第六章 提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)

1、 影響爐出口溫度的因影響爐出口溫度的因 素很多，主要有：被素很多，主要有：被 加熱物料的流量和初加熱物料的流量和初 溫溫f f1 1(t)(t)；燃燒壓力的；燃燒壓力的 波動(dòng)、流量的變化、波動(dòng)、流量的變化、 燃料熱值的變化燃料熱值的變化f f2 2(t)(t)； 煙囪抽力變化煙囪抽力變化f f3 3(t)(t)等等 等等 TCTT TCTT 被加熱物料被加熱物料 被加熱物料被加熱物料 燃料燃料 燃料燃料 (a) (b) 1串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 為滿足生產(chǎn)工藝要求，可以為滿足生產(chǎn)工藝要求，可以爐出口溫度爐出口溫度為主為主 被控?cái)?shù)，取被控?cái)?shù)，取爐膛溫度為中間輔助變量爐膛溫度為中間輔助變

2、量(它能它能 較早地反映擾動(dòng)的影響，使調(diào)節(jié)器及時(shí)動(dòng)作，較早地反映擾動(dòng)的影響，使調(diào)節(jié)器及時(shí)動(dòng)作， 而不影響被控參數(shù)的穩(wěn)定值而不影響被控參數(shù)的穩(wěn)定值)。一種可能的。一種可能的 結(jié)構(gòu)就是所謂結(jié)構(gòu)就是所謂串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖，如圖62所示。所示。 T2CT2T T1CT1T 燃料燃料 被加熱物料被加熱物料 圖圖63中，兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，中，兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，爐出口溫度調(diào)節(jié)器爐出口溫度調(diào)節(jié)器T1的輸?shù)妮?出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器出作為爐膛溫度調(diào)節(jié)器T2的給定值的給定值，這樣的系統(tǒng)就稱為串級(jí)控制，這樣的系統(tǒng)就稱為串級(jí)控制 系統(tǒng)，其方框圖由圖系統(tǒng)，其方框圖由圖63所示。所示。 X1(s)

3、Z1(s) W1(s)W2(s)Wv(s) X2(s) W02(s)W01(s) Wm2(s) Wm1(s) Y1(s) F3(s)F2(s)F1(s) Y2(s) Z2(s) 2 2串級(jí)控制系統(tǒng)名詞術(shù)語(yǔ)串級(jí)控制系統(tǒng)名詞術(shù)語(yǔ) 主被控參數(shù)主被控參數(shù)y1：在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的那個(gè)被控參數(shù)，在串級(jí)控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的那個(gè)被控參數(shù)， 如上例中的爐出口溫度。如上例中的爐出口溫度。 副被控參數(shù)副被控參數(shù)y2：在串級(jí)控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引在串級(jí)控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引 入的中間輔助變量，如上例中的爐膛溫度。入的中間輔助變量，如上例中的爐膛溫度。 主被控過(guò)程主被控過(guò)程：由主參數(shù)表征

4、其特性的生產(chǎn)過(guò)程，主回路所包含：由主參數(shù)表征其特性的生產(chǎn)過(guò)程，主回路所包含 的過(guò)程，是整個(gè)過(guò)程的一部分，圖的過(guò)程，是整個(gè)過(guò)程的一部分，圖63中用中用W01(s)表示，其輸入表示，其輸入 為副被控參數(shù)，輸出為主被控參數(shù)。圖中的管壁和被加熱物料為為副被控參數(shù)，輸出為主被控參數(shù)。圖中的管壁和被加熱物料為 主被控過(guò)程。主被控過(guò)程。 副被控過(guò)程：副被控過(guò)程：由副被控參數(shù)由副被控參數(shù)(爐膛溫度爐膛溫度)為輸出的生產(chǎn)過(guò)程，副為輸出的生產(chǎn)過(guò)程，副 回路所包含的過(guò)程是整個(gè)過(guò)程的另一部分，圖回路所包含的過(guò)程是整個(gè)過(guò)程的另一部分，圖63中用中用W02(s)表表 示，其輸入為控制參數(shù)。示，其輸入為控制參數(shù)。 主調(diào)節(jié)器

5、：主調(diào)節(jié)器：按主參數(shù)的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)按主參數(shù)的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié) 器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，圖器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，圖63中用中用W (s)表示。 表示。 副調(diào)節(jié)器：副調(diào)節(jié)器：按副參數(shù)的測(cè)量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進(jìn)行工作按副參數(shù)的測(cè)量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進(jìn)行工作 的調(diào)節(jié)器，其輸出直接控制調(diào)節(jié)器動(dòng)作。圖的調(diào)節(jié)器，其輸出直接控制調(diào)節(jié)器動(dòng)作。圖64中用中用W2(s)表示。表示。 副回路：副回路：由副調(diào)節(jié)器、副被控過(guò)程、副測(cè)量變送器由副調(diào)節(jié)器、副被控過(guò)程、副測(cè)量變送器(圖圖63中用中用 Wm2(s)表示表示)等組成的閉合回路。等組成的閉合回路。 主

6、回路：主回路：由主調(diào)節(jié)器由主調(diào)節(jié)器W1(s)、副回路、主被控過(guò)程及主測(cè)量變送、副回路、主被控過(guò)程及主測(cè)量變送 器器(圖圖63中用中用Wm1(s)表示表示)等組成的閉合回路。等組成的閉合回路。 一次擾動(dòng)：一次擾動(dòng)：作用在主被控過(guò)程上的、而不包括在副回路范圍內(nèi)作用在主被控過(guò)程上的、而不包括在副回路范圍內(nèi) 的擾動(dòng)。如圖的擾動(dòng)。如圖62中的被加熱物料流量及初溫變化，圖中的被加熱物料流量及初溫變化，圖63中用中用 F1(s)表示。表示。 二次擾動(dòng)：二次擾動(dòng)：作用在副被控過(guò)程上，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾作用在副被控過(guò)程上，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾 動(dòng)。如圖動(dòng)。如圖62中燃料壓力、流量、熱值變化以及煙囪抽力

