第4-1章复杂过程控制系统-串级控制系统

1、过程控制,回 顾,单回路系统：,一个被控过程，采用一个测量变送器检测被控 过程，采用一个控制器保持一个被控参数恒定， 或在小范围内变化，其输出也只控制一个执行 机构的系统。,着眼点：,运用PID控制，着眼于一个物理量的稳定工作， 控制方块图也是由一个闭环完成的。,单回路控制系统适用场合：,适用于被控对象的纯滞后时间短、容量滞后小、负荷变化比较平缓的简单的单输出生产过程。,问题的提出,对象的特性并不复杂，但工艺对控制质量的要求很高或很特殊,对产品质量、产量、对生产效率等提出更高的要求。,用复杂控制系统解决上述问题,单回路控制系统不能解决的问题：,调节对象特性决定它很难控制（滞后常数大或扰动很大）

2、,多输出控制系统,模糊控制、预测控制、推理控制、自适应控制、人工神经网络等等,系统由两个以上的回路构成，用一个以上的测量变送器，或调 节器或执行器,复杂控制系统概念,当采用单回路系统不能满足工业生产的要求时采用或在系统结构上复杂，或在控制算法上复杂的控制系统，以便完成复杂的或是特殊的控制任务。,串级控制系统 前馈控制系统 补偿控制系统 比值控制系统 选择控制系统 分程控制系统 解耦控制系统 模糊控制系统 预测控制系统,9种控制系统,串级控制系统 前馈控制系统 补偿控制系统,比值控制系统 均匀控制系统 分程控制系统 选择性控制系统,第一节 串级控制系统,一.串级控制系统的组成 二.串级控制系统的

3、工作过程 三.串级控制系统的特点 四.串级控制系统的工业应用 五.串级控制系统的设计 六.串级控制系统的参数整定,串级控制思想的提出,以加热炉控制为例工艺要求被加热物料的温度为某一定值,目的： 可延长炉子寿命，防止炉管烧坏； 可保证后面精馏分离的质量。,（1）被加热物料的流量和初温f1(t),（3）烟囱档板位置的改变、抽力的变化f3(t),（2）燃料热值的变化、压力的波动、流量的变化f2(t),加热炉的干扰因素：,为了控制炉出口温度，可以设置一个简单控制系统。,气开,反作用,PID,单回路系统（控制炉出口温度）,优点：所有对被控参数的干扰都包括在控制回路之中。,缺点：控制通道时间常数和容量 滞

4、后较大，控制作用不及时，克服扰动能力较差。,T1C,T1T,r1,热物料,单回路系统（控制炉膛温度）,优点：,能及时而有效地克服来自燃料油压力和烟囱抽力方面的干扰。,缺点：,放弃炉出口温度控制将无法克服来自原料流量和温度f1(t)方面的干扰,由于炉子的控制通道容量滞后很大，反应缓慢，控制精度低，但是工艺上要求炉出口温度的变化范围为(12)。上述的单变量单回路控制系统是难以满足的。,串级控制系统,串级控制方案：选取炉出口温度为主被控参数，选取炉膛温度为副被控参数，把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。控制框图如下图。,串级系统框图,特征：两台控制器串联在一起，控制一个调节阀,在多回

5、路控制系统中，采用不止一个控制器，而且控制器间相串联，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值的系统，称为串级控制系统。,串级控制系统组成,串级控制系统方块图,副回路,主回路,t主被控参数起主导作用的被控参数。 t 副被控参数为稳定主参数而引入的中间辅助参数。 t主被控过程由主被控参数表征其特性的生产过程。其输入量为副被控参数，输出量为主被控参数。 t副被控过程由副被控参数作为输出的生产过程，其输入量为控制参数。 t主调节器按主被控参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。 t副调节器按副被控参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出控制调节阀动作。

