串级控制系统举例

串级控制系统举例

【篇一：串级控制系统举例】

串级控制系统内容提要 本章讲述以提高系统控制质量为目的的串级 控制系统。主要介绍了串级控制系统的组成原理 与结构，系统特点，应用范围、串级控制方案的 设计原则，最后介绍了串级控制系统的投运步骤 和参数整定方法。

串级控制系统简单控制系统由于结构简单而得到广泛的应用，其数量 占所有控制系统总数的80%以上，在绝大多数场合下已能满足 生产要求。但随着科技的发展，新工艺、新设备的出现，生产 过程的大型化和复杂化，必然导致对操作条件的要求更加严格， 变量之间的关系更加复杂。同时，现代化生产往往对产品的质 量提出更高的要求（例如，造纸过程中纸页定量偏差1%以 下，甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1，石油裂解气的深 冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%等），此外，生产过程 中的某些特殊要求（如物料配比问题、前后生产工序协调问题、 为了安全而采取的软保护问题、管理与控制一体化问题等）的 解决都是简单控制系统所不能胜任的，因此，相应地就出现了 复杂控制系统。

在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节 的控制系统统称为复杂控制系统。复杂控制系统的种类较多， 按其所满足的控制要求可分为两大类： 串级控制系统（1）以提高系统控制质量为目的的复杂控制 系统，主要有串级和前馈控制系统； （2）满足某些特定要求的控制系统，主要有 比值、均匀、分程、选择性等。 本章将重点介绍串级控制系统。串级控制系 统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，它对 改善控制品质有独到之处。当过程的容量滞后较 大，负荷或扰动变化比较剧烈、比较频繁，或者 工艺对生产质量提出的要求很高，采用简单控制 系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。

本章将对串级控制系统的组成、特点、应用 范围、设计和投运等问题进行讨论。

串级控制系统3.1 基本原理和结构 3.1.1 串级控制系统的组成原理 为了认识串级控制系统，这里先举一个实际例子。

管式加热炉是工业生产中常用的设备之一。工艺要求被加热物料 （原油）的温度为某一定值，将该温度控制好，一方面可延长炉子的 寿命，防止炉管烧坏；另一方面可保证后面精馏分离的质量。为

了控 制原油的出口温度，我们会很自然地依据简单控制系统的方案设计原 则，考虑选取加热炉的出口温度为被控变量，加热燃料量为操纵变量， 构成如图3.1（a）所示的简单控制系统，根据原油出口温度的变化来 控制燃料控制阀的开度，即通过改变燃料量来维持原油出口温度，使 其保持在工艺所规定的数值上。

初看起来，上述控制方案的构成是可行的、合理的，它将所有对 温度的扰动因素都包括在控制回路之中，只要扰动导致温度发生了变 化，控制器就可通过改变控制阀的开度来改变燃料油的流量，把变化 了的温度重新调回到设定值。但在实际生产过程中，特别是当加热炉 的燃料压力或燃料本身的热值有较大波动时，上述简单控制系统的控 制质量往往很差，原料油的出口温度波动较大，难以满足生产上的要 串级控制系统控制失败的原因在于，当燃料压力或燃料本身的热值变化后， 先影响炉膛温度，然后通过传热过程才能逐渐影响原料油的出口温 度，这个通道的容量滞后很大，时间常数约15 min左右，反应缓慢， 而温度控制器t1c是根据原料油的出口温度与设定值的偏差工作的。

所以当扰动作用在过程后，并不能较快地产生控制作用以克服扰动 对被控变量的影响。由于控制不及时，所以控制质量很差。当工艺 上要求原料油的出口温度非常严格时，上述简单控制系统是难以满 足要求的。为了解决容量滞后问题，还需对加热炉的工艺做进一步 分析。

管式加热炉内是一根很长的受热管道，它的热负荷很大。燃料 在炉膛燃烧后，是通过炉膛温度与原料油的温差将热量传递给原料 油的。燃料量的变化或燃料热值的变化，首先使炉膛温度发生变化。