7、變化等，中燃料壓力、流量、熱值變化以及煙囪抽力變化等， 圖圖63中用中用F2(s)、F3(s)表示。表示。 3 3串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程 當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程處在穩(wěn)定工況時(shí)，被加熱物料的流量和溫度不變，燃當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程處在穩(wěn)定工況時(shí)，被加熱物料的流量和溫度不變，燃 料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口溫度和爐膛溫度料的流量與熱值不變，煙囪抽力也不變，爐出口溫度和爐膛溫度 均處于相對(duì)平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開(kāi)度，此時(shí)爐出口溫度均處于相對(duì)平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開(kāi)度，此時(shí)爐出口溫度 穩(wěn)定在給定值上。穩(wěn)定在給定值上。 當(dāng)擾動(dòng)破壞了平衡工況時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)使開(kāi)始了其控制過(guò)程。當(dāng)擾動(dòng)破

8、壞了平衡工況時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)使開(kāi)始了其控制過(guò)程。 須根據(jù)不同擾動(dòng)，分情況討論。須根據(jù)不同擾動(dòng)，分情況討論。 下面列舉了三種情況：下面列舉了三種情況： （1）二次擾動(dòng)來(lái)自燃料壓力，熱值）二次擾動(dòng)來(lái)自燃料壓力，熱值F2(s)和煙囪抽力和煙囪抽力 F3(s)。 （2）一次擾動(dòng)來(lái)自被加熱物料的流量和初溫一次擾動(dòng)來(lái)自被加熱物料的流量和初溫F1(s)。 （3 3）一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)同時(shí)存在：如果一、二次擾動(dòng)）一次擾動(dòng)和二次擾動(dòng)同時(shí)存在：如果一、二次擾動(dòng) 的作用使主、副被控參數(shù)同時(shí)增大或同時(shí)減小時(shí)，主、副的作用使主、副被控參數(shù)同時(shí)增大或同時(shí)減小時(shí)，主、副 調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的。調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控

9、制方向是一致的。 w 結(jié)論：串級(jí)控制中副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)” 的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用， 從而使控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。 與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)用一個(gè)閉合的副回路，與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)用一個(gè)閉合的副回路， 代替了原來(lái)的一部分過(guò)程代替了原來(lái)的一部分過(guò)程W02(s)，把副回路寫成，把副回路寫成W02(s)，則串級(jí)，則串級(jí) 控制系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圖控制系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圖64所示的等效單回路系統(tǒng)所示的等效單回路系統(tǒng)W02(s)W01(s)為為 等效過(guò)程，由圖等效過(guò)程，由圖6 3可寫出：可寫出： )()()()(1 )()()( )( )( )( 2022 022 2 2 02

10、sWsWsWsW sWsWsW sX sY sW mv v X1(s) W1(s)W02(s)W01(s) Wm1(s) Z1(s) X2(s)Y2(s) F1(s) 設(shè)設(shè) 22 22 02 02 02 )(,)( )(, 1 )( mmvv KsWKsW KsW sT K sW 則則 2 02 02 2 02 02 2 02 1 1 1 )( mv v K sT K KK sT K KK sW 經(jīng)整理后可得經(jīng)整理后可得 1 )( 02 02 02 sT K sW 式中：式中： 2022 02 02 2022 022 02 1 1 mv mv v KKKK T T KKKK KKK K 將將W

11、02(s)與與W02(s)比較，可見(jiàn)比較，可見(jiàn) 02 02 02 02 TT KK 串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多一個(gè)副回路。對(duì)于進(jìn)入副回串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)多一個(gè)副回路。對(duì)于進(jìn)入副回 路的擾動(dòng)，串級(jí)控制系統(tǒng)比在相同條件下的單回路控制系統(tǒng)具路的擾動(dòng)，串級(jí)控制系統(tǒng)比在相同條件下的單回路控制系統(tǒng)具 有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)能力。 圖圖65中，擾動(dòng)中，擾動(dòng)F2(s)作用于副回路，在擾動(dòng)作用于副回路，在擾動(dòng)F2(s)作用下，副回作用下，副回 路的傳遞函數(shù)路的傳遞函數(shù) )()()()(1 )()( )( )( )( 2022 02 2 2 * 02 sWsWsWsW sWsW sF s

12、Y sW mv v X1(s) Z1(s) W1(s)W2(s)Wv(s)W02(s)W01(s) Wm1(s) Wm2(s) X2(s) F2(s) Y2(s)Y1(s) 為了便于分析問(wèn)題，將圖為了便于分析問(wèn)題，將圖65等效為圖等效為圖66的形式。的形式。 X1(s) Z1(s) W1(s)W2(s) F2(s) Wm1(s) W01(s) Y1(s) )( * 02 sW 在給定信號(hào)在給定信號(hào)X1(s)作用下的傳遞函數(shù)作用下的傳遞函數(shù) )()()()()(1 )()()()( )( )( 101 * 0221 01 * 0221 1 1 sWsWsWsWsW sWsWsWsW sX sY

13、m 在擾動(dòng)作用下的傳遞函數(shù)在擾動(dòng)作用下的傳遞函數(shù) )()()()()(1 )()( )( )( 101 * 0221 01 * 02 2 1 sWsWsWsWsW sWsW sF sY m 對(duì)于圖對(duì)于圖6-5所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，其抗擾動(dòng)的能力可用下式表示：所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，其抗擾動(dòng)的能力可用下式表示： )()( )( )( )( )( 21 2 1 1 1 sWsW sF sY sX sY 若串級(jí)控制系統(tǒng)中的主、副調(diào)節(jié)器均采用純比例作用，其比例放若串級(jí)控制系統(tǒng)中的主、副調(diào)節(jié)器均采用純比例作用，其比例放 大系數(shù)分別為大系數(shù)分別為K1、K2則式則式(68)可以寫成可以寫成 21 21 11 )(

14、)( )()( KK sFsY sXsY 串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)的乘積越大乘積越大，則串級(jí)控，則串級(jí)控 制系統(tǒng)制系統(tǒng)抗擾動(dòng)的能力就越強(qiáng)抗擾動(dòng)的能力就越強(qiáng)，因此主參數(shù)的控制質(zhì)量就越高。，因此主參數(shù)的控制質(zhì)量就越高。 下面用同樣方法來(lái)分折在相同條件下單回路控制系統(tǒng)約抗擾動(dòng)能力。下面用同樣方法來(lái)分折在相同條件下單回路控制系統(tǒng)約抗擾動(dòng)能力。 圖圖67所示為相同條件下的單回路控制系統(tǒng)方框。所示為相同條件下的單回路控制系統(tǒng)方框。 在給定信號(hào)在給定信號(hào)x(t)作用下的傳送函數(shù)為作用下的傳送函數(shù)為 )()()()()(1 )()()()( )( )( 010