6、 t副回路由副调节器、副被控过程和副测量变送器组成的闭合回路。 t一次扰动不包括在副回路内的扰动。 t二次扰动包括在副回路内的扰动。,串级控制系统中常用的名词,例：管式加热炉是炼油厂经常采用的设备之一（如下所示）， 其工艺要求是：炉出口温度保持恒定。,一、串级控制系统的组成,干扰：,原料的流量、初始温度；,燃料的流量、燃料热值。,串级控制原理,方案一：管式加热炉出口温度的单回路控制,温度检测变送器,温度控制器,期望温度,由于原料、燃料的流量等扰动导致控制作用不及时； 偏差大，控制质量差。,存在的问题：,方案二：管式加热炉出口温度的间接控制（1）,存在的问题：,在这个方案中，炉出口温度不是被控量

7、，当来自原料入口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时，此间接控制系统无法将变化了的温度调回来；,期望流量,流量检测变送器,流量控制器,管式加热炉出口温度的间接控制（2）,期望炉膛温度,用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制器的输出去控制燃料油管线的控制阀，可以抑制燃料油流量的扰动,方案三：加热炉出口温度与燃料流量的串级控制,同样：加热炉出口温度与炉膛温度的串级控制可以抑制燃料油 流量的扰动和热值扰动。,串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个执 行阀，实现定值控制的控制系统。,串级控制系统中常见的名词术语：,温度-流量串级控制系统的方框图如下：,主、副变量，主、

8、副控制器（调节器），主、副对象，主、副检测变送器，主、副回路。,作用在主、副对象上的干扰分别为一、二次干扰。,二、串级控制系统的工作过程,仍以管式加热炉出口温度控制为例，分析温度-流量串级控制系统克服干扰的过程。,调节阀：气开式 温度调节器、流量调节器：反作用,内回路选取时应包含主要干扰，同时时间常数不宜过长。,串级控制系统的通用方框图：,情况一：干扰来自燃料油流量的变化, 初始阶段，出口温度不变，温度控制器的输出不变，流量控制器就按照变化了的测量值与没变的设定值之差进行控制，改变执行阀的原有开度，使燃料油向原来的设定值靠近。 当出口温度发生变化时，温度控制器不断改变着流量控制器的设定值，流量

9、控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制，直到炉出口温度重新恢复到设定值 。,先副回路， 后主回路,情况二：干扰来自原料油方面，使炉出口温度升高, 出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。, 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。,情况三：一次干扰和二次干扰同时存在,主、副变量同向变化 主、副调节器共同作用，执行阀的开度大幅度变化，使得炉出口温度很快恢复到设定值。 主、副变量反向变化 两种干扰作用相互抵消，或燃料油流量只作很小的调整。,通过分析可知：副控制器具有“粗调”的作用，而主控制器具有“细调”的作用，两者互相配合，控制质量必然高于单回路控制系统。,串级控制系统工作过程,1

10、.副回路的扰动（二次扰动）作用时:f2、f3,2.主回路的扰动（一次扰动）作用时:f1,3. 一次扰动和二次扰动共同作用时:f1、f2、f3,工况稳定时，炉出口温度稳定在给定值上,扰动发生时，串级系统便开始了其控制过程，根据不同的扰动，分三种情况讨论,干扰作用于副对象 由于副回路控制通道短，时间常数小，所以当干扰进入副回路时，可以获得比单回路控制系统超前的控制作用 干扰作用于主对象 由于副回路的存在，可以及时改变副变量的数值，以达到稳定主变量的目的。,设定值,调节阀,炉膛 温度 控制器,测量变送,炉出口 温度 控制器,炉管内 物料,测量变送,温度,炉膛,气开,反,反,设定值,调节阀,炉膛 温度

11、 控制器,测量变送,炉出口 温度 控制器,炉管内 物料,测量变送,温度,炉膛,气开,反,反,一、二次干扰同时出现 t使主、副变量同向变化 t使主、副变量反向变化 分析可知：副控制器具有“粗调”作用，主控制器具有“细调”作用；两者配合，控制质量必高于单回路控制系统。,在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服。副回路具有先调、粗调、快调的特点； 主回路具有后调、细调、慢调的特点，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。 因此，在串级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制

