复合控制回路
PID串级控制系统
滕文春编写1994年1
PID串级控制系统
在前几章中我们主要讨论的是单回路控制系统,对于复杂的工业过程,为使设备精确地自动运行,采
用单回路控制系统往往难以满足控制精度和控制品质要求，同时需要控制的参数往往也不只一个。这就需
要把多个控制回路复合化，对其功能进行有效的组合，形成复合控制系统。以后几章我们讨论PID复合回
路控制系统，它们是：串级控制系统，比率控制系统，选择控制系统，多控制输出系统。
在复合控制系统中，被控变量不只一个，因此它们是一种多变量控制系统。复合回路控制可以由一个
控制器实现，也可组合多个控制器实现。在后一种情况下，每一个控制器承担一个控制回路的任务。因
此，我们沿用过去常规仪表控制时的习惯，把复合回路控制中的某个回路又称之为某某控制器，如串级控
制系统中的主控制回路称之为主控制器，副控制回路称之为副控制器。
下面讨论串级控制回路。
1.什么是串级控制系统
串级控制系统是含有直列连接主控制回路(PrimaryLoop)和副控制回路(SecondaryLoop),且由主
控制回路的控制输出支配着副控制回路的设定值的多
回路控制系统(MultipleLoopControlSystem)。在串
级控制系统中接收主被控变量的称之为主控制器(回
路)，接收辅助被控变量的称之为副控制器(回路)。一
个串级控制系统只有一个主控制器(回路)和一个操作输
出，通常也只有一个副控制器(回路)。图6-1和图6-
2是一个典型的串级控制系统及其框图。
在这个串级控制系统中，燃料流量由副控制回路按随主控制回路输出变化的设定值进行控制，主控制回
路的输出只改变流量控制器的设定值，通过流量控制器再去操作阀门，改变过程参数而稳定炉温。因燃料
压力引起的流量变化在影响炉温之前由副控制回路快速
加以抑制。
由上例可知,串级控制系统在结构上具有以下特征:
1)串级控制系统的主、副回路直列连接，主控制回路
包围着副控制回路,副控制回路处于主控制回路之
中。
2)一个串级控制系统只有一个主控制器(回路)和一个操作输出，通常也只有一个副控制器(回路)。个
别情况下也有多个副控制器(回路)的，但在工业过程控制系统中是不常见的。
×+PID2
PV2
比
例
偏
置
主
控
输
图6－3带比例+偏置的副回路功能
二次过程
3)主控制器(回路)的输出支配着副控制器(回路)的设定值,而不是直接操作阀门。这里说“支配”，而
不是“就是”，这是因为除主控制器(回路)的输出之外，副控制器(回路)的设定值还可加比例和偏
置，如图6-3所示。有的资料称这种结构为比例+偏置PID控制算法。
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4)副控制器(回路)相当一个随动系统，它的输出不是为了稳定本回路的二次过程变量，而是为了稳定
主控变量。因此对副控制器(回路)的控制性能有着很高的要求：既要求对设定值变化有很好的跟随特
性，又要求对外干扰有好的抑制特性。
5)由于副控制器(回路)处于主控制器(回路)之中，因而副控制器(回路)可以等效变化为主控制器(回路)
的一个等效环节，如图6－4所示。这就意味着对串级控制系统的被控对象可人为加工，从而改善被
控对象的可控性。这一特性使得串级控制系统具有单回路控制系统不可能具有的作用。
PV2
PID1
PID2Gp
2(S)
Gp1(S)
PV1
副控制回路
主控制回路
图6－4串级副控制回路的等效变换框图
(PID2).Gp2(S)
1+(PID2).Gp2(S)
SV
2.串级控制系统的作用
串级控制系统的本质是快速抑制二次干扰对主控变量的影响。同时由于副控制器(回路)的等效变换功
能而改善对象的可控性，从而使串级控制系统具有一系列单回路控制系统不可能具有的作用。
1)快速克服二次干扰对主控变量的影响由于副控制器(回路)的作用，在二次干扰影响主过程变量之
前快速加以抑制，使主过程变量不受其影响,改善了对主过程变量的控制作用。
2)提高主控制器(回路)的抗干扰能力例如当二次过程(对象)为一阶惯性特性，副控制器(回路)为比
例控制作用时，等效二次过程(对象)就成为
(6.1-1)
式中：K2－二次过程(对象)的放大系数
T2－二次过程(对象)的惯性时间常数(Lag)
Kc2－副控制器(回路)的比例增益
由(6.1-1)式可知，等效二次过程(对象)的放大系数缩小1/(1+K2.Kc2)倍，在相同的开环增