15、2 0102 sWsWsWsWsW sWsWsWsW sX sY mv v X(s) Z(s) Wv(s)W02(s) W01(s) Wm(s) F2(s) Y(s) )( sW 在擾動(dòng)在擾動(dòng)f2(t)作用下的傳遞函數(shù)為作用下的傳遞函數(shù)為 )()()()()(1 )()()( )( )( 0102 0102 2 sWsWsWsWsW sWsWsW sF sY mv v 單回路控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力為單回路控制系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力為 )( )()( )()( 2 sW sFsY sXsY 設(shè)單回路控制系統(tǒng)采用比例調(diào)節(jié)器，其比例放大系數(shù)為設(shè)單回路控制系統(tǒng)采用比例調(diào)節(jié)器，其比例放大系數(shù)為K，則式，則式 （

16、6-12）可寫成為）可寫成為 2 )()( )()( K sFsY sXsY 同理，單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)越大，則系統(tǒng)抗擾同理，單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)越大，則系統(tǒng)抗擾 動(dòng)能力越強(qiáng)，質(zhì)量控制質(zhì)量越高。動(dòng)能力越強(qiáng)，質(zhì)量控制質(zhì)量越高。 比較式比較式(69)與式與式(613)，在一般情況下，有，在一般情況下，有 21 KKK 串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程為串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程為 0)()( )( )( )(1 101 2 2 1 sWsW sX sY sW m 假設(shè)假設(shè) 1111 01 01 01 )(;)(; 1)( )( mm KsWKsW sT K sW 副回路的傳遞函數(shù)同前

17、，將以上各傳遞函數(shù)代入式副回路的傳遞函數(shù)同前，將以上各傳遞函數(shù)代入式(6-15)可得可得 0 11 1 1 01 01 02 02 1 m K sT K sT K K 經(jīng)整理后為經(jīng)整理后為 0 1 0201 101 021 0201 02012 TT KKKK s TT TT s m 令令 0201 101 0212 0 0201 0201 0 1 2 TT KKKK TT TT m 則串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程式可寫成如下的標(biāo)準(zhǔn)形式則串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程式可寫成如下的標(biāo)準(zhǔn)形式 02 2 00 2 ss 式中：式中：串級(jí)控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)；串級(jí)控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)； 串級(jí)控制系統(tǒng)的自然頻率。串級(jí)控

18、制系統(tǒng)的自然頻率。 式式(618)的根為的根為 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 , 1 1 2 442 s 從反饋的控制理論可知，串級(jí)控制系統(tǒng)特征方程式從反饋的控制理論可知，串級(jí)控制系統(tǒng)特征方程式根的虛部根的虛部，即，即 為串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率為串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率 0201 0201 2 2 0 2 1 1 TT TT 串 單回路控制系統(tǒng)在相同條件下的工作頻率可用同樣的方法求得，單回路控制系統(tǒng)在相同條件下的工作頻率可用同樣的方法求得， 有式有式(6-10)可得單回路控制系統(tǒng)的特征方程式為可得單回路控制系統(tǒng)的特征方程式為 1 +W(s)WV(s)W02(s)W01(s)Wm(s)

19、= 0 將系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)代入上式，即得將系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)代入上式，即得 0 11 1 01 01 02 02 mv K sT K sT K KK 經(jīng)整理后，可得經(jīng)整理后，可得 0 1 0201 0102 0201 0201 2 TT KKKKK s TT TT s mv 令令 0201 0102 2 0 0201 0201 0 1 2 TT KKKKK TT TT mv 則單回路控制系統(tǒng)的特征方程式可寫成如下標(biāo)準(zhǔn)形式：則單回路控制系統(tǒng)的特征方程式可寫成如下標(biāo)準(zhǔn)形式： s2 + 20s +02 = 0 式中：式中：?jiǎn)位芈房刂葡到y(tǒng)的衰減系數(shù)；單回路控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)； 0單回路控制系統(tǒng)的

20、工作頻率。單回路控制系統(tǒng)的工作頻率。 同理可得該系統(tǒng)的工作頻率為同理可得該系統(tǒng)的工作頻率為 0201 0201 2 2 0 2 1 1 TT TT 單 如果串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)衰減系數(shù)相同，如果串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)衰減系數(shù)相同，即即=，則，則 02 01 02 01 0201 0201 0201 0201 1 1 T T T T TT TT TT TT 單 串 單串 02 01 02 01 T T T T 若以若以串 串/單單為縱坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)，(1+K2KVK02Km)為橫坐標(biāo)作圖，由為橫坐標(biāo)作圖，由 圖圖68可知，當(dāng)主、副過(guò)程的特性一定，即可知，當(dāng)主、副過(guò)程的特性一定，即

21、T01/T02比值一定時(shí)，比值一定時(shí)， 副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)K2越大，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率就越大，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率就 越高；當(dāng)副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)越高；當(dāng)副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)K2一定時(shí)，隨著一定時(shí)，隨著T01/T02比值比值 的增大，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率也隨之增大。的增大，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率也隨之增大。串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng) 工作頻率的提高，可以使振蕩周期縮短，從而改善了系統(tǒng)的控工作頻率的提高，可以使振蕩周期縮短，從而改善了系統(tǒng)的控 制質(zhì)量。制質(zhì)量。 串級(jí)控制系統(tǒng)擾動(dòng)作用于主回路時(shí)，系統(tǒng)的工作頻率仍然串級(jí)控制系統(tǒng)擾動(dòng)作用于主回路時(shí)，系統(tǒng)的工作頻率仍然

22、 可以堤高可以堤高。 1 2345678910 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 1.0 0.5 0.2 1+K2KvK02Km 串單 / T01/T02=10 4對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng)對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng) 串級(jí)控制系統(tǒng)，就其主回路來(lái)看是一個(gè)定值系統(tǒng)，副回路則為一串級(jí)控制系統(tǒng)，就其主回路來(lái)看是一個(gè)定值系統(tǒng)，副回路則為一 個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器能按照負(fù)荷和操作條件的變化不斷改變副主調(diào)節(jié)器能按照負(fù)荷和操作條件的變化不斷改變副 調(diào)節(jié)器的給定值，使副調(diào)節(jié)器的給定值適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變調(diào)節(jié)器的給定值，使副調(diào)節(jié)器的給定值適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變 化，即具有一定的自適應(yīng)能力。化，即具

