串级控制系统

2.1概述一、串级控制系统的基本原理及结构举例：

TC 串级控制系统方案(温度---流量)

FC

FC TC TC

温度控制器 流量控制器 控制阀 流量对象 温度对象 流量变送器 温度变送器 串级控制系统：用两台控制器相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的输入。方框图标准形式如下： F2 F1 Gf2(S) Gf1(S) R(S GC1(S) GC2(S) GV(S) GO2(S) GO1(S) - - Gm2(S) Gm1(S) 21

二、常用名词：主被控变量（主参数、主变量）Y1(S) 副被控变量（副参数、副变量）Y2(S) 主控制器Gc1(S) 副控制器Gc2(S)

主回路（主环）

副回路（副环）三、串级控制系统的工作过程

分析温度---流量串级控制系统

设：控制阀为气开，温度和流量两控制器选为反作用 1）、干扰作用于副环（副控制器起“粗调”，主控制器起“细调”） 2）、干扰作用于主环（蒸汽量随温度控制的要求随时改变） 3）、干扰同时主环和副环 a.作用方向相同 b.作用方向相反

1）干扰作用于副环蒸汽压力↑→FT↑→FC↓(反作用)→FV↓(气开阀) →FT↓

FT的变化对精馏塔塔釜温度的影响就很小，并且可由温度控制器进行微调。 2）干扰作用于主环干扰使得TT↑→TC↓(反作用)→FC↓→FV(气开阀)↓ T↓←F↓

由于有主副两个控制器相串联，系统总的放大倍数将增大，工作频率提高克服干扰的大大增大。

3）干扰同时同时主环和副环 a.作用方向相同

干扰同时使TT↑→TC↓(反作用)→FC↓(反作用) FT↑→FC↓(反作用) FV↓↓ F↓↓

b.作用方向相反

干扰作用使TT↑→TC↓(反作用)→FC↓(反作用) FT↓→FC↑(反作用) FV变化很小

蒸汽流量F变化不大

2.2 串级控制系统的实施选择实施方案时，需考虑的问题：

1）、所选用的仪表信号必须匹配。 2）、所选用的副控制器必需具有外给定输入接口。 3）、在选择实施方案，应考虑是否增加一只切换开关，作“串级”与“主控”的切换之用。 4）、实施方案应力求实用，少花钱多办事。 5）、实施方案应便于操作。

一、 用电动Ⅲ型仪表构成串级控制方案串级控制一般方案：

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副变送器 主变送器

安全栅 安全栅 记录仪

Sp. 副控制器 主控制器 电气转换器 安全栅

精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统的组成 TE FE 热电偶 孔板

TT FT 变送器 差压变送器

TT 安全栅 TN FN1 安全栅

FY1 记录仪 开方器 TR/FR

TC FC FN2 控制器 控制器 安全栅

能实现主控—串级切换的串级方案：

副变送器 主变送器

电气转换器

FY2 FV 控制阀

安全栅 记录仪 安全栅 Sp. 主控制器 副控制器 电气转换器 安全栅 23 在串级与主控切换过程中，必须考虑去控制阀的控制信号方向的一致性，也就是组成的控制系统必须是负反馈控制系统，这就是串级与主控直接切换的条件。

只有当副控制器为反作用时才能由串级与主控之间直接切换。如果副控制器为正作用，必须在向主控切换的同时改变主控制器的正反作用；而当由主控切回到串级时，又必须将主控制器恢复到原来的作用型式。二、 串级控制系统的实施1. 主、副控制器的控制规律的选择

（1）控制规律的选择根据控制要求进行主变量是生产工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量或生产的安全，工艺上要求比较严格，主变量不允许有余差。

副变量要求不严格，允许有波动和有余差，设置副变量的目的在于保证和提高主变量的控制质量。

（2）主回路是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用。保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用，因此采用PI或PID。

（3） 副回路是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了能快速跟踪，副控制器一般不用积分作用，微分作用也不需要，采用比例作用。 关于主控制器、副控制器采用积分作用时：

