过程控制系统第一章 绪论 2 3 4 5 6 第二章 被控过程的数学模型 2 3
第三章 单回路控制系统设计 2 3 4 5 第四章 串级控制系统 2 3
4 5
第五章 前馈及复合控制系统 2 第六章 时间滞后控制系统 2 3
第七章 其它过程控制系统 2 3 4 第八章 过程控制中的计算机应用 2 3 4
第六章 串级控制系统
§ 6-1 概述
单回路控制系统,结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。
复杂控制系统,具有两个以上的检测变送单元、或控制器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务
串级控制系统,对改善控制品质有独到之处，故而在过程控制系统中应用很广泛。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
一、实例：隔焰式隧道窑温度控制系统
T1T T1C
烧成带
T1 燃烧室设定值燃料图 5－ 1 烧成带温度控制系统隧道窑,对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装臵。
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，防止燃烧气体中有害物质控制要求,制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度为 1300?
C,偏差不得超过C系统的被控变量,烧成带的温度系统的控制变量,燃料的流量上一页 下一页 返回
2009-7-30
T1T T1C
烧成带
T1
燃烧室设定值燃料图 5－ 1 烧成带温度控制系统实例：隔焰式隧道窑温度控制系统控制方案 1
选择简单控制系统：影响烧成带温度 T1的各种干扰因素都被包括在控制回路中，只要干扰造成 T1偏离设定值，
控制器根据偏差通过控制阀改变燃料的流量，使 T1重新调整道设定值控制器 控制阀 燃烧室 烧成带检测与变送设定值
D2 D1
T1＋
－
2009-7-30
控制方案 1
控制器 控制阀 燃烧室 烧成带检测与变送设定值
D2 D1
T1＋
－
隔焰式隧道窑温度简单控制系统方框图这种控制方案的缺点：控制质量差：
原因,P104－ 105
控制方案 1的优点：包括了所有的干扰上一页 下一页 返回
2009-7-30
图 5－ 3燃烧室温度控制系统控制方案 2
选择简单控制系统：以燃烧室温度 T2为被控变量假定燃料的压力波动是主要干扰，它道燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有次要干扰如燃料热值的变化、
助燃风流量的改变和排烟机抽力的波动等都是首先进入燃烧室的
T2T T
2C
烧成带
T2
燃烧室设定值燃料上一页 下一页 返回
2009-7-30
控制方案 2
控制器 控制阀 燃烧室检测与变送设定值
D2
T2＋
－
隔焰式隧道窑温度简单控制系统方框图控制方案 2的优点：
因为烧成带的温度不是被控变量，所以对干扰 D1造成的烧成带温度的变化，控制系统无法调节。
对一些主要的和次要的干扰提前发现、及时控制控制方案 2的缺点：
干扰 D1有：窑道中装载制品的窑车速度，制品的燃料成分，
制品的数量，环境温度变化等等。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
控制方案 3
T1T T
1C
烧成带
T1
燃烧室
T2
设定值燃料
T2CT2T
隔焰式隧道窑串级温度控制系统烧成带温度控制器 T1C应该为定值控制，起主导作用。
结合控制方案 1和 2
燃烧室温度控制器 T2C则起辅助作用，在克服 D2干扰的同时，受烧成带温度控制器的操纵。燃烧室温度控制器的设定值是烧成带温度控制器的输出。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
控制方案 3
隔焰式隧道窑串级温度控制系统方框图控制器 控制阀检测与变送设定值
D2 D1
T1＋
－ 检测与变送
T2
燃烧室 烧成带
＋
－
上一页 下一页 返回控制器
2009-7-30
实例 2：加热炉温度与流量串级控制系统 P117
上一页 下一页 返回
2009-7-30
以炼油厂管式加热炉的出口温度控制为例。
控制方案的选择
缺点：燃料油控制只起辅助作用；放弃炉出口温度控制将无法克服来自原料流量和温度、炉膛压力变化等方面的干扰。
缺点：对燃油流量变化等干扰控制不及时，总滞后较大。
(1)、采用直接控制方案：
优点：所有对温度的干扰都包括在控制回路之中。
(2)、采用间接控制方案：
优点：能及时而有效地克服来自燃料油压力方面的干扰。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
加热流量测量温度测量
（ 3）：串级控制系统上一页 下一页 返回
2009-7-30
（ 3）：串级控制系统上一页 下一页 返回
2009-7-30
实例 3：反应斧温度控制系统上一页 下一页 返回
2009-7-30
二、系统组成
4-5
1：串级控制系统标准原理框图上一页 下一页 返回
2009-7-30
2：与串级控制系统有关的术语主、副回路：
主、副控制器主、副被控变量主、副对象主、副检测变送器一、二次干扰
4-5
上一页 下一页 返回
2009-7-30
3：串级控制系统的工作过程
T1T T
1C
烧成带
T1
燃烧室
T2
设定值燃料
T2CT2T
串级控制系统是由两个控制器串连工作的，只有副控制器的输出操纵控制阀。
两个控制能否谐调一致地工作？
考虑到生产的安全性：
？控制阀选择,气开式工作方式
？两个控制器选择,反作用方式上一页 下一页 返回
2009-7-30
1）只存在二次干扰时二次干扰 D2（ 燃料压力的波动）
即使阀门开度没变燃料流量燃料室温度 T2 副温度检测变送器测量值副控制器的输入流量的变化并未立即引起烧成带温度
T1的变化主控制器的输出暂时无变化副控制器处于定值控制状态副控制器输出控制阀开度燃料流量 D2干扰不大，经过副回路就可以调节，不至于引起 T1的变化上一页 下一页 返回
2009-7-30
D2干扰强，经过副回路不能完全调节，以至于引起 T1的变化主温度检测控制器测量值主控制器输入增加主控制器输出减小 主控制器的反作用副控制器的输出更小控制阀开度小主被控变量温度 T1变小上一页 下一页 返回
2009-7-30
2）只存在一次干扰时一次干扰 D1
（ 窑车速度） 烧成带温度 T1
主温度检测变送器测量值主控制器的输入 主控制器的输出副控制器设定值 副温度检测变送器测量值不变燃烧室温度 T2
副控制器输出一次干扰对副变量无影响控制阀的开度 燃料流量烧成带温度 T1
上一页 下一页 返回
2009-7-30
在整个控制过程中，燃烧室温度 T2也发生变化，副控制器并未加以调节？
原因：
在串级控制系统中，主控制器起着主导作用，它的输出作为副控制器的设定值副控制器处于从属地位，首先接受主控制器的命令，再进行控制操作。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
3）一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰 D1
（ 窑车速度） 烧成带温度 T1
(1)：一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化，同时增大或减小二次干扰 D2
（ 燃料压力） 燃烧室温度 T2
主控制器的输出副控制器的测量值副控制器的设定值副控制器的输出 控制阀开度 燃料流量燃烧室温度 T2 烧成带 T1
上一页 下一页 返回
2009-7-30
3）一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰 D1
（ 窑车速度） 烧成带温度 T1
(2)：一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量反方向变化，一个增大，一个减小二次干扰 D2
（ 燃料压力） 燃烧室温度 T2
主控制器的输出副控制器的测量值副控制器的设定值副控制器的输出不变 控制阀开度不变二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节上一页 下一页 返回
2009-7-30
如果两个干扰引起的副控制器的设定值和测量值同方向变化不相同，二次干扰不能补偿一次干扰，副控制器再根据偏差的性质作小范围调节，
这样主变量稳定在设定值上。
二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节
(2)：一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量反方向变化，一个增大，一个减小上一页 下一页 返回
§ 6-2 串级控制系统的分析一、时间常数
串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，放大系数增大，从而显著提高控制质量。
将整个副回路看成一个副对象，则简化图如图 5-7
所示上一页 下一页 返回
2009-7-30
图 5－ 7 串级控制系统传递函数的方框图
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
图 5－ 8 串级控制系统的简化图
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(1 sD)(2 sD
+
-
+-
)(1sY
)(2sY
上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
图 5－ 8 串级控制系统的简化图
22 )( cc KsG?设
vv KsG?)(
22 )( mm KsG?