23、有一定的自適應(yīng)能力。 串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路可以看作一個(gè)等效過(guò)程的一部分，其等效串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路可以看作一個(gè)等效過(guò)程的一部分，其等效 放大系數(shù)為放大系數(shù)為 2022 022 02 1 mv v KKKK KKK K 當(dāng)負(fù)荷和操作條件變化時(shí)，將會(huì)引起過(guò)程特性當(dāng)負(fù)荷和操作條件變化時(shí)，將會(huì)引起過(guò)程特性K02的變化。但是，的變化。但是， 在一般情況下，在一般情況下， K2KVK02Km21，因此從上式來(lái)看，因此從上式來(lái)看，K02的變化的變化 對(duì)于等效過(guò)程放大系數(shù)對(duì)于等效過(guò)程放大系數(shù)K02的影響是很小的。的影響是很小的。 與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)有許多特點(diǎn)，與單回路控制系統(tǒng)相比，串級(jí)控制系統(tǒng)

24、有許多特點(diǎn)， 但所用的儀表也多，整定參數(shù)也比較麻煩，因此系但所用的儀表也多，整定參數(shù)也比較麻煩，因此系 統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的主導(dǎo)思想主導(dǎo)思想：如果用單回路控制系統(tǒng)能夠：如果用單回路控制系統(tǒng)能夠 滿足要求，就不要用串級(jí)控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。另滿足要求，就不要用串級(jí)控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。另 外，串級(jí)控制系統(tǒng)在有的場(chǎng)合應(yīng)用效果顯著，而另外，串級(jí)控制系統(tǒng)在有的場(chǎng)合應(yīng)用效果顯著，而另 外一些場(chǎng)合效果不一定理想。外一些場(chǎng)合效果不一定理想。 下面列舉應(yīng)用串級(jí)控制系統(tǒng)的一些場(chǎng)合。下面列舉應(yīng)用串級(jí)控制系統(tǒng)的一些場(chǎng)合。 1應(yīng)用于應(yīng)用于容量滯后較大容量滯后較大的過(guò)程的過(guò)程 當(dāng)過(guò)程的容量滯后較大時(shí)，若采用單回路控制，則當(dāng)

25、過(guò)程的容量滯后較大時(shí)，若采用單回路控制，則系統(tǒng)系統(tǒng) 的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)、超調(diào)量大，控制質(zhì)量往往不能滿足生產(chǎn)，控制質(zhì)量往往不能滿足生產(chǎn) 要求，若采用串級(jí)控制系統(tǒng)，則根據(jù)對(duì)其特點(diǎn)的分析表明，要求，若采用串級(jí)控制系統(tǒng)，則根據(jù)對(duì)其特點(diǎn)的分析表明， 可以選擇一個(gè)可以選擇一個(gè)時(shí)延較小的副參數(shù)時(shí)延較小的副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)副回路，使等效，構(gòu)成一個(gè)副回路，使等效 過(guò)程的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作頻率，加快反應(yīng)速過(guò)程的時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作頻率，加快反應(yīng)速 度，得到較好的控制質(zhì)量。度，得到較好的控制質(zhì)量。 一個(gè)夾套式聚合釜，氯乙稀在釜中進(jìn)行聚合反應(yīng)，一個(gè)夾套式聚合釜，氯乙稀在釜中

26、進(jìn)行聚合反應(yīng)， 生產(chǎn)聚氯乙稀并放出熱量。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求反應(yīng)生產(chǎn)聚氯乙稀并放出熱量。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求反應(yīng) 溫度控制溫度控制510.3，為此采用調(diào)節(jié)夾套中流動(dòng)的冷卻水量，為此采用調(diào)節(jié)夾套中流動(dòng)的冷卻水量 來(lái)控制反應(yīng)溫度。來(lái)控制反應(yīng)溫度。 T2TT2C T1TT1C 氯乙烯氯乙烯 水水 冷卻水冷卻水 出料出料 為了改善過(guò)程特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，選擇夾套溫度為為了改善過(guò)程特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，選擇夾套溫度為 副參數(shù)，構(gòu)成以溫度為主參數(shù)，夾套水為副參數(shù)的串級(jí)控制副參數(shù)，構(gòu)成以溫度為主參數(shù)，夾套水為副參數(shù)的串級(jí)控制 系統(tǒng)。系統(tǒng)。 T2C T2T T1C T1T 紙漿紙漿 水水 蒸汽蒸

27、汽 混合器混合器 立篩立篩圓篩圓篩 銅網(wǎng)銅網(wǎng) 網(wǎng)前箱網(wǎng)前箱 紙漿用泵從貯槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至紙漿用泵從貯槽送至混合器，在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至72左左 右，經(jīng)過(guò)立篩、圓篩除去雜質(zhì)后到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。工右，經(jīng)過(guò)立篩、圓篩除去雜質(zhì)后到網(wǎng)前箱，再經(jīng)銅網(wǎng)脫水。工 藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在藝要求網(wǎng)前箱溫度保持在61左右，允許偏差不得超左右，允許偏差不得超1。 用單回路控制系統(tǒng)，由于從混合器到網(wǎng)前箱純時(shí)延達(dá)用單回路控制系統(tǒng)，由于從混合器到網(wǎng)前箱純時(shí)延達(dá)90s。為了克。為了克 服這個(gè)服這個(gè)90s的純時(shí)延，選擇的純時(shí)延，選擇混合器出口溫度為副參數(shù)混合器出口溫度為副參數(shù)，網(wǎng)前箱出口網(wǎng)前箱出口

28、溫度為主參數(shù)溫度為主參數(shù)，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，由副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主擾動(dòng)的控，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，由副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主擾動(dòng)的控 制。這時(shí)，當(dāng)紙漿流量波動(dòng)制。這時(shí)，當(dāng)紙漿流量波動(dòng)35kg/min時(shí)，最大偏差沒(méi)有超過(guò)時(shí)，最大偏差沒(méi)有超過(guò)1， 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間為200s，完全滿足工藝要求。，完全滿足工藝要求。 化纖廠紡絲膠液壓力控制，它的工藝流程簡(jiǎn)圖如圖化纖廠紡絲膠液壓力控制，它的工藝流程簡(jiǎn)圖如圖611所示。所示。 由于膠液粘度較大，從計(jì)量泵至過(guò)濾器前的距離很長(zhǎng)，純時(shí)延由于膠液粘度較大，從計(jì)量泵至過(guò)濾器前的距離很長(zhǎng)，純時(shí)延 時(shí)間按長(zhǎng)，單回路控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求。為了提高控制時(shí)間按長(zhǎng)，單回路控制系統(tǒng)不