（1）只有当主控制器采用具有积分作用的控制器时，不论干扰在副回路还是主回路，都能保证主变量无余差。

（2）当副控制器有积分作用时而主控制器无积分作用时，只有干扰作用于副回路，主变量无余差；干扰作用于主回路，主变量仍然存在余差。主控制器：PI、PID 副控制器：P、PD（副对象的容量滞后T较大）

2. 主、副控制器正反作用的选择。主、副控制器正、反作用的选择顺序应是先副后主。 （1） 副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正、反作用。 （2） 主控制器的正、反作用根据主主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一样。

例1. 确定下图所示加热炉出口温度与燃料油压力串级控制系统主、 副控制器的正反作用。副环：控制阀应选气闭（正特性）→副对象放大倍数为正特性→副变送器放大倍数为正特性→副控制器应为正特性（选反作用）。

主环：主对象放大倍数为正特性→主控制器应选反作用 （主控制器放大倍数应取主对象放大倍数的特性符号 控制阀：气开阀，+ 副对象：+ 主对象：+

TC PC

副控制器特性为+，应为反作用 主控制器特性为+，应为反作用

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F2 F1 R(SGC1(S) GC2(S) GV(S) GO2(S) GO1(S) - - Gm2(S) Gm1(S)

例2.氧化炉温度与氨气流量的串级控制系统主、 副控制器的正反作用

GO1(S): + GO2(S): + GV(S): + GC2(S): + GC1(S): +

所以 TC：反作用 FC：反作用

氨气

预

热 氧化 FC TC 炉

混空气

合

2.3 串级控制系统的投运和整定2.3.1 串级系统的投运 一、系统的投运

投运的原则：

（1）投运顺序 先投副环，后投主环。 （2）无扰动切换 预置给定等于测量。

特别说明：投运过程中应切除微分作用二、 串级系统的工程整定方法1. 两步法（先副环后主环的方法）

1）在主副回路闭合时，将主控制器δ置100%、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副环，找出副变量出现4:1振荡过程的比例度记录下δ2s 及振荡周期T 2s 。 2）、 将副控制器置δ2s 、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定主环，找出主变量出现4:1衰减振荡过程的比例度记录下δ1s 及振荡周期T 1s。 3）、根椐得到的δ1s 、 T 1s 、 δ2s 、 T 2s值，结合主、副控制器的选型，按单

回控制系统整定计算公式，可以计算出主、副控制器的δ、Ti 、Td。

25

4）、将计算所得参数按先副环后主环、先比例再积分后微分的顺序在控制器上放好，观察控制过程曲线，如不够满意，可适当地进行一些微小的调整。 2.一步法：

根据经验先将副控制器参数一次放好（如下表），不再变动，然后按一般单回路系统整定方法，直接整定主控制器参数。

在整定过程中以牺牲副参数的质量指标的原则（副参数在允许的范围内），使主参数达到规定的质量指标的要求。

变量类型 副控制器比例度δ2% 副控制器比例放大倍数Kc2

温度 20～60 5～1.7

压力 30～70 3～1.4 流量 40～80 2.5～1.25

液位 20～80 5～1.25

2.4 串级控制系统的特点

1、由于副回路的存在，改善了对象的特性使系统的工作频率提高。

2、串级控制回路具有较强的抗干扰能力。3、串级控制系统具有一定的自适应能力。 2.5 串级系统副回的设计副回路设计是根据生产工艺的具体情况，选择一个合适的副变量，从而组成一个以副变量为被控变量的副回路。串级控制系统副回路的设计原则： （1）使系统中主要干扰包含在副环内。

（2） 在可能情况下，应使副环包含更多一些的干扰。

（3）当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。

（4） 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。 （5） 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。 （6）所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。 举例：加热炉出口温度的控制 主要干扰： 1.燃料气压力 2.燃料气热值 3.燃烧效果

TC PC 4.环境温度

5.原油流量 6.原油温度

燃料

原油

26

T2C 燃料 原油

T1C 27