益条件下，主控制器(回路)的比例增益就可比单控制回路大(1+K2.Kc2)倍，这就提高了主控制器
(回路)的抗干扰能力，使一次干扰对主过程变量的影响大为减小。这就是说串级控制系统不但
抑制了二次干扰对主过程变量的影响，同时还提高了系统对一次干扰校正能力。
3)提高了系统对干扰的校正速度由于副控制器(回路)的校正作用，减小了进入副控制器(回路)的干
扰对主过程变量的影响，即使对发生在一次过程(对象)中的干扰，也因等效二次过程(对象)的惯
性时间常数(Lag)减小1/(1+K2.Kc2)倍，使串级主控制器(回路)的调节过程缩短，动态偏差减小，
控制品质提高。当自二次过程(对象)为二阶惯性特性时，其等效二次过程(对象)可降为一阶惯性
环节，同样也起到调节过程缩短，动态偏差减小，控制品质提高的作用。
4)改善时变参数对象的可控性如果二次过程(对象)中的T2和K2为随过程变化的参数，在等效二次
过程(对象)中的等效放大系数和等效惯性时间常数(Lag)中，分子和分母中都出现随过程变化的
参数，从而使相对变化程度减小，这就使变参数对过程控制的影响。
K
2
T/(1+K
2
.Kc
2
)
[T/(1+K
2
.Kc
2
)]
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5)改善非线性对象的可控性如果二次过程(对象)中的T2和K2是非线性的,在等效二次过程(对象)
中的等效放大系数和等效惯性时间常数中，分子和分母中都出现非线性参数，从而使相对变化程
度减小，这就使非线性参数对过程控制的影响。
概括起来串级控制系统有以下好处：
?减小外干扰对主被控变量的影响；
?提高系统的抗干扰能力，改善对主被控变量的控制；
?加快扰动后的恢复速度；
?增加系统的固有频率，提高系统响应速度；
?减小系统的惯性时间常数(Lag);
?改善系统的动态特性，提高系统的适应能力；
?对副被控变量进行限制。
3.串级控制系统的设计原则
为了发挥出串级控制系统上述作用，在设计串级控制系统时要从二次被控变量的选取、二次过程(对象)
的确定、控制算法的组态、操作端的设计和操作方式设计等方面进行认真考虑，仔细衡量，做出正确的选
择。
3.1.二次过程变量的选取
在设计串级控制系统时除根据工艺要求确定出主过程变量外，还要确定出辅助被变量。在确定二次过
程变量时要遵守以下原则：
1)二次过程变量一定要是可直接、快速测量的参数。一般不要取间接测量参数。
2)二次过程变量一定要是能够响应需要克服的那中干扰变化的过程变量。例如上例中，需要克服的干
扰是燃料的压力变化。燃料流量的变化能够响应压力的变化，因此是一个合理的辅助过程变量。如
果需要克服的是燃料热焓的变化，那么燃料流量就不能响应热焓的变化，此时燃料流量就是不合适
的辅助过程变量。
3)串级控制系统的副控制器(回路)希望是线性的，因此当二次过程变量为差压流量信号时，应进行开平
方线性化，以保证串级控制系统是线性的。
3.2.二次过程(对象)的选取
二次过程(对象)选取是否合理，直接影响串级控制系统控制作用的发挥。选取二次过程(对象)应遵
守以下原则：
1)应把尽量多的外干扰作用点包括在副控制器(回路)中串级控制系统的本质是快速抑制二次干扰对主控
变量的影响。因此在确定二次过程(对象)时应把尽量多的外干扰作用点包括在副控制器(回路)中，用
副控制器(回路)来加以抑制。使主控制器(回路)需要克服的干扰减到最少。这样才能发挥串级控制
系统的作用。
2)应把对象中随时间变化的部分结构放到副控制器(回路)中前面提到，串级控制系统能够改善时变参数
对象的可控性，因此在确定二次过程(对象)时应把尽量多随时间变化的部分结构包括在副控制器(回
路)中，用副控制器(回路)来加以抑制。提高串级控制系统的可控性。
3)应把对象中含非线性部分结构放到副控制器(回路)中前面提到，串级控制系统能够改善非线性对象的
可控性，因此在确定二次过程(对象)时应把尽量多非线性部分结构包括在副控制器(回路)中，用副控
制器(回路)来加以抑制。提高串级控制系统的可控性。例如对于三阶特性对象，应把二阶惯性环节
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(SecondaryOrderLag)放在副控制器(回路)之中，而主控制回路只含一阶环节(MajorLag)。
