形成两个环: 副环或副回路－－“ 粗调”作用 主环或主回路－－“ 细调”作用
串级控制系统方块图
D2 y1,sp
＋ －
D1 y2
＋ ＋
Gc1
y2,sp ＋ － ym2
Gc2
Gv Gm2
Gp2
＋ ＋
Gp1
y1
副回路 主回路
ym1
Gm1
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（将副回路看成 是一个等效的控制阀）。

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；
由于
' D2 ( s) 1 D2 (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2
假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有
Gc 2GvGp 2Gm2 1
' D2 D2
反应器温度的串级控制响应
串级控制系统的特点
第三章 串级控制系统


单回路控制系统—简单控制系统：在一般情况 下能够满足生产控制要求 特殊情况：当控制要求较高时，在如下情况下， 单回路不能满足要求。 *过程可控程度较差，如对象有大滞后。 *对象有较明显的时变性或非线性特性。 *扰动剧烈，而且幅度大。 *控制性能要求较高。 *过程参数之间存在严重关联。
串级控制系统的特点（3）

改善了对象的动态特性，提高了系统的工作 频率。在相同的衰减比下，主调节器的增益 可显著加大。
Gc 2GvGp 2 副回路等效对象为： G ' (s) y2 (s) p2 y2,sp (s) 1 + Gc 2GvG p 2Gm 2 若：
D2
＋ ＋
D1 y2
＋ ＋
Gp 2
TC-TC 串级控制：炉内温度作为副被 控变量，常用于克服燃料影响，例如， 成份、热值等。温度点不易找准
串级控制系统设计

1. 副变量的选择 从对象中能引出中间变量是设计串级系统 的前提条件。 当对象有多个中间变量可引出 时, 就有一个副变量如何选择的问题。 副变量 的选择原则是要充分发挥串级系统的优点, 为此, 我们总是希望: (1) 将主要干扰包括在副回路内。 (2) 将更多的干扰包括在副回路内


（1） 逻辑推理法 对于单回路, 确定调节器的正反作用的步骤为: ① 根据生产安全要求, 确定调节阀气开、 气关的形式; ② 确定当被调参数变化时, 调节器输出实现负反馈的作用 方向; ③确定调节器的正、 反作用(当被测参数变化与调节器输出 变化同向时为正作用, 否则, 为反作用)。
“串级控制”
反应器温度的串级控制方案
TC1
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。
TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
反应器温度的串级控制响应
反应器温度串级控制框图
多回路系统特征：基于PID控制策略；由多个控制回路 组成的系统。
常见的复杂控制系统有串级、均匀、比值、
分程、三冲量、前馈、选择性等系统。
●多回路系统的发展
• 80-90%控制系统是基于PID控制的系统， 包括多回路系统。 • 多回路系统应用状况 以乙烯生产厂为例，它共有421个控制回 路 其中：常规PID单回路 347个 串级、比值等 74个（串级24） 多回路系统占17.5%
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; 掌握串级控制系统的投运 ; 了解串级控制系统的防积分饱和措施。
反应釜温度单回路控制系统
?
TC 出料
控制目标:反应釜温度恒定 操纵变量：冷却剂流量 被控变量：反应温度 扰动变量： D2冷却剂温度以 及D1工艺介质流量
冷却剂 进料
控制规律：PID
D2
调节器 调节阀 夹套
T1sp ＋ －
T2
D1
槽壁 反应槽
T1
温度测量变送
反应釜温度单回路控制响应曲线
T1sp ＋ － D2
调节器 调节阀 夹套
T2
D1
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1




主被控变量（Yl)：是工艺控制指标或与工艺控制指标 有直接关系，在串级控制系统中起主导作用的被控变 量。 副被控变量（Y2）：大多为影响主被控变量的重要 参数。 主控制器：在系统中起主导作用，按主被控变量和其 设定值之差进行控制运算，并将其输出作为副控制器 给定值。 副控制器：在系统中起辅助作用，按所测得的副被控 变量和主控输出之差来进行控制运算，其输出直接作 用于控制阀的控制器，简称为“副控”。
2. 主、 副调节器的调节规律选择 主调节器常选择PI或PID控制律凡是