1)( 2
2
2 sT
KsG
o
o
o
)()()()(1
)()()(
)(
)()('
2022
022
2
2
2 sGsGsGsG
sGsGsG
sR
sYsG
mvc
vc
o
1
1
1
)('
2022
2
2022
022
2
S
KKKK
T
KKKK
KKK
sG
mvc
o
mvc
vc
o
上一页 下一页 返回
2009-7-30
1
1
1
)('
2022
2
2022
022
2
S
KKKK
T
KKKK
KKK
sG
mvc
o
mvc
vc
o
令
2022
2
2 1'
mvc
o
o KKKK
TT
2022
022
2 1'
mvc
vc
o KKKK
KKKK
1'
')('
2
02
2 sT
KsG
o
o
等效副对象的时间常数等效副对象的放大倍数上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
1'
')('
2
02
2 sT
KsG
o
o
2022
2
2 1'
mvc
o
o KKKK
TT
22 ' oo TT?
副回路的存在缩短了对象的时间常数控制通道缩短，
控制作用更加及时响应速度更快控制质量提高结论 1
上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
1'
')('
2
02
2 sT
KsG
o
o
22 ' oo KK?
副回路的存在不会影响控制质量使主控制器的放大倍数结论 2
2022
022
2 1'
mvc
vc
o KKKK
KKKK
1c
K
可以整定得比单回路控制系统中更大些，对提高系统抗干扰能力更加有力上一页 下一页 返回
2009-7-30
二、系统的工作频率串级控制系统的分析
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
串级控制系统的特征方程为
0)()(')()(1 10211 sGsGsGsG moc
)()()()(1
)()()()('
2022
0222 sGsGsGsG sGsGsGsG
mvc
vco
因为
0)()()()()()(1 )()()()(1 101
2022
0221 sGsGsGsGsGsG sGsGsGsG m
mvc
vcc
上一页 下一页 返回
2009-7-30
0)()()()()()(1 )()()()(1 101
2022
022
1 sGsGsGsGsGsG
sGsGsGsG
m
mvc
vc
c
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(1 sD)(2 sD
+
-
+-
)(1sY
)(2sY
串级系统的特征方程
0)()()()()()()()()()(1 10102212022 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsG mvccmvc
设主、副回路隔环节的传递函数为
22 )( cc KsG? vv KsG?)(
22 )( mm KsG? 1)( 2 22 sT KsG o oo
11 )( cc KsG?
11 )( mm KsG?
1)( 1 11 sT KsG o oo
上一页 下一页 返回
2009-7-30
22 )( cc KsG? vv KsG?)(
22 )( mm KsG? 1)( 2 22 sT KsG o oo
11 )( cc KsG?
11 )( mm KsG? 1
)(
1
11 sT KsG
o
oo
0)()()()()()()()()()(1 10102212022 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsG mvccmvc
01
21
12121222
21
1222212
oo
voomccmovc
oo
omovcoo
TT
KKKKKKKKKKs
TT
TKKKKTTs
串级系统的自然振荡频率 2n?n2
则系统的工作频率为 21 －＝串 n
2
11 2
21
1222212 －－＝
串?
oo
omovcoo
n TT
TKKKKTT
上一页 下一页 返回
2009-7-30
则系统的工作频率为
2
11 2
21
1222212 －－＝
串?
oo
omovcoo
n TT
TKKKKTT
为了便于与单回路控制系统进行比较，计算一下单回路控制系统的工作频率
)(1 sGc )(2 sGo )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
+
-
)(1sY
)(sGv
图 5－ 9单回路控制系统的方框图上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(' 1 sG c )(2 sGo )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
+
-
)(1sY
)(sGv
图 5－ 9单回路控制系统的方框图系统的特征方程
0)()()()()('1 10211 sGsGsGsGsG movc
11 ')(' cc KsG? vv KsG?)(
1)( 2 22 sT KsG o oo
11 )( mm KsG?
1)( 1 11 sT KsG o oo
代入上式
0'1
21
1121
21
212
oo
moovc
oo
oo
TT
KKKKKs
TT
TTs
上一页 下一页 返回
2009-7-30
单回路控制系统系统的特征方程
0'1
21
1121
21
212
oo
moovc
oo
oo
TT
KKKKKs
TT
TTs
单回路系统的自然振荡频率 2'
n?
n''2
则单回路系统的工作频率为
2'1' －＝单 n
'2
'1 2
21
21
－＝
单?
oo
oo
TT
TT
上一页 下一页 返回
2009-7-30
单回路系统的工作频率为
'2
'1 2
21
21
－＝
单?
oo
oo
TT
TT
串级控制系统的工作频率为
2
1 2
21
122221 －＝
串?
oo
omovcoo
TT
TKKKKTT
21
122221
oo
omovcoo
TT
TKKKKTT
＋＝单串
假定通过控制器参数整定，使'
则结论, 单串
2：串级系统的工作频率提高了，过渡过程的振荡周期减小了，衰减系数相同的条件下，调节时间缩短，
提高了系统的快速性，改善了系统的控制品质。
1：
3：当主、副对象特性一定，副控制器的放大倍数 Kc2整定得越大，效果越好
2009-7-30
三、系统的抗干扰能力串级控制系统的分析
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(2 sD
+
-
+-
)(1sY)(2sY
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR
)(2 sD
+
-
+ -
)(1sY)(2sY+
)(12 sGc
上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR
)(2 sD
+
-
+ -
)(1sY)(2sY+
)(12 sGc
)('2 sGo
则主变量对二次干扰的闭环传递函数
)()()(')(1
)()(')(1
)(
)(
011021
0102
2
2
1
sGsGsGsG
sGsGsG
sD
sY
mc
c
则主变量对设定值的闭环传递函数
)()()(')(1
)()(')(
)(
)(
011021
01021
1
1
sGsGsGsG
sGsGsG
sR
sY
mc
c
21
21
21
11 )()(
)(/)(
)(/)(
cc
cc
KK
sGsGsDsY sRsY
串级控制系统的抗干扰能力
2009-7-30
)(' 1 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(1 sGm
)(sR
)(2 sD
+
-
+
)(sY
图 5－ 12 单回路控制系统则变量对二次干扰和设定值的闭环传递函数
)()()()()('1
)()()(
)(
)(
011021
0102
2 sGsGsGsGsG
sGsGsG
sD
sY
mvc
v
)()()()()('1
)()()()('
)(
)(
011021
01021
sGsGsGsGsG
sGsGsGsG
sR
sY
mvc
vc
'
)()()(/)( )(/)(
1
21
2
c
cc
K
sGsGsDsY sRsY
单回路控制系统的抗干扰能力上一页 下一页 返回
2009-7-30
21
21
21
11 )()(
)(/)(
)(/)(
cc
cc
KK
sGsGsDsY sRsY
串级控制系统的抗干扰能力
'
)()()(/)( )(/)(
1
21
2
c
cc
K
sGsGsDsY sRsY
单回路控制系统的抗干扰能力因为 '21 ccc KKK?