4)一般副控制器(回路)的惯性时间常数(Lag)要小于主控制器(回路)的1/3为改善副控制回路引起的二次
过程的相位迟后，总的响应应是越快越好。为使串级控制系统有效，防止系统振荡，与主控制器(回路)
相比，副控制回路的响应速度应该是越快越好，通常副控制器(回路)的响应速度要大于主控制器(回
路)的三倍以上。
3.3.串级控制系统的控制算法
串级控制系统的控制算法分主控制器(回路)的控制算法和副控制器(回路)的控制算法，它们需要两个
PID算法。主控制器(回路)的控制算法的选取与单控制回路系统没有大的区别，主要讨论副控制器(回路)
的控制算法。
1)为使副控制器(回路)响应快，一般副控制器(回路)取比例(E.O.O.O)作用。
2)若主、副控制回路的惯性时间常数相差很小，为增加主、副控制回路的惯性时间常数的差别，副控
制器(回路)应取微分先行PID算法(E.S.P.O)。副控制器(回路)的反馈线路上增加微分环节，可缩
小二次过程(对象)的惯性时间常数。
3)根据控制方式的按排，系统若有控制方式切换，在控制器组态时，应解决好无扰动方式切换问题。
4)根据控制方式的按排，系统有时不处于串级控制状态，这是主控制器(回路)和／或副控制器(回路)
就会出现积分饱和现象，因此在控制器组态时,应采取有效的抗积分饱和措施。
5)串级控制系统允许与其它的控制功能如纯滞后补偿、分程控制、自适应控制、非线性控制、前馈控
制、选择控制和比例控制等功能组合，形成更强大、更复杂的控制系统。但一般在副控制器(回路)
不引入前馈控制功能。在主控制器(回路)引入前馈功能时，可以当作副控制器(回路)设定值的比
例、偏置信号引入，以简化控制结构，便于现场整定。
6)若对副控制器(回路)对设定值的跟随性和对外干扰的抑制特性都有高要求时，副控制器(回路)应采用
双重PID算法。这一点将在第九章讨论。
3.4.操作端的设计
串级控制系统的操作是直接由副控制器(回路)来完成的，因此在进行操作端设计时不但要考虑主控制
器(回路)的需要，也要主控制器(回路)的需要。
1)既然控制环节(阀门、阻尼器等)直接由副控制器(回路)操作，因此串级控制系统允许的状态切换、手
动干预应全部独自在副控制器(回路)完成，以简化系统操作。同时在副控制回路中的等百分比调节阀
不能补偿主控制器(回路)的非线性。
2)最简单的副控制器是阀门定位器，它的作用是克服阀门死区和减小阀门时间常数。但要小心，在流
量控制回路中，不要用阀门定位器。因为此时将构成串级控制系统。而两单回路控制的时间常数又
相等，反而会使控制品质下降。
3)为保证系统的线性，阀门如果具有很强的非线性(快开阀门特性)，应考虑阀门的非线性补偿(如第七
章的输出自适应功能)。
3.5.串级控制系统的控制方式设计
在设计一个控制系统的操作方式时主要考虑工艺要求正常运行时的操作方式、现场整定时和人工干预
的操作方式。以及如何消除操作方式切换给系统带来的影响。
1)串级控制系统主控制器(回路)的操作方式
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正常运行时现场整定时人工干预时
操作方式自动方式自动方式无
设定值方式本地设定值本地设定值
串级控制系统的主控制器(回路)运行和整定时与单回路控制相同,处于自动控制方式下,对阀门
的操作由副控制器(回路)进行,不需要设置人工干预方式，因此主控制器(回路)只设自动方式。
2)串级控制系统副控制器(回路)的操作方式
正常运行时现场整定时人工干预时
操作方式串级、自动方式自动方式手动方式
设定值方式远程、本地设定值本地设定值
一般串级控制系统的副控制器(回路)设有串级、自动、手动三种控制方式,以满足操作、整定
和人工干预过程中状态要求。当副控制器(回路)的控制方式切换时，主、副控制器(回路)可能处于
断开状态，而使控制器出现积分饱和，这就要采取抗积分饱和措施。大多数控制器是采取跟踪方式
来抗积分饱和，其跟踪设置如⒊⒋⒌所述。
3)副控制器(回路)处于手动方式时，就等于串级控制系统处于手动方式。此时副控制器(回路)的设定
值应跟踪副过程变量(SlaveProcessVariable),以保证从手动切换的自动时不会出现任何需要响
应的偏差。如果没有设定值跟踪功能就会出现这种偏差,就需要控制器按整定的恢复速率(Reset
Rate)产生一个斜坡输出来响应这个偏差。
4)同时，主控制器(回路)的控制输出要跟踪副控制器(回路)的实效设定值(对于经过比例、偏置自动
