串级控制系统

于玲

浙江大学控制系

2013/03/22

主要内容

串级控制系统的概念

串级系统的特性分析

串级控制系统的设计原则

串级控制器的参数整定

加热炉出口温度仿真举例

串级控制系统的防积分饱和措施

反应釜温度单回路控制系统

sp

MV：冷却剂流量Qc

CV：反应温度

DVs：冷却剂温度以及工艺介 质流量

控制规律？

正作用？反作用？

C

CQ

,

,

f C

f C

P

,f fQ

反应釜温度单回路控制响应曲线

系统控制与扰动的分析

干扰变量的影响：

冷剂入口温度变化

→

夹套内冷 剂温度变化

→

槽壁温度变化

→

反应槽温度变化

控制变量的影响：

冷剂控制阀开度变化

→

冷剂流 量变化

→

夹套内冷剂温度变

化

→

槽壁温度变化

→

反应 槽温度变化

C

CQ

,

,

f C

f C

P

,f fQ

解决方法

夹套冷剂温度比反应槽温度能更快地感受到来自 干扰（冷剂入口温度）以及来自控制的影响。因 而可设计夹套内温度单回路控制系统TC22以尽

快地克服冷剂方面的扰动。但TC22的设定值应 根据反应槽温度的控制要求作相应的变化（这一

要求可用温度控制器TC21来自动实现）。

“串级控制”

反应器温度的串级控制方案特点：两个控制器串

在一起工作。

控制器TC22通过控制 冷却剂量以克服冷剂

方面的扰动；

控制器TC21通过控制 夹套内温度的设定值

以保证反应温度维持 在工艺希望的给定值 。

试画出上述串级控制系 统的方块图

?

C

CQ

,

,

f C

f C

P

,f fQ

反应器温度的串级控制响应

反应器温度串级控制方框图

sp cfQfc

讨论: 主副控制器的“正反作用”选择。

串级控制系统常用术语

以传递函数形式表示的

串级控制系统方块图

注：D1 反映了各种外回路干扰对主参数的综合影响，D2 反 映了各种内回路干扰对副参数的综合影响。

试指出主副回路所对应的“广义对象” ？

串级系统副环的等效性

Gm2

＋－

＋＋

ym2

Gc2 Gv Gp2

D2

y2

y2,sp

22211

mpvc GGGG

222

22

1 mpvc

pvc

GGGGGGG

＋＋

D2(s)

)('2 sD

y2(s)y2,sp

串级控制系统的特点1

副回路（或称内回路）通常具有快速调节作用

，它能有效地克服二次扰动的影响

为什么

?

22211

mpvc GGGG

222

22

1 mpvc

pvc

GGGGGGG

＋＋

D2(s)

)('2 sD

y2(s)y2,sp

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；

2222

'2

11

)()(

mpvc GGGGsDsD

由于

假设副回路的动态滞后较小，对于低频干扰，有

1222 mpvc GGGG 2'2 DD

反应器温度的串级控制响应

串级控制系统的特点2

能自动地克服副对象增益或控制阀特性的非线

性对控制性能的影响

为什么

?

22211

mpvc GGGG

222

22

1 mpvc

pvc

GGGGGGG

＋＋

D2(s)

)('2 sD

y2(s)y2,sp

串级控制系统的特点2

能自动地克服副对象增益或控制阀特性的非

线性对控制性能的影响。

对于内环等效对象的稳态增益：

1222 mpvc KKKK2

'2

1m

p KK

222

22'2 1 mpvc

pvcp KKKK

KKKK

串级控制系统的设计原则

单回路控制不能满足性能要求；

有反映系统主要干扰的可测副参数；

控制阀与副参数之间具有因果关系；

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；

尽可能将带有非线性或时变特性的环节

包含于副回路中。

串级控制副参数选择练习

A1

AC

T2T3

F2

T1

F1

A2

进料

加热

蒸汽

反应器

产品

假设反应器的主要干扰为加热 蒸汽的温度变化

串级系统副参数的选择分析

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。

串级控制副参数选择举例

Fgas

Fsp

T

Tsp

u(t)

TC23

TT23

工艺介质

燃料气

Ti (t)

FC13

FT13

Fm

Tm

讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰?