则串级控制系统提高了系统的抗干扰能力上一页 下一页 返回
2009-7-30
四、系统的自适应能力串级控制系统的分析串级控制系统的特点,P115
由式 P115式 5－ 27可知,K02变化对等效 K’ 02影响很小，亦可说明副回路能自动地克服对象非线性特性的影响。
单回路控制系统只有一个控制器，设定值一般不变，
难以适应负荷非线性的变化。
串级控制系统中，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，适应负荷变化的能力较强。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
例 5－ 2 设串级控制系统的方框图如图 5－ 14所示，其中主、副对象的传递函数分别为
)13)(130(
1)(
1 sssG o 22 )1)(110(
1)(
sssG o
主副控制器的传递函数为
)11)(()( 11 sTsKsG
I
cc 22 )( cc KsG?
)(1 sGc )(2 sGc )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(2 sD
+
-
+-
)(1sY)(2sY
)(1 sD+
+ ++ 见 P166
结论上一页 下一页 返回
2009-7-30 单回路控制系统性能指标？
2009-7-30
二次干扰作用下的最大偏差？
2009-7-30
一次干扰作用下的最大偏差？
2009-7-30
串级控制系统性能指标？
2009-7-30
n=[38*3.7,3.7];
d=[38*900,38*(1890+330),(10+21*33+1080)*38,(21+12*33+90)*38,45
*38,4.8*38,3.7];
step(n,d),grid
n=[38,0];
d=[38*900,38*(1890+330),(10+21*33+1080)*38,(21+12*33+90)*38,45
*38,4.8*38,3.7];
step(n,d),grid
n=[380,38*21,38*12,38,0];
d=[38*900,38*(1890+330),(10+21*33+1080)*38,(21+12*33+90)*38,45
*38,4.8*38,3.7];
step(n,d),grid
2009-7-30
串级控制系统 二次干扰作用下的最大偏差？
2009-7-30
串级控制系统 一次干扰作用下的最大偏差？
2009-7-30
>> n=[84*12.8,84];
>> d=[12.8*900,12.8*(1890+330),(10+21*33+1080)*12.8,(21+12*33
+990)*12.8,375*12.8,95*12.8,84];
>> step(n,d),grid
>> n=[12.8,0];
>> d=[12.8*900,12.8*(1890+330),(10+21*33+1080)*12.8,(21+12*33
+990)*12.8,375*12.8,95*12.8,84];
>> step(n,d),grid
>> n=[128,21*12.8,12*12.8,12.8,0];
>> d=[12.8*900,12.8*(1890+330),(10+21*33+1080)*12.8,(21+12*33
+990)*12.8,375*12.8,95*12.8,84];
>> step(n,d),grid
2009-7-30
比较简单控制系统和串级控制系统的性能？
§ 6-3 串级控制系统的工业 应用
当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副回路。
坚持一个设计原则：凡是用单回路控制系统能满足控制要求的，就不再用串级控制系统。
一、用于克服对象的纯滞后
例 如下图所示：
利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。
上一页 下一页 返回
副变量：过热蒸汽温度，位于滞后较小的 B点 。
被控参数,A点温度
控制参数：减温水流量
主要干扰：减温水压力波动。
P129 例 5.4 上一页 下一页 返回二、用于克服对象的容量滞后
副环的时间常数不能过大，以防共振；也不能过小，力求多包含一些干扰。
容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡过程长。
以温度或质量作为被控量的控制对象，其容量滞后往往比较大，致使控制质量变差。
对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制系统的使用最为普遍，效果较好。
此时应选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路。
上一页 下一页 返回燃料油热值变化后，炉膛反应滞后 3分钟,而出口温度则需 15
分钟 。
P130例 5.5
三、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰
串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。
设计时应把变化剧烈、
幅值大的干扰包含在副回路中。
副回路放大系数应大些，
会使抗干扰能力大大提高。
例 如下 图 4-13，脱气塔的压力对主控指标 (液位 )
影响很大，甚至造成溢出或打干的事故，是主干扰，
串级控制后效果很好。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
P128,例 5.3 精馏塔温度 — 流量控制系统上一页 下一页 返回四、用于克服对象的非线性
负荷变化会引起工作点的移动。
当负荷变化大且频繁时，只有高级控制系统才有重整参数以适应控制要求的能力。
例 在 图 4-14
中，其中部温度要严控，则将具有非线性特性的换热器包含在副回路。
一般控制系统中，有效办法是采用串级控制。
P131
上一页 下一页 返回
2009-7-30
五、自校正设定值串级控制系统中，副控制器的设定值是由主控制器的输出提供的，而主控制器的输出又随着主变量的变化而变化。
因此，凡是被控量的设定值需要随着另一被控量的变动而变动时，都可用串级控制来实现。
此时，工艺操作条件作为主变量，要跟踪校正的变量作为副变量。
例 5.7 进加料器的一次风力与一次风流量串级控制系统上一页 下一页 返回
§ 6-4 串级控制系统的设计
主变量 (操纵量 )的选择原则主要有：
(1)、条件允许时选质量指标作为主变量。
正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其特点。
设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制规律选型和正、反作用的确定。
一、主、副回路的选择
(一 )、主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行。
上一页 下一页 返回
(二 )、副回路应包括尽可能多的扰动。
前已述及，应将变化最剧烈、幅度最大、
最频繁的扰动包括在副回路中。
研究系统的干扰来源是十分重要的。如前述的管式加热炉，主扰动为然油压力还是然油热值，则副回路的选择大不相同。
(2)、其次考虑选择与质量有单值关系的参数作为主变量。
(3)、所选主变量应有足够的灵敏度，且工艺合理、易实现。
并非包括的干扰越大越好。干扰包括得越大，
副变量的位置会越靠近主变量，灵敏度会降低。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
P117 图 5.15
PT
PC
阀前压力5
主变量：出口温度流量炉膛温度阀前压力副变量：
前已分析得到?串 与?单的关系如 图 所示。
绘出分析曲线，如右图所示。
(三 )、主、副对象的时间常数要匹配。
上一页 下一页 返回
分析可知
(1)、当 T01/T02>10时，则 T02很小，副回路包括的干扰很少，作用未发挥。
(2)、当 T01/T02<3时，说明 T02过大，副回路的控制作用不及时。
(3)、当 T01/T02?1时，主、副回路易出现,共振效应,。
一般认为,T01/T02=3?10 较合适。 上一页 下一页 返回
2009-7-30
究竟 T02取多大为好，应按具体情况确定。若欲快速克服主干扰，则小一点为好；若欲克服对象的大滞后，可取大点；若欲克服对象的非线性，则 T01/T02宜取大一些。
一般认为,T01/T02=3?10 较合适。
上一页 下一页 返回
(四 )、选副回路应考虑工艺上的合理性
