的灵敏度。 应考虑经济性和工艺的合理性。
主、副回路调节器调节规律的选择原则 控制器控制规律的选择应根据控制系统的要求确 定。 主控制器控制规律的选择通常为PID。 副控制器控制规律的选择通常为P或PI。
串级控制系统主、副被控变量的选择 选择原则如下：
根据工。
副被控变量应包含主要扰动，并应包含尽可能多的 扰动。
主、副回路的时间常数和时滞应错开，即工作频率 错开，以防止共振现象发生。
主、副被控变量之间应有一一对应关系。 主被控变量的选择应使主对象有较大的增益和足够
Wf (s)
Wm2 (s)
WD2 (s) Y2 WD1(s) Y1
Wm1(s)
图2-1 串级控制系统原理方框图
主调节器(主控制器)： 根据主参数与给定 值的偏差而动作，其输出作为副调节器的 给定值的调节器。
副调节器(副控制器)： 其给定值由主调节 器的输出决定，并根据副参数与给定值(即 主调节器输出)的偏差动作。
（2-1）
输出对于扰动 的传Z递2 函数
WZ2 (s)
y1(s) Z2(s)
1
WT1(s)WT
WD1(s )WD2(S ) 2(s)WD1(s)WD2(s)Wm1(s)WZ
(（s) 2-2）
x 输出对输入 的1 传递函数
Wx1 (s)
y1(s) x1(s)
1
WT1(s)WT2(s)WD1(s)WD2(s)WZ (s) WT 1(s)WT 2(s)WD1(s)WD2(s)Wm1(s)WZ
串
1
2 串 0串
1
2 T1 T2 KT 2KZK f Km2K2T1 1
串
T1T2
2串
单
1
2 T1 T2 1 单 T1T2 2 单
假定串级控制系统和单回路控制以同样的衰减率工作，即令
串
单
串
T1 T2 KT 2KZ K f Km2K2T1
1
T1 T2
1
KT 2KZ K f Km2K2
单
T1 T2
1
T1 T2
主回路(外回路)： 断开副调节器的反馈回路后 的整个外回路。
副回路(内回路)： 由副参数、副调节器及所包 括的一部分对象所组成的闭合回路（随动回路)
主对象(惰性区)： 主参数所处的那一部分工艺 设备，它的输入信号为副变量，输出信号为主 参数(主变量)。
副对象(导前区)： 副参数所处的那一部分工艺 设备，它的输入信号为调节量，其输出信号为 副参数(副变量)。
(（s) 2-3）
对于一个定值控制系统，扰动造成的影响应该越小越 好，而定值部分应尽量保持恒定，因此，式（2-2）越
接 近0，W式m1 （12-3）越接近1 （令干扰能）力，的则式控子制W系x统1(s性) 能越y1(好s)。x1(也s)即用以表征克服
WZ2 (s) y1(s)z2(s)
的值越大越好。
第二章 常见的复杂控制系统
§2.1 串级控制系统 §2.2 比值控制系统 §2.3 双重控制系统和选择性控制 §2.4 前馈控制系统 §2.5 大迟延控制 §2.6 解耦控制
§2.1 串级控制系统
基本原理、结构与性能分析 串级控制系统设计及工程应用 串级控制系统抗积分饱和 串级控制系统的变型
基本原理、结构与性能分析
1
KT 2KZ K f Km2K2T1 T1 T2
显然 串 ，所1以
串单
单
串级控制系统具有一定的自适应能力。
能够更精确控制操纵变量的流量。
可实现更灵活的操作方式。
串级控制系统设计及工程应用
串级控制系统主副回路和主副调节器选择 主副回路的选择原则
➢副回路应把 变化幅度大 最剧烈 最频繁
等干扰包括在副回路内，充分发 挥副回路改善系统动态特性的作 用，保证主参数的稳定;
➢应合理选择副对象和检测变送环节的特性，使副环可近 似为1：1比例环节。
➢ 主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路 控制系统相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时 间常数选择是有关的。原则是两者相差大一些，效果好一 些。
在选择副回路时，主、副对象的时间常数比值应选取适
当，一般
T1 / T2 2 ~ 6(或3 ~ 10）之间较合适。
当 T1 /T2 10 时表示 T2 很小，副回路包括的干扰 因素越来越少，副回路克服干扰能力强的优点未 能充分利用；当 T1 / T2 3 时表T明2 过大，副回路 包括的干扰过多，控制作用不及时；当 T1 /T2 1 时，主副对象之间的动态联系十分紧密，如果在 干扰作下，主、副参数任一个先振荡，必将引起 另一个也振荡，这样，两个参数互相促进，振荡 更加剧烈，这就是所谓的"共振效应"，显然应力 求避免。
（2-5）
KT1KT 2 KT1
一般有：
X1
WT1 (s)
Z2 WZ (s)
Wf (s)
WD2 (s)
WD1 (s) Y1
Wm1 ( s )
图2-3单回路控制系统原理方框 图
结论：系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小， 克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数 整定得越大，这个优点越显著。
串级控制系统可减小副回路的时间常数，改善对象动态 特性，提高系统的工作频率。
基本概念和系统结构 串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一种 常用的复杂控制系统，它根据系统结构命名。它 由两个或两个以上的控制器串联连接组成，一个 控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这类 控制系统称为串级控制系统。
X1
WT1(s) X 2
WT 2 (s)
Z2
WZ (s)
现有 如果
Wx1(s) WZ 2(s)
WT 1(s)WT 2(s )WZ即(s )为两个调节器传递函数的乘积。
WT1(s) KT1 WT2(s) KT2 WZ (s) KZ ，1 则有
y1(s)x1(s) y1(s)z2(s)
KT1KT 2
若采用如图2-3所示单回路控制系统，可 以算得
其表征克yy11((服ss))xz干21((扰ss)) 能W力T的1 式K子T1
串级控制系统的特点 串级控制系统具有很强的克服内扰的能力。
将图2-1简化为图2-2
Z2
X1
WT 1 ( s )
WT 2 (s)
WZ (s)
WD2 (s) Y2 WD1(s) Y1
Wm1 ( s )
图2-2 串级控制系统原理简化方框图
其中
WD2(s)
y2(s) (s)
Wf (s)WD2(s) 1 WT 2(s)Wf (s)WD2(s)Wm2(s)WZ (s)