串级控制系统.docx
《串级控制系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《串级控制系统.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
串级控制系统
第三章 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，其数量占有所有控制系
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，例如甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过 1℃石油裂解
气的生冷分离中，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、前后生产工序协调问题、为了安全而采取的软保护的问题、
管理与控制一体化问题等，这些问题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
为复杂控系统。
复杂控制系统种类较多，按其所满足的控制要求可分为两大类：
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；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，它对改善控制产品有独到之处。
当过程的容量之后较大，负荷
或扰动变化比较剧烈、比较频繁、或是工艺对生产质量提出的要求很高，采用
单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。
3.1 串级控制系统概述
图 3-1 是串级控制系统的方框图。
该系统有主、副两个控制回路，主、副调节
器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值 R，它的输出 m1 作为副调
节器的给定值，副调节器的输出 m2 控制执行器，以改变主参数 C1。
图 3-1 串级控制系统方框图
3.2串级控制系统的特点
串级控制系统从总体来看，仍然是一个定制控制系统，因此主变量在扰动
作用下的过渡过程和简单定制控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似
的形式。
但是串级控制系统和简单控制系统相比，在结构上增加了一个与之相
连的副回路，因此具有一系列特点。
由于副回路的存在，改善了过程的动态特性提高了系统的工作频率。
串级控制系统在结构上区别于接单控制系统的主要标志是用一个闭合的副回路
代替了原来的一部分被控对象。
所以，也可以把整个副回路看作是主回路的一
个环节，或把副回路称为等效副对象。
由于副过程在一般情况下可以用一阶滞后环节来表示，如果副控制器采用
比例作用，那么串级控制系统由于副回路的存在，改善了过程的动态特性，是。
而等效副对象的时间常数减小，意味着对象的容量滞后减小，这会使系统的反
应速度增加，控制更为及时。
另一方面，由于等效副对象的时间常数减小，系
统的工作频率可获得提高。
当主副对象都是一阶惯性环节，主副控制器均采用
纯比例作用是，与简单控制系统相比，在相同衰减比的条件下，串级系统的工
作频率要高于简单控制系统。
所以，串级控制系统由于副回路的存在，改善了被控对象的动态特性，是
控制过程加快，从而有效地克服容量滞后、使整个系统的工作频率有所提高，
进一步提高了控制质量，其主要优点表现在：
1 能及时克服进入副回路的扰动影响，提高了系统抗扰动能力
与同等条件下的简单控制系统相比较，串级控制系统由于副回路的存在，能迅
速克服进入副回路扰动的影响，从而大大提高了抗二次扰动的能力，抗一次扰
动的能力也有所提高。
这是因为当扰动进入副回路后，在他还未影响到主变量
之前，首先由副变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值控制作用，及时
调节操纵变量，师傅变量回复到设定值，从而是扰动对主主变量的影响减少。
即副回路对扰动进行粗调，主回路对扰动进行细调。
由于对进入副回路的扰动
有两级控制措施，即使扰动作用影响主环，也比单回路的控制及时，因此，串
级控制系统能迅速克服副回路的影响。
2 具有一定的自适应能力。
在简单控制系统中，控制器的参数是在一定的负荷、一定的操作条件下，根据
该负荷的对象特性，按一定的质量指标整定得到的。
因此，一组控制器参数只
能适应于一定的生产负荷和操作条件。
如果被控对象具有非线性，那么，随着
负荷和操作条件的改变，对象特性就会发生改变。
这样，在原负荷下整定所得
的控制器参数就不在能够适应，需要重新整定。
如果仍用原先的参数，控制质
量就会下降。
这一问题在简单控制系统中是很难解决的。
但是，在串级控制系
统中，主回路虽然是一个定值控制系统，而副回路对主控器来说却是一个随动
系统，他的设定值是随着主控制器的输出而变化的。
这样，当负荷或操作条件
发生变化时，主控制器就可以按照负荷或操作条件的变化情况而及时调整副控
制器的设定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件
下，控制系统仍然具有较好的控制质量。
从这一意义上来讲，串级控制系统有
一定的自适应能力。
综上所述，串级控制系统由于副回路的存在，对于进入其中的扰动有较强
的克服能力，而且由于副回路的存在改善了过程的动态特性，提高了系统的工
作频率，所以控制质量比较高。
此外，副回路的快速随动特性使串级控制系统
具有一定的自适应能力。
因此，对于控制质量要求高，扰动大、滞后时间长的
过程，当采用简单控制系统达不到质量要求时，采用串级控制方案往往可以获
得较为满意的结果。
不过串级控制系统比单回路控制系统所需要的线路仪表多，
系统的投运和整定相应地也较为复杂一些。
所以，如果单回路控制系统能够解
决的问题，就尽量不要采用串级控制方案。
3.3主、副调节器控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值