只有满足工艺要求，才具有实用性。
先考虑工艺要求，再考虑其他要求。
(五 )、副回路设计应考虑经济性原则上一页 下一页 返回见 P120图 5.17
在副回路设计中，若出现几个可供选择的方案，
应把经济原则和控制品质要求有机地结合起来。
主变量采用 P规律，副回路对主回路的跟随要求快而准时采用 PI控制规律。
二、主、副控制器的选择
(一 )、控制规律的选择
1、对 主变量控制质量要求高
主变量宜采用 PI规律；欲克服容量滞后，应引进微分作用，采用 PID规律。
副变量一般采用 P规律就可以了。
2、对副变量控制要求也较高
主、副变量均采用 PI控制规律。
3、对主变量控制要求不高，甚至允许小波动上一页 下一页 返回
副控制器按单回路方式选择，
主控制器按下式确定,
(二 )、正、反作用方式的选择
4、对主、副变量控制要求均不高
可均采用 P规律；必要时对主变量控制引进微分作用 。
(主控制器 +/-)(副对象 +/-)(主对象 +/-)=(-)
主、副控制器正、反作用方式的确定是否正确，
可进行验证，
上一页 下一页 返回
§ 6-5 串级控制系统控制器参数的整定
所谓投运，就是通过适当的步骤，使主、副控制器从手动工作状态转到自动工作状态。
两种投运方法：①、先投副环后投主环 (常用 )；
②、先投主环后投副环 (很少用 )。
一、串级控制系统的投运上一页 下一页 返回二、串级控制系统控制器参数的整定
串级控制系统的方案正确设计后，为了使系统运行在最佳状态，按照自控理论，必须对系统进行校正，这在过程控制中称为参数整定。
在工程实践中，串级控制系统中常用的整定方法有：
逐步逼近法、两步整定法、一步整定法等。
上一页 下一页 返回
(一 )、逐步逼近法
逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。该方法较繁琐。
具体步骤为：
先断开主回路，整定副控制器。
后闭合主回路，整定主控制器。
重新调整副控制器参数。
若未达到控制要求，再调整主控制器参数。
以上步骤循环进行，直到满足 (逼近 )控制指标为止。
对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
(二 )、两步整定法 (应用最广泛 )
应用场合：
串级控制系统中的主、副对象时间常数相差较大、
主、副回路的动态联系不紧密
主、副对象的时间常数相差较大，则主、副回路的工作频率相差较大，当副回路整定好以后，将副回路视作主回路的一个环节来整定主回路，可以认为对副回路的影响较小，甚至可以忽略。
工业生产中，工艺上对主变量的控制要求高，而对副变量的控制要求低，在多数情况下副变量的设臵目的是为了进一步提高主变量的控制品质因此，当副控制器整定好后，再去整定主控制器时，虽然多少会影响到副变量的控制品质，但只要保证主变量的控制品质，副变量的控制品质差一点也是允许的。
理论依据
2009-7-30
两步法的整定步骤：
第一步，整定副控制器；
第二步，整定主控制器。
详细的整定步骤见教材 P125
上一页 下一页 返回在硝酸生 产过 程中，有一 个氧 化 炉温 度 与氨气流量的串 级 控制系 统 。 温 度 为 主 参数,工 艺 要求 较高,温 度最大偏差不 能超 过?5℃,氨气 流量 为 副 参数,允 许 在一定范 围内变 化，要求不高。系 统 控制器 参数 采用 两 步整定法,过 程如下。
应 用 举 例上一页 下一页 返回
①、在系统设计时，
主控制器选用 PI控制规律，副控制器选用 P控制规律。在系统稳定允许条件下，主、副控制器均置于纯比例作用，
主控制器的比例度?置于 100%，用 4,1衰减曲线法 (见 右 图 )整定副控制器的参数，得上一页 下一页 返回
②将副控制器的比例度置于 32%上，用相同的方法整定，将主控制器的比例度由大到小逐渐调节，取得主控制器的?1S =50%,T1S=7min。
2S=32%,T2S=15s。
上一页 下一页 返回主控制器 (温度控制器 )：比例度?1=1.2?1S=60%，积分时间 T1=0.5? T1S=3.5min
副控制器 (流量控制器 )：比例度?2 =?2S =32%
③根据上述求得的各参数，运用 4,1衰减曲线法整定计算公式 (见上表 4-1)，计算主、副控制器的整定参数为：
上一页 下一页 返回
2009-7-30
④把上述计算的参数，按先 P后 I的次序，
分别设置在主、副控制器上，并使串级控制系统在该参数下运行。
实际运行，氧化炉温度稳定，完全满足生产工艺的要求。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
（三）一步整定法
根据经验先确定副控制器的比例度，然后按照单回路控制系统的参数整定方法整定主控制器的参数。
对于一个串级控制系统，在纯比例控制的情况下，
要得到主变量的 4,1衰减振荡过程，主、副控制器的放大倍数 Kc1,Kc2可以有好几组搭配，他们的相互关系近似满足
21 ccs KKK
根据表 5.2，（ P126）
常数当采用 1－ 3组整定参数时，主变量均可得到 4,1衰减振荡过程，且过渡过程均为 9min,而 3.3?
sK
上一页 下一页 返回
2009-7-30
根据表 5.2，（ P126）
当采用 1－ 3组整定参数时，主变量均可得到 4,1衰减振荡过程，且过渡过程均为 9min,而 3.3?sK
这说明主、副控制器的放大倍数可以在一定范围内任意匹配，而控制效果基本相同。
一步整定法的理论依据
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(1 sD)(2 sD
+
-
+-
)(1sY
)(2sY
上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
整个回路的等效控制器的放大倍数为
'21 KKK cc
等效副回路的放大倍数主控制器的放大倍数假设主变量产生 4:1衰减振荡过程时,'' 21 KKKK ccs
则 '2K
1cK
和 允许在一定范围内任意搭配，只要其乘积为 '
sK,主变量就会产生 4:1衰减振荡过程
2009-7-30
2022
022
2 1'
mvc
vc
KKKK
KKKK
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(1 sD)(2 sD
+
-
+-
)(1sY
)(2sY
二者的关系式。
'' 21 KKKK ccs '2K 1cK和允许在一定范围内任意搭配,可以确定 '2K 1cK
2022
022
2 1'
mvc
vc
KKKK
KKKK
通过 '2K 确定 2cK
2009-7-30
一步整定法的具体步骤
1：通过表 5.3 副控制器比例度取值范围选择副控制器的比例度 2? 使副回路按纯比例控制运行。
2：将系统投入串级控制状态运行，按单回路控制系统参数整定的方法对主控制器进行参数整定，使主变量的控制品质最佳。
2009-7-30
应 用 举 例某化工厂精馏塔塔底温度和蒸汽流量串级控制系统见 P111－ 112
1、与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？
2、为什么说串级控制系统具有改善过程动态特性的特点？ T’02和 K’02减小与提高控制质量有何关系
？
3、为什么提高系统工作频率也算是串级控制系统的一大特点？
思考下一章
第三章 单回路控制系统设计 2 3 4 5 第四章 串级控制系统 2 3
4 5
第五章 前馈及复合控制系统 2 第六章 时间滞后控制系统 2 3
第七章 其它过程控制系统 2 3 4 第八章 过程控制中的计算机应用 2 3 4
第六章 串级控制系统
§ 6-1 概述
单回路控制系统,结构简单，但难于适应工艺参数间关系比较复杂的控制，特别是现代大规模工业生产。
复杂控制系统,具有两个以上的检测变送单元、或控制器、或执行器，能完成一些复杂或特殊的任务
串级控制系统,对改善控制品质有独到之处，故而在过程控制系统中应用很广泛。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
一、实例：隔焰式隧道窑温度控制系统
T1T T1C
烧成带
T1 燃烧室设定值燃料图 5－ 1 烧成带温度控制系统隧道窑,对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装臵。
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，防止燃烧气体中有害物质控制要求,制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度为 1300?
