1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统 的典型结构与特点；
2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统 的参数整定方法；
3）了解前馈控制的原理及使用场合； 4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈－反馈复合
控制的特点及工业应用。
6.1 串级控制系统 6.1.1 串级控制的基本概念
连续反应釜温度控制示意图
问题：过渡过程时间长，调节不及时
将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统 结构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度 串级控制示意图为
串级控制系统的一般结构框图
副回路
主回路
主回路 --定值控制
副回路 --随动控制
6.1.2 串级控制系统的特点 对于同一对象 G 0(s)G 0(1 s)G 0(2 s)
T ' T 则
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
G 0 '2(s)K c2K vK 0 2
1K c2K vK m 2K 0 2
T 0 2
s 1
K 0 2' T 0 2's 1
02
02
1K c2K vK m 2K 0 2
（2）提高了系统的工作频率
串级系统的特征方程为： 1 G c 1 s G 0 2 's G 0 1 s G m 1 s 0
假设
G Y Y C 1 (1s)s s K X F C ,2 1 G V s s(s ) K G VcsG 则vsYY11ss
X1s F2s
KcKv
一般情况下有 KC1KC2 KC
结论：由于副回路的存在， 能迅速克服二次干扰。
2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率
（1）等效时间常数减小，响应速度加快
工艺要求:
物料自顶部连续进入釜中， 经反应后由底部排出。反 应产生的热量由夹套中的 冷却水带走。为保证产品 质量，对反应温度T1要进 行严格控制。
选取冷却水流量为调节参数,构成单回路控制系统
被控过程有三个热容积，即夹套中的冷却水、釜壁和釜中物料。
引起温度T1变化的干扰因素有： 进料方面有进料流量、进料入口温度和化学组成，用F1表示； 冷却水方面有水的入口温度和阀前压力，用F2表示。
将各环节传函代入，化简得
s2TT 0101 TT 020 '2' s1K c1 T K 01c T 20 '2 K ' 01K m 10
2 0
T01 T02 ' T01T02 '
0
2
1
K c1K 02' K 01K m1 T01T02 '
标准形式： s220s020
串级控制系统的工作频率为：
《过程控制与自动化仪表》
西安理工大学 潘永湘 杨延西 赵跃 制作
教学理念：
教书育人要义 传道授业释疑； 师生同心协力, 共探过控真谛 。
熟悉仪表原理, 统领系统设计； 理论实践结合，思维创新第一。
第6章 常用复杂控制系统
第6章 常用复杂控制系统
6.1 串级控制系统 6.2 前馈控制系统
本章要点
串 0
1212 2
T0 1T0'2 T01T0'2
（2）提高了系统的工作频率
单回路系统特征方程为 1 G c ( s ) G v ( s ) G 0 ( s 2 ) G 0 ( s 1 ) G m 1 ( s ) 0
将各环节传函代入，化简得
s2T 01T 02s1K cK vK 02K 01K m 10
T 01 T 02
T 01 T 02
2
0
'0
'2
' T01 T02 T01T02
1 Kc Kv K01K02 T01T02
K m1
单回路系统工作频率
单0 '
1'2T01T02
T01T02
1'2 2'
假定 ' 则
串T01 T0'2T0T 1021T01 /T0'2 单 T01 T02 T0T 10'2 1T01 /T02
X Y 1 1 s s 1 G G cc s s G G vv s s G G 00 2 s 2 s G G 00 1 s 1 s G m 1 s F Y 1 2 s s 1 G cs G G 0v 2 s s G G 0 0 1 s 2 s G m 1 s
控制能力和抗干扰能力综合指标为：
单回路控制
串级控制
1.能迅速克服进入副回路的干扰
串级控制等效方框图
等效副对象为 G 0 2 *s Y F 2 2 s s 1 G c 2sG v G 0 s 2 G s0 2sG m 2s
在给定信号X1作用下 X Y 1 1 s s 1 G c G 1 c 1 ss G c G 2c2 ss G v G v ss G 0 G 2 0 2 ss G 0 G 10 1 ss G m 1s
在干扰F2作用下
Y 1s
G 0 2 *sG 0 1s
F 2s 1 G c1sG c2sG vsG 0 2 *sG 0 1sG m 1s
控制能力和抗干扰能力综合指标：
Y Y 1 1s sX F 2 1s sG c1sG c2sG vs
比值越大，系统的控制 能力和抗干扰能力越强
控制能力和抗干扰能力综合指标：
Y Y 1 1s sX F 2 1s sG c1sG c2sG vs
假设 G c 1 ( s ) K c 1 ,G C 2 (s ) K C 2 ,G V (s ) K V
则
Y1s Y1s
X1s F2s
Kc1Kc2Kv
结论：主、副调节器放大系数的乘积越大， 抗干扰能力越强，控制质量越好。
与单回路控制系统的比较：
T 0 1 /T 0 2 ' T 0 1 /T 0 2 串 单
3.能适应负荷和操作条件的剧烈变化
副回路的等效放大系数为 一般 Kc2KvK02Km21
K02'
Kc2KvK02 1Kc2KvK02Km2
K 02'
1 Km2
当K02或KV随操作条件或负荷变化时，K02’几乎不变.
当采用串级控制时，主环是一个定值系统，而副环 却是一个随动系统。主调节器能够根据操作条件和负荷 变化的情况，不断修改副调节器的给定值，以适应操作 条件和负荷的变化。
等效副回路 G 0 '2 s X Y 2 2 s s 1 G c G 2 c 2 s s G v G s v s G 0 G 2 0 2 s s G m 2 s G c 2 ( s ) G v ( s ) G 0 2 ( s )
假设 G 0 2 ( s ) K 0 2 T 0 2 s 1 , G c 2 ( s ) K c 2 , G v ( s ) K v , G m 2 ( s ) K m 2