串级控制系统为例 来说明方案设计时的经济性问题。
气丙稀 进料
出料 控制阀
LC
TC
液丙稀

通过液丙稀在冷却器内与高温的进料经热交换后，使 出料达到工艺上规定的温度值，而液丙稀吸收热量后 成气丙稀排出并返回冷冻压缩机冷凝后重复使用。主 变量选出料温度，影响出料温度的因素为液丙稀在冷 却器内的液面高度，液面越高，出料温度越底，故温 度对象即主对象为反作用。当液丙稀的流入量与其挥 发的气丙稀达动态平衡时，冷却器内的液面高度保持 恒定，但液丙稀的流入量除受控制阀的开度影响外， 与阀两端压差有关。故方案一以液面高度为副变量组 成出料温度与液面高度的串级控制系统。
例如对于一个加热炉出口温度控制问题，若产品质量主要取决 于出口温度，而工艺上对它要求也较严格，为此需采用串级 控制控制方案。当原料油的成分和处理量比较稳定，燃料油的 组分也较稳定(即热值较稳定)，但燃料油的压力会经常波动， 此时宜采用炉出口温度与燃料油压力串级控制控制方案。

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；

过程控制系统第四章 串级控制系统

过程控制系统第四章 串级控制系统

4.1 串级控制基本概念
单回路控制系统解决了工业生产过程中大量的参数定值控制问题，在大多数 情况下，这种简单系统能满足生产工艺的要求。但是，当被控过程的时滞或扰 动量很大，或者工艺对控制质量的要求很高或很特殊时，采用单回路控制系统 就无法满足生产的要求。此外，随着现代工业生产过程的发展，对产品的产量、 质量，对提高生产效率、节能降耗以及环境保护提出了更高的要求，这使工业 生产过程对操作条件要求更加严格，对工艺参数要求更加苛刻，从而对控制系 统的精度和功能要求更高。在这样的情况下，产生了串级控制系统。
4.1 串级控制基本概念
4.1.2 串级控制系统的工作过程
加热炉串级控制系统的工作过程是：当处在稳定工况时，被加热物料的流 量和温度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温 度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度稳定在给定值 上，当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同的 扰动，分三种情况讨论。
4.1 串级控制基本概念
x1
主调节器
x2
副调节器

z1
z2
调节阀
f3 f2 炉 膛 y2
副测量变送器
管壁
主测量变送器
图 4-3 串级控制系统框图
f1
物料
y1
2. 被加热物料的流量和初温变化 f1 t ——一次扰动或主回路扰动
扰动 f1 t 使炉出口温度变化时，主回路产生校正作用，克服f1 t
4.1 串级控制基本概念
T1C
T1T
热物料
T2C
T2 T
热物料
加热炉
燃料
冷物料
加热炉
燃料
冷物料
a）单回路系统（控制出口温度） b）单回路系统（控制炉膛温度） 图4-l 加热炉温度控制系统

过程控制工程_华东理工大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年

过程控制工程_华东理工大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年

过程控制工程_华东理工大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.随动控制系统的超调量σ是表征控制系统( )的指标。

答案:稳定性2.比值控制系统通常采用乘法器实现，因为除法器方案在回路中引入了非线性。

答案:正确3.大口径控制阀的增益与小口径控制阀增益相比，（）。

答案:大口径控制阀增益大4.过程输出变量和输入变量之间随时间变化时动态关系的数学描述，称为（）数学模型答案:动态5.按过程时间特性，过程动态数学模型可分为连续和（）两大类。

答案:离散6.过程输出变量和输入变量之间不随时间变化时的数学关系，称为过程的（）模型。

答案:静态7.根据过程内在机理，应用物料和能量平衡及有关的化学、物理规律建立过程模型的方法是（）答案:机理建模方法8.系统辩识方法建立的模型不具有放大功能，即不能类推到不同型号的放大设备或过程中。

答案:正确9.根据过程输入输出数据确定过程模型的结构和参数的建模方法称为( )答案:系统辩识方法10.精馏塔中上升蒸汽量越多，轻组分越容易从塔顶馏出，但消耗能量也越大.答案:正确11.前馈控制器的设计不需要过程对象的数学模型。

答案:错误12.温度变送器的量程由100C变为200C，则变送器的增益（）答案:减小13.衰减比是控制系统( )指标.答案:稳定性14.衰减比n=( )表明控制系统的输出呈现等幅振荡，系统处于临界稳定状态.答案:1:115.机理建模适用范围广，操作条件可进行类比，便于从小试进行扩展和放大处理。

答案:正确16.控制阀常见的流量特性有线性、（）、快开特性、抛物线特性等。

答案:对数17.Fail-close控制阀的增益是负的。

答案:错误18.Fail-open 类型的控制阀，其增益是正的。

答案:错误19.泵将机械能转化为热能，使液体发热升温，因此，在泵运转后，应及时打开出口阀答案:正确20.改变进口导向叶片的角度，主要是改变进口气流的角度来可以改变离心式压缩机流量答案:正确21.离心式压缩机不一定要设计防喘振控制系统。