12、质量。,1、在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路： 主回路和副回路；有两个控制器：主控制器和副控 制器；有两个测量变送器。,串级控制系统的特点,定值控制系统,随动控制系统,串级控制系统的结构框图,2、在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引 入，改善了对象动态特性，使控制过程加快，具 有超前控制的作用。,简化得到,串级控制系统的等效框图,分析过程：,假设,经整理后可得：,结论：串级控制系统中，由于增加了一个副回路，使等 效的被控过程的时间常数减小，从而改善了系统 的动态特性。,T02,K02,3、对于进入副回路的干扰具有较强的抗干扰能力,二次扰动F2(s)作用下的副回路传递函数为：,系统输

13、出对于输入的传递函数为：,系统输出对于扰动F2的传递函数为：,对于一个控制系统，当Y1(s)/X1(s)越接近1 时，系统的控制性能越好； 当它在扰动作用的影响下，Y1(s)/F2(s)越接近零时，系统的抗干扰能力越强。,串级控制系统，其抗干扰的能力可用下式表示：,系统输出对输入的传递函数为：,而对二次扰动F2(s)的传递函数为：,其抗干扰的能力可用下式表示：,串级控制系统与单回路控制系统的抗二次 干扰能力之比为：,分析可得: Kc1*Kc2Kc, Kc1*Kc2越大，抗干扰能力越强。,结论：单回路比串级抗干扰能力差。,4、具有一定的自适应能力,主控制器的输出能按照负荷或操作条件的变化而变化，

14、使副控制器的设定值能随负荷及操作条件的变化而变化，使得串级控制系统能对负荷和操作条件的改变具有一定的自适应能力。,无串级时，开环传函：,有串级时，开环传函：,所以，串级控制可以减小或消除副对象的非线性。,某控制系统方框图如下：,串级控制系统,(1) 从系统结构来看，串级控制系统有主、副两个闭合回路；有主、副两个控制器；有分别测量主变量和副变量的两个测量变送器。 在串级控制系统中，主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统。 (2) 在串级控制系统中，有主、副两个变量。主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制的目的在于使这一变量等于工艺规定的给定值。 (3) 从系统特性来看，

15、串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了控制质量。,串级控制系统的适用范围,对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足 质量指标,控制系统内存在变化激烈且幅值很大的干扰,被控对象具有较大的非线性，而负荷变化又较大,被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控 制系统不能满足质量指标,过程控制 第四章,原则：凡是用单回路控制系统能满足控制要求的，就不再用串 级控制系统。 同时，串级系统并不是处处适用，有其特定的应用场合。,用于克服对象较大的容量滞后,此时应选择一个滞后较小的副变量组成副回路。 例 管式加热炉温度控制系统,容量

16、滞后会使被控对象反应迟钝，超调大，过渡过程长。,以温度作为被控量的控制对象，其容量滞后往往比较大 ，致使控制质量变差。,对象容量滞后大、干扰复杂的情况下，串级控制系统的使用最 为普遍，效果较好。,过程控制 第四章, 例 反应器温度控制系统,网前箱温度串级控制,用于克服对象的纯滞后,当被控对象纯滞后时间较长时，在离控制阀较近、纯滞后时 间较小的地方选择一个副变量，把干扰拉入副回路。,利用副回路的超前作用来克服对象的纯滞后,仅仅是对二次干扰 而言的，一次干扰不直接影响副变量。,例 如下图所示：,过程控制 第四章,用于克服变化剧烈和幅值大的干扰,例,串级控制系统对二次干扰具有很强的克服能力。,设计时

17、应把变化剧烈、幅值大的干扰包含在副回路中。,温度与流量串级控制,过程控制 第四章,用于克服对象的非线性,一般过程都有一定的非线性 调节阀的补偿具有一定的局限性 不能完全补偿,合成反应器温度串级控制,若采用串级控制，它能适应负荷和操作条件的变化，自动调 整副调节器的给定值以改变调节阀的开度，使系统运行在新 的工作点上。,串级控制系统设计,正确合理地设计，才能使串级控 制系统发挥其特点。设计包括主、副 回路选择，主、副控制器控制规律选型 和正、反作用的确定。,主要内容,一. 主副回路选择,主回路是一个定值控制系统，可以按单回路控制系统的设计原则进行。与单回路控制时被控变量的选择原则是一样的，能直接