控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用 PI
或 PID 调节器。
由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复
现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，
因而副调节器可采用 P 或 PI 调节器。
3.4PID 控制器
工业生产过程中，对于生产装置的温度、压力、流量、液位等工艺变量常
常要求维持在一定的数值上，或按一定的规律变化，以满足生产工艺的要求。
PID 控制器是根据 PID 控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变
量的实际值与工艺要求的预定值一致。
不同的控制规律适用于不同的生产过程，
必须合理选择相应的控制规律，否则 PID 控制器将达不到预期的控制效果。
3.4.1 PID 控制器理论
PID 控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分
单元 D 组成。
通过 Kp， Ki 和 Kd 三个参数的设定。
PID 控制器主要适用于基
本线性和动态特性不随时间变化的系统。
PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。
这个控制器把
收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，
这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。
和其他简
单的控制运算不同，PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入
值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。
可以通过数学的方法证明，在其他
控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个 PID 反馈回路却可以
保持系统的稳定。
一个控制回路包括三个部分：
系统的传感器得到的测量结果 控制器作出决
定 通过一个输出设备来作出反应 控制器从传感器得到测量结果，然后用需求
结果减去测量结果来得到误差。
然后用误差来计算出一个对系统的纠正值来作
为输入结果，这样系统就可以从它的输出结果中消除误差。
在一个 PID 回路
中，这个纠正值有三种算法，消除目前的误差，平均过去的误差，和透过误差
的改变来预测将来的误差。
比如说，假如一个水箱在为一个植物提供水，这个
水箱的水需要保持在一定的高度。
一个传感器就会用来检查水箱里水的高度，
这样就得到了测量结果。
控制器会有一个固定的用户输入值来表示水箱需要的
水面高度，假设这个值是保持 65%的水量。
控制器的输出设备会连在一个马达
控制的水阀门上。
打开阀门就会给水箱注水，关上阀门就会让水箱里的水量下
降。
这个阀门的控制信号就是我们控制的变量，它也是这个系统的输入来保持
这个水箱水量的固定。
PID 控制器可以用来控制任何可以被测量的并且可以被
控制变量。
比如，它可以用来控制温度，压强，流量，化学成分，速度等等。
汽车上的巡航定速功能就是一个例子。
一些控制系统把数个 PID 控制器串联起
来，或是链成网络。
这样的话，一个主控制器可能会为其他控制输出结果。
一
个常见的例子是马达的控制。
我们会常常需要马达有一个控制的速度并且停在
一个确定的位置。
这样呢，一个子控制器来管理速度，但是这个子控制器的速
度是由控制马达位置的主控制器来管理的。
连合和串联控制在化学过程控制系
统中是很常见的。
3.4.2 PID 控制规律的选择
尽管不同类型的控制器，其结构、原理各不相同，但是基本控制规律只有三
个：
比例（P）控制、积分（I）控制和微分（D）控制。
这几种控制规律可以
单独使用，但是更多场合是组合使用。
如比例（P）控制、比例-积分（PI）控
制、比例-积分-微分（PID）控制等。
1） 比例（P）控制
单独的比例控制也称“有差控制”，输出的变化与输入控制器的偏差成比例
关系，偏差越大输出越大。
∆P = KC e
（3-1）
∆P —调节器的输出变化量
KC —调节器的比例增益，即放大系数
e—调节器的输入，即偏差
实际应用中，比例度的大小应视具体情况而定，比例度太大，控制作用太
弱，不利于系统克服扰动，余差大，控制质量差；比例度太小，控制作用强，
容易导致系统的稳定性变差，引发振荡。
对于反应灵敏、放大能力强的被控对
象，为提高系统的稳定性，应当使比例度稍大些；而对于反应迟钝，放大能力
又较弱的被控对象，比例度可选小一些，以提高整个系统的灵敏度，也可以相
应减小余差。
单纯的比例控制适用于扰动不大，滞后较小，负荷变化小，要求
不高，允许有一定余差存在的场合。
工业生产中比例控制规律使用较为普遍。
2） 比例积分（PI）控制
比例控制规律是基本控制规律中最基本的、应用最普遍的一种，其优点就
是控制及时、迅速。
只要有偏差产生，控制器立即产生控制作用。
但是，不能
最终消除余差的缺点限制了它的单独使用。
然而当比例控制的基础上加上积分
控制作用则能克服余差。
c
1
T
⎰ edt ）
（3-2）
∆P —调节器的输出变化量
KC —调节器的比例增益，即放大系数
e —调节器的输入，即偏差
T1 —积分时间
积分控制器的输出与输入偏差对时间的积分成正比。
积分控制器的输出不
仅与输入偏差的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。
只要偏差存在，输
出就会不断累积（输出值越来越大或越来越小），一直到偏差为零，累积才会停
止。
所以，积分控制可以消除余差。
积分控制规律又称无差控制规律。
积分时
间的大小表征了积分控制作用的强弱。
积分时间越小，控制作用越强；反之，
控制作用越弱。
积分控制虽然能消除余差，但它存在着控制不及时的缺点。
因
为积分输出的累积是渐进的，其产生的控制作用总是落后于偏差的变化，不能
及时有效地克服干扰的影响，难以使控制系统稳定下来。
