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？ 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？调大调大× 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； 反应釜温度单回路控制系统操纵变量：操纵变量：被控变量：被控变量：控制规律：控制规律：冷却剂流量冷却剂流量反应温度反应温度PID夹夹套套槽槽壁壁 系统控制与扰动的分析•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 → 反应槽温度变化问题：从扰动开始至调节器动作，滞后较大，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。
特别对于大容量的反应槽，滞后更大 解决方法夹套夹套冷却水冷却水温度温度T2比反应槽温度比反应槽温度T1能能更快更快地地感受感受到来自到来自干扰干扰（冷却水入口温度）以及来自控制的（冷却水入口温度）以及来自控制的影响因而可设计影响因而可设计夹套水温单回路控制系统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以尽快地克服冷却水方面的扰动但TC2的设定的设定值应根据值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器可用反应温度调节器TC1来自动实现）来自动实现）串级控制串级控制” 反应器温度的串级控制方案特点：两个调节器串在一起工作，特点：两个调节器串在一起工作，调节器调节器TC2通过调节冷却剂量以通过调节冷却剂量以克克服冷却水方面的扰动服冷却水方面的扰动；；调节器调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以通过调节夹套内水温的设定值以保保证反应温度维持证反应温度维持在工艺所希望的某在工艺所希望的某一一给定值给定值 反应器温度串级控制框图 串级控制系统的框图通用的串级控制系统通用的串级控制系统主控主控制器制器调节调节阀阀副对象副对象主对象主对象主测量主测量变送变送二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动副控副控制器制器副测量副测量变送变送－－－主设定值主设定值主被控变主被控变量量副被控变副被控变量量副回路副回路随动控制随动控制系统系统定值控制定值控制系统系统 主回路主回路副设定值副设定值 定义定义:两个控制器两个控制器串联，串联，两个被控对象两个被控对象，，两个测量变送装置两个测量变送装置，，一个执行器，一个执行器，两个两个回路回路主控制器的输出作为副控制器的设定值主控制器的输出作为副控制器的设定值由由副控制器的输出副控制器的输出去去操纵控制阀操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果，从而对主被控变量具有更好的控制效果串级控制系统 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。
副被控变量：为了稳定主被控变量而引入的中间辅助变量主被控对象：生产过程中要控制的生产设备、装置副被控对象：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）反应槽内的温度反应槽内的温度夹套内的温度夹套内的温度反应槽反应槽夹套夹套 主控制器：按主被控变量的测量值与设定值的偏差而工作，其输出为副被控变量的设定值副控制器：设定值是主控制器的输出主设定值副设定值主测量值副测量值串级控制系统的名词术语TC1TC2 副回路:串级控制系统内部包含：副控制器、执行器、副被控对象、副测量变送器主回路：主控制器、副回路、主被控对象、主测量变送器一次扰动二次扰动串级控制系统的名词术语 串级控制系统主回路为定值控制系统 设定值固定副回路为随动控制系统 设定值由主控制器的输出提供，随主控制器输出的变化而变化 串级控制系统的控制过程分析一次扰动一次扰动二次扰动二次扰动 串级与单回路控制simulink仿真 串级与单回路控制simulink仿真调节时间调节时间180 60余差余差 0 0 串级与单回路控制simulink仿真二次扰动最大偏差二次扰动最大偏差 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，、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，副回路是随动控制其中主回路是定值控制，副回路是随动控制2、副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影响、副回路的引入，大大克服了二次扰动对系统被调量的影响3、迅速克服进入副回路扰动的影响，提高系统的抗扰动能力、迅速克服进入副回路扰动的影响，提高系统的抗扰动能力4、对负荷变化有一定的自适应能力（适应操作条件的变化）、对负荷变化有一定的自适应能力（适应操作条件的变化）特点特点副回路副回路具有具有先调先调、、粗调粗调、、快调快调的特点；的特点；主回路主回路具有具有后调后调、、细调细调、、慢调慢调的特点，并的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。
对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服 应用范围应用范围1、纯滞后大、纯滞后大2、容量滞后大、容量滞后大3、扰动变化剧烈、幅值大、扰动变化剧烈、幅值大4、具有非线性特性的过程、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污水处理混凝加药单回路控制系统系统溶液池溶液池混合池混合池反反应池池沉淀池沉淀池污水水图 混凝加混凝加药单回路控制方案回路控制方案浊度浊度控制器控制器浊度计浊度计 污水处理混凝加药污水处理混凝加药串级串级控制控制系统系统溶液池溶液池混合池混合池反反应池池沉淀池沉淀池污水水图 混凝加混凝加药串串级控制方案控制方案FTFC浊度浊度控制器控制器浊度计浊度计 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。
