过程控制
3、主、副调节器的选择
控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调 节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控 制规律的出发点。 主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围比较小，一般 要求无余差。因此，主调节器应选PI或PID控制规律。 副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以在一定范围 内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律。 引入积分控制规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用 引入微分作用，因副回路本身起着快速作用，再引入微分作用 会使调节阀动作过大，对控制不利。
定量分析：
D2
R1 + Gd2(s) Gv(s) Gp2(s)
过程控制
D1
Gd1(s)
Gc1(s)
R2
Gc2(s)
+ Gp1(s)
Y2
Y1
－
Ym1
－
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
Y1 ( s) D2 ( s )

Gd 2 ( s)G p1 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s ) Gc1 ( s )Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s )
主调节器、副调节器；
主给定值、副给定值；
主对象、副对象；
一次扰动、二次扰动。
三、串级控制系统的组成原理
1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象；
过程控制
2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控量， 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作为副调节器的给定值， 副调节器的输出信号作为主被控对象的输入信号。
第二节 串级控制系统的分析
过程控制
常把副回路内的扰动称二次扰动，而把副环路之外的扰 动称一次扰动。
与简单控制系统比较，串级控制增加了副回路，它的作 用是有效地克服二次扰动的影响。
串级控制系统的特点和分析：
过程控制
1、能迅速克服进入副回路扰动的影响，增强了系统的 抗干扰能力 定性分析：
当扰动进入副回路后，首先，副被控变量检测到扰动的影响， 并通过副回路的控制作用，及时调节控制变量，使副被控变量 回复到副设定值，从而使扰动对主被控变量的影响减小。即副 回路对扰动进行粗调，主回路对扰动进行细调。因此，串级控 制系统能迅速克服进入副回路扰动的影响。
s
1 Gc1 ( s )G 2 ( s )G p1 ( s )Gm1 ( s) 0 p
设：
2
G p1 ( s )
s
, Gc1 ( s ) K c1 , Gm1 ( s ) K m1
0
T p1 T p 2 T p1T p 2
1 K c1 K 2 K p1 K m1 p T p1T p 2
过程控制
R1 + Gc1(s)
R2
Gc2(s)
Gv(s)
Gp2(s)
Y2
+ Gp1(s)
Y1
－
Ym1
－
Ym2
Gm2(s)
Gm1(s)
串级控制系统方框图
R1 +
Y2 Gc1(s) Gp2(s) Gp1(s)
过程控制 Y
1
－
Ym1
Gm1(s) 串级控制系统的等效方框图
G 2 ( s ) p
G p 2 (s) K p2 Tp 2 s 1
过程控制
K 2 p Kc2 Kv K p2 1 Kc2 Kv K p2 K m2
等效被控过程的放大系数
Tp 2
Tp 2 1 Kc2 Kv K p2 K m2
等效被控过程的时间常数
在串级控制系统中，由于副回路的存在，改善了原有一部分 对象的特性，使等效副对象的时间常数减小了。时间常数的 减小，意味着控制通道的缩短，从而使控制作用更加及时， 响应速度更快，控制质量必然得到提高。
过程控制
D2
R1 +
Gd2(s)
D1
Gd1(s)
Gc(s)
Gv(s)
Gp2(s)
+ Gp1(s)
Y1
－
Ym1
Gm(s) 单回路控制系统方框图
Y1 ( s ) D2 ( s)

Gd 2 ( s )G p1 ( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm ( s)