因此，为减小控制通道的时间常数，选择炉膛温度为被控变量，燃 料量为操纵变量，设计如图3.1（b）所示的简单控制系统，以维持 炉出口温度的稳定要求。该系统的特点是对于包含在控制回路中的 燃料油压力及热值的波动 、烟囱抽力的波动 等均能及时 有效地克服。但是，因来自于原料油方面的进口温度及流量波动等 扰动 未包括在该系统内，故系统不能克服扰动 串级控制系统（a）出口温度控制系统 （b）炉膛温度控制系统 图3.1 加热炉温度简单控制系统 综上分析，为了解决管式加热炉的原料油出口温度的控制问 题，人们在生产实践中，往往根据炉膛温度的变化，先改变燃料 量，然后再根据原料油出口温度与其设定值之差，进一步改变燃 料量，以保持原料油出口温度的恒定。模仿这样的人工操作程序 就构成了以原料油出

口温度为主要被控变量的炉出口温度与炉膛 温度的串级控制系统，如图3.2所示。该串级控制系统的方框图 如图3.3所示。

串级控制系统由图3.2或图3.3可以看出，在这个 控制系统中，有两个控制器 ，它们分别接收来自对象不同部位的测量信号，其中一个控制器 的输出作为另一个控制器 的设定 值，而后者的输出去控制控制阀以改 变操纵变量。从系统的结构来看，这 两个控制器是串接工作的。

图3.2 加热炉出口温度与炉 膛温度串级控制系统 图3.3 加热炉温度串级控制系统方框图 ＢＡＣＫ 串级控制系统3.1.2 串级控制系统的结构 1．方框图 串级控制系统是一种常用的复杂控制系统，它是根据系统结构命 名的。串级控制系统由两个控制器串联连接组成，其中一个控制器的输 出作为另一个控制器的设定值。

如图3.4所示，为串级控制系统的通用原理方框图。由该图可以看 出，串级控制系统在结构上具有以下特征： （1）将原被控对象分解为两个串联的被控对象； （2）以连接分解后的两个被控对象的中间变量为副被控变量，构成 一个简单控制系统，称为副控制系统、副回路或副环； （3）以原对象的输出信号（即分解后的第二个被控对象的输出信号） 为主被控变量，构成一个控制系统，称为主控制系统、主回路或主环； （4）主控制系统中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； （5）主回路是定值控制系统。对主控制器的输出而言，副回路是随 动控制系统；对进入副回路的扰动而言，副回路是定值控制系统。

串级控制系统图3.4 串级控制系统的通用原理方框图 2．串级控制系统的名词术语 为了便于分析问题，下面介绍串级控制系统常用的名词术语。

（1）主被控变量。主被控变量是生产过程中的工艺控制指标，在串 级控制系统中起主导作用，简称主变量。如上例中的原料油出口温度 （2）副被控变量。串级控制系统中为了稳定主被控变量而引入的中间辅助变量，简称副变量。如上例中的炉膛温度 （3）主对象（主过程）。主对象是生产过程中所要控制的、为主变量表征其特性的生产设备。其输入量为副变量，输出量为主变量，它表示主 变量与副变量之间的通道特性。如上例中原料油的炉内受热管道。

串级控制系统（4）副对象（副过程）。副对象是为副变量表征其特性的生产设 备。其输入量为操纵量，输出量为副变量，它表示副变

量与操纵变量 之间的通道特性。在上例中主要指燃料油燃烧装置及炉膛部分。

（5）主控制器。主控制器按主变量的测量值与设定值的偏差而工 作，其输出作为副变量设定值。如上例中的出口温度控制器 （6）副控制器。副控制器的设定值来自主控制器的输出，并按副变量的测量值与设定值的偏差进行工作，其输出直接去操纵控制阀。

如上例中的炉膛温度控制器 （8）副设定值。副设定值是指由主控制器的输出信号提供的、副控制器的设定值。

（9）主测量值。主测量值是由主测量变送器测得的主变量的值。 （10）副测量值。副测量值是由副测量变送器测得的副变量的值。 （11）副回路。处于串级控制系统内部的，由副控制器、控制阀、 副对象和副测量变送器组成的闭合回路称为副回路，又称内回路，简 称副环或内环（见图3.4中虚线框内部分所示）。

