Process Control & Instrumentation Technology
主要内容
串级控制系统结构、名词术语
串级控制系统特点
串级控制系统的应用场合
串级控制系统的设计原则
串级主和副调节器的选择
串级控制系统的整定
串级控制系统设计举例
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的结构
串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了广泛地应用。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的名词术语
主被控参数 —— 起主导作用的被控参数。
副被控参数 —— 为稳定主参数而引入的中间辅助参数。
主被控过程 —— 由主被控参数表征其特性的生产过程。其输入量为副被控参数，输出量为主被控参数。
副被控过程 —— 由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参数。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的名词术语
主调节器 —— 按主被控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。
副调节器 —— 按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制调节阀动作。
副 回 路 —— 由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。
一 次 扰动 —— 不包括在副回路内的扰动。
二 次 扰动 —— 包括在副回路内的扰动。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统主要特点
1.改善了被控过程的动态特性；
2.提高了系统的工作频率；
3.具有较强的抗扰动能力；
4.具有一定的自适应能力。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的应用场合
用于克服被控过程较大的容量滞后；
用于克服被控过程的纯滞后；
用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；
用于克服被控过程的非线性。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的设计原则
副回路应包括尽可能多的扰动；
应使主、副过程的时间常数适当匹配 。 原则上，主副过程时间常数之比应在 3到 10
范围内；
副回路设计应考虑工艺上的合理性；
副回路设计应考虑经济性原则。
Process Control & Instrumentation Technology
串级主和副调节器的选择
主调节器一般选 PI或 PID控制规律；
副调节器一般只要选 P控制规律即可：
若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。
若引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的整定
串级控制系统主回路是一个定值控制系统，
要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。
副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准确地跟随主调节器的输出变化即可。
在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有：逐步逼近法、两步整定法等。
Process Control & Instrumentation Technology
逐步逼近法
主回路断开，把副回路按单回路控制系统的参数整定，求取副调节器的整定参数值 [W2（ S） ]1。
副调节器参数置于 [W2（ S） ]1上，闭合主回路，
副回路作为一个等效环节。按单回路整定方法，
求取主调节器的整定参数值 [W1（ S） ]1。
主调节器参数置于 [W1（ S） ]1上，闭合主回路，
再按上述方法求取副调节器的整定参数值 [W2
（ S） ]2。
完成一次逼近循环后，可循环下去，逐步逼近，
直到达到满意的质量指标要求为止。
Process Control & Instrumentation Technology
两步整定法
工况稳定时，闭合主回路，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于
100%，用单回路控制系统的衰减曲线法整定，
求取副调节器的比例度 δ 2s和操作周期 T2s。
将副调节器的比例度置于所求得的数值上，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，求取主调节器的比例度和操作周期。
Process Control & Instrumentation Technology
两步整定法
根据求得的 δ 2s,T2s数值，按单回路系统衰减曲线法整定，计算主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间的数值。
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，
直到系统质量达到最佳为止。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统设计举例
在冶金行业选矿工艺中，大量使用矿石破碎机对矿石进行破碎。破碎系统的主体设备是破碎机,Nordberg HP系列矿石破碎机要求挤满给矿。
下矿量的波动（如粒度、粘度发生变化）是系统中的一个主要扰动，若仅以机腔料位作为被控参数构成单回路控制系统，当扰动发生后，
由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，单回路控制系统已不能满足要求。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统设计举例
为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：
即在给矿皮带上安装皮带秤，以给矿量为副参数、以机腔料位为主参数构成串级控制系统 。
由于给矿串级控制系统多了一个副回路，不等它影响到机腔料位，副回路立刻进行调节。这样，大大减小了扰动对机腔料位的影响，从而提高了主参数的控制质量和系统的动态特性，
系统具有较强的抗扰动能力。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统设计举例