C,偏差不得超过C系统的被控变量,烧成带的温度系统的控制变量,燃料的流量上一页 下一页 返回
2009-7-30
T1T T1C
烧成带
T1
燃烧室设定值燃料图 5－ 1 烧成带温度控制系统实例：隔焰式隧道窑温度控制系统控制方案 1
选择简单控制系统：影响烧成带温度 T1的各种干扰因素都被包括在控制回路中，只要干扰造成 T1偏离设定值，
控制器根据偏差通过控制阀改变燃料的流量，使 T1重新调整道设定值控制器 控制阀 燃烧室 烧成带检测与变送设定值
D2 D1
T1＋
－
2009-7-30
控制方案 1
控制器 控制阀 燃烧室 烧成带检测与变送设定值
D2 D1
T1＋
－
隔焰式隧道窑温度简单控制系统方框图这种控制方案的缺点：控制质量差：
原因,P104－ 105
控制方案 1的优点：包括了所有的干扰上一页 下一页 返回
2009-7-30
图 5－ 3燃烧室温度控制系统控制方案 2
选择简单控制系统：以燃烧室温度 T2为被控变量假定燃料的压力波动是主要干扰，它道燃烧室的滞后时间较小、通道较短，而且还有次要干扰如燃料热值的变化、
助燃风流量的改变和排烟机抽力的波动等都是首先进入燃烧室的
T2T T
2C
烧成带
T2
燃烧室设定值燃料上一页 下一页 返回
2009-7-30
控制方案 2
控制器 控制阀 燃烧室检测与变送设定值
D2
T2＋
－
隔焰式隧道窑温度简单控制系统方框图控制方案 2的优点：
因为烧成带的温度不是被控变量，所以对干扰 D1造成的烧成带温度的变化，控制系统无法调节。
对一些主要的和次要的干扰提前发现、及时控制控制方案 2的缺点：
干扰 D1有：窑道中装载制品的窑车速度，制品的燃料成分，
制品的数量，环境温度变化等等。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
控制方案 3
T1T T
1C
烧成带
T1
燃烧室
T2
设定值燃料
T2CT2T
隔焰式隧道窑串级温度控制系统烧成带温度控制器 T1C应该为定值控制，起主导作用。
结合控制方案 1和 2
燃烧室温度控制器 T2C则起辅助作用，在克服 D2干扰的同时，受烧成带温度控制器的操纵。燃烧室温度控制器的设定值是烧成带温度控制器的输出。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
控制方案 3
隔焰式隧道窑串级温度控制系统方框图控制器 控制阀检测与变送设定值
D2 D1
T1＋
－ 检测与变送
T2
燃烧室 烧成带
＋
－
上一页 下一页 返回控制器
2009-7-30
实例 2：加热炉温度与流量串级控制系统 P117
上一页 下一页 返回
2009-7-30
以炼油厂管式加热炉的出口温度控制为例。
控制方案的选择
缺点：燃料油控制只起辅助作用；放弃炉出口温度控制将无法克服来自原料流量和温度、炉膛压力变化等方面的干扰。
缺点：对燃油流量变化等干扰控制不及时，总滞后较大。
(1)、采用直接控制方案：
优点：所有对温度的干扰都包括在控制回路之中。
(2)、采用间接控制方案：
优点：能及时而有效地克服来自燃料油压力方面的干扰。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
加热流量测量温度测量
（ 3）：串级控制系统上一页 下一页 返回
2009-7-30
（ 3）：串级控制系统上一页 下一页 返回
2009-7-30
实例 3：反应斧温度控制系统上一页 下一页 返回
2009-7-30
二、系统组成
4-5
1：串级控制系统标准原理框图上一页 下一页 返回
2009-7-30
2：与串级控制系统有关的术语主、副回路：
主、副控制器主、副被控变量主、副对象主、副检测变送器一、二次干扰
4-5
上一页 下一页 返回
2009-7-30
3：串级控制系统的工作过程
T1T T
1C
烧成带
T1
燃烧室
T2
设定值燃料
T2CT2T
串级控制系统是由两个控制器串连工作的，只有副控制器的输出操纵控制阀。
两个控制能否谐调一致地工作？
考虑到生产的安全性：
？控制阀选择,气开式工作方式
？两个控制器选择,反作用方式上一页 下一页 返回
2009-7-30
1）只存在二次干扰时二次干扰 D2（ 燃料压力的波动）
即使阀门开度没变燃料流量燃料室温度 T2 副温度检测变送器测量值副控制器的输入流量的变化并未立即引起烧成带温度
T1的变化主控制器的输出暂时无变化副控制器处于定值控制状态副控制器输出控制阀开度燃料流量 D2干扰不大，经过副回路就可以调节，不至于引起 T1的变化上一页 下一页 返回
2009-7-30
D2干扰强，经过副回路不能完全调节，以至于引起 T1的变化主温度检测控制器测量值主控制器输入增加主控制器输出减小 主控制器的反作用副控制器的输出更小控制阀开度小主被控变量温度 T1变小上一页 下一页 返回
2009-7-30
2）只存在一次干扰时一次干扰 D1
（ 窑车速度） 烧成带温度 T1
主温度检测变送器测量值主控制器的输入 主控制器的输出副控制器设定值 副温度检测变送器测量值不变燃烧室温度 T2
副控制器输出一次干扰对副变量无影响控制阀的开度 燃料流量烧成带温度 T1
上一页 下一页 返回
2009-7-30
在整个控制过程中，燃烧室温度 T2也发生变化，副控制器并未加以调节？
原因：
在串级控制系统中，主控制器起着主导作用，它的输出作为副控制器的设定值副控制器处于从属地位，首先接受主控制器的命令，再进行控制操作。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
3）一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰 D1
（ 窑车速度） 烧成带温度 T1
(1)：一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化，同时增大或减小二次干扰 D2
（ 燃料压力） 燃烧室温度 T2
主控制器的输出副控制器的测量值副控制器的设定值副控制器的输出 控制阀开度 燃料流量燃烧室温度 T2 烧成带 T1
上一页 下一页 返回
2009-7-30
3）一次干扰和二次干扰同时存在一次干扰 D1
（ 窑车速度） 烧成带温度 T1
(2)：一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量反方向变化，一个增大，一个减小二次干扰 D2
（ 燃料压力） 燃烧室温度 T2
主控制器的输出副控制器的测量值副控制器的设定值副控制器的输出不变 控制阀开度不变二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节上一页 下一页 返回
2009-7-30
如果两个干扰引起的副控制器的设定值和测量值同方向变化不相同，二次干扰不能补偿一次干扰，副控制器再根据偏差的性质作小范围调节，
这样主变量稳定在设定值上。
二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节
(2)：一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量反方向变化，一个增大，一个减小上一页 下一页 返回
§ 6-2 串级控制系统的分析一、时间常数
串级控制系统能使等效副对象的时间常数变小，放大系数增大，从而显著提高控制质量。
将整个副回路看成一个副对象，则简化图如图 5-7
所示上一页 下一页 返回
2009-7-30
图 5－ 7 串级控制系统传递函数的方框图
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
图 5－ 8 串级控制系统的简化图
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(1 sD)(2 sD
+
-
+-
)(1sY
)(2sY
上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
图 5－ 8 串级控制系统的简化图
22 )( cc KsG?设
vv KsG?)(
22 )( mm KsG?