18、或间接地表征生产过程质量的参数都可以作为控制系统的被控变量。,主变量(操纵量)的选择原则主要有： (1) 条件允许时选质量指标作为主变量 (2) 其次考虑选择与质量有单值关系的参数作为主变量。 (3) 所选主变量应有足够的灵敏度，且工艺合理、易实现。,2. 副回路应考虑工艺上的合理性且包括尽可能多的扰动,应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在副回路中。应将生产过程中的主要干扰包围在内，应使副环包围更多的次要干扰 。研究系统的干扰来源是十分重要的。如前述的管式加热炉，主扰动为燃油流量和热值变化，则方案合理。,并非包括的干扰越大越好。干扰包括得越大，副变量的位置会越靠近主变量，灵敏度会降低。

19、,3. 主、副对象的时间常数要匹配,(1) 当T01/T0210时，则T02很小，副回路包括的干扰很 少，作用未发挥。,(3) 当T01/T021时，主、副回路易出现“共振效应”。 一般认为：T01/T02=310 较合适。 究竟T02取多大为好，应按具体情况确定。若欲快速克服主干扰，则小一点为好；若欲克服对象的大滞后，可取大点；若欲克服对象的非线性，则T01/T02宜取大一些。,(2) 当T01/T023时，说明T02过大，副回路的控制作用不 及时。,二. 主、副控制器的选择,1. 控制规律的选择 (1) 对主变量控制质量要求高 主变量宜采用PI规律；欲克服容量滞后，应引进 微分作用，采用P

20、ID规律。 副变量一般采用P规律就可以了。一般不引入积分 控制规律（会延长控制过程），也不引入微分控制规律（微分规律会使调节阀动作过大） 。,2. 正、反作用方式的选择,(1) 选择副回路控制器的正反作用 与简单控制系统中控制器“正”、“反”作用的选择方式相同， 先根据工艺安全等要求，选定执行器的“正”、“反”作用方式，然 后判断副对象的正反作用，并按照使副控制回路成为一个负反馈 系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。,(2) 选择主回路控制器的正反作用 确定原则：当主、副变量在增加(或减小)时，如果由工艺分析 得出，为使主、副变量减小(或增加)，要求控制阀的动作方向是一 致的，主控制器应选

21、“反”作用，反之，则应选“正”作用。,例如：加热炉系统,(1) 从生产工艺出发，燃料油调节阀选用气开阀，KV为正；当燃料 油增加，炉膛温度升高，副回路的K02为正；副调节器的放大系数应取 正，即反作用调节器。 （2）由于炉膛温度升高，则炉出口温度升高，故主过程的K01为 正，则主调节器的放大系数K1应为正。即反作用调节器。,总结,作业,根据串级系统的特点，分析串级控制系统的应用场合，即分析在生产过程具有什么特点时，采用串级控制系统最能发挥其作用。,2. 绘制下图加热炉出口温度与燃料压力串级控制系统原理图与结构框图，分析调节阀作用方式及主、副调节器的正反作用方式。（注：发生重大事故，切断燃料供应

22、）,p,T,作业 p261:4-1,4-2,上次课总结,一 串级控制系统结构,f1:一次扰动，是不包括在副回路的所有扰动。 f2:二次扰动，是包括在副回路的所有扰动。 主回路：由主、副调节器，主、副被控对象，调节阀，主测量变送器组成的闭环回路，即外环回路。 副回路：由副调节器，副被控对象，调节阀，副测量变送器组成的回路，即内环回路。,二 串级调节系统的特点,串级调节系统由于多了一个副回路。使得系统的性能得到了很大提高。它改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，使得系统的抗干扰性能增强，对于负载或操作条件的变化有一定的自适应能力，它在过程控制中得到了普遍的应用。,串级控制系统的特点,改善

23、了对象的特性,提高工作频率,提高抗干扰能力,具有自适应能力,三、串级控制系统的设计,串级控制系统的设计,主副回路选择,主副控制器控制规律选型,主副控制器正、反作用的确定,（一）主、副回路的选择,主回路是一个定值控制系统，与单回路控制系统的选择原则一致，即选择直接或间接反映生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求的参数作为主变量。,1 主变量的选择,应将变化最剧烈、幅度最大、最频繁的扰动包括在副回路中。应将生产过程中的主要干扰包围在内。 副环并非包括的干扰越多越好。副回路包含的干扰越多，其通道越长，克服干扰的灵敏度越低。,2、副变量的选择,（1）在保证副回路时间常数较小的前提下，使