Gd 2 ( s)G p1 ( s)
因此可以说，串级控制系统的结构使二次扰动对主参数这一 通道的动态增益明显减小。当二次扰动出现时，很快就被副 调节器所克服。与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰 的影响往往可以减小10100倍。
过程控制
2、改善了被控过程的动态特性
串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副 回路则为一个随动系统。
过程控制
Y1 ( s) D2 ( s) 1 Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)Gm 2 ( s) Gc1 ( s)Gc 2 ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm1 ( s)
Y1 ( s ) D2 ( s) Gd 2 ( s )G p1 ( s ) 1 Gc ( s)Gv ( s)G p 2 ( s)G p1 ( s)Gm ( s)
过程控制
过程控制
串级控制系统的概念举例
串级控制系统的分析
串级系统设计和实施中的几个问题
调节器的选型和整定方法
比值控制系统
第一节
串级控制系统的举例与基本概念 过程控制
一、实际生产例子
例 1 连续槽反应器温度控制 （如图5－1）
反应器工作原理 控制任务 恒定反应釜内温度 系统主要干扰
例：设串级控制系统的方框图如图，其中主、副对象的传递 函数分别为：
G p1 ( s ) G p 2 ( s) 1 (30s 1)(3s 1) 1 (10s 1)( s 1) 2
主、副调节器的传递函数分别为：
Gc1 ( s ) K c1 (1 Gc 2 ( s ) K c 2 1 TI s )
3、提高了系统的工作频率
R1 + Y2 Gc1(s) Gp2(s) Gp1(s)
过程控制
Y1
－
Ym1 Gm1(s)
串级控制系统的等效方框图
R1 + Y2 Gc(s) Gp2(s) Gp1(s) Y1
－
Ym Gm1(s)
单回路控制系统的方框图
串级系统的特征方程为：
过程控制
K p1 Tp1s 1
0
0.087 0.27 0.34
0
0.23 0.013 0.13
三、串级控制系统的设计
1、主变量的选择
过程控制
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。对于主变量的 选择和主回路的设计，可以按照单回路控制系统的设计原则 进行。 串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计及 主、副回路关系的考虑。
改进的控制系统方案图
过程控制
（图5－3）
控制系统结构图
过程控制
（图5－4）
例2：精溜塔提溜段的控制
工作原理 控制任务
过程控制
恒定精溜塔内温度 系统主要干扰
进料流量、温度扰动
加热蒸汽温度、压力扰动 再沸器的传热条件
（图5－5）
简单控制系统设计
存在的问题
精溜塔提溜段的控制图
进料流量、温度扰动
冷却液温度、压力扰动
简单控制系统设计 （图5－1）
过程控制
（图5－2） 存在的问题——时间延迟引出的问题 当D2温度突然升高，需经夹套、槽壁、反应器三个环节 才能使 1 温度升高，此时调节器才开始改变参数，加大调节 阀开度，把冷却水加大。在延迟的时间内，D2的变化已经迅 速使 2 改变，也使 1 很会升高，这样产生了 1 的偏差。
加热蒸汽的压力波动对温 度的影响很大
改进方案一
过程控制
（图5－6）
缺点：该方法增加了蒸汽管路的压力损失。造成经济的不 划算。
改进方案二
过程控制
（图5－7）
根据加热蒸汽流量信号控制调节阀，根据精溜塔温度 得到期望的加热蒸汽。
控制系统结构图
过程控制
（图5－8）
例3 炼油厂管式加热炉温控制系统
过程控制
4、对负荷和操作条件的变化具有一定的自适应能力
定性分析：
由于副回路是一个随动控制系统，它的设定值随主控制器的输 出而变化。这样主控制器就可以按照操作条件和负荷的变化情 况，相应地调整副控制器的设定值，从而保证在操作条件和负 荷发生变化的情况下，控制系统仍然具有良好的控制质量。
定量分析：
四、串级控制系统特点
1）分级控制思想
过程控制
将调节通道较长的对象分为两级，许多干扰在副环中消 除掉，剩余的影响及其他干扰由主环消除。
2）串级系统的结构组成
两个对象；两个调节器；两测量变送器；一个执行器
3）系统工作方式
副环工作于随动控制方式；主环工作于定值控制方式
4）控制性能
系统对于干扰反应及时，克服干扰速度快，能克服系统 滞后，改善控制精度和提高控制质量。
K 2 p Kc 2 Kv K p 2 1 Kc 2 Kv K p 2 Km2 Kc 2 Kv K p 2 Kc 2 Kv K p 2 Km2 1 Km2
可知，串级系统中的等效对象仅与测量变送装置有关。如果副 对象或调节阀的特性随负荷变化时，对等效对象的影响不大。