1)( 2
2
2 sT
KsG
o
o
o
)()()()(1
)()()(
)(
)()('
2022
022
2
2
2 sGsGsGsG
sGsGsG
sR
sYsG
mvc
vc
o
1
1
1
)('
2022
2
2022
022
2
S
KKKK
T
KKKK
KKK
sG
mvc
o
mvc
vc
o
上一页 下一页 返回
2009-7-30
1
1
1
)('
2022
2
2022
022
2
S
KKKK
T
KKKK
KKK
sG
mvc
o
mvc
vc
o
令
2022
2
2 1'
mvc
o
o KKKK
TT
2022
022
2 1'
mvc
vc
o KKKK
KKKK
1'
')('
2
02
2 sT
KsG
o
o
等效副对象的时间常数等效副对象的放大倍数上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
1'
')('
2
02
2 sT
KsG
o
o
2022
2
2 1'
mvc
o
o KKKK
TT
22 ' oo TT?
副回路的存在缩短了对象的时间常数控制通道缩短，
控制作用更加及时响应速度更快控制质量提高结论 1
上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
1'
')('
2
02
2 sT
KsG
o
o
22 ' oo KK?
副回路的存在不会影响控制质量使主控制器的放大倍数结论 2
2022
022
2 1'
mvc
vc
o KKKK
KKKK
1c
K
可以整定得比单回路控制系统中更大些，对提高系统抗干扰能力更加有力上一页 下一页 返回
2009-7-30
二、系统的工作频率串级控制系统的分析
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
串级控制系统的特征方程为
0)()(')()(1 10211 sGsGsGsG moc
)()()()(1
)()()()('
2022
0222 sGsGsGsG sGsGsGsG
mvc
vco
因为
0)()()()()()(1 )()()()(1 101
2022
0221 sGsGsGsGsGsG sGsGsGsG m
mvc
vcc
上一页 下一页 返回
2009-7-30
0)()()()()()(1 )()()()(1 101
2022
022
1 sGsGsGsGsGsG
sGsGsGsG
m
mvc
vc
c
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(1 sD)(2 sD
+
-
+-
)(1sY
)(2sY
串级系统的特征方程
0)()()()()()()()()()(1 10102212022 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsG mvccmvc
设主、副回路隔环节的传递函数为
22 )( cc KsG? vv KsG?)(
22 )( mm KsG? 1)( 2 22 sT KsG o oo
11 )( cc KsG?
11 )( mm KsG?
1)( 1 11 sT KsG o oo
上一页 下一页 返回
2009-7-30
22 )( cc KsG? vv KsG?)(
22 )( mm KsG? 1)( 2 22 sT KsG o oo
11 )( cc KsG?
11 )( mm KsG? 1
)(
1
11 sT KsG
o
oo
0)()()()()()()()()()(1 10102212022 sGsGsGsGsGsGsGsGsGsG mvccmvc
01
21
12121222
21
1222212
oo
voomccmovc
oo
omovcoo
TT
KKKKKKKKKKs
TT
TKKKKTTs
串级系统的自然振荡频率 2n?n2
则系统的工作频率为 21 －＝串 n
2
11 2
21
1222212 －－＝
串?
oo
omovcoo
n TT
TKKKKTT
上一页 下一页 返回
2009-7-30
则系统的工作频率为
2
11 2
21
1222212 －－＝
串?
oo
omovcoo
n TT
TKKKKTT
为了便于与单回路控制系统进行比较，计算一下单回路控制系统的工作频率
)(1 sGc )(2 sGo )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
+
-
)(1sY
)(sGv
图 5－ 9单回路控制系统的方框图上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(' 1 sG c )(2 sGo )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
+
-
)(1sY
)(sGv
图 5－ 9单回路控制系统的方框图系统的特征方程
0)()()()()('1 10211 sGsGsGsGsG movc
11 ')(' cc KsG? vv KsG?)(
1)( 2 22 sT KsG o oo
11 )( mm KsG?
1)( 1 11 sT KsG o oo
代入上式
0'1
21
1121
21
212
oo
moovc
oo
oo
TT
KKKKKs
TT
TTs
上一页 下一页 返回
2009-7-30
单回路控制系统系统的特征方程
0'1
21
1121
21
212
oo
moovc
oo
oo
TT
KKKKKs
TT
TTs
单回路系统的自然振荡频率 2'
n?
n''2
则单回路系统的工作频率为
2'1' －＝单 n
'2
'1 2
21
21
－＝
单?
oo
oo
TT
TT
上一页 下一页 返回
2009-7-30
单回路系统的工作频率为
'2
'1 2
21
21
－＝
单?
oo
oo
TT
TT
串级控制系统的工作频率为
2
1 2
21
122221 －＝
串?
oo
omovcoo
TT
TKKKKTT
21
122221
oo
omovcoo
TT
TKKKKTT
＋＝单串
假定通过控制器参数整定，使'
则结论, 单串
2：串级系统的工作频率提高了，过渡过程的振荡周期减小了，衰减系数相同的条件下，调节时间缩短，
提高了系统的快速性，改善了系统的控制品质。
1：
3：当主、副对象特性一定，副控制器的放大倍数 Kc2整定得越大，效果越好
2009-7-30
三、系统的抗干扰能力串级控制系统的分析
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(2 sD
+
-
+-
)(1sY)(2sY
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR
)(2 sD
+
-
+ -
)(1sY)(2sY+
)(12 sGc
上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR
)(2 sD
+
-
+ -
)(1sY)(2sY+
)(12 sGc
)('2 sGo
则主变量对二次干扰的闭环传递函数
)()()(')(1
)()(')(1
)(
)(
011021
0102
2
2
1
sGsGsGsG
sGsGsG
sD
sY
mc
c
则主变量对设定值的闭环传递函数
)()()(')(1
)()(')(
)(
)(
011021
01021
1
1
sGsGsGsG
sGsGsG
sR
sY
mc
c
21
21
21
11 )()(
)(/)(
)(/)(
cc
cc
KK
sGsGsDsY sRsY
串级控制系统的抗干扰能力
2009-7-30
)(' 1 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(1 sGm
)(sR
)(2 sD
+
-
+
)(sY
图 5－ 12 单回路控制系统则变量对二次干扰和设定值的闭环传递函数
)()()()()('1
)()()(
)(
)(
011021
0102
2 sGsGsGsGsG
sGsGsG
sD
sY
mvc
v
)()()()()('1
)()()()('
)(
)(
011021
01021
sGsGsGsGsG
sGsGsGsG
sR
sY
mvc
vc
'
)()()(/)( )(/)(
1
21
2
c
cc
K
sGsGsDsY sRsY
单回路控制系统的抗干扰能力上一页 下一页 返回
2009-7-30
21
21
21
11 )()(
)(/)(
)(/)(
cc
cc
KK
sGsGsDsY sRsY
串级控制系统的抗干扰能力
'
)()()(/)( )(/)(
1
21
2
c
cc
K
sGsGsDsY sRsY
单回路控制系统的抗干扰能力因为 '21 ccc KKK?