串级控制系统（12）主回路。由主控制器、副回路、主对象和主测量变 送器组成的闭合回路称为主回路。主回路为包括副回路的整个 控制系统，又称外回路，简称主环或外环。

（13）一次扰动。一次扰动指作用在主对象上、不包含在 副回路内的扰动。如上例中被加热物料的流量和初温变化 （14）二次扰动。二次扰动指作用在副对象上，即包含在副回路内的扰动。如上例中燃料方面的扰动 和烟囱抽力的 变化 一般来说，主控制器的设定值是由工艺规定的，它是一个定值，因此，主环是一个定值控制系统。而副控制器的设定值 是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出的变化而变化， 因此，副回路是一个随动控制系统。

串级控制系统3.1.3 串级控制系统的控制过程 仍以管式加热炉为例，来说明串级控制系统是如何有效地克服 被控对象的容量滞后而提高控制质量的。对于图3.2所示的加热炉出 口温度与炉膛温度串级控制系统，为了便于分析，先假定已根据工艺 的实际情况选定控制阀为气开式，断起时关闭控制阀，以防止炉管烧 坏而酿成事故。温度控制器 都采用反作用方式（控制阀气开、气关形式的选择原则与简单控制系统时相同，主、副控制器 的正、反作用方式的选择原则留待下面再介绍），并且假定系统在扰 动作用之前处于稳定的“平衡”状态，即此时被加热物料的流量和温 度不变，燃料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉 膛温度均处在相对平衡状态，燃料控制阀也相应地保持在一定的开度 上，此时炉出口温度稳定在设定值上。

当某一时刻系统中突然引进了某个扰动时，系统的稳定状态就 遭到破坏，串级控制系统便开始了其控制过程。下面针对不同的扰动 情况来分析该系统的工作过程。

串级控制系统1．当只有二次扰动作用时 进入副回路的二次扰动有来自燃料热值的变化、压力的波动 和烟囱 抽力的变化 先影响炉膛温度，使副控制器产生偏差，于是副控制器的输出立即开始变化，去调整控制阀的开度以改变燃料流量，克服上述扰动 对炉膛温度的影响。在扰动不太大的情况下，由于副回路的控制速度比较快， 及时校正了扰动对炉膛温度的影响，可使该类扰动对加热炉出口温度几乎无影 响；当扰动的幅值较大时，经过副回路的及时校正也可使其对加热炉出口温度 的影响比无副回路时大大减弱，再经主回路进一步控制，使炉出口温度及时调 回到设定值上来。可见，由于副回路的作用，控制作用变得更快、更强。

读者可自行分析当燃料压力升高时串级控制系统的控制过程。

2．当只有一次扰动作用时 一次扰动主要有来自被加热物料的流量波动和初温变化 一次扰动直接作用于主过程，首先使炉出口温度发生变化，副回路无法对其实施及时的校正，但主控制器立即开始动作，通过主控制器输出的变化去改 变副回路的设定值，再通过副回路的控制作用去及时改变燃料量以克服扰动 对炉出口温度的影响。在这种情况下，副回路的存在仍可加快主回路的控制速 度，使一次扰动对炉出口温度的影响比简单控制（无副回路）时要小。这表明， 当扰动作用于主对象时，串级控制系统也能有效地予以克服。

读者可自行分析当被加热物料流量增大时串级控制系统的控制过程。 串级控制系统3．当一次扰动和二次扰动同时作用时 当作用在主、副对象上的一、二次扰动同时出现时，两者 对主、副变量的影响又可分为同向和异向两种情况。

（1）一、二次扰动同向作用时。在系统各环节设置正确的情 况下，如果一、二次扰动的作用是同向的，也就是均使主、副变 量同时增大或同时减小，则主、副控制器对控制阀的控制方向是 一致的，即大幅度关小或开大阀门，加强控制作用，使炉出口温 度很快地调回到设定值上。

例如，当炉出口温度因原料油流量的减小或初温的上升而 升高，同时炉膛温度也因燃料压力的增大而升高时，炉出口温度 升高，主控制器感受的偏差为正，因此它的输出减小，也就是说， 副控制器的设定值减小。与此同时，炉膛温度升高，使副测量值 增大。这样一