过程控制 第四章 串级控制系统及应用

1、第四章 串级控制系统及应用Cascade Control System and Its Application单回路PID控制系统小结介绍了被控过程的机理建模方法；讲述了被控对象动态特性分析与典型对象的建模方法；分析了单回路PID控制的特点；介绍了单回路PID参数整定方法；介绍了PID控制器的数字形式；介绍了PID的几种改进形式。本章基本要求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与仿真实现。反应釜温度单回路控制系统控制变量：冷却剂量被控变量：反应温度控 制 阀：气关阀控制规律

2、：PID单回路控制系统扰动分析问题：从扰动开始至调节器动作，调节滞后较大，特别对于大容量的反应槽，调节滞后更大。冷却水入口温度 夹套内冷却水温度 T2 （经对流传热）槽壁温度 反应槽温度T1 （经反馈回路）冷却水量对调节滞后的解决方法之一对于冷却水方面的扰动，如冷却水的入口温度、阀前压力等扰动，夹套冷却水温度T2比反应槽温度T1能更快地感受到。因而可设计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TC2的设定值应根据T1的控制要求作相应的变化（这一要求可用反应温度调节器TC1来自动实现）。“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，调节器TC2通过调节冷

3、却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器TC1通过调节夹套内水温的设定值以保证反应温度维持在工艺所希望的某一给定值。 反应器温度串级控制框图TC1称为“主控制器”，TC2称为“副控制器”。串级控制系统常用术语串级控制系统方块图注：D1、D2 综合反映了一次扰动、二次扰动对控制系统副参数与主参数的动态影响；主回路是指：副回路闭合状态下等效的单回路（将副回路看成是一个等效的控制阀）。串级系统副环的等效性串级控制系统的特点（1）副回路（有时称内环）具有快速调节作用，它能有效地克服二次扰动的影响；由于假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有串级控制系统的特点（2）对负荷或操作条件的变化具有一定的自适应能

4、力，并能自动地克服副对象增益或调节阀特性的非线性对控制性能的影响。对于内环等效对象的稳态增益结论：当副回路增益足够大时，使主回路的特性基本上和副对象、调节阀的增益无关（系统的“鲁棒性”强）。串级控制系统的特点（3）动态性能： 副回路显著减小了副对象的时间常数，增强了响应快速性，提高了系统的控制量；减小副对象的相位滞后，提高了系统的稳定性。工作频率： 由于副回路性能的改善，系统的工作频率提高，改善了系统的快速相应能力。副控制器的增益越大，系统的工作频率越高。结构特点： 串级控制具有多个控制器和一个执行机构，这些控制器一个接一个串连起来，前一个控制器的输出就是后一个控制器的设定值，其执行结构由最后

5、一个控制器控制。串级系统的设计原则副参数的选择应使副对象的时间常数比主对象的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰；尽可能将带有非线性或时变特性的环节包含于副回路中。常用的串级控制系统：温度+流量、温度+压力、液位+流量、温度+温度等。串级系统副参数的选择举例*分析问题：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。串级方案设计举例串级方案设计举例（续）讨论：副回路所能包括的扰动越多，副对象与主对象的动态特性的差别越小，越容易引起内外回路之间的“共振”（系统稳定性越差）。串级系统副调节器选型副调节器常选择PI控制律原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，

6、一般不宜加微分作用；另外，副回路的主要目的是快速克服内环中的各种扰动，为加大副回路的调节能力，理想上不用加积分作用。但实际运行中，串级系统有时会断开主回路，因而，通常需要加入积分作用。但积分作用要求较弱以保证副回路较强的抗干扰能力。串级系统主调节器选型主调节器常选择PI或PID控制律原因：主回路的任务是满足主参数的定值控制要求。因而对于主参数为温度的串级系统，主调节器必须加入较强的积分作用（除主参数为液位的串级均匀控制系统以外）。当主对象的调节滞后较大，而主参数变化较平缓时，可加入通常大小的微分作用。串级系统PID参数的整定方法Step 1: 先断开主回路，按单回路方式整定副调节器的PID参数。Step 2: 在主调节器为“手动”、副回路闭环的情况下，测试得到主回路广义对象的动态特性与相应特征参数。Step 3: 采用单回路调节参数的工程整定法（如动态响应法），确定主回路的PID参数。单回路控制系统的抗干扰性能串级系统的参数整定举例串级控制仿真举例 串级控制与单回路控制的比较仿真：例：某工业过程控制系统，主、副对象传递函数分别为：主、副控制器的传递函数分别为仿真曲线单回路控制阶跃响应仿真曲线二次干扰下系统的输出