① ① 被被控控变变量量应应能能代代表表一一定定的的工工艺艺操操作作指指标标或或能能反反映映工艺操作工艺操作状态状态，一般是工艺过程中较，一般是工艺过程中较重要的变量重要的变量 ② ② 被被控控变变量量在在工工艺艺操操作作过过程程中中经经常常要要受受到到一一些些干干扰扰影响而影响而变化变化为维持其恒定，需要较频繁的调节为维持其恒定，需要较频繁的调节 主被控变量的选择③ ③ 尽尽量量采采用用直直接接指指标标作作为为被被控控变变量量当当无无法法获获得得直直接接指指标标信信号号，，或或其其测测量量和和变变送送信信号号滞滞后后很很大大时时，，可可选选择择与与直直接接指指标标有有单单值值对对应应关关系系的的间间接接指指标标作作为为被控变量被控变量 ④ ④ 被被控控变变量量应应能能被被测测量量出出来来，，并并具具有有足足够够大大的的灵灵敏敏度 ⑤ ⑤ 选选择择被被控控变变量量时时，，必必须须考考虑虑工工艺艺合合理理性性和和国国内内仪仪表产品现状表产品现状⑥ ⑥ 被控变量应是被控变量应是独立可控独立可控的 副被控变量的选择1、使副回路包含主要扰动，并包含尽可能多的扰动 主要扰动：对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁 的扰动。
扰动较多、难分主次：尽可能多的包含扰动2、副回路的时间常数要合适，保证副回路的快速性，避免发生“共振”一般要求主、副回路的时间常数之比为3~10 副变量越副变量越靠近主变量靠近主变量，副回路，副回路包含包含的的扰动越多扰动越多，， 同时同时通道变长通道变长，滞后增加，，滞后增加，控制速度变慢控制速度变慢；； 副变量越靠近操纵变量，副回路包含的扰动越少，副变量越靠近操纵变量，副回路包含的扰动越少， 通道越短，控制速度越快通道越短，控制速度越快副被控变量的选择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4、主要的非线性环节纳入副回路使非线性对、主要的非线性环节纳入副回路使非线性对主变量影响小主变量影响小5、副回路尽量少包含或不包含纯滞后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考虑工艺合理性和经济性 串级系统副参数的选择分析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）主调主调节器节器调节调节阀阀蒸汽管蒸汽管路系统路系统再沸再沸器器塔底塔底温度测量温度测量D2θrθD1副调副调节器节器流量流量测量测量QrQ－－－－控制方案控制方案1方框图方框图分析分析：可保持加热量稳定，它只能快速消除：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，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对克服其它扰动不明显 （（2）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线）副参数为调节阀后的蒸汽压力（作用线2））主调主调节器节器调节调节阀阀蒸汽管蒸汽管路系统路系统再沸再沸器器塔底塔底温度测量温度测量D2θrθD1副调副调节器节器流量测量流量测量Qr－－－－控制方案控制方案2方框图方框图P分析：分析：把加热蒸汽侧的扰动完全包括在副环把加热蒸汽侧的扰动完全包括在副环之内，与之内，与1相比，副环中包括了更大的时间相比，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常数，有助于改善主环的调节性能 （（3）副参数为再沸器的蒸发量（作用线）副参数为再沸器的蒸发量（作用线3））分析：分析：把再沸器侧的扰动包括在副环内（再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的调节性能，但副环克服蒸汽方面的扰动要慢些。
慢些主调主调节器节器调节调节阀阀蒸汽管蒸汽管路系统路系统再沸再沸器器塔底塔底温度测量温度测量D2θrθD1副调副调节器节器流量测量流量测量QrQ－－－－控制方案控制方案3方框图方框图 方案方案1、、温度温度-压力串级控制压力串级控制出口温度为主变量出口温度为主变量燃油压力为副变量燃油压力为副变量能克服燃油压力波动的影响能克服燃油压力波动的影响串级控制副变量选择练习串级控制副变量选择练习如果如果燃油波动较大燃油波动较大，主要扰动就是燃油压力的波动，，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加热炉温度串级控制系统加热炉温度串级控制系统燃料油燃料油扰动：扰动：燃料油压力的波动燃料油压力的波动燃料油成分变化，导致燃油热值不同燃料油成分变化，导致燃油热值不同 方案方案2、温度、温度-温度串级控制温度串级控制出口温度为主变量出口温度为主变量炉膛温度为副变量炉膛温度为副变量能克服燃油热值等问题的影响能克服燃油热值等问题的影响燃油压力较稳定燃油压力较稳定的情况下，主要扰动是燃油热值的变化，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。