29、能滿足工藝要求。為了提高控制 質(zhì)量，可以在計(jì)量泵與換熱器之間靠近計(jì)量泵出口的某個(gè)地方，質(zhì)量，可以在計(jì)量泵與換熱器之間靠近計(jì)量泵出口的某個(gè)地方， 選擇一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)作為副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)壓力與壓力的串級(jí)控制選擇一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)作為副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)壓力與壓力的串級(jí)控制 系統(tǒng)。如圖系統(tǒng)。如圖611所示。所示。從而穩(wěn)定了過(guò)濾前的膠液壓力，以滿足從而穩(wěn)定了過(guò)濾前的膠液壓力，以滿足 工業(yè)要求。工業(yè)要求。 P2C P2T P1C P1T 計(jì)量泵計(jì)量泵 膠液膠液 水水 冷卻器冷卻器 冷卻水冷卻水 過(guò)濾過(guò)濾 冶金生產(chǎn)過(guò)程中沸騰焙燒爐的爐溫控制也常用串級(jí)控制系統(tǒng)。冶金生產(chǎn)過(guò)程中沸騰焙燒爐的爐溫控制也常用串級(jí)控制系統(tǒng)。 圖圖6

30、12是現(xiàn)場(chǎng)使用的鋅精礦沸騰焙燒過(guò)程。要求排料口溫度保是現(xiàn)場(chǎng)使用的鋅精礦沸騰焙燒過(guò)程。要求排料口溫度保 持在一定范圍。持在一定范圍。 改變加料量來(lái)控制焙燒溫度。改變加料量來(lái)控制焙燒溫度。 GT TC TT GC 圓盤給料機(jī)圓盤給料機(jī) 電動(dòng)執(zhí)行器電動(dòng)執(zhí)行器 皮帶皮帶 電子秤電子秤 傳感器傳感器 沸騰爐沸騰爐 排料口排料口 串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的校正能力。串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的校正能力。 將變化激烈而且幅度大的擾動(dòng)包括在副回路中。將變化激烈而且幅度大的擾動(dòng)包括在副回路中。 某廠精餾塔塔釜溫度控制。當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)某廠精餾塔塔釜溫度控制。

31、當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié) 器的比例放大系數(shù)為器的比例放大系數(shù)為1.31.3，最大偏差為，最大偏差為1010，不能滿足工藝要求。，不能滿足工藝要求。 當(dāng)采用圖當(dāng)采用圖6 61313所示的串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，副調(diào)節(jié)器的比例放所示的串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，副調(diào)節(jié)器的比例放 大系數(shù)為大系數(shù)為5 5。因?yàn)楦被芈返淖饔?，?duì)于。因?yàn)楦被芈返淖饔?，?duì)于40%40%的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的克服 能力，最大偏差沒(méi)有超過(guò)能力，最大偏差沒(méi)有超過(guò)1.51.5，滿足了工藝要求。，滿足了工藝要求。 TTTC FC FT 精餾塔精餾塔 進(jìn)料進(jìn)料 塔釜產(chǎn)品塔釜產(chǎn)品 再沸器再沸器 給定給定 蒸汽蒸汽 在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩

32、個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一介在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要利用同一介 質(zhì)進(jìn)行控制。對(duì)于這樣的過(guò)程可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)。分清互質(zhì)進(jìn)行控制。對(duì)于這樣的過(guò)程可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)。分清互 相關(guān)聯(lián)參數(shù)的主次，組成串級(jí)控制，以滿足工藝上的要求。相關(guān)聯(lián)參數(shù)的主次，組成串級(jí)控制，以滿足工藝上的要求。 煉油廠常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度的控制煉油廠常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度的控制 ，兩者均通過(guò)，兩者均通過(guò) 塔頂?shù)幕亓髁块_(kāi)控制。塔頂?shù)幕亓髁块_(kāi)控制。 若采用單回路控制系統(tǒng)，則不能滿足工藝要求。為此，可采用若采用單回路控制系統(tǒng)，則不能滿足工藝要求。為此，可采用 串級(jí)控制系統(tǒng)。如圖串級(jí)控制系統(tǒng)。如圖6

33、15所示。實(shí)踐證明，采用串級(jí)控制系統(tǒng)，所示。實(shí)踐證明，采用串級(jí)控制系統(tǒng)， 塔頂溫度最大偏差不超過(guò)塔頂溫度最大偏差不超過(guò)1，一線溫度最大偏差為，一線溫度最大偏差為1.3， 滿足了生產(chǎn)要求。滿足了生產(chǎn)要求。 T2T T2CT1C 常壓塔常壓塔 塔頂產(chǎn)品塔頂產(chǎn)品 “氣關(guān)氣關(guān)” 回流回流 抽提抽提 塔塔 T1T 在過(guò)程控制中，過(guò)程特性一般都是非線性的。在過(guò)程控制中，過(guò)程特性一般都是非線性的。如果采用串級(jí)如果采用串級(jí) 控制系統(tǒng)，它能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化，自動(dòng)調(diào)整副調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)，它能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化，自動(dòng)調(diào)整副調(diào)節(jié)器 的給定值，從而改變調(diào)節(jié)閥的位置，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)。的給定值，從而改變

34、調(diào)節(jié)閥的位置，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)。 當(dāng)然，這樣會(huì)使副回路的衰減率有所變化，但是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)當(dāng)然，這樣會(huì)使副回路的衰減率有所變化，但是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn) 定性影響是很小的。定性影響是很小的。 醋酸裝置的乙炔合成反應(yīng)器，其中部溫度是生產(chǎn)過(guò)程中的重醋酸裝置的乙炔合成反應(yīng)器，其中部溫度是生產(chǎn)過(guò)程中的重 要參數(shù)，為了保證合成氣質(zhì)量，工藝要求對(duì)它進(jìn)行嚴(yán)格控制。如要參數(shù)，為了保證合成氣質(zhì)量，工藝要求對(duì)它進(jìn)行嚴(yán)格控制。如 圖圖6-16所示。所示。 實(shí)踐證明，系統(tǒng)的衰減率基本保持不變，主參數(shù)保持平穩(wěn)，達(dá)到實(shí)踐證明，系統(tǒng)的衰減率基本保持不變，主參數(shù)保持平穩(wěn)，達(dá)到 生產(chǎn)工藝要求。生產(chǎn)工藝要求。 副參數(shù)副參數(shù) 副調(diào)

