要求： 被加热物料的出口温度为定值。 控制方案一 影响因素： （1）被加热物料的流量和初温f1(t)； （2）燃料油压力的波动、流量的变化、燃料值的变化f2(t)； 被控参数： 出口温度 控制参数：燃料油流量
（3）烟囱抽力变化f3(t)；
（4）配用、炉膛漏风和环境温度的影响f4(t). 缺陷：由于对象内部燃料油要经管道传输、燃烧、传热等一系列环节，总滞后较大 （15min），导致控制作用不及时，另燃料油压力变化较大且频繁，致使偏差较大。 东北大学
' K02 K02
K C 2 KV K 02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
' T02
T02 1 K C 2 KV K 02 K m 2
由于Km2>1，有:
' T02 T02
从以上可以证明，由于副回路的存在，可以使等效对象的时间常数大大减小，整个 系统中对象总的时间滞后近似地等于主对象的时间滞后，单回路控制系统对象总的时间 滞后要有所缩短，使得系统的动态响应加快，控制更加及时，最大动态偏差得到减小；
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
FC
设 定 值 FT
2
蒸汽
凝液 塔底出料
进料 精 1馏 塔
TT
TC
FC
FT
最大偏差不超过 1.5 C
o
再 沸 器
2
蒸汽
凝液 塔底出料
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4.2串级控制系统的应用范围 4. 克服对象的非线性
工业过程存在非线性，负荷变化引起工作点的移动，通过调节阀的 特性补偿。由于受调节阀等各种条件的限制，仍存在较大非线性。 采用串级控制系统，能适应负荷和操作条件的变化，自动调节副调 节器的给定值，改变调节阀未知，使系统运行在新的工作点。
1 KC 2 KV K02 Km2 1 ，有 串 单
从上述公式看出，串级控制系统由于副回路改善了对象的特性，使整个系 统的工作频率得到提高，这就缩短了振荡周期，减少了过渡过程的时间。即便 是干扰作用于主对象．串级控制系统的控制质量也将比单回路控制系统有所改
善。
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4.1.3串级控制系统的特点
值
塔釜的温度： 被控参数 再沸器加热蒸汽：控制参数
进料 精 1馏 塔 再 沸 器
TT
TC
缺点： 蒸汽流量频繁波动，温度变化以后再克服扰动， 对产品质量产生较大影响。
2
蒸汽
最大偏差达 10o C
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凝液 塔底出料
控制方案二：蒸汽流量控制系统 缺点：塔釜的温度不仅仅是受蒸汽流量影响。 其他影响因素： 进料流量、温度、成分等的干扰。 控制方案三：串级控制系统 以蒸汽流量为副参数、塔釜温度为主参 数的串级级控制系统，把蒸汽压力变化这个 主要扰动包括在副回路中，充分运用对于进 入串级副回路的扰动具有较强抑制能力的特 点。满足了生产工艺要求。
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4.1.1 串级控制系统组成
一次扰动： 二次扰动： 作用在主被控过程下的、 作用在副被控过程上的、即 而不包括在副回路范围内 包括在副回路范围内的扰动 的扰动 串级系统和单回路系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环，一个闭环 在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面， 被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被控量满足工艺要求。
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4.1.1 串级控制系统组成
控制方案三
串级控制
主变量：出口温度 副变量： 炉膛温度 优点： 扰动f2、f3对炉口温度的影响由T2C控制器构成的回路来克服，扰动f1、f4对炉出 口温度控制器T1C构成的控制回路来消除。 T1C和 T2C两个控制串联工作，炉出口温度由控制器T1C输出作为炉膛温度控制器 T2C的给定值，系统构成串级控制。
1. 克服被控过程较大的容量滞后
在工业生产中、 一些以温度或质量等作为被控参数的过程，往往其容量滞后 较大，控制要求又较高。若采用单回路控制系统，因容量滞后较大，控制通道的时 间常数较大，对控制作用反应迟钝而使超调量大，过度过程时间长，控制质量不能 满足要求。
采用串级控制系统，可选择一个滞后较小的辅助变量组成一个快速动作的副回 路，使等效过程的时间常数减小，加快响应速度，从而取得较好的控制质量。 对象容量滞后大，干扰情况复杂时，串级控制系统使用普遍。 例如：加热炉出口温度控制系统。
串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的抑制能力，所以，在工业 应用中只要将变化剧烈、而且幅度大的扰动包括在串级系统副回路中，就可以大大减 少其对主参数的影响。
例：某精馏塔塔釜温度的串级控制系统。
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4.2 串级控制系统的应用范围
工艺过程： 精馏塔塔釜温度由于塔釜温度是保证产品分离纯度的重要工艺指标，要求恒 定，对控制质量要求较高。 要求： 塔釜温度控制在±1.5℃范围。蒸汽压力变化剧烈，而且幅度大，有时从 0.5MPa突然降至0.3MPa，压力变化40％（大扰动）。 单回路存在问题： 设 定 控制方案一：简单的温度控制系统
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当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副控制器均采用比例作用时，串级 回路与单回路的工作频率之比为：