串级控制系统通用方块图

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

《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。

过程控制系统智慧树知到答案章节测试2023年青岛理工大学

过程控制系统智慧树知到答案章节测试2023年青岛理工大学

第一章测试1.前馈控制是过程工业中最常用的控制策略，简单实用且应用广泛。

（）A:错B:对答案:A2.工业生产对过程控制的三项基本要求为：安全性.经济性和稳定性。

（）A:错B:对答案:B3.调节时间是反映控制系统快速性的一个指标。

（）A:对B:错答案:A4.余差是系统的最终稳态偏差，即过渡过程终了时新稳态值与设定值之差。

（）A:对B:错答案:A5.过程控制系统由被控对象.测量变送器.控制器和调节器组成。

（）A:错B:对答案:A第二章测试1.建立动态数学模型的基本方法有机理分析法和经验建模法。

（）A:错B:对答案:B2.为了简化控制系统的分析和设计，常把执行机构.控制器和测量变送环节结合起来考虑，看作是一个广义对象。

（）A:对B:错答案:B3.控制阀的气关形式就是（）A:无信号，阀开B:信号增大，开度减小C:无信号，阀关D:信号增大，开度增大答案:AB4.DDZ-III型仪表的标准信号范围为0~10mADC。

（）A:错B:对答案:A5.测量变送环节的滞后，包括T和τ都会引起测量动态误差。

（）A:对B:错答案:A第三章测试1.纯比例控制器有一个缺点就是当设定值改变后总是存在一定的余差。

（）A:错B:对答案:B2.微分作用常用来抵消比例作用带来的不稳定趋势。

（）A:对B:错答案:B3.对于被控变量是温度的系统，控制器一般选用PID特性。

（）A:错B:对答案:B4.调节器参数的工程整定方法有（）A:衰减振荡法B:反应曲线法C:临界比例度法D:理论计算整定法答案:ABC5.比例作用是依据偏差大小动作的。

（）A:错B:对答案:B第四章测试1.串级控制系统主回路是随动控制系统。

（）A:对B:错答案:B2.串级控制系统参数整定步骤应为先副环后主环。

（）A:对B:错答案:A3.在串级控制系统中，主控制器设定值的类型分别为外给定。

（）A:对B:错答案:B4.串级控制系统主.副对象的时间常数之比，T01/T02＝3～10为好，主.副回路恰能发挥其优越性，确保系统高质量的运行。

串级控制系统

串级控制系统
2. 只存在一次干扰 假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度1的降低。对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的“反”作用，它的输出必然增大，也就是说副控制器的设定值增大了。因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量（燃烧室的温度2）没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。对于副控制器来说，设定值增大而测量值没变，可以等效为其设定值不变而测量值减小。根据副控制器的“反”作用，其输出将增大，“气开”式的控制阀门开度增大，从而加大燃料的流量，使燃烧室温度2升高，进而使窑道烧成带温度回升至设定值。
假定燃料的压力波动是主要干扰，发现它到燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有一些次要干扰，例如燃料热值的变化、助燃风流量的改变以及排烟机抽力的波动等等（如图6-2中用D2表示），都是首先进人燃烧室。人们会想，能否通过控制燃烧室温度 2的方法来达到稳定烧成带的温度呢？于是就出现了图6-3所示的以燃烧室温度 2为被控变量的单回路控制系统。
1. 只存在二次干扰 假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度T1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。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。
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。

过程控制知到章节答案智慧树2023年东北电力大学

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过程控制知到章节测试答案智慧树2023年最新东北电力大学第一章测试1.生产过程中引起被控量偏离其给定值的各种因素称为扰动。

参考答案:对2.当被控量受到扰动偏离给定值后，使被控量恢复为给定值所需改变的物理量称为控制量。

参考答案:对3.工业过程对系统控制性能的要求，可以概括为稳定性、准确性和快速性。

参考答案:对4.过渡过程时间是反映控制系统稳定性的性能指标。

参考答案:错5.最大动态偏差是指过渡过程结束后，给定值与被控量稳态值的差值，它是控制系统静态准确性的衡量指标。

参考答案:错第二章测试1.响应速度ε越大，说明在单位阶跃扰动下，被调量的最大变化速度越大，即响应曲线越陡，惯性越大。

参考答案:对2.有自平衡能力对象的自平衡率ρ越大，表示自平衡能力越弱。

参考答案:对3.实验法建模过程中，测试阶跃响应曲线时，其扰动量的数值应足够大，一般约为额定负荷的8%—10%。

错4.实验法建模过程中，为防止其他干扰因素的影响，同一阶跃响应曲线应在相同工况下重复测试多次。

参考答案:错5.工程上常用的由阶跃响应曲线求取对象传递函数的方法有切线法和两点法。

参考答案:错第三章测试1.比例控制器中，随着比例带的增大，系统的静态偏差将加大。

参考答案:对2.控制系统中的微分时间越小，微分作用越弱，系统越稳定，最终静态偏差为零。

错3.微分控制作用对恒定不变的偏差没有克服能力。

参考答案:对4.对于一个实际的生产过程，其广义被控对象的增益可以是负数也可以是正数，适当选取控制器是作用方式，就可以保证系统工作在负反馈控制方式下。

参考答案:对5.控制系统中的积分时间越小，系统的振荡加强，最终静态偏差越大。

参考答案:错第四章测试1.被控对象扰动通道的纯迟延对控制质量不利。

错2.控制系统对象扰动通道的纯迟延对控制质量没什么影响。

参考答案:对3.如果被控对象的控制通道的时间常数越大，阶次越高，则控制系统的控制质量将降低。

参考答案:对4.临界比例带法和衰减曲线法是在开环状态下的整定方法。

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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
6.1.1 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。

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
6.1.3 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。
《过程控制工程及仿真－－基于 MATLAB/Simulink》 电子工业出版社 出版 2009.4
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
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，
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。
6.4.1 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。

6.2.4 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。
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，主控制器也会进入积分饱和。
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。
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ຫໍສະໝຸດ 6.2.1 抗扰性能

对串级控制系统而言，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。
习题与思考