35、節(jié)器輸出副調(diào)節(jié)器輸出 T1C T2T 反應(yīng)氣體反應(yīng)氣體 合成反應(yīng)器合成反應(yīng)器 T1TT2C 換熱器換熱器 醋酸和乙醋酸和乙 炔混合氣炔混合氣 串級(jí)控制系統(tǒng)由主回路和副回路組成。主回路是一個(gè)定值控制系串級(jí)控制系統(tǒng)由主回路和副回路組成。主回路是一個(gè)定值控制系 統(tǒng)。對(duì)于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，基本上可以按照單回路統(tǒng)。對(duì)于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，基本上可以按照單回路 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行性能密控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)行性能密 切相關(guān)并可直接測(cè)量的工藝參數(shù)，均可選作主參數(shù)。切相關(guān)并可直接測(cè)量的工藝參數(shù)，均可選作主參數(shù)。 (1)副參數(shù)的選擇：副

36、參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，時(shí)延副參數(shù)的選擇：副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，時(shí)延 小，控制通道短，這樣可使等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)大大減小，從而小，控制通道短，這樣可使等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)大大減小，從而 加快系統(tǒng)的工作頻率，提高響應(yīng)速度，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，改善加快系統(tǒng)的工作頻率，提高響應(yīng)速度，縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，改善 系統(tǒng)的控制品質(zhì)。系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 (2)副回路必須包括生產(chǎn)過(guò)程中變化劇烈、頻繁而且幅度大的主要副回路必須包括生產(chǎn)過(guò)程中變化劇烈、頻繁而且幅度大的主要 擾動(dòng)，并盡可能多地包括一些擾動(dòng)。副回路的范圍大小，取決于擾動(dòng)，并盡可能多地包括一些擾動(dòng)。副回路的范圍大小，取決于 整個(gè)過(guò)程的特性

37、及各種擾動(dòng)影響的情況，一般應(yīng)使回路的頻率比整個(gè)過(guò)程的特性及各種擾動(dòng)影響的情況，一般應(yīng)使回路的頻率比 主回路高得多。主回路高得多。 (3)應(yīng)使主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配應(yīng)使主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)適當(dāng)匹配 在前面分析串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率，即：在前面分析串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率，即： 0201 0201 2 2 1 TT TT 串 用同樣方法可得單回路控制系統(tǒng)的工作頻率為用同樣方法可得單回路控制系統(tǒng)的工作頻率為 0201 0201 2 2 1 TT TT 單 如通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定使串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相如通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定使串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相 同的衰減系數(shù)，即同的衰減系數(shù)

38、，即 ，則串級(jí)系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)之間的工作頻，則串級(jí)系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)之間的工作頻 率關(guān)系為率關(guān)系為 02 01 02 01 2022 0201 0120220201 1 )1 (1 T T T T KKKK TT TKKKKTT mv mv 單 串 根據(jù)上式，可作出根據(jù)上式，可作出串 串/單單與 與T01/T02的關(guān)系曲線如圖的關(guān)系曲線如圖6-17所示。所示。 0246810 2 4 6 8 10 單串 101 2022 0201 mv KKKK TT 副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)比主過(guò)程小副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)比主過(guò)程小 很多時(shí)，副回路反應(yīng)靈敏，控很多時(shí)，副回路反應(yīng)靈敏，控 制作用快，但此時(shí)副回路包含制作用快，

39、但此時(shí)副回路包含 的擾動(dòng)少，對(duì)于過(guò)程特性的改的擾動(dòng)少，對(duì)于過(guò)程特性的改 善也少；相反，副過(guò)程的時(shí)間善也少；相反，副過(guò)程的時(shí)間 常數(shù)大于或接近于主過(guò)程的時(shí)常數(shù)大于或接近于主過(guò)程的時(shí) 間常數(shù)時(shí)，副回路對(duì)于改善過(guò)間常數(shù)時(shí)，副回路對(duì)于改善過(guò) 程特性的效果顯著，但是，副程特性的效果顯著，但是，副 回路的反應(yīng)遲鈍，不能及時(shí)有回路的反應(yīng)遲鈍，不能及時(shí)有 效地克服擾動(dòng)，并將影響主參效地克服擾動(dòng)，并將影響主參 數(shù)。主副過(guò)程時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)數(shù)。主副過(guò)程時(shí)間常數(shù)之比應(yīng) 在在3到到10范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 (4)副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的合理性副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的合理性 設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)考慮和滿足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)

40、置的系統(tǒng)是設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)考慮和滿足生產(chǎn)工藝要求，所設(shè)置的系統(tǒng)是 否會(huì)影響到工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行。否會(huì)影響到工藝系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 (5)副回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性原則副回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性原則 對(duì)控制參數(shù)的選擇，大致與單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則相同。一般對(duì)控制參數(shù)的選擇，大致與單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則相同。一般 可考慮：可考慮： (1)選擇可控性良好的參數(shù)作為控制參數(shù)。選擇可控性良好的參數(shù)作為控制參數(shù)。 (2)所選擇的控制參數(shù)必須使控制通道有足夠大的放大系數(shù)，并應(yīng)保所選擇的控制參數(shù)必須使控制通道有足夠大的放大系數(shù)，并應(yīng)保 證大于主要擾動(dòng)通道的放大系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要擾功進(jìn)行有效控制證大于主

41、要擾動(dòng)通道的放大系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要擾功進(jìn)行有效控制 并提高控制質(zhì)量。并提高控制質(zhì)量。 (3)所選控制參數(shù)必須使控制通道有較高的靈敏度，即時(shí)間常數(shù)適當(dāng)所選控制參數(shù)必須使控制通道有較高的靈敏度，即時(shí)間常數(shù)適當(dāng) 小一些。小一些。 (4)選擇控制參數(shù)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性與工藝上的合理性。選擇控制參數(shù)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性與工藝上的合理性。 主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍很小，一般主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍很小，一般 要求無(wú)余差，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選要求無(wú)余差，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或或PID控制規(guī)律?？刂埔?guī)律。 副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以允許在一副參數(shù)的設(shè)置是為了保證

42、主參數(shù)的控制質(zhì)量，可以允許在一 定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律就控制規(guī)律就 所以了。所以了。 首先根據(jù)工藝生產(chǎn)安全等原則選擇調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形首先根據(jù)工藝生產(chǎn)安全等原則選擇調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形 式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正、式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正、 反作用方式；最后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主調(diào)節(jié)器的反作用方式；最后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主調(diào)節(jié)器的 正、反作用方式。正、反作用方式。 主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。例主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。