串 T01 T02 K C 2 KV K 02 K m 2T01 单 T01 T02
[1 (1 K C 2 KV K 02 K m 2 )]T01 / T02 1 T01 / T02
例：醋酸乙炔合成反应
中部温度是保证合成气质量的重要参数， 工艺要求对其进行严格控制。 工艺过程： 控制通道中包括了两个热交换器和 一个合成反应器，当混合流量发生变化 时，换热器的出口温度随负荷的减小而 明显增加，并呈明显的非线性变化。 串级控制： 主变量：中部温度； 副变量：换热器出口温度。 将具有非线性的换热器包括在副回路中， 提高控制质量。
通过理论可以证明，干扰落于副环时的抗干扰能力大于干扰落于主环时的 抗干扰能力。由于副回路的时间常数大大减小，抗一次干扰的能力也高于同 条件下的单回路控制系统。 东北大学
4.1.3串级控制系统的特点
2. 改善了控制系统的动态特性，提高了工作频率
等效：将副回路看成是主回路中的一个环节，或者把副回路理解为一部分等效对象。此 时，串级控制系统的方块图可简化成上图。
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4.2 串级控制系统的应用范围 2. 克服被控过程的纯滞后
当工业过程纯滞后时间较长，应用串级控制系统来改善其控制质量，即在离调 节阀较近、纯滞后较小的地方．选择一个副参数，构成一个纯滞后较小的副回路， 把主要扰动包括在副回路中，在其影响主参数前，由副回路实现对主要扰动的及时
控制，从而提高控制质量。 利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后是对二次干扰而言。当干扰从主回 路进入时，这一优越性就不存在了，因为一次干扰不直接影响副变量，只有当主变 量改变以后，控制作用通过较大的纯滞后才能对主变量起控制作用。
第 4章
串级控制系统
4.1 概述
4.1.1 串级控制系统组成
4.1.2 串级控制系统的工作过程
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4.1.1 串级控制系统组成 复杂控制系统：
控制系统中采用两个以上的检测元件和变送器，或控制器，或执行器， 完成一些复杂或特殊的控制任务。
4.1.1 串级控制系统的组成
例1： 炼油厂管式加热炉温度控制系统
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求副回路的等效传递函数:
Wc 2 ( s )Wv ( s )W02 ( s ) Z 2 (s) X 2 ( s ) 1 Wc 2 ( s )Wv ( s )W02 ( s )Wm 2 ( s ) K C 2 KV
' W02 (s)
' K 02
K 02 ' T02 s 1 K 02 ' K 02 1 K C 2 KV K m 2 T02 ( s ) s 1 T02 s 1
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4.1.2 串级控制系统的工作过程
初始状态：两个控制器输出不变，控制阀稳定在某一开度。 第一种情况：燃料油流量变化（二次干扰f2）
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4.1.2 串级控制系统的工作过程
第二种情况：被加热料流量和初温变化（一次干扰f1）
第三种情况：一次干扰f1和二次干扰f2同时出现
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课堂作业：
出量为主变量。如上例中从炉膛温度控制点到炉出口温度检测点之间的工 艺生产设备及管道。
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4.1.1 串级控制系统组成
副对象： 由副变量表征其特性的工艺生产设备或过程，其输入量为系统的操纵变 量，输出量为副变量。如上例中由执行器至炉膛温度检测点之间的生产过 程及工艺设备。 主控制器：按主变量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制 器的给定值。如上例中的炉出口温度控制器T1C。 副控制器：按副变量的测量值与主控制器的输出信号的偏差进行工作的控制器，其输 出直接控制执行器的动作。如上例中的炉膛温度控制器T 2C。 主回路： 由主测量变送器、主控制器、副回路等效环节和主对象组成的闭合回路，又 称外环或主环。 副回路： 由副测量变送器、副控制器、执行器和副对象所组成的闭合回路，又称内环 或副环。
4.1.1 串级控制系统组成
控制方案二
被控参数： 炉膛温度
方案优点： 调节通道的时间常数缩短3min，对f2 和f3具有很强的抑制作用，当燃料量和热值 出现波动时，不等到出口温度发生变化就能 提早发现并及时地进行控制，将干扰对出口温度的影响降低。 缺陷： 由于方案中没有把炉出口温度作为被控变量，当被加热物料的流量或入口温度产生 波动使炉出口温度发生变化时，系统将无法使炉出口温度再调回到给定值上。
3．对负荷和操作条件的变化具有一定的适应能力 对象非线性 生产负荷和操作条件改变 对象的特性 发生变化。
控制器参数却是在一定的负荷和操作条件下， 按某种质量指标整定得到的。 因此，这些控制器参数只能在一个较小的工作范围内与对象 特性相匹配， 如果负荷和操作条件变化过大，超出了这个适应范围，那么控制质量就很 难 保证。这个问题是单回路控制系统中的一个难题。 但是，在串级控制系统中情况就不同了。 虽然主回路是一个定值控制 系统，副回路却是一个随动系统，它的给定值是随着主控制器 的输出而变 化的。主控制器可以按照生产负荷和操作条件的变化情况相应地调整副控 制 器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作 条件下，控制系统 仍然具有较好的控制质量。