24、其纳入主要的和更多的干扰,副回路工作频率,为确保串联系统不产生共振，一般取,主回路工作频率,(2)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防发生“共振”。,分析可知 (1)、当T01/T0210时，则T02很小，副回路包括的干扰很少，作用未发挥。 (2)、当T01/T023时，说明T02过大，副回路的控制作用不及时。 (3)、当T01/T021时，主、副回路易出现“共振效应”。 一般认为：T01/T02=310 较合适。,3、选副回路应考虑工艺上的合理性 只有满足工艺要求，才具有实用性。 先考虑工艺要求，再考虑其他要求。,副变量选择原则,包括系统主要干扰,主副时间常数匹配,合理性与可能

25、性,（二）控制器的选择,1、控制规律的选择 对主变量控制质量要求高 主变量宜采用PI规律；欲克服容量滞后，应引进微分作用，采用PID规律。 副变量一般采用P规律就可以了。一般不引入积分控制规律（会延长控制过程）也不引入微分控制规律（微分规律会使调节阀动作过大。）,串级控制,主控制器,副控制器,比例积分控制 PI 或 比例积分微分控制 PID,满足控制精度,快速抗干扰,比例 P 控制,串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量。 主变量是生产工艺的主要控制指标，它直接关系到产品的质量或生产的正常，工艺上对它的要求比较严格。一般来说，主变量不允许有余差。所以，主控制器通常都选用比例积分控制规律，以

26、实现主变量的无余差控制。 在串级控制系统中，稳定副变量并不是目的，设置副变量的目的就在于保证和提高主变量的控制质量。 副变量的给定值是随主控制器输出变化而变化的。所以，在控制过程中，对副变量的要求一般都不很严格，允许它有波动。因此，副控制器一般采用比例控制规律。,因为:,“先副后主”,将副回路看作是一个设定值不变的单回路，用与单回路中确定调节器正反作用同样的方法进行确定； 将副回路当作一个正环节，对主回路进行考虑，方法同上。,气开式,反作用,反作用,返回,2 控制器正反作用方式的选择,这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(

27、即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。,在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。,选择副回路控制器的正反作用 与简单控制系统中控制器“正”、“反”作用的

28、选择方式相同，先判断副对象的正反作用，然后根据工艺安全等要求，选定执行器的“正”、“反”作用方式，并按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定副回路控制器的正反作用。,选择主回路控制器的正反作用 将副回路当作一个正环节，对主回路进行考虑，方法同上,例如：加热炉系统,(1) 从生产工艺出发，燃料油调节阀选用气开阀，KV为正；当燃料 油增加，炉膛温度升高，副回路的K02为正；副调节器的放大系数应取 正，即反作用调节器。 （2）由于炉膛温度升高，则炉出口温度升高，故主过程的K01为 正，则主调节器的放大系数K1应为正。即反作用调节器。,四、串级控制系统控制器参数的整定,串级控制系统的方案正确设计

29、后，为了使系统运行在最佳状态，必须对系统进行校正，这在过程控制中称为参数整定。 在工程实践中，串级控制系统中常用的整定方法有： 两步整定法、 逐步逼近法、 一步整定法等。,1、二步整定法,先整定副回路参数,后整定主回路参数,两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器,(4) 按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的控制器参数加到控制器上。 (5)观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。,(1) 在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在100的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比(如4：1)过渡过程下的副控

30、制器比例度2S和操作周期2S。,(2) 在副控制器比例度等于2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度1S。和操作周期1S 。,(3) 根据上面得到的1S、1S、2S、2S按表的规定关系计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。,应用举例 在硝酸生产过程中，有一个氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统。温度为主参数，工艺要求较高，温度最大偏差不能超过5，氨气流量为副参数，允许在一定范围内变化，要求不高。系统控制器参数采用两步整定法，过程如下。,、在系统设计时，主控制器选用PI控制规律，副控制器选用P控制规律。在系统稳定允许条件下，主、副控

