主参数 测量变送
二次扰动
一次扰动
副对象
y2
y1
主对象
副参数
主参数
串级控制系统方块图
D2
D1
y1,sp
y2,sp
＋
Gc1
＋
Gc2
Gv
－
－
ym2
Gm2
ym1 Gm1
＋ ＋
Gp2
y2
＋
Gp1 ＋
y1
副回路
主回路
注：D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主 参数的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路
y1sp(t) e(t) KC
＋
－
ym1(t)
TD s + 1 ADTD s + 1
串级系统主控制器 防积分饱和连接方法
＋ ＋
1 TI s + 1
u ym2(t)
串级控制系统的防积分饱和
r1
e1
＋ －
r2 e2 Gc1 ＋
－ ym2
Gc2
v
Gm2
D2
D1
＋ ＋
y2
＋ ＋
y1
Gp2
Gp1
ym1 Gm1
1. 副调节器常选择PI控制律
原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁， 一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的 是快速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的 调节能力，理论上不用加积分作用。但实际运行 中，串级系统有时需要断开主回路，因而，通常 需要加入积分作用。但积分作用要求较弱，以保 证副回路较强的抗干扰能力。
＋
u1
v
－
AD
＋
1
PID 控制器
TI s +1
d(t)
＋
广义 ＋
对象
ym(t)
方法：正常情况为标准的PD+PI控制算法；而当出现超 限时，通过限制积分作用达到切除积分作用的目的。
单回路防积分饱和方法 在串级控制系统中的局限性
串级系统积分饱和现象仿真
串级 系统 产生 积分 饱和 的原 因分 析？
串级控制主调节器防积分饱和连接法
TC FC
进料
燃料油
情况1：流量副回路出现“积 分饱和”，可采用单回路抗 积分饱和方法； 情况2：当主副控制器均采用 单回路抗积分饱和方法时， 出料 可能出现限位参数不一致的 情形，同样存在发生“积分 饱和”的可能性。
单回路系统的防积分饱和
ysp(t)
＋
e(s)
KC
TD s + 1 TD s + 1
2. 副回路应包含被控对象所受到的主要干扰； 3. 尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含
于副回路中； 4. 副参数可测。
常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、 液位+流量、温度+温度等。
串级系统副参数的选择举例*
1
TC
2
3
FC
1 2 PC
FC
塔
3
底
再
部
加热蒸汽
沸
器
分析问题：副回路的快速性与副回路所能包括的扰动源 数量之间的矛盾。
串级方案设计举例
TC
TC
FC 进料
PC 进料
出料
出料
燃料油
燃料油
讨论：副回路所包含的干扰与副回路快速性之间的矛盾？
串级方案设计举例（续）
TC TC 燃料油
出料
讨论：副回路所能
包括的扰动越多，
副对象与主对象的
动态特性的差别越
小，越容易引起内
外回路之间的“共
振”（系统稳定性
进料 越差）。
串级系统副调节器选型
串级系统主调节器选型
2. 主调节器常选择PI或PID控制律
原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。 因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须 加入较强的积分作用（除主参数为液位的串级均匀 控制系统以外）。当主对象的调节滞后较大，而主 参数变化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。
串级PID系统的积分饱和问题
（将副回路看成是一个等效的控制阀）。
串级系统副环的等效性
y2,sp
＋ －
Gc2 ym2
Gv Gm2
＋ D2
＋
Gp2
ห้องสมุดไป่ตู้y2
D2(s)
1 1 + Gc2GvG p2Gm2
y2,sp
Gc2GvG p2 1 + Gc2GvG p2Gm2
＋ D2' (s)
＋
y2(s)
串级控制系统的特点（1）
1. 副回路（有时称内环）具有快速调节作用， 它能有效地克服二次扰动的影响。
过控第6章-串级控制系统.
反应釜温度单回路控制系统
TC
冷却剂
进料
T1sp
＋ －
调节器
控制变量：冷却剂量 出料 被控变量：反应温度
控 制 阀：气关阀 控制规律：PID
调节阀
D2
T2
夹套
槽壁
D1 T1
反应槽
温度测量变送
单回路控制系统D2扰动分析
TC
冷却剂 进料
冷却水入口温度↑→ 夹套内 出料 冷却水温度 T2 ↑→ （经对流
在工艺所希望的某一给定 值。
反应器温度串级控制框图
T1sp
＋ －
T2sp TC1 ＋
－
TC2
阀
D2
T2
夹套
槽壁
夹套水温测量
反应器温度测量
D1 T1
反应槽
TC1称为“主调节器”，TC2称为“副调节器”。
通用的串级控制系统
y1,sp
＋ －
y2,sp
主调
副调
节器 ＋
节器
－
ym2
ym1
调节阀
副参数 测量变送
Kp' 2
Kc2KvKp2 1+Kc2KvKp2Km2
当 Kc2KvKp2Km2 1
Kp' 2
1 Km2
结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上 和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。
单回路控制系统的抗干扰性能
串级系统的参数整定与抗干扰
串级系统的设计原则
1. 副参数的选择应使副对象的时间常数比主对 象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；
串级系统的防积分饱和方法举例
串级系统防积分饱和措施举例
工业PID控制器常用结构
功能: 控制输出跟踪, 防积分饱和, 输出限幅, 正反作用选 择,测量值滤波,设定值变化率限幅等.
由于
D2' (s)
1
D2(s) 1+Gc2GvGp2Gm2
而对于动态滞后较小的副回路，有
Gc2GvGp2Gm2 1
D2' D2
串级控制系统的特点（2）
2. 对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能力， 并能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性 对控制性能的影响，即具有较强的鲁棒性。
对于内环等效对象的增益
传热）槽壁温度↑→ 反应槽 温度T1 ↑→（经反馈回路） 冷却水量↑
问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对 于大容量的反应槽，调节滞后更大。
对调节滞后的解决方法之一
对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温
度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应
槽温度T1能更快地感受到。因而可设计夹套水温
单回路控制系统TC2以尽快地克服冷却水方面的
扰动。但TC2的设定值应根据T1的控制要求作相
应的变化（这一要求可用反应釜温度调节器TC1
来自动实现）。
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
T1
冷却剂
进料
特点：两个调节器串在一 起工作，调节器TC2通过 调节冷却剂流量以克服冷
出料 却水方面的扰动；调节器 TC1通过调节夹套内的水 温以保证反应斧温度维持