2、串级控制系统术语
（l）主对象、副对象，也称主被控对象、 副被控对象，如图4所示，主对象与副对象 是由原被控对象分解而得到的。
（2）主变量、副变量也称为主被控变量、 副被控变量。主变量是主被控对象的输出信 号，副变量是副被控对象的输出信号，是原 被控对象的某个中间变量，同时也是主被控 对象的输入信号。
（1）受干扰作用，主、副变量变化方 向相同：
（2）受干扰作用，主、副变量变化 方向相反：
综上所述，在串级控制系统中，由
于从对象提取出副变量并增加了一个副
环，整个系统克服干扰的能力更强，克
服干扰的作用更及时，控制性能明显提
高。
第二节 均匀控制系统
均匀控制系统从系统结构上无法看
构成的串级
控制系统及方块
图如右图和下图
所示。
该串级控制系统中，干扰F1和F2作
用在温度对象1上，它们首先影响到Ts，
然后再影响到TM。由于Ts能被测量并加 以控制，因此，它的波动范围比未加以
控制前大大减小，所以干扰F1和F2对Tm 的影响也大大减少。
1．组成原理
（l）将原被控对象分解为两个串联的被 控对象，如下图所示。
（2）以连接分解后的两个被控对象 的中间变量为副被控变量，构成一个简 单控制系统，称为副调节系统或副环。
（3）以原对象的输出信号为主被控 变量，即分解后的第二个被控对象的输 出信号，构成一个调节系统，称为主调 节系统或主环。
（4）主调 节系统中调节 器的输出信号 作为副调节系 统调节器的给 定值，副调节 系统的输出信 号作为主被控 对象的输入信 号，如右图所 示。
副对象：输入信号为燃料流量，输出信
号是炉膛温度，故输入信号增加，输出信号
亦增加，是正作用单元；
主测量变送方块与副测量变送方块：
均为输入信号增加，则输出信号增加，
是正作用单元；
调节阀：为防止调节阀气信号中断
时烧坏炉管，选气开阀，即当调节阀气
信号中断时，阀门全关，较安全，是正
作用单元；
副调节器：调节器方块选正作用方
（3）主测量值、副测量值是相应被控制 变量的测量值。
（4）主调节器、副调节器：副调节器负 责虚线框中副环被控对象的调节任务，使副 变量符合副给定值的要求；主调节器负责整 个系统的调节任务。
（5）主给定值、副给定值：主给定值是 主变量的期望值，由主调节器内部设定；副 给定值是副变量的期望值，由主调节器的输 出信号提供。
向，连同比较点一起，调节器是反作用
调节器，即测量增加，调节器输出减少；
主调节器：调节器方块选正作用方
向，连同比较点一起，调节器也是反作
用调节器。
下面根据上述系统各部件的选择，
对控制系统的调节过程进行分析。
1．干扰作用于副对象：
2．干扰作用于主对象：
3．干扰同时作用于主、副对象
分为两种情况来讨论。
分析如下：
该系统的调节通道，调节器TC发出的信 号送给调节阀，调节阀改变阀门开度，送入 加热炉的燃料流量改变，燃料在炉膛里燃烧， 炉膛温度改变，传热给管道，最终使原料温 度得到调整，稳定在所希望的温度附近。由 于传热过程的时间常数大，达到15分钟左右， 等到出口温度发生偏差后再进行调节，导致 偏差在较长的时间内不能被克服，误差太大， 不符合工艺要求。如何解决这个问题呢？根 据反馈原理，被控变量的任何偏差，都是由 种种干扰引起的，如果能把这些干扰抑制住， 则被控变量的波动将会减小许多。
来越突出，因此要满足这些要求，解决这
些问题，仅靠简单控制系统是不行的，需
要引入更为复杂、更为先进的控制系统。
由于采用复杂控制系统的装置或对象都是
工厂中的重要装置或关键岗位，因此需要
予以特别的重视。
本章介绍的复杂控制系统包括串级、
均匀、比值、选择性、分程、前馈和多冲
第一节 串级控制系统
串级控制系统是所有复杂控制系统
在控制系统中，每一个干扰到被控变 量之间都是一条干扰通道。对于该加热炉， 主要的干扰有：燃料压力的波动、燃料热 值的波动、原料流量的调整或波动、原料 入口温度的波动等等。如果对每一个主要 干扰都用一个控制系统来克服波动，则整 个系统的主要目标（原料的出口温度）， 肯定能被控制得很好。但实际上，有些量 的控制很不方便，而且，这样做整个控制 工程的投资将是很大的。实践中，人们探 索出一种复杂控制系统，不需要增加太多 的仪表即可使被控制量达到较高的控制精 度。这就是串级控制系统。
（6）主环、副环：也称为主回路、副回 路。副环为图4中虚线框内部分；主环为包 括副环的整个控制系统。
二、作用方向及调节过程
为了便于分析调节过程，首先对图3加
热炉温度串级控制系统各方块的性能进行分
析和选择。
主对象：输入信号为炉膛温度，输出信
号为原料出口温度，故输入信号增加，输出
信号亦增加，是正作用单元；
中应用最多的一种，当要求被控变量的
误差范围很小，简单控制系统不能满足
要求时，可考虑采用串级控制系统。
一、组成原理
如左图所示是一 个加热炉温度控制系 统。被加热原料的出 口温度T是该控制系 统的被控变量，燃料 量是该系统的调节变 量，这是一个简单控 制系统。如果对出口 温度T的误差范围要 求不高，这个控制方 案是可行的。如果出 口温度T的误差范围 要求很小，则简单控 制系统难以胜任。
该系统的主要问题在于传热过程时间常 数很大。串级控制的思想是把时间常数较 大的被控对象分解为二个时间常数较小的 被控对象，如从燃料量到炉膛温度Ts的设 备可作为第一个被控对象，炉膛温度到被 控变量TM的设备作为第二个对象，也就是 在原被控制对象中找出一个中间变量—— 炉膛温度Ts，它能提前反映干扰的作用， 增加对这个中间变量的有效控制，即根据 炉膛温度的变化，先控制燃料量，再根据 原料出口温度与给定值之差，进一步控制 燃料量，可使整个系统的被控制变量得到
第八章 复杂控制系统 返回首页
第一节 串级控制系统 第二节 均匀控制系统 第三节 比值控制系统 第四节 分程控制系统 第五节 选择性控制系统 第六节 前馈控制系统
随着科学技术的发展，现代过程工业
规模越来越大，复杂程度越来越高，产品
控制一体化问题等，越