校正的设定值，要取校正前的值)。对于副控制器进入串级控制状态之前，有远程／本地设定值自
动平衡功能的控制器，也可撤消这个要求。
5)当主控制器(回路)为间接响应副控制器(回路)控制方式变化，需要改变设定值时，可以设置主控制
器(回路)的设定值跟踪主过程变量(一次被控变量)。
3.6.抗积分饱和措施的讨论
串级控制系统可采用的抗积分饱和措施有外部积分反馈法、跟踪法和控制输出限幅限速率三种方法，
它们的优缺点分述如下。
1)外部积分反馈
这种方法在实际应用时一方面要求控制器具有带外部反馈功能的标准积分作用；同时要求所使用的
控制作用一定包含这种积分作用。这对主控制回路问题不大。然而对于组态为比例控制的副控制器
(回路)就无法使用外部积分反馈方法。对串级控制系统主控制回路一般取副过程变量与主控制器
(回路)输出之差作为外部积分反馈信号来达到抗积分饱和的目的。这种方法简单易行，但跟踪精度
差，且外部积分反馈作用，对控制规律有一定的影响。
2)跟踪方法
这种方法要求主、副控制器具有输出跟踪能力和设定值跟踪能力。通过自动/手动切换逻辑信号触
发跟踪功能使副控制器(回路)的设定值跟踪其过程值，而副控制器(回路)的控制输出跟踪副控制
器(回路)的设定值；当副控制器(回路)投如“串级”后，又自动抑制主、副控制器(回路)的跟踪功
能，使系统恢复正常运行，达到无扰动切换和抗积分饱和的目的。
3)输出浮动限幅和限速率
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在主控制器(回路)出现大干扰的情况下，即使处于串级控制方式下，也会使主控制器的控制输出与
二次被控变量的偏差过大，引起系统性能恶化。虽然外部积分反馈对减小控制器的偏差起一定的缓
冲作用，最好还是增加输出浮动限幅和限速率功能。所谓输出浮动限幅就是以副过程变量值加／
减其最大允许偏差分别作为主控制器(回路)控制输出的上/下限幅的设定值。所谓限速，就是对主
控制器(回路)的控制输出信号的变化速率施加限制。
4.串级控制系统的功能按排
串级控制系统可用单个控制器实现(称为单站串级控制系统)，也可用两个控制器实现(称为双站串级
控制系统)。
4.1.单站串级控制系统
当用单个控制器来实现串级控制系统时，该控制器至少要具有两个PID算法。一般的这种控制器(如
MODCELL多回路控制器)具有事先设计好的串级控制系统结构，规定了主控制回路算法和副回路控制算
法，以及副回路手动／自动时主回路随之跟踪的联络信号。只要按要求组态，就可方便地实现串级控制系
统。此时当副回路组态为串级控制系统时主、副控制器的功能安排如图6－5所示。
图6-5MODCELL控制器的串级功能框图
采用单站标准型串级控制系统按排形式，用户组态简单，但在主回路一般不能引如前馈补偿。为此可
以只将副控制器组态为手动、自动，按双站形式组态为串级控制系统将带来更多的灵活性。
4.2.双站串级控制系统
1)用两个特定的单回路控制器实现串级控制系统将单站串级控制系统中控制器分为主、副控制器，通
过点对点通信把两个控制器连接起
来，其中主控制器为专用控制器，它
只有过程输入，没有控制输出。通过
通信把控制输出传送到副控制器,作
为其设定值;并把副控制器的设定
值和跟踪信号传送到主控制器，以实
现串级控制系统，如图6－6所示。
PV2
主控制器副控制器
PV1
RS-485/RS-232
?主控制器输出
?副控制器设定值
?副控制器跟踪信
控制输
图6－6用特定的主、副控制器实现串级控制系统
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这种按排方式结构简单，对主过程变量和辅助过程变量、操作端相距甚远的工业应用可节省信号传
输电缆，但主控制器就成了专门的控制器，其应用受到限制。
2)用两个一般的单回路控制器实现串级控制系统将两个一般的单回路控制器分为主、副控制器,通
过信号线把两个控制器连接起来，也可实现串级控制系统。如图6-7所示。
PV2
主控制器副控制器
PV1
?副控制器设定值
?副控制器跟踪信号
控制输出
图6－7两个控制器通过硬线连接实现串级控制系统
主控制器输出
这种按排方式结构简单，对不具有通信功能、主过程变量和辅助过程变量、操作端相距甚远的工业应
用是有方便之处的。
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