如果要加入微分作用, 一定要采用“微分先行”方式, 因为副回路是个随动系统, 设定值是经常变化的, 调节 器的微分作用会引起调节阀的大幅跳动, 并引起很大的 超调。 但是当副回路是流量(或液体压力)系统时, 它们的开环 静态增益、 时间常数都较小, 并且系统存在高噪声。 因此在实际生产中, 流量(或液体压力)副调节器常采 用PI作用, 以减少系统的波动。

3. 主副调节器正、 反作用选择
调节器的正、 反作用选择原则是要使系统成为一 个负反馈系统。 一般有两种选择方法, 即逻辑推理法和方框图法。 用测量值与调节器的输出关系来定义调节器的正 反作用。 具体定义为: 当测量信号增加(隐含的假定是设定值 不变)时, 调节器比例作用的输出也增加的, 称为正作 用; 否则， 称为反作用

因素进行权衡。

设计串级控制系统的场合, 对象特性总有较大的滞后, 主调节器采用三作用PID控制规律是必要的。 而副回路是随动回路, 允许存在余差。 从这个角度来讲, 副调节器不需要积分作用, 一般只采用P作用。 如当温度作副变量时, 副调节器不宜加积分, 这样可以 将副回路的开环静态增益调整得较大, 以提高克服干扰 的能力。
(3) 副对象的滞后不能太大, 以保持副回路的快速响应 性能。 (4) 将副对象中具有显著非线性或时变特性的一部分 归于副对象中。 (5) 需要流量实现精确的跟踪时, 可选流量为副变量。 (6) 主、 副对象的时间常数应相差3倍以上, 以防主、 副回路产生共振。 应该指出, 以上几条都是从某个局部角度来考虑的 , 如(2)与(3)就相互矛盾, 在具体选择时需要兼顾各种
TC1 TC2
T2
冷却剂 进料
T1
出料
讨论: 主副控制器的 “正反作用”反应槽
T1sp ＋ －
TC1
T2sp ＋ －
T1
夹套水温测量
反应器温度测量
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
y2
串级控制系统的特点（2）

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（系统的“鲁棒性” 增强） 。
对于内环等效对象的稳态增益：
K
' p2

Kc 2 Kv K p 2 1 + Kc 2 Kv K p 2 K m2
' 1 Kp 2
Kc 2 Kv K p 2 Km2 1
Km2
串级控制系统的特点
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分析
1
TC
2
FC
3
FC
1
2
PC
3 再 沸 器
塔 底 部
加热蒸汽
分析问题：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。
串级方案设计举例
加热炉出口温度控制
TC
TC
FC 进料 出料
PC
进料 出料
燃料油
燃料油
TC-FC串级控制：用于克服燃油上游侧压力干扰的影 响燃油黏度大，易堵，不常采用 TC-PC串级控制：取压点在控制阀后，用于克服压力 影响喷嘴易堵，使用时要增加报警系统
串级方案设计举例（续）
TC 出料
TC
燃料油
进料
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 越差）。
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器 调节阀 副对象
y2
主对象
y1
ym2
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
主参数
ym1





主变送器：测量并转换主被控变量的变送器。 副变送器：测量并转换副被控变量的变送器。 主对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控 变量表征其 主要特性的生产设备或过程。 副对象：大多为工业过程中影响主被控变量的、由副被控变量 表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。 副回路:由副变送器、副控制器、控制阀和副对象所构成的闭环 回路 , 又称为“ 副环” 或“内环”。 主回路：由主变送器、主控制器、副回路等效环节、主对象所 构成的闭环回路，又称为“主环”或“外环”。

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