则串级控制系统提高了系统的抗干扰能力上一页 下一页 返回
2009-7-30
四、系统的自适应能力串级控制系统的分析串级控制系统的特点,P115
由式 P115式 5－ 27可知,K02变化对等效 K’ 02影响很小，亦可说明副回路能自动地克服对象非线性特性的影响。
单回路控制系统只有一个控制器，设定值一般不变，
难以适应负荷非线性的变化。
串级控制系统中，副回路是一个随动系统，设定值随主控制器的输出而变化，适应负荷变化的能力较强。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
例 5－ 2 设串级控制系统的方框图如图 5－ 14所示，其中主、副对象的传递函数分别为
)13)(130(
1)(
1 sssG o 22 )1)(110(
1)(
sssG o
主副控制器的传递函数为
)11)(()( 11 sTsKsG
I
cc 22 )( cc KsG?
)(1 sGc )(2 sGc )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(2 sD
+
-
+-
)(1sY)(2sY
)(1 sD+
+ ++ 见 P166
结论上一页 下一页 返回
2009-7-30 单回路控制系统性能指标？
2009-7-30
二次干扰作用下的最大偏差？
2009-7-30
一次干扰作用下的最大偏差？
2009-7-30
串级控制系统性能指标？
2009-7-30
n=[38*3.7,3.7];
d=[38*900,38*(1890+330),(10+21*33+1080)*38,(21+12*33+90)*38,45
*38,4.8*38,3.7];
step(n,d),grid
n=[38,0];
d=[38*900,38*(1890+330),(10+21*33+1080)*38,(21+12*33+90)*38,45
*38,4.8*38,3.7];
step(n,d),grid
n=[380,38*21,38*12,38,0];
d=[38*900,38*(1890+330),(10+21*33+1080)*38,(21+12*33+90)*38,45
*38,4.8*38,3.7];
step(n,d),grid
2009-7-30
串级控制系统 二次干扰作用下的最大偏差？
2009-7-30
串级控制系统 一次干扰作用下的最大偏差？
2009-7-30
>> n=[84*12.8,84];
>> d=[12.8*900,12.8*(1890+330),(10+21*33+1080)*12.8,(21+12*33
+990)*12.8,375*12.8,95*12.8,84];
>> step(n,d),grid
>> n=[12.8,0];
>> d=[12.8*900,12.8*(1890+330),(10+21*33+1080)*12.8,(21+12*33
+990)*12.8,375*12.8,95*12.8,84];
>> step(n,d),grid
>> n=[128,21*12.8,12*12.8,12.8,0];
>> d=[12.8*900,12.8*(1890+330),(10+21*33+1080)*12.8,(21+12*33
+990)*12.8,375*12.8,95*12.8,84];
>> step(n,d),grid
2009-7-30
比较简单控制系统和串级控制系统的性能？
§ 6-3 串级控制系统的工业 应用
当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、纯滞后时间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副回路。
坚持一个设计原则：凡是用单回路控制系统能满足控制要求的，就不再用串级控制系统。
一、用于克服对象的纯滞后
例 如下图所示：
利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后仅仅是对二次干扰而言的，一次干扰不直接影响副变量。
上一页 下一页 返回
副变量：过热蒸汽温度，位于滞后较小的 B点 。
被控参数,A点温度
控制参数：减温水流量
主要干扰：减温水压力波动。
P129 例 5.4 上一页 下一页 返回二、用于克服对象的容量滞后
副环的时间常数不能过大，以防共振；也不能过小，力求多包含一些干扰。
容量滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡过程长。
以温度或质量作为被控量的控制对象，其容量滞后往往比较大，致使控制质量变差。
对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制系统的使用最为普遍，效果较好。
此时应选择一个滞后较小的辅助变量组成副回路。
上一页 下一页 返回燃料油热值变化后，炉膛反应滞后 3分钟,而出口温度则需 15
分钟 。
P130例 5.5
三、用于克服变化剧烈和幅值大的干扰
串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。
设计时应把变化剧烈、
幅值大的干扰包含在副回路中。
副回路放大系数应大些，
会使抗干扰能力大大提高。
例 如下 图 4-13，脱气塔的压力对主控指标 (液位 )
影响很大，甚至造成溢出或打干的事故，是主干扰，
串级控制后效果很好。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
P128,例 5.3 精馏塔温度 — 流量控制系统上一页 下一页 返回四、用于克服对象的非线性
负荷变化会引起工作点的移动。
当负荷变化大且频繁时，只有高级控制系统才有重整参数以适应控制要求的能力。
例 在 图 4-14
中，其中部温度要严控，则将具有非线性特性的换热器包含在副回路。
一般控制系统中，有效办法是采用串级控制。
P131
上一页 下一页 返回
2009-7-30
五、自校正设定值串级控制系统中，副控制器的设定值是由主控制器的输出提供的，而主控制器的输出又随着主变量的变化而变化。
因此，凡是被控量的设定值需要随着另一被控量的变动而变动时，都可用串级控制来实现。
此时，工艺操作条件作为主变量，要跟踪校正的变量作为副变量。
例 5.7 进加料器的一次风力与一次风流量串级控制系统上一页 下一页 返回
§ 6-4 串级控制系统的设计
主变量 (操纵量 )的选择原则主要有：
(1)、条件允许时选质量指标作为主变量。
正确合理地设计，才能使串级控制系统发挥其特点。
设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制规律选型和正、反作用的确定。
一、主、副回路的选择
(一 )、主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行。
上一页 下一页 返回
(二 )、副回路应包括尽可能多的扰动。
前已述及，应将变化最剧烈、幅度最大、
最频繁的扰动包括在副回路中。
研究系统的干扰来源是十分重要的。如前述的管式加热炉，主扰动为然油压力还是然油热值，则副回路的选择大不相同。
(2)、其次考虑选择与质量有单值关系的参数作为主变量。
(3)、所选主变量应有足够的灵敏度，且工艺合理、易实现。
并非包括的干扰越大越好。干扰包括得越大，
副变量的位置会越靠近主变量，灵敏度会降低。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
P117 图 5.15
PT
PC
阀前压力5
主变量：出口温度流量炉膛温度阀前压力副变量：
前已分析得到?串 与?单的关系如 图 所示。
绘出分析曲线，如右图所示。
(三 )、主、副对象的时间常数要匹配。
上一页 下一页 返回
分析可知
(1)、当 T01/T02>10时，则 T02很小，副回路包括的干扰很少，作用未发挥。