所以，实用中一般不
单独使用积分控制，而是和比例控制作用结合起来，构成比例积分控制。
这样
取二者之长，互相弥补，既有比例控制作用的迅速及时，又有积分控制作用消
除余差的能力。
因此，比例积分控制可以实现较为理想的过程控制。
比例积分
控制器是目前应用最为广泛的一种控制器，多用于工业生产中液位、压力、流
量等控制系统。
由于引入积分作用能消除余差，弥补了纯比例控制的缺陷，获
得较好的控制质量。
但是积分作用的引入，会使系统稳定性变差。
对于有较大
惯性滞后的控制系统，要尽量避免使用。
3） 比例微分（PD）控制
比例积分控制对于时间滞后的被控对象使用不够理想。
为此人们设想，能
否根据偏差的变化趋势来做出相应的控制动作呢？
犹如有经验的操作人员，即
可根据偏差的大小来改变阀门的开度（比例作用），又可根据偏差变化的速度大
小来预计将要出现的情况，提前进行过量控制，“防患于未然”。
这就是具有
“超前”控制作用的微分控制规律。
∆P = K C （e +
1
T1
⎰ ed t + TD
d e
d t
）
（3-3）
∆P —调节器的输出变化量
KC —调节器的比例增益，即放大系数
e —调节器的输入，即偏差
T1 —积分时间
TD — 微分时间
微分控制器输出的大小取决于输入偏差变化的速度。
微分输出只与偏差的
变化速度有关，而与偏差的大小以及偏差是否存在与否无关。
如果偏差为一固
定值，不管多大，只要不变化，则输出的变化一定为零，控制器没有任何控制
作用。
微分时间越大，微分输出维持的时间就越长，因此微分作用越强；反之
则越弱。
当微分时间为0时，就没有微分控制作用了。
同理，微分时间的选取，
也是需要根据实际情况来确定的。
微分控制作用的特点是：
动作迅速，具有超
前调节功能，可有效改善被控对象有较大时间滞后的控制品质；但是它不能消
除余差，尤其是对于恒定偏差输入时，根本就没有控制作用。
因此，不能单独
使用微分控制规律。
比例和微分作用结合，比单纯的比例作用更快。
尤其是对
容量滞后大的对象，可以减小动偏差的幅度，节省控制时间，显著改善控制质
量。
PID 控制最为理想的控制当属比例-积分-微分控制规律。
它集三者之长：
既
有比例作用的及时迅速，又有积分作用的消除余差能力，还有微分作用的超前
控制功能。
当偏差阶跃出现时，微分立即大幅度动作，抑制偏差的这种跃变；
比例也同时起消除偏差的作用，使偏差幅度减小，由于比例作用是持久和起主
要作用的控制规律，因此可使系统比较稳定；而积分作用慢慢把余差克服掉。
只要三个作用的控制参数选择得当，便可充分发挥三种控制规律的优点，得到
较为理想的控制效果。
3.4.3PID 控制器调试方法
1） 比例系数的调节
比例系数 P 的调节范围一般是：
0.1— 100. 如果增益值取 0.1，PID 调节
器输出变化为十分之一的偏差值。
如果增益值取 100， PID 调节器输出变化
为一百倍的偏差值。
可见该值越大，比例产生的增益作用越大。
初调时，选小
一些，然后慢慢调大，直到系统波动足够小，再调节积分或微分系数。
过大的
P 值会导致系统不稳定，持续振荡；过小的 P 值又会使系统反应迟钝。
合适的
值应该使系统由足够的灵敏度但又不会反应过于灵敏，一定时间的迟缓要靠积
分时间来调节。
2） 积分系数的调节
积分时间常数的定义是，偏差引起输出增长的时间。
积分时间设为 1 秒，
则输出变化100%所需时间为 1 秒。
初调时要把积分时间设置长些，然后慢慢
调小直到系统稳定为止。
3） 微分系数的调节
微分值是偏差值的变化率。
例如，如果输入偏差值线性变化，则在调节器
输出侧叠加一个恒定的调节量。
大部分控制系统不需要调节微分时间。
因为只
有时间滞后的系统才需要附加这个参数。
如果画蛇添足加上这个参数反而会使
系统的控制受到影响。
如果通过比例、积分参数的调节还是收不到理想的控制
要求，就可以调节微分时间。
初调时把这个系数设小，然后慢慢调大，直到系
统稳定。
3.4.4 PID 控制器的参数整定
PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的
特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID 控制器参
数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是 依据
系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据
未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，
它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，
P（%）
I（分）
D（分）
温度
20--60
3--10
0.5--3
流量
40--100
0.1--1
压力
30--70
0.4--3
液位
20--80
1--5
在工程实际中被广泛采用。
PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例
法、反应 曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然
后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的
控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临
界比例法。
利用该方法进行 PID 控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一
个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的
阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一
定的控制度下通过公式计算得到 PID 控制器的参数。
在实际调试中，只能先大
致设定一个经验值如下表，然后根据调节效果修改。
表 3-1 不同物理量下 PID 经验值
升级会员 