串级控制系统 Cascade Control System
单回路PID控制系统回顾



什么是单回路控制系统？ 被控变量的选择原则？ 操纵变量的选择选择？ 执行器的选择需要考虑哪些因素？ 测量变送装置的选择需要考虑哪些因素？ 控制器的选择需要考虑哪些因素？ 比例度、积分时间、微分时间分别对过渡过程有 什么样的影响？
θr
－
主调 Qr 节器
副调 节器 流量 测量 温度测量
Q
D2
调节 阀 蒸汽管 路系统 再沸 器
D1
塔底
θ
－
控制方案1方框图
（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线2）
分析：把加热蒸汽侧的扰动完全 包括在副环之内，与1相比，副 环中包括了更大的时间常数，有 助于改善主环的调节性能。
D2 副调 节器
调节 阀 流量测量 蒸汽管 路系统
1、纯滞后大 2、容量滞后大 3、扰动变化剧烈、幅值大
4、具有非线性特性的过程
容量滞后：物料或能量的传递需要通过一定阻力 而引起的滞后。 纯滞后：介质的输送由于有一段距离需要一段时间 而引起的滞后。
污水处理加药控制系统
污水处理混凝加药单回路控制系统 浊度计
浊度 控制器
溶液池
污水
混合池
反应池
沉淀池
图 混凝加药单回路控制方案
4、主要的非线性环节纳入副回路。使非线性对 主变量影响小。 5、副回路尽量少包含或不包含纯滞后。 6、考虑工艺合理性和经济性。
串级系统副参数的选择分析
副回路的快速性与副回路所能包括的扰动范围之间的矛盾
（1）副参数为加热蒸汽（作用线1）
分析：可保持加热量稳定，它只 能快速消除因蒸汽汽源压力变化 引起的扰动。由于蒸汽流量对象 的滞后非常小，当用流量作副变 量时，并不能使串级系统的频率 有多少提高，对克服其它扰动不 明显。
污水处理混凝加药串级控制系统
浊度计 浊度 控制器 FC
FT
溶液池
污水 混合池 反应池 图 混凝加药串级控制方案
沉淀池
串级控制系统的设计

主、副被控变量 主、副控制器 执行器 主、副测量变送装置 Nhomakorabea
投运与参数整定
主被控变量的选择

主被控变量（简称主变量）的选择与简单控制 系统被控变量的选择原则相同。
主测量 变送
通用的串级控制系统
串级控制系统
定义:
两个控制器串联，两个被控对象，两个测量变送装置，
一个执行器，两个回路 主控制器的输出作为副控制器的设定值 由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具 有更好的控制效果
串级控制系统的名词术语




主被控变量：生产过程中的工艺控制指标。 反应槽内的温度 副被控变量：为了稳定主被控变量而引入的中 间辅助变量。 夹套内的温度 主被控对象：生产过程中要控制的生产设备、 装置。 反应槽 副被控对象：表征副被控变量特性的设备（输 入量为操纵变量，输出量为副被控变量）。 夹套
PID 主控制器： PI 副控制器： 如果换成流量，又该如何选择？
加热炉温度-压力串级控制 PID 主控制器： P 副控制器：
加热炉温度-温度串级控制 PID 主控制器： P 副控制器：
主、副控制器正、反作用的选择

主、副回路都必须是负反馈
这时不考虑主控制器的作用方式。 与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同。
问题：从扰动开始至调节器动作，滞后较大，
特别对于大容量的反应槽，滞后更大。
TC
出料
解决方法
冷却剂 进料
夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受 到来自干扰（冷却水入口温度）以及来自控制的 影响。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 可用反应温度调节器TC1来自动实现）。
反应器温度测量
串级与单回路控制simulink仿真
串级与单回路控制simulink仿真
调节时间 余差
180 0
60 0
串级与单回路控制simulink仿真
二次扰动最大偏差 0.27
0.013
串级控制系统的特点及应用范围
1、两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统， 其中主回路是定值控制，副回路是随动控制
副变量越靠近主变量，副回路包含的扰动越多， 同时通道变长，滞后增加，控制速度变慢； 副变量越靠近操纵变量，副回路包含的扰动越少， 通道越短，控制速度越快。
3、要求副变量的变化对主变量影响作用明显，主、 副变量要有一定的内在联系。 a、与主变量有一定关系的中间变量
b、选操纵变量作为副变量
副被控变量的选择
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
特点：两个调节器串在一 起工作，调节器TC2通过 调节冷却剂量以克服冷却 水方面的扰动；调节器 TC1通过调节夹套内水温 的设定值以保证反应温度 维持在工艺所希望的某一 给定值。
反应器温度串级控制框图
TC1
TC2
T2
冷却剂
T1
主控-串级切换的串级控制方案
注意： 串级与主控直接切换的条件:组成的控制系统必须是负反馈控制系统
结论： 只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间直接切换。 如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控 制器的正反作用。
反应釜温度单回路控制系统
操纵变量： 冷却剂流量
TC 出料
被控变量： 反应温度 控制规律： PID
夹 套
冷却剂
槽 壁
进料
T1sp ＋ －
D2
调节器 调节阀 夹套
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
系统控制与扰动的分析