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统设计举例
主要内容
串级控制系统结构、名词术语
串级控制系统特点
串级控制系统的应用场合
串级控制系统的设计原则
串级主和副调节器的选择
串级控制系统的整定
串级控制系统设计举例
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的结构
串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到了广泛地应用。
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串级控制系统的名词术语
主被控参数 —— 起主导作用的被控参数。
副被控参数 —— 为稳定主参数而引入的中间辅助参数。
主被控过程 —— 由主被控参数表征其特性的生产过程。其输入量为副被控参数，输出量为主被控参数。
副被控过程 —— 由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参数。
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串级控制系统的名词术语
主调节器 —— 按主被控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。
副调节器 —— 按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制调节阀动作。
副 回 路 —— 由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。
一 次 扰动 —— 不包括在副回路内的扰动。
二 次 扰动 —— 包括在副回路内的扰动。
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串级控制系统主要特点
1.改善了被控过程的动态特性；
2.提高了系统的工作频率；
3.具有较强的抗扰动能力；
4.具有一定的自适应能力。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的应用场合
用于克服被控过程较大的容量滞后；
用于克服被控过程的纯滞后；
用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；
用于克服被控过程的非线性。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的设计原则
副回路应包括尽可能多的扰动；
应使主、副过程的时间常数适当匹配 。 原则上，主副过程时间常数之比应在 3到 10
范围内；
副回路设计应考虑工艺上的合理性；
副回路设计应考虑经济性原则。
Process Control & Instrumentation Technology
串级主和副调节器的选择
主调节器一般选 PI或 PID控制规律；
副调节器一般只要选 P控制规律即可：
若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。
若引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统的整定
串级控制系统主回路是一个定值控制系统，
要求主参数有较高的控制精度，其品质指标与单回路定值控制系统一样。
副回路是一个随动系统，只要求副参数能快速而准确地跟随主调节器的输出变化即可。
在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有：逐步逼近法、两步整定法等。
Process Control & Instrumentation Technology
逐步逼近法
主回路断开，把副回路按单回路控制系统的参数整定，求取副调节器的整定参数值 [W2（ S） ]1。
副调节器参数置于 [W2（ S） ]1上，闭合主回路，
副回路作为一个等效环节。按单回路整定方法，
求取主调节器的整定参数值 [W1（ S） ]1。
主调节器参数置于 [W1（ S） ]1上，闭合主回路，
再按上述方法求取副调节器的整定参数值 [W2
（ S） ]2。
完成一次逼近循环后，可循环下去，逐步逼近，
直到达到满意的质量指标要求为止。
Process Control & Instrumentation Technology
两步整定法
工况稳定时，闭合主回路，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于
100%，用单回路控制系统的衰减曲线法整定，
求取副调节器的比例度 δ 2s和操作周期 T2s。
将副调节器的比例度置于所求得的数值上，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，求取主调节器的比例度和操作周期。
Process Control & Instrumentation Technology
两步整定法
根据求得的 δ 2s,T2s数值，按单回路系统衰减曲线法整定，计算主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间的数值。
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，
直到系统质量达到最佳为止。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统设计举例
在冶金行业选矿工艺中，大量使用矿石破碎机对矿石进行破碎。破碎系统的主体设备是破碎机,Nordberg HP系列矿石破碎机要求挤满给矿。
下矿量的波动（如粒度、粘度发生变化）是系统中的一个主要扰动，若仅以机腔料位作为被控参数构成单回路控制系统，当扰动发生后，
由于给矿皮带的传输需要一定的时间，即存在纯滞后，单回路控制系统已不能满足要求。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统设计举例
为了克服系统的纯滞后，决定采用串级控制：
即在给矿皮带上安装皮带秤，以给矿量为副参数、以机腔料位为主参数构成串级控制系统 。
由于给矿串级控制系统多了一个副回路，不等它影响到机腔料位，副回路立刻进行调节。这样，大大减小了扰动对机腔料位的影响，从而提高了主参数的控制质量和系统的动态特性，
系统具有较强的抗扰动能力。
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统设计举例
Process Control & Instrumentation Technology
串级控制系统设计举例
