第六章第一节

教书育人要义传道授业释疑；

师生同心协力,共探过控真谛。

熟悉仪表原理,统领系统设计；

理论实践结合，思维创新第一。《过程控制与自动化仪表》西安理工大学潘永湘杨延西赵跃制作教学理念：第6章常用高性能过程控制系统

本章要点1）了解串级控制系统的应用背景，熟悉串级控制系统的典型结构与特点；2）掌握串级控制系统的设计方法，熟悉串级控制系统的参数整定方法；3）了解前馈控制的原理及使用场合；4）掌握前馈补偿器的设计方法，熟悉前馈－反馈复合控制的特点及工业应用；前面介绍的控制系统的结构是单回路的。这种控制系统由于其结构简单，系统使用的过程控制仪表较少，系统成本较低，能够解决多数简单被控过程的控制要求而在实际生产过程中得到了广泛应用。对于一些生产过程比较复杂，生产工艺比较烦琐的情况，简单过程控制系统就无法满足生产过程的控制需要。科学工作者为满足不同生产工艺需要，研究开发了各种各样复杂的、多回路的或者不同于PID规律的控制算法，统称其为复杂控制系统。根据复杂控制系统的控制目的的不同，可以将复杂控制系统大体上分成两类：一类是以提高响应曲线性能指标为目的的控制系统。开发这类控制系统的目的是提高控制系统的控制质量，改善系统过渡过程的品质。显而易见，这类系统的发展依托于控制原理的最新成果。随着控制理论的发展，研发出各种新型的控制系统。如串级控制系统是在双闭环控制理论发展后产生的、前馈控制系统是在前馈控制理论出现后问世的。另一类控制系统是按照满足特定生产工艺要求而开发出的控制系统。这类系统的出现和发展主要得益于对各种工艺操作分析的新理念而往往不依赖于控制理论的发展。在控制原理教科书中一般找不到这类控制系统的理论依据。如比值控制系统、分程控制系统、选择性控制系统等。单回路控制系统能解决工业过程自动化过程的大量参数定值控制问题。对于多数复杂控制系统，如多输入多输出系统、大滞后系统和扰动较大的系统等简单控制系统就很难控制，无法满足控制系统的控制要求。串级控制系统在改善复杂控制系统的控制指标方面具有较大的优势。

问题：过渡过程时间长，调节不及时解决办法：串级控制(图6－3）图6－2化学反应釜温度单回路控制系统反应产生的热量由夹套中的冷却水带走；为保证产品的质量，对反应温度T1需要进行严格控制。控制变量：冷却水流量被控变量：反应温度控制阀：气关阀控制规律：PID

6.1串级控系统

6.1.1串级控制系统的基本概念

一、什么是串级控制？它是怎样提出来的？其组成结构怎样?（图6－1;）F1：进料流量、进料入口温度及化学成分F2：冷却水的入口温度和阀前压力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”特点：两个调节器串在一起工作，调节器T2C通过调节冷却剂量以克服冷却水方面的扰动；调节器T1C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“主调节器”，TC2称为“副调节器”。图8-5串级控制系统组成原理及术语(1)组成原理①将原被控对象分解为两个串联的被控对象。②以分解后的两个被控对象的中间变量作为副被控变量，构成一个副回路（简单控制系统）。③将原被控变量作为主被控变量构成主回路。④主控制系统控制器的输出信号作为副控制系统控制器的设定值，副控制系统的输出信号作为主被控对象的输入信号。(2)串级控制系统术语主变量：生产过程所需要控制的工艺参数，在串级控制系统中起主导作用的被控变量。副变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要引入的辅助变量。副对象：副变量表征其特性的工艺生产设备。主对象：主变量表征其特性的生产设备或生产过程。副控制器：其给定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的控制器（又名随动控制器）。主控制器：按主变量的测量值与给定值偏差而工作，其输出作为副变量给定值的控制器（主导控制器）。主回路：由主变量的测量变送装置，主、副控制器，执行器和主、副对象构成的外回路。也称为外环或主环。副回路：由负变量的测量变送装置、副控制器、执行器和副对象所构成的内回路。也称为内环或副环。主测量值、副测量值：相应被控变量的测量值。主设定值、副设定值：主设定值是主被控变量的期望值，由主控制器内部设定。副设定值由主控制器的输出信号提供。6.1.2串级控制系统的控制效果1.能迅速克服二次干扰（图6－5）

控制能力和抗干扰能力综合定义为：对于一个控制系统而言，评价其性能好坏的指标可以看式中的传递函数。对于扰动来讲，其传递函数的值越小越好；对于控制作用来讲，其传递函数接近于1为佳；系统的抗扰动能力可以用两者的比作评价。即由于串级控制系统副回路的存在，使得二次回路中的扰动得到快速控制，大大降低了二次扰动对被控量的影响，提高了控制系统的控制质量。比值越大，系统的控制能力和抗干扰能力越强单回路系统(图6－7）及传递函数控制能力和抗干扰能力综合为：一般情况下有：结论：提高了控制质量2.能改善控制通道的动态特性，提高工作频率（1）等效时间常数减小，响应速度加快；(分析比较图6－5和图6－7）响应速度加快(2)提高了系统的工作频率串级系统的特征方程为：如式（6－11）所示，则串级控制系统的工作频率为：对同一过程，采用单回路控制方案，用同样的分析方法，可得：若两种方案的阻尼系数相同，则有：结论：副回路改善了动特性、提高了响应速度和工作频率；当主、副时间常数比值一定，副调节器的比例系数越大，工作频率越高；同样，当比例系数一定，主、副时间常数比值越大，工作频率也越高。其结果使振荡周期