43、例P196圖圖62 在整定串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，首先必須明確主、副回路的在整定串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，首先必須明確主、副回路的 作用，以及主、副參數(shù)的控制要求，然后通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，作用，以及主、副參數(shù)的控制要求，然后通過(guò)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定， 才能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。才能使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。 整定單回路系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，是根據(jù)系統(tǒng)特征方程中過(guò)程的動(dòng)整定單回路系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，是根據(jù)系統(tǒng)特征方程中過(guò)程的動(dòng) 態(tài)特性態(tài)特性W0(s)來(lái)確定調(diào)節(jié)器的比例度來(lái)確定調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間、積分時(shí)間T1和微分時(shí)間和微分時(shí)間TD 數(shù)值的。數(shù)值的。 X1(s) Z1(s) W1(s) X2(s) W2(

44、s)W02(s)W01(s) Wm2(s) Wm1(s) Z2(s) Y1(s) Y2(s) 圖圖618所示，串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程式為所示，串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程式為 0)()( )()()(1 )()( )(1 101 2022 022 1 sWsW sWsWsW sWsW sW m m 整定時(shí)，可將串級(jí)系統(tǒng)化為等效的單回路系統(tǒng)，把式整定時(shí)，可將串級(jí)系統(tǒng)化為等效的單回路系統(tǒng)，把式(6-30)看作單看作單 回路系統(tǒng)的特征方程式。在整定主調(diào)節(jié)器回路系統(tǒng)的特征方程式。在整定主調(diào)節(jié)器W1(s)時(shí)，上式可表示為時(shí)，上式可表示為 0)()(1 011 sWsW 式中式中 )()()(1 )()()()

45、( )( 2022 101022 01 sWsWsW sWsWsWsW sW m m 式式(6-31)可看成是由主調(diào)節(jié)器可看成是由主調(diào)節(jié)器W1(s)與等效過(guò)程與等效過(guò)程W01(s)所組成的單回所組成的單回 路控制系統(tǒng)。所以，路控制系統(tǒng)。所以，W1(s)的比例度的比例度、積分時(shí)間、積分時(shí)間T1和微分時(shí)間和微分時(shí)間TD的的 數(shù)值，可以根據(jù)等效過(guò)程特性數(shù)值，可以根據(jù)等效過(guò)程特性W01(s)，按單回路控制系統(tǒng)的整定方，按單回路控制系統(tǒng)的整定方 法來(lái)確定。不過(guò)，在等效過(guò)程法來(lái)確定。不過(guò)，在等效過(guò)程W01(s)中，包括副調(diào)節(jié)器中，包括副調(diào)節(jié)器W2(s)。 同理，在整定副調(diào)節(jié)器同理，在整定副調(diào)節(jié)器W2(s)

46、時(shí)，圖時(shí)，圖6-18所示系統(tǒng)的特征方程式為所示系統(tǒng)的特征方程式為 0)()()()()()()(1 1020112022 sWsWsWsWsWsWsW mm 或或 0)()(1 022 sWsW 式中式中 )()()()()()()( 202011202 02 sWsWsWsWsWsWsW mm 在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有：在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有： 下面詳細(xì)介紹一步整定法下面詳細(xì)介紹一步整定法 所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然 后按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。后按單回

47、路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 一步整定法的理論根據(jù)是：串級(jí)控制系統(tǒng)可以等價(jià)為單回路一步整定法的理論根據(jù)是：串級(jí)控制系統(tǒng)可以等價(jià)為單回路 反饋控制系統(tǒng)，其等效調(diào)節(jié)器總的放大系數(shù)反饋控制系統(tǒng)，其等效調(diào)節(jié)器總的放大系數(shù)KC為主調(diào)節(jié)器放大系為主調(diào)節(jié)器放大系 數(shù)數(shù)K1與副回路等效放大系數(shù)與副回路等效放大系數(shù)K02的乘積，即的乘積，即 021K KK C 對(duì)于主、副調(diào)節(jié)器均為純比例作用時(shí)的串級(jí)控制系統(tǒng)，只要滿足對(duì)于主、副調(diào)節(jié)器均為純比例作用時(shí)的串級(jí)控制系統(tǒng)，只要滿足 下式即可：下式即可： 021sC KKKK 式中：式中： Ks產(chǎn)生產(chǎn)生4：1衰減過(guò)程時(shí)的比例放大系數(shù)。衰減過(guò)程時(shí)的比例放大系

48、數(shù)。 這就是說(shuō)，串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，在一定范圍可這就是說(shuō)，串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)，在一定范圍可 以任意匹配，只要主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)以任意匹配，只要主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1與副回路的放大系數(shù)與副回路的放大系數(shù)K02的的 乘積滿足式乘積滿足式(6-35)，系統(tǒng)就能產(chǎn)生，系統(tǒng)就能產(chǎn)生4：1的衰減振蕩過(guò)程，即的衰減振蕩過(guò)程，即K1的減的減 小可以由增大小可以由增大K02來(lái)補(bǔ)償。來(lái)補(bǔ)償。 K02與與K2的關(guān)系可以由圖的關(guān)系可以由圖6-18串級(jí)控制系統(tǒng)框圖得出。出圖中可見(jiàn)串級(jí)控制系統(tǒng)框圖得出。出圖中可見(jiàn) )()()(1 )()( )( )( 2022 022 2 2 sWsWsW s

49、WsW sX sY m 設(shè)設(shè) 22 02 02 0222 )(, 1 )(,)( mm KsW sT K sWKsW 則式則式(6-36)可寫成可寫成 22 02 02 02 02 2 2 2 1 1 1 )( )( m KK sT K sT K K sX sY sT K s KKK T KKK KK m m 02 02 2022 02 2202 202 1 1 1 1 1 若若 Km2=1，則，則 022 022 02 1KK KK K 這就是副回路等效放大系數(shù)這就是副回路等效放大系數(shù)K02與副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)與副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2之間的關(guān)之間的關(guān) 系式。系式。 把把K02作為變參量，根據(jù)式作