使用该串级控制系统可以得到更好的控制效果加热炉温度串级控制系统加热炉温度串级控制系统 精馏塔温度串级控制系统精馏塔温度串级控制系统分析：分析：温度控制对象滞后较大，温度控制对象滞后较大，加热蒸汽压力波动大，加热蒸汽压力波动大，控制不及时，控制质量不够理想控制不及时，控制质量不够理想解决方法：解决方法：温度温度-流量串级控制系统流量串级控制系统精馏塔塔釜温度为主变量精馏塔塔釜温度为主变量蒸汽流量为副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使蒸汽流量稳定，大大减少这种扰动对主变量的影响 主、副控制器控制规律的选择出发点：主回路为定值控制系统出发点：主回路为定值控制系统主控制器：主控制器：PI或或PID要求：主变量，工艺要求严格，允许波动的范围较小，要求：主变量，工艺要求严格，允许波动的范围较小， 一般不允许有余差一般不允许有余差主控制器主控制器 出发点：副回路为随动控制系统出发点：副回路为随动控制系统副控制器：副控制器：P或或PI要求：副变量无严格要求，副回路要具有快速性，要求：副变量无严格要求，副回路要具有快速性， 最好不带积分作用。
最好不带积分作用但是但是，选，选流量流量参数为副变量参数为副变量 时，加入较弱的积分作用，增强控制作用时，加入较弱的积分作用，增强控制作用副控制器副控制器主、副控制器控制规律的选择 举例举例加热炉温度加热炉温度-压力串级控制压力串级控制加热炉温度加热炉温度-温度串级控制温度串级控制主控制器：主控制器：副控制器：副控制器：PIDP主控制器：主控制器：副控制器：副控制器：PIDP如果换成流量，又该如何选择？如果换成流量，又该如何选择？主控制器：主控制器：副控制器：副控制器：PIDPI 主、副控制器正、反作用的选择主、副回路都必须是负反馈副控制器副控制器这时不考虑主控制器的作用方式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与单回路控制系统中控制器正、反作用方式选择相同副控制器副控制器) ×(执行器执行器) ×(副对象副对象) ×(副测量变送副测量变送)=‘－－’ 主控制器主控制器主、副控制器正、反作用的选择主控主控制器制器调节调节阀阀副对象副对象主对象主对象主测量主测量变送变送二次扰动二次扰动一次扰动一次扰动副控副控制器制器副测量副测量变送变送－－－主设定值主设定值主被控变主被控变量量副被控变副被控变量量副回路副回路主回路主回路副设定值副设定值 主、副控制器正、反作用的选择主控主控制器制器副环副环主对象主对象主测量主测量变送变送－－主设定值主设定值主被控变主被控变量量主回路主回路副环始终为正作用副环始终为正作用‘＋＋’。
主测量变送为正作用主测量变送为正作用‘＋＋’主控制器主控制器) ×(主对象主对象)=‘－－’ 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 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：控制阀：副对象：副对象：副测量变送副测量变送:“＋＋”“＋＋”“＋”副控制器：副控制器：“－－”主对象：主对象：“＋＋”主控制器：主控制器：“－－” n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例题控制阀：控制阀：副对象：副对象：副测量变送副测量变送:“＋＋”“＋＋”“＋”副控制器：副控制器：“－－”主对象：主对象：“＋＋”主控制器：主控制器：“－－” 串级控制系统的实施选择实施方案时，需考虑的问题：n方案应满足操作要求n实施方案应力求实用，简单可靠，少花钱多办事实施方案应力求实用，简单可靠，少花钱多办事。
n仪表信号必须互相匹配不同类型仪表需配信号转换器n副控制器必须具有外给定输入接口接收主控制器的外给定信号n实施方案应便于操作 串级控制一般方案：4-20mA20-100kPa 主控主控-串级切换的串级控制方案串级切换的串级控制方案结论：结论： 只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间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注意：注意：串级与主控直接切换的条件串级与主控直接切换的条件:组成的控制系统必须是组成的控制系统必须是负反馈控制系统负反馈控制系统 先副后主保证无扰动切换串级系统的投运原则原则具体步骤具体步骤n阅读教材 n将主、副控制器的切换开关都置于手动；n使生产处于要求的工况；n使副偏差为0，将副控制器切换到自动；n使主控制器的偏差为0，然后将主控制器切换到自动 两步法（先副环后主环的方法） 1）在主副回路闭合时，将主控制器δ置100%、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副环，找出副变量出现4:1振荡过程的记录下比例度δ2s 及振荡周期T 2s 。
2）将副控制器置δ2s 、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定主环，找出主变量出现4:1衰减振荡过程，记录下比例度δ1s 及振荡周期T 1s 串级系统PID参数的整定方法 3）、根椐得到的δ1s 、 T 1s 、 δ2s 、 T 2s值，结合主、副控制器的选型，按单回控制系统衰减曲线法的计算公式，可以计算出主、副控制器的δ、Ti 、Td 4）、将计算所得参数按先副环后主环、先比例再积分后微分的顺序在控制器上放好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地进行一些微小的调整 一步法根据经验先将副控制器参数一次放好，不再变动，然后按一般单回路系统整定方法，直接整定主控制器参数在整定过程中以牺牲副参数的质量指标的原则（副参数在允许的范围内），使主参数达到规定的质量指标的要求 作业作业第三章课后习题1、4、10、15 设计中水箱液位串级控制系统上水箱，中水箱，蓄水箱，泵，主控制器，副控制器，主、副测量变送器，控制阀（执行器）学生设计一个中水箱液位串级控制系统要求：制定控制方案，画出系统框图，能说出工作原理，清楚主、副被控对象以及主、副被控变量分别是什么 。