方案

#1 方案

#2

串级系统控制器选型

副控制器常选择PI控制律原因：需要对内回路干扰具有快速调节能力

（强比例作

用+弱积分作用，为什么？）

主控制器通常选用PID控制律（液位串级控

制除外）通常主对象的响应速度缓慢，并带有较显著的纯滞后，主

控制器经常引入微分作用。

常见的串级回路：

温度-流量、温度-压力、浓度-流量、浓度-温度、 液位-流量、温度-温度等。

串级PID参数的整定方法#1

设置主控制器至“手动”方式，参照单回路整定方

式整定副控制器PID参数。具体步骤讨论？

串级PID参数的整定方法 #2

将副控制器切换至“自动” ，并以阶跃方式手动

改变主控制器的输出（即副控制器的设定值） ，记录主回路“广义对象”的输出输出数据；并获

取主对象对应的动态特性参数。

串级PID参数的整定方法 #3

参照单回路动态响应方法整定主控制器PID参数

，并将主控制器切换至“自动”。结合主控制器给 定值阶跃响应，适当调整主控制器增益，直至满 意。

仿真举例

串级控制方案单回路控制方案

Fgas

Fsp

T

Tsp

u(t)

TC23

TT23

工艺介质

燃料气

Ti (t)

FC13

FT13

Fm

Tm

被控过程仿真模型的建立

线性与非线性动态模 型的描述方法

gasgas PtuK )(u(t)

Pgas MPa

)(tFgas

T/hr 11

1 sT f

Fgas∑

0gasF

_ s

sTK

11

1 exp1

12

2

sTK

℃

Ti∑

0iT_

T, ℃∑

+

+

++

+

T 0

%副对象 主对象

炉出口温度单回路控制系统

副对象

u(t)

Pgas

Fgas

Ti

T

%主对象

TT 23

TmTsp

+_

TC23

11

1

sTK

m

m∑

+

T 0

+ _∑

+

Tm

TT 23

T

T m0

动态模型参数确定

初始条件

Kgas = 0.4，u0 = 60 %，Pgas0 = 0.25 MPa，Fgas0 = 12

T/hr，T0 = 300 ℃，Ti0 = 120 ℃

测量仪表量程（即测量范围）燃料气流量：0 ~ 40 T/hr，工艺介质炉出口温度：200 ~ 400 ℃

动态参数Tf1 = 2 min，K1 = 5，T1 = 10 min，τ1 = 5 min，K2 = 1 ，T2 = 1 min，Tm1 = 2 min，Tm2 = 0.2 min

炉出口温度单回路控制仿真

炉出口温度串级控制系统

FC13

TT 23

Fsp

＋－

Tsp

＋－

TC23

FmTm

FgasFT 13

M1

Auto

Man

Auto

ManM2

u副对象

Pgas Ti

T主对象

炉出口温度串级控制仿真

炉出口温度串级与单回路控制 仿真结果比较

0 50 100 150 200 250 30048

50

52

54

56

58

60

Time, min

Ym

, %

0 50 100 150 200 250 30050

60

70

80

90

100

Time, min

U, %

YspSingle LoopCascade

串级PID系统的积分饱和问题

问题：当主副控制器均采用单回路抗积分饱和方法时，在限位 参数不一致的情形下，同样存在发生“积分饱和”的可能性。

调节阀

副对象

主参数主对象

11iT s

cK ＋

＋1

1iT s

cK ＋

＋

＋

－

＋

－设定值

主控制器 副控制器

副测量变送

主测量变送

Why?How?

串级控制系统的防积分饱和

调节阀

副对象

主参数主对象

11iT s

cK ＋

＋1

1iT s

cK ＋

＋

＋

－

＋

－设定值

主控制器 副控制器

副测量变送

主测量变送

串级控制系统的投运

将主、副控制器的切换开关都置于手动；

用副手操器操纵调节阀使生产处于要求的工况；

修改主手操器使副偏差为0，将副控制器切换到自动；

修改主控制器的设定值使主控制器的偏差为0，然后将 主控制器切换到自动。

+-

++

Auto

Man

KD( )spy t

11IT s

1( )e t

1( )my t

增量型手操器

+

2 ( )my t

1( )u t+

-++

11sTI

Auto

Man

KD2 ( )e t

增量型手操器

+

2 ( )u t

多层串级控制系统举例

讨论设计原 理与参数整 定步骤

T1sp

燃料气

工艺

介质

T1m

T2sp

T1

Pgas

T2m T2TT23

TT25

TC25

TC23

PC31

PT31

Fgas

换热器出口温度串级控制方案

方案

#1 方案

#2

方案

#3

换热器T

RV

Tsp

Psp PV

Ti

TT27

TC27

PT37

PC37

Pm

Tm

工艺介质

凝液

蒸汽

小 结

串级控制的引入与基本概念

串级控制系统的特性分析

串级控制的设计原理与副参数的选择

串级控制器的实现与参数整定步骤

串级控制中的积分饱和现象及其防止

问题讨论

串级控制在过程工业中获得广泛应用，原因

何在？

何时我们可采用串级控制方案?

串级控制参数如何整定？

串级控制中也存在积分饱和现象，原因分析

，并提出防止措施。

串级控制与单回路控制、前馈反馈控制有何

异同?

下一讲预习：前馈与比值控制