5.2.1.1 串级控制系统的基本結构

串級控削系统是一种常用的复杂控制系统，他由两个或两个以上的控制器串联组戚，一 个控制器的输出作为另一个控制器的设定值。串级控制系统的框图如图5-9所示。

图中，主被控变量是y1串級控制系统中要保持平稳控制的主要控制变量，副被控变量 戈2是串级控制系難的辅助被控变量。（心（5)和分别是主、副控制器的传递画数。主控 制器的输出作为副控制器的设定值，组成串联连接的结构。因此，主控制器输化等于副 控制器的设定n。副輕制器在外部设定情况下X作，因此是离动控制。主控制器的输出随 偏差而变化，主控制器在内部设定情况下工作，因此是定值控制。GpiU)分別 是主、剑被控对象传递数。GmlCO和GmzCO分别是主、副被控喪豐的检测变迸环节传递 函数。分别是主、副被控变量的测當值。和分別是进人主、副被控对象的扰动。扰动通道传递幽数分則为tjp I ( V )和GpZ ( S ) b跑由Gc2 (，〇、（Jv (-0、Gj。（ S )和Cm2申占） 组成的控制囘路祕为副（控制）回路，或副回路。把由GdG)和副回路、GpiCO和Gmi(，0组成的控制回路棘为主（控制）回路或主环。

说明。如图5-10所示，在合成氨厂的硝酸生产过程中，由氨氧化生成氧化氮的过程为：

'1NH3+日〇2 Pt *4NO十6H30+Q

840\]：

氨气经控制阀控制其流量，与空气在混合器混合，经加圧和预热后，进人氧化炉，在铂催化剂和840摄氏度下反应，生成一氧 化氮和水蒸气。控制氧化炉溫度是控制反应转化率的关键。

以氧化炉炉温和氨气流量串级控制系统为例说明。如图5-10所示，在合成氨厂的硝酸生产过程中，由氨氧化生成氧化氮的过程为：

'1NH3+日〇2 Pt *4NO十6H30+Q

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氨气经控制阀控制其流量，与空气在混合器混合，经加圧和预热后，进人氧化炉， 在铂催化剂和840摄氏度下反应，生成一氧 化氮和水蒸气。控制氧化炉溫度是控制反应转化率的关键。

以氧化炉炉温和氨气流量串级控制系统为例说明。如图5-10所示，在合成氨厂的硝酸生产过程中，由氨氧化生成氧化氮的过程为：

'1NH3+日〇2 Pt *4NO十6H30+Q

840\]：

氨气经控制阀控制其流量，与空气在混 合器混合，经加圧和预热后，进人氧化炉， 在铂催化剂和840摄氏度下反应，生成一氧 化氮和水蒸气。控制氧化炉溫度是控制反应转化率的关键。

可W有多种控制方案。

0)氨气流量定值控制.该控制方案保持氨气流量为定值，但由于氧化炉溫度是开环的，因此炉温不能保持恒定。

©炉温定值控制。该控制方案选择氧化炉温度作为被控变量，选择氨气流量炸为操纵变量。由于被程过程的滞后大，时间常数大，因此，媪度控制系统的控制品质不佳。尤其当 氨气流量邢化力波动时影响更大。

炉温为主被控变量，氨气流量为副破控变霉，氢气流量为操纵变量组成串级控制。 该控制方案切炉温作为主被控变量，抓住了生产过程的主要矛盾，通过副被控变豐组成的副 回路，能够及时克服数气流嵩或动力的波动，大大削弱了它们的波动对炉溫的影晌。该控制 系统投运后，疏得良好的控制效果。

示例中，主被控变量是氧化炉炉温，即工艺需要控刺的变量，副被輕变量3^2磨氮气 流豊，啡能够及时反映扰动变化的变量。主要扰动Fz来自绩气压力或流貴酌波动。

控制系统的调节过程如下。当氨气压力或流量波动时，載化炉濁还没有变化，因蛇，主 輕融器输出不变，氨气流量控制器因扰动的影响，使氨气流暨测量值变化，按定值控剌系统 的调节过程，副控制器改变控制阀开度，使氨气流量稳定。与此同时，氨气流量的变化也影 响氣化炉溫度，使主控制器输出，即部控制骗的坡定变化，部撫制器的诘定和测量的同时变 化，进一步加速了段制系统克服扰动的调节过程，使主被控变量階复到设定借。

当炉溫和氨气流量同时变化时，主控制器通过主环及时调节阀控制藉的设定，使空气流通过变化，保持炉温恒定，而卽控制器一贵面接受主控葡1器的输出信号，同时，根据氨气流量测量值的变化进行调节，使氨气流量跟踪设定植变化，使氨气流景能根据炉温及时调整，最 终使炉温遇速回复到设定值。

根据图5-9,列写串级控制系统的有关传递函数如下：

串级控制系统的结构特点如下。

®由两个或两个以上的控制器串联连接，一个控制器输出是另一个控制器设定。

©主搜制回路是定值控制系统。对主控制器的輸出而言，副控制回路是随动控制系统， 对进人回路的扰动而言，副控制回路是定值控制系统。