过程控制系统Process Control System天津大学电气与自动化工程学院董峰通过这章的学习，我们可以得到以下收获：通过这章的学习，我们可以得到以下收获：z 什么情况下采用串级增强控制系统性能？z 利用五个规则设计串级控制系统；z 串级控制系统的校正；z 系统设计和应用。
主要内容主要内容过程的挑战——改善性能1串级控制的设计规则2串级控制的特点和应用原则3几个过程控制的例子44.1 引言4.1.1 串级系统的概念串级控制系统是在简单控制系统基础上发展起来的。
当被控对象的滞后较大，干扰较剧烈、频繁，采用简单控制系统不能满足工艺要求时，可考虑采用串级控制系统。
1. 目的（1）在对主要变量Y1作用前抑制扰动D2；内环应有足够的能力消除这些扰动；（2）在内环中应能够补偿非线性（如：阀门的滞后）。
2. 分析内环：外环：22'2222222222111RLDRCPCPDCPY+=+++=11211211211'21111RCLPCLPCLPDDPY++++=3. 设计程序（1）首先，按照内环传递函数L 2=1设计外环；例如：假设（2）调整外环参数（滤波器时间常数）到是指达到稳定的合适的性能范围，计算，此时调整内环的响应足够快；（3）设计内环以保证√稳态性能的鲁棒性√√内环的比例带合理，且内环的开关控制无效。
如果以上步骤不能达到稳定，返回步骤（2），增加外环的滤波器时间常数。
()()12L BW L BW >>()1L BW ()()12105L BW L BW ×−>4. 示例（1）容器的液位控制用输出的阀门如何实现串级控制来改进液位控制LC的性能？反应器的温度控制用输入的阀门Fj如何实现串级控制来改进温度控制TC的性能？如何实现串级控制来改进控制的性能？扰动=输入蒸汽的压力控制性能不能接受。
4.1.2 过程特性的讨论（1）扰动压力P与被控温度T （无控制）的因果关系。
（2）当压力P变化时，那种发生改变的影响可测。
过程特性的讨论如果保证这个变量是一个常数，能否降低扰动的影响？一种新的控制结构！关键变量采用两个PID控制器。
在计算机中完成定义的计算。
热反应器控制性能比较单回路串级性能更好，为什么？热反应器串级控制性能为什么流量的扰动被迅速消除？补偿针对扰动。
用串级控制得到或失去的是什么？对如下变化系统如何响应？z扰动为介质的入口压力；z扰动为介质入口处的温度；z扰动为注入的流量；z温度设定TC发生改变；示例（2）合成氧厂的硝酸生产过程，国内在60年代初最早使用的串级控制。
氨氧化生成一氧化氮过程：被控变量：氧化炉温度操作变量：加入的氨量被控对象：滞后大，时间常数大干扰分析：氨压力和流量影响大方案1：氨流量定值控制；炉温是开环方案2：炉温定值控制；氨流量压力影响大方案3：炉温主环，氨流量副环的串级控制QO 6H 4NO 5O 4NH 2PtC84023o +++→4.1.3 串级控制系统的结构1. 串级控制系统的框图G c1(s)：主控制器。
细调作用。
定值控制。
例如，温度控制器G c2(s)：副控制器。
粗调作用。
随动控制。
例如，流量控制嚣Y l：主被控变量。
R l：主设定值。
G p1(s)：主被控对象。
Y2：副被控变量。
R2：副设定值。
G p1(s)：副被控对象。
主回路：由G cl(s)、G c2(s)、G v(s)、G p2(s)、G p1(s)和G m1(s)组成的回路。
副回路：由G c2(s)、G v(s)、G p2(s)和G m2(s)组成的回路。
D2：进入副回路的扰动。
D1：进入主回路的扰动。
2. 串级控制系统的结构特点两个控制器串联连接，一个控制器的输出是另一个控制器的设定值。
z由两个检测变送器、两个控制器和一个控制阀组成；z主回路的定值控制和副回路的随动（对主控制器输出）控制和定值（对副回路的干扰）控制。
3. 示例（3）管式加热炉出口温度控制系统管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置。
在原油加热、重油裂解方面，对炉出口温度的控制非常重要。
用如图所示的简单控制系统来控制出口温度，即用改变燃料量阀门的开度来维持炉出口温度。
炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统若在某一时刻，燃料油的压力或组分发生变化，该干扰首先使炉膛温度θ2发生变化，从而使副控制器T2C工作，控制阀门开度改变燃料的加入量，则使得炉膛温度的偏差随之减小。
与此同时，由于炉膛温度的变化，或由于原料油本身入口流量或温度发生变化，会使炉出口温度θ1发生变化，θ1的变化将通过主控制器T1C不断地改变副控制器T2C的给定值（即T1C的输出值）。
这样，主、副两个控制器协同工作，直到炉出口温度重新稳定在工艺给定值时，过渡过程才结束。
管式炉出口温度与炉膛温度的串级控制系统的方块图可以从方块图看出，在这个系统中，有主、副两个控制器T1C和T2C，分别接受来自被控对象不同部位（炉膛和出口）的测量信号θ1和θ2。
主控制器T1C的输出作为副控制器T2C的输入给定值，而副控制器T2C的输出区控制执行器来改变操纵变量（燃料油输入量）。
从系统结构来看，主、副两个控制器使串联工作的，故此称其为“串级控制系统”。
4.1.4 串级控制系统中的常用名词主变量：是工艺控制指标，在串级控制系统中起主导作用的被控变量；副变量：是在串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要引入的辅助变量；主对象：是表征主变量特性的生产设备；（在管式炉管中，主要指原料油受热管道）副对象：是表征副变量特性的生产设备；（在管式炉管中，主要指燃料油燃烧装置）串级控制系统中的常用名词主控制器：按主变量对给定值的偏差而动作，其输出作为副控制器的给定值；副控制器：其给定值由主控制器的输出所决定，并按副变量对给定值的偏差而动作；主回路：是由主测量、变送，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外环回路；副回路：是由副测量、变送，副控制器，执行器和副对象构成的内环回路。
