串级控制系统 张建明 浙江大学智能系统与控制研究所

课堂提问 描述闭环整定方法整定控制器参数 描述开环整定方法整定控制器参数

主要内容 数字PID控制器概念 串级控制系统的概念 串级控制的特性分析 串级控制系统的设计原则 串级控制器的参数整定

数字PID位置式 理论PID模拟算式 数字PID位置式：

数字PID增量式 数字PID位置式： 数字PID增量式：

反应釜温度单回路控制系统 MV： CV： DVs： 冷却剂流量Qc 反应温度θ 冷却剂压力与流量、工艺介质的温度与流量 控制规律？参数整定？ 正作用？ 反作用？ 控制规律？参数整定？ θc

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

解决方法1 夹套冷剂温度比反应槽温度能更快地感受到冷剂温度变化的影响。 可设计夹套内温度单回路控制系统，以克服冷剂温度扰动。 对其它干扰，如工艺介质流量干扰无能为力！

解决方法2 设计夹套内温度单回路控制系统，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响应

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。由两个传感变送器、两个控制器和一个控制阀组成。 有两个控制回路，其中一个用于控制 θ，而一个用于控制 θC 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 ?

反应器温度串级控制方框图 （+） （—） （—） （+） （+） （—） （—） （+） （+） 讨论:1）主副控制器所对应的“广义对象”； 2）主副控制器的“正反作用”选择。

串级控制系统常用术语 副回路

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。

串级系统副环的等效性

串级控制系统的特点1 副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 ?

串级控制系统的特点1 副回路具有快速调节作用，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 副回路能有效地减小二次扰动对副变量的的影响，对主变量的影响也相应降低

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 ?

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： 副对象或调节阀的变化对副回路的稳定性会有影响 只要副回路具有较高的增益，副回路的前向通道特性不大会影响副回路等效环节的特性

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。

串级控制中副参数的选择原则 常见的串级回路： 副参数需同时满足： （1）能较快地感觉部分干扰，（2）直接受执行器输出的影响，（3）对主参数有明确且较大的影响 副回路应尽可能多地包含主要干扰，而且“越多越好” 如果可能，副回路应包含一些非线性对象。 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。

串级控制副参数选择 假设反应器的主要干扰为加热蒸汽的温度变化

串级控制副参数选择举例 方案 #1 方案 #2 讨论副回路的响应速度与包含的内回路干扰?

串级系统控制器选型 常见的串级回路： 副控制器常选择PI控制律 主控制器通常选用PID控制律（液位串级控制除外） 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。 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。 1、副控制器的选型原因：副回路为随动系统，其设定值变化频繁，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。 2、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

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

炉出口温度单回路控制系统

动态模型参数确定 初始条件 测量仪表量程（即测量范围） 动态参数 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

炉出口温度 串级控制系统仿真模型 建立相应的SimuLink模型，并讨论参数整定问题

炉出口温度串级与单回路控制 仿真结果比较

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。

多层串级控制系统举例

换热器出口温度串级控制方案 方案 #2 方案 #1 方案 #3

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

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？ 串级控制与单回路控制有何异同?