(2)、当 T01/T02<3时，说明 T02过大，副回路的控制作用不及时。
(3)、当 T01/T02?1时，主、副回路易出现,共振效应,。
一般认为,T01/T02=3?10 较合适。 上一页 下一页 返回
2009-7-30
究竟 T02取多大为好，应按具体情况确定。若欲快速克服主干扰，则小一点为好；若欲克服对象的大滞后，可取大点；若欲克服对象的非线性，则 T01/T02宜取大一些。
一般认为,T01/T02=3?10 较合适。
上一页 下一页 返回
(四 )、选副回路应考虑工艺上的合理性
只有满足工艺要求，才具有实用性。
先考虑工艺要求，再考虑其他要求。
(五 )、副回路设计应考虑经济性原则上一页 下一页 返回见 P120图 5.17
在副回路设计中，若出现几个可供选择的方案，
应把经济原则和控制品质要求有机地结合起来。
主变量采用 P规律，副回路对主回路的跟随要求快而准时采用 PI控制规律。
二、主、副控制器的选择
(一 )、控制规律的选择
1、对 主变量控制质量要求高
主变量宜采用 PI规律；欲克服容量滞后，应引进微分作用，采用 PID规律。
副变量一般采用 P规律就可以了。
2、对副变量控制要求也较高
主、副变量均采用 PI控制规律。
3、对主变量控制要求不高，甚至允许小波动上一页 下一页 返回
副控制器按单回路方式选择，
主控制器按下式确定,
(二 )、正、反作用方式的选择
4、对主、副变量控制要求均不高
可均采用 P规律；必要时对主变量控制引进微分作用 。
(主控制器 +/-)(副对象 +/-)(主对象 +/-)=(-)
主、副控制器正、反作用方式的确定是否正确，
可进行验证，
上一页 下一页 返回
§ 6-5 串级控制系统控制器参数的整定
所谓投运，就是通过适当的步骤，使主、副控制器从手动工作状态转到自动工作状态。
两种投运方法：①、先投副环后投主环 (常用 )；
②、先投主环后投副环 (很少用 )。
一、串级控制系统的投运上一页 下一页 返回二、串级控制系统控制器参数的整定
串级控制系统的方案正确设计后，为了使系统运行在最佳状态，按照自控理论，必须对系统进行校正，这在过程控制中称为参数整定。
在工程实践中，串级控制系统中常用的整定方法有：
逐步逼近法、两步整定法、一步整定法等。
上一页 下一页 返回
(一 )、逐步逼近法
逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。该方法较繁琐。
具体步骤为：
先断开主回路，整定副控制器。
后闭合主回路，整定主控制器。
重新调整副控制器参数。
若未达到控制要求，再调整主控制器参数。
以上步骤循环进行，直到满足 (逼近 )控制指标为止。
对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
(二 )、两步整定法 (应用最广泛 )
应用场合：
串级控制系统中的主、副对象时间常数相差较大、
主、副回路的动态联系不紧密
主、副对象的时间常数相差较大，则主、副回路的工作频率相差较大，当副回路整定好以后，将副回路视作主回路的一个环节来整定主回路，可以认为对副回路的影响较小，甚至可以忽略。
工业生产中，工艺上对主变量的控制要求高，而对副变量的控制要求低，在多数情况下副变量的设臵目的是为了进一步提高主变量的控制品质因此，当副控制器整定好后，再去整定主控制器时，虽然多少会影响到副变量的控制品质，但只要保证主变量的控制品质，副变量的控制品质差一点也是允许的。
理论依据
2009-7-30
两步法的整定步骤：
第一步，整定副控制器；
第二步，整定主控制器。
详细的整定步骤见教材 P125
上一页 下一页 返回在硝酸生 产过 程中，有一 个氧 化 炉温 度 与氨气流量的串 级 控制系 统 。 温 度 为 主 参数,工 艺 要求 较高,温 度最大偏差不 能超 过?5℃,氨气 流量 为 副 参数,允 许 在一定范 围内变 化，要求不高。系 统 控制器 参数 采用 两 步整定法,过 程如下。
应 用 举 例上一页 下一页 返回
①、在系统设计时，
主控制器选用 PI控制规律，副控制器选用 P控制规律。在系统稳定允许条件下，主、副控制器均置于纯比例作用，
主控制器的比例度?置于 100%，用 4,1衰减曲线法 (见 右 图 )整定副控制器的参数，得上一页 下一页 返回
②将副控制器的比例度置于 32%上，用相同的方法整定，将主控制器的比例度由大到小逐渐调节，取得主控制器的?1S =50%,T1S=7min。
2S=32%,T2S=15s。
上一页 下一页 返回主控制器 (温度控制器 )：比例度?1=1.2?1S=60%，积分时间 T1=0.5? T1S=3.5min
副控制器 (流量控制器 )：比例度?2 =?2S =32%
③根据上述求得的各参数，运用 4,1衰减曲线法整定计算公式 (见上表 4-1)，计算主、副控制器的整定参数为：
上一页 下一页 返回
2009-7-30
④把上述计算的参数，按先 P后 I的次序，
分别设置在主、副控制器上，并使串级控制系统在该参数下运行。
实际运行，氧化炉温度稳定，完全满足生产工艺的要求。
上一页 下一页 返回
2009-7-30
（三）一步整定法
根据经验先确定副控制器的比例度，然后按照单回路控制系统的参数整定方法整定主控制器的参数。
对于一个串级控制系统，在纯比例控制的情况下，
要得到主变量的 4,1衰减振荡过程，主、副控制器的放大倍数 Kc1,Kc2可以有好几组搭配，他们的相互关系近似满足
21 ccs KKK
根据表 5.2，（ P126）
常数当采用 1－ 3组整定参数时，主变量均可得到 4,1衰减振荡过程，且过渡过程均为 9min,而 3.3?
sK
上一页 下一页 返回
2009-7-30
根据表 5.2，（ P126）
当采用 1－ 3组整定参数时，主变量均可得到 4,1衰减振荡过程，且过渡过程均为 9min,而 3.3?sK
这说明主、副控制器的放大倍数可以在一定范围内任意匹配，而控制效果基本相同。
一步整定法的理论依据
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(1 sD)(2 sD
+
-
+-
)(1sY
)(2sY
上一页 下一页 返回
2009-7-30
)(1 sGc )(' 2 sG o )(1 sGo
)(1 sGm
)(1sR )(1sE
)(1 sD
+
-
)(1sY
整个回路的等效控制器的放大倍数为
'21 KKK cc
等效副回路的放大倍数主控制器的放大倍数假设主变量产生 4:1衰减振荡过程时,'' 21 KKKK ccs
则 '2K
1cK
和 允许在一定范围内任意搭配，只要其乘积为 '
sK,主变量就会产生 4:1衰减振荡过程
2009-7-30
2022
022
2 1'
mvc
vc
KKKK
KKKK
)(1 sGc )(2 sGc )(sGv )(2 sGo )(1 sGo
)(2 sGm
)(1 sGm
)(1sR )(1sE )(2 sR )(2 sE
)(1 sD)(2 sD
+
-
+-
)(1sY
)(2sY
二者的关系式。
'' 21 KKKK ccs '2K 1cK和允许在一定范围内任意搭配,可以确定 '2K 1cK
2022
022
2 1'
mvc
vc
KKKK
KKKK
通过 '2K 确定 2cK
2009-7-30
一步整定法的具体步骤
1：通过表 5.3 副控制器比例度取值范围选择副控制器的比例度 2? 使副回路按纯比例控制运行。
2：将系统投入串级控制状态运行，按单回路控制系统参数整定的方法对主控制器进行参数整定，使主变量的控制品质最佳。
2009-7-30
应 用 举 例某化工厂精馏塔塔底温度和蒸汽流量串级控制系统见 P111－ 112
1、与单回路系统相比，串级控制系统有哪些主要特点？
2、为什么说串级控制系统具有改善过程动态特性的特点？ T’02和 K’02减小与提高控制质量有何关系
？
3、为什么提高系统工作频率也算是串级控制系统的一大特点？
思考下一章
