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1、串级控制系统目录申级控制系统的设计串级控制系统的工业应用串级控制系统两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为 另一个调节器的给定值的系统。例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统1. 基本概念即组成结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输 出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被 控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控 制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制冋路，主冋路和副冋路。副冋路由副变量检测 变送、副调节器、
2、调节阀和副过程构成；主冋路由主变量检测变送、主调 节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副冋路范围内的扰动。 二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副冋路范围内的扰动。2. 串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点 的位置不同，分种情况进行分析：* 1）扰动作用于副冋路* 2）扰动作用于主过程* 3）扰动同时作用于副冋路和主过程分析可以看到：在串级控制系统小，由于引入了一个副回路，不仅能 及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗 调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控
3、制品质得到进一 步提高。3. 系统特点及分析*改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。*能迅速克服进入副回路的二次扰动。*提高了系统的工作频率。*对负荷变化的适应性较强4. 工程应用场合*应用于容量滞后较大的过程*应用于纯时延较大的过程*应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程*应用于参数互相关联的过程*应用于非线性过程5. 系统设计*主参数的选择和主回路的设计*副参数的选择和副回路的设计*控制系统控制参数的选择*串级控制系统主、副调节器控制规律的选择*串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定编辑本段串级控制系统的设计1. 主回路的设计串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计
4、类 似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控 制系统中两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定 主、副回路的原则等问题。2. 副回路的设计由于副回路是随动系统，对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能 力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小, 因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主 要扰动包括在副回路中，此外耍尽可能包含较多的扰动。归纳如下。(1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。(2) 将更多的扰动包括在副回路中。(3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。（4）要将被控对彖具有明
5、显非线性或时变特性的一部分归于副对彖 中。（5）在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。在这里要注意（2）和（3）存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路 小有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的 发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾（2）和（3）的综合。例如，图1所示的以物料岀口温度为主被控参数、炉膛温度为副被控 参数，燃料流量为控制参数的串级控制系统，假定燃料流量和气热值变化 是主要扰动，系统把该扰动设计在副回路内是合理的。3. 主、副回路的匹配1）主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配设计小考虑使二次回路小应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、 副回
6、路扰动数量的匹配问题。副回路小如果包括的扰动越多，其通道就越 长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就 会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作 用。原则上，在设计小要保证主、副回路扰动数量、时间常数Z比值在3 10之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多， 副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改 善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间 常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特 性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对 被控量的
7、影响。严重时会岀现主、副回路“共振”现彖，系统不能正常工 作。2）主、副调节器的控制规律的匹配、选择在串级控制系统小，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值 控制，副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一 般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求 起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或D 控制。如果引入I控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用； 也没有必要引入D控制，因为副回路采用P控制已经起到了快速控制作用， 引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。3）主、副调节器正反作用方式的确定一个过程控制系
8、统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制 系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均 为负反馈。确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种 作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。以图1所示物料出口温度与 炉膛温度串级控制系统为例，说明主、副调节器正反作用方式的确定。副调节器作用方式的确定：首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式, 这样保证当系统出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加 热炉，确保设备安全，调节阀的Kv 0。然后确定副被控过程的Ko2,当 调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以Ko2 0。最后确定
9、副调节器，为保证副回路是负反馈，齐环节放大系数（即增益）乘积必须为 正，所以副调节器K 20 ,副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的确定：炉膛温度升高，物料岀口温度也升高，主被控过程Koi 0o为保证 主回路为负反馈，齐环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系 数K 1 0,主调节器作用方式为反作用方式。例如图1所示串级控制系统示意图，从加热炉安全角度考虑，调节阀 应选气开阀，即如果调节阀的控制信号小断，阀门应处于关闭状态，控制 信号上升，阀门开度增大，流量增加，是正作用方式。反之，为负作用方 式。副对彖的输入信号是燃料流量，输出信号是阀后燃料压力，流量上升, 压力亦增加是正
10、作用方式。测量变送单元作用方式均为正。在图2的串级控制系统框图中可以看到，由于副回路可以简化成一个 正作用方式环节，主对彖作用方式为正，主测量变送环节为正。根据单回 路控制系统设计中介绍的闭合系统必须为负反馈控制系统设计原则,即闭 环各环节比例度乘积必须为正，故主调节器均选用反作用调节器，副调节 器均选用反作用调节器。编辑本段串级控制系统的工业应用1. 用于克服被控过程较大的容量滞后在过程控制系统中，被控过程的容量滞后较大，特别是一些被控量是 温度等参数时，控制要求较高，如杲采用单回路控制系统往往不能满足生 产工艺的要求。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，提 高系统工作频率，合理
11、构造二次回路，减小容量滞后对过程的影响，加快 响应速度。在构造二次回路时，应该选择一个滞后较小的副回路，保证快 速动作的副回路。2. 用于克服被控过程的纯滞后被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性，使控制系统 不能满足生产工艺的要求。使用串级控制系统，在距离调节阀较近、纯滞 后较小的位置构成副回路，把主要扰动包含在副回路中，提高副回路对系 统的控制能力，可以减小纯滞后对主被控量的影响。改善控制系统的控制 质量。3. 用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。只要 在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路小，即可以大大削弱其对 主被控量的影响。4. 用于克服被控过程的非线性在过程控制小，一般的被控过程都存在着一定的非线性。这会导致当 负载变化时整个系统的特性发生变化，影响控制系统的动态特性。单回路 系统往往不能满足生产工艺的要求，由于串级控制系统的副回路是随动控 制系统，具有一定的自适应性，在一定程度上可以补偿非线性对系统动态 特:性的影响。