TC
出料

冷却剂 进料
干扰变量的影响：冷却水入 口温度变化 → 夹套内冷却 水温度变化 → 槽壁温度变 化 → 反应槽温度变化 控制变量的影响：冷却水调 节阀开度变化 → 冷却水流 量变化 → 夹套内冷却水温 度变化 → 槽壁温度变化 → 反应槽温度变化
塔底
串级控制副变量选择练习
加热炉温度串级控制系统
扰动： 燃料油压力的波动 燃料油成分变化，导致燃油热值不同 方案1、温度-压力串级控制 出口温度为主变量 燃油压力为副变量 能克服燃油压力波动的影响
燃料油
如果燃油波动较大，主要扰动就是燃油压力的波动， 可采用此串级控制系统，以快速克服燃油压力波动带来的扰动。
副环 主对象
－
主回路
主测量 变送
副环始终为正作用‘＋’。 主测量变送为正作用‘＋’。 (主控制器) ×(主对象)=‘－’
主、副控制器正反作用的选择原则


主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。 （1）副控制器的正、反作用与主回路无关。副环可 以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定 副控制器的正、反作用。 （2）主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各 环节来确定。副回路视为“正”，因变送器一般为“ 正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性 相反。
课堂提问


采用PI控制，Ti调小时为保持系统稳定性，比 例度应该怎样变化？ 工程整定方法有哪几种？主要步骤是什么？ 系统的投运是使执行器从手动平稳过渡到自动 状态，该说法对不对？
主要内容



了解串级控制系统的概念与特点； 掌握串级控制系统的方框图表示法； 结合控制原理，掌握串级系统的分析方法； 了解串级控制系统的设计原则； 掌握串级控制系统的参数整定方法；
(副控制器) ×(执行器) ×(副对象) ×(副测量变送) =‘－’
主、副控制器正、反作用的选择
副回路
副设定值 主设定值
二次扰动
调节 阀 副测量 变送 副对象
一次扰动 主被控 主对象 变量
主控 制器
－
－
副控 制器
副被控 变量
主回路
主测量 变送
主、副控制器正、反作用的选择
主设定值
主控 制器
主被控 变量
例题

例1.确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压 力串级控制系统主、副控制器的正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋” 副控制器：“－” 主对象： “＋” 主控制器：“－”
例题

例2.确定下图所示加热炉出口温度与炉膛温度 串级控制系统主、副控制器的正反作用。
控制阀： “＋” 副对象： “＋” 副测量变送: “＋” 副控制器：“－” 主对象： “＋” 主控制器：“－”
加热炉温度串级控制系统
方案2、温度-温度串级控制 出口温度为主变量 炉膛温度为副变量 能克服燃油热值等问题的影响
燃油压力较稳定的情况下，主要扰动是燃油热值的变化， 使用该串级控制系统可以得到更好的控制效果。
精馏塔温度串级控制系统
分析： 温度控制对象滞后较大， 加热蒸汽压力波动大， 控制不及时，控制质量不够理想。 解决方法： 温度-流量串级控制系统 精馏塔塔釜温度为主变量 蒸汽流量为副变量 使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响。
θr －
主调 Qr 节器 －
P
D1
再沸 器 塔底
θ
温度测量
控制方案2方框图
（3）副参数为再沸器的蒸发量（作用线3）
分析：把再沸器侧的扰动包括在 副环内（再沸器液位、塔釜温度 等），有助于改善主环的调节性 能，但副环克服蒸汽方面的扰动 要慢些。
θr －
主调 Qr 节器 － D2 副调 节器 调节 阀 流量测量 温度测量 控制方案3方框图 蒸汽管 路系统 再沸 Q 器 D1 θ