31、制器均置于纯比例作用，主控制器的比例度置于100%，用4：1衰减曲线法整定副控制器的参数，得2S=32%,T2S=15s。, 将副控制器的比例度置32%上，用相同的方法整定，将主控制器的比例度由大到小逐渐调节，取得主控制器的1S =50%,T1S=7min。, 根据上述求得的各参数，运用4：1衰减曲线法整定计算公式(见上表)，计算主、副控制器的整定参数为： 主控制器(温度控制器)：比例度1=1.21S=60%，积分时间T1=0.5 T1S=3.5min 副控制器(流量控制器)：比例度2 = 2S =32% 把上述计算的参数，按先P后I的次序，分别设置在主、副控制器上，并使串级控制系统在该参数下

32、运行。 实际运行，氧化炉温度稳定，完全满足生产工艺的要求。,2 逐步逼近法 所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止,逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。该方法较繁琐。 具体步骤为： 先断开主回路，整定副控制器。 后闭合主回路，整定主控制器。 重新调整副控制器参数。 若未达到控制要求，再调整主控制器参数。 以上步骤

33、循环进行，直到满足(逼近)控制指标为止。 对于不同的控制系统和不同的品质指标要求，逐步逼近法逼近的循环次数是不同的，所以往往费时较多。,3、一步整定法,先设置副回路参数,主回路参数,一步整定法的整定步骤如下。 (1)在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照上表所列的数据，将副控制器比例度调到某一适当的数值。 (2)利用简单控制系中参数整定方法整定主控制器的参数。,五、串级控制系统的工业应用,串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。,设计指导思想：如果用单回路控制系统能够满足控制性能要求，就不用串级控制等复杂控制系统。,1、应用

34、于容量滞后较大的过程,温度、质量等容量滞后较大且控制质量要求较高的系统,例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统,燃料油热值变化后，炉膛反应滞后3分钟，而出口温度则需 15分钟。选择时间常数和滞后较小的炉膛温度作为副参数，构成炉出口温度对炉膛温度的串级控制系统，可以提高控制质量,2、应用于纯延时较大的过程,当对象纯延时较大，用单回路控制系统不能满足控制性能指标时，可以采用串级控制系统：在离控制阀较近、纯延时较小的地方选择一个副参数，把干扰纳入副回路中。,例：网前箱温度-温度串级控制系统,要求：,单回路控制：,串级控制：,纸浆用泵从贮槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72度左右，经过立筛、圆筛

35、出去杂质后送到网前箱，再去铜网脱水。为了保证质量，工艺要求网前箱温度保持在61度左右，允许误差不超过1度。,3、应用于有变化剧烈和幅度较大扰动的过程,例：精馏塔釜温度与蒸汽流量串级控制系统,要求：,单回路控制：,串级控制：,4、应用于非线性过程,对象的静态特性都具有一定非线性，当负荷发生变化时，会引起工作点的移动，使被控对象的特性发生改变。,例：合成反应炉中部温度与进气口温度的串级控制系统,非线性设备,将具有非线性特性的换热器包含在副回路,串级调节系统举例,如图所示的氨冷器，用液氨冷却铜液，要求出口铜液温度恒定。为保证氨冷器内有一定的汽化空间，避免造成事故，采用温度液位串级控制。 1) 此串级控制系统的主副被控变量各是什么？ 2) 试设计一温度液位串级控制系统完成该控制方案（即将图示的氨冷器控制系统示意图补充完整）； 3)试画出温度液位串级控制系统的方块图；,4)确定气动调节阀的气开气关形式，并说明原因； 5)确定主副调节器的正反作用。,答： （1）主被控变量为铜液出口温度，副被控变量为液位。 (2) 串级控制系统的示意图如下所示：,（3）方块图如下所示：,(4)当气源中断时，为了确保氨冷器内有一定的汽化空间，应该选择气开调节阀； (5) 液位控制器作用方向的确定：当液位升高时，应该关小调节阀，调节阀为气开阀，故液位控制器为反作用； 温度控