4.1.5 串级控制特征（1）两个反馈控制器，而仅有一个控制阀（或其它的控制元件）；（2）主控制器的输出信号是副控制器的设定值；（3）两个反馈回路是副（二级）回路“嵌套”在主（初级）回路中。
术语：z副vs. 主z二级vs.初级z内部vs. 外部4.1.6 串级控制系统设计规则1. 设计规则当存在以下情况时可采用串级控制：（1）单回路控制系统性能不能满足要求；（2）有一个被测变量是有效的；副回路变量必须满足：（3）能够代表重要扰动的发生；（4）与执行机构（阀门）间有因果关系；（5）要比主回路有更快的响应；2. 串级控制的优点（1）当副回路比主回路更快时，可以大大的改进系统性能；（2）可以采用PID控制算法的简单技术；（3）在所有层次上使用反馈。
主回路对类似阶跃的扰动余差为零；（4）企业的操作人员容易操作串级控制；当断开某一层级的回路时，所有的控制器是无效的。
关于串级控制的问题讨论（1）为什么需要保留主回路控制器？（2）要达到稳态余差为零，哪种模型可以选用？（3）推荐使用哪种模型？（4）对于串级控制有哪些附加的成本？（5）通常每个PID控制器响应一个独立的被控变量，在串级控制结构中有什么不同吗？（6）串级控制的采用怎样的调试程序？3. 示例（4）填料床反应器：注：z A1是测量反应物的浓度；z“圆圈”处是有外壳和管路组成的热交换器；z进料口的被控阀门由上游的过程调节；z温度提高可提高反应率。
控制性能不能接受！设计串级控制系统改进系统性能5. 副回路比主回路响应快4. 执行器与副回路有因果关系3. 能代表主要的扰动2. 副回路变量可测1. 单回路性能不能接受T3T2T1F2F1A2串级设计规则应用设计规则！注：z 扰动是注入的热介质温度和主回路参数AC-1。
YN/AN/AN/AN/AN/A5. 副回路比主回路响应快Y N N N N N 4. 执行器与副回路有因果关系Y Y N N N N 3. 能代表主要的扰动Y Y Y Y Y Y 2. 副回路变量可测Y Y Y Y Y Y 1. 单回路性能不能接受T3T2T1F2F1A2串级设计规则T2是扰动，但是不能用于串级控制回路中。
T3满足所有的规则，能用于串级控制的副回路。
填料床反应器控制性能比较单回路串级性能更好，为什么？填料床反应器串级控制性能为什么流量的扰动被迅速消除？补偿针对扰动。
用串级控制得到或失去的是什么？对如下变化系统如何响应？z扰动在T1处；z扰动为介质的入口压力；z扰动为输入的压力；z扰动为输入的成分，A2；z输出成分设定AC-1发生改变；三层串级控制串级的层数没有限制？但每一层必须满足规则。
将串级控制应用于仪表中吗？是的！将阀门定位器作为副回路可以降低摩擦的影响。
阀门定位器：用于测量阀杆的位置，并调节气压以达到（或接近）希望的阀位。
是阀的定位装置。
4.2 串级控制系统特点与分析改善主控制器的广义对象特性（1）定性分析√如果副回路被整定成衰减振荡副回路可近似成二阶振荡环节√低频时，幅值近似为1，相位差近似为0即副回路可近似用1：1比例环节描述（2）定量分析√副回路的等效传递函数是：当：，有（3）注意事项√分隔在副回路的部分主对象应占一定分量√防止主、副环的共振现象出现。
()()()()()()()()()s G s G s G s G s G s G s G s R s y m p v c p v c 22222221+=()()()()1222>>s G s G s G s G m p v c ()()122≈s R s y4.2.1 改善系统的动态特性假设主、副对象为一阶环节，串级控制系统的其他环节均为比例环节，即：()22c c K s G =()v v K s G =()22m m K s G =()1222+=s T K s G p p p ()11c c K s G =()11m m K s G =()1111+=s T K s G p p p副回路传递函数为：式中，对副回路控制系统有：2p slave T T <2p slave K K <22221m p v c p Slave K K K K T T +=222221m p v c p v c Slave K K K K K K K K +=()()()()()()()()()()112222222+=+==s T K s G s G s G s G s G s G s G s R s Y s G slave slave m p v c p v c slave串级控制系统的特征方程为：即：与两阶标准形式比较，对串级控制系统，有：()()01111121=++++m p slave c slave p slave p K K K K s T T s T T 022002=++ωξωs s slavep slave p T T T T 1102+=ξωslavep slave p cs cscs cs T T T T 1122211+⋅−=−=ξξξωω()()()()01111=+s G s G s G s G m p slave c 串级系统传递函数：()()()()()()()()()()s G s G s G s G s G s G s G s R s Y s G m p slave c p slave c 11111111+==单回路控制系统：单回路控制系统特征方程：即：单回路的工作频率：()()011221221=++++m p p v c p p p p K K K K K s T T s T T ()()()()()0112=+s G s G s G s G s G m p p v c 212122'0211p p p p s sss T T T T +⋅−=−=ξξξωω串级控制系统和单回路控制系统若有相同的阳尼比，即：则：；则：即：scs ξξ=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=21111p p slave p s cs T T T T ωω211p p slave p T T T T >scs ωω>提高了系统的频率特性系统参数对工作频率的影响串级控制系统的工作频率大于单回路控制系统的工作频率。