50、為變參量，根據(jù)式(6-37)，可畫出如圖，可畫出如圖6-19所示曲線。所示曲線。 00.20.4 0.6 0.81.0 2 4 6 K02=0.1 0.20.5 1 5 K2 K02 在在0K2K020.5范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，K2與與K02成線性關(guān)系，即成線性關(guān)系，即 k值隨值隨K02值的大小而異。而值的大小而異。而K2由關(guān)系式由關(guān)系式0K2K02T2時(shí)，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為微分特性；時(shí)，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為微分特性； 當(dāng)當(dāng)T1T2時(shí)，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為的時(shí)延特性，也稱為反微分特性時(shí)，其傳遞函數(shù)表現(xiàn)為的時(shí)延特性，也稱為反微分特性(如如 圖圖6-28所示所示)。 有時(shí)間因子，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償有時(shí)間因子，可以實(shí)

51、現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，裝置復(fù)雜。，裝置復(fù)雜。 x(t) 0 t X0(t) T1T2 T1T2 Kpx0 t y(t) (3) KF(T1s+1)/(T2s+1)e-rs型前饋調(diào)節(jié)器：型前饋調(diào)節(jié)器： 這也是一種動(dòng)態(tài)前饋模型。這種前饋模型的特性，實(shí)際上是比例特這也是一種動(dòng)態(tài)前饋模型。這種前饋模型的特性，實(shí)際上是比例特 性、動(dòng)態(tài)微分特性與純時(shí)延特性的串聯(lián)，其響應(yīng)曲線如圖性、動(dòng)態(tài)微分特性與純時(shí)延特性的串聯(lián)，其響應(yīng)曲線如圖6-30所示所示 x(t) 0 x0(t) t y(t) KRX0 t 0 T1T2 T1T2 下面來(lái)討論純時(shí)延項(xiàng)下面來(lái)討論純時(shí)延項(xiàng)e-rs的實(shí)施方案。的實(shí)施方案。e-rs可用下述近似公式來(lái)表

52、示：可用下述近似公式來(lái)表示： 2 2 122 1 122 1 ss ss e s 由于工業(yè)過(guò)程具有低通濾波性質(zhì)，可以略去高次項(xiàng)，取一階來(lái)近似，由于工業(yè)過(guò)程具有低通濾波性質(zhì)，可以略去高次項(xiàng)，取一階來(lái)近似， 所以取所以取 1 2 1 2 2 1 2 1 ss s e s 令令 T 2 ，則，則 1 1 2 Ts e s x(s) 1 1 2 1 sT sT KF 1 1 TS Y(s) 圖圖6-31為為“KF(T1s+1)/(T2s+1) e-rs”前饋模型實(shí)施方框圖。圖中虛線前饋模型實(shí)施方框圖。圖中虛線 框的部分即用來(lái)實(shí)現(xiàn)框的部分即用來(lái)實(shí)現(xiàn)“e-rs”型特性的。型特性的。 將式將式(649)進(jìn)行

53、離散化即可得適用于計(jì)算機(jī)控制的離散控制算式。進(jìn)行離散化即可得適用于計(jì)算機(jī)控制的離散控制算式。 這種前饋控制算式在有些生產(chǎn)過(guò)程這種前饋控制算式在有些生產(chǎn)過(guò)程(如化工如化工)自動(dòng)化中應(yīng)用較廣。自動(dòng)化中應(yīng)用較廣。 設(shè)設(shè)F(t)與與uf(t)分別為前饋調(diào)節(jié)器的輸入和輸出，則將式分別為前饋調(diào)節(jié)器的輸入和輸出，則將式(6-49)用微分用微分 方程表示為方程表示為 )( )( )( )( 12 tF dt tdF TKtu dt tdu T Ff f （6-52） 當(dāng)采樣周期當(dāng)采樣周期Ts足夠短時(shí)，對(duì)微分方程的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用如下近似差分來(lái)代足夠短時(shí)，對(duì)微分方程的導(dǎo)數(shù)項(xiàng)用如下近似差分來(lái)代 替，即替，即 s ff K

54、Tt f s ff KTt f T dkFdkF dt tdF T kuKu dt tdu s s )()1()( )() 1()( （6-53） （6-54） 將式將式(6-53)、(6-54)代入式代入式(6-52)，即得，即得 )( )()1( )( )() 1( 1 2 f s ff F f s ff dkF T dkFdkF TK ku T kuku T 經(jīng)整理可得前饋控制差分算式為經(jīng)整理可得前饋控制差分算式為 )()1()() 1( 12ffff dkFadkFHkuaku （6-55） 式中：式中： .1;1; 1 1 2 2 2 1 T T a T T a T T KH ss

55、F 建立離散前饋控制算式除上述方法外，還可根據(jù)被控參數(shù)的不變性建立離散前饋控制算式除上述方法外，還可根據(jù)被控參數(shù)的不變性 原則由過(guò)程擾動(dòng)通道和控制通道的離散算式，綜合求得。原則由過(guò)程擾動(dòng)通道和控制通道的離散算式，綜合求得。 (1)當(dāng)系統(tǒng)中存在著頻率高、幅值大、可測(cè)而不可控的擾動(dòng)時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)中存在著頻率高、幅值大、可測(cè)而不可控的擾動(dòng)時(shí)， 反饋控制難以克服擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的顯著影響，而工藝生產(chǎn)對(duì)反饋控制難以克服擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的顯著影響，而工藝生產(chǎn)對(duì) 被控參數(shù)的要求又十分嚴(yán)格，為了改善和提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，被控參數(shù)的要求又十分嚴(yán)格，為了改善和提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量， 可以引入前饋控制?？梢砸肭梆伩刂?。 (

56、2)當(dāng)控制系統(tǒng)控制通道時(shí)延較大、反饋控制又不能得到良好的當(dāng)控制系統(tǒng)控制通道時(shí)延較大、反饋控制又不能得到良好的 控制效果時(shí)，可以選用前潰控制?？刂菩Ч麜r(shí)，可以選用前潰控制。 3)經(jīng)濟(jì)性原則。通常動(dòng)態(tài)前饋的投資高于靜態(tài)前饋，所以，若經(jīng)濟(jì)性原則。通常動(dòng)態(tài)前饋的投資高于靜態(tài)前饋，所以，若 靜態(tài)前饋能達(dá)到工藝要求時(shí)，即選用靜態(tài)前饋。靜態(tài)前饋能達(dá)到工藝要求時(shí)，即選用靜態(tài)前饋。 前饋控制方案設(shè)計(jì)包括確定前饋控制規(guī)律，系統(tǒng)穩(wěn)定性及其他。前饋控制方案設(shè)計(jì)包括確定前饋控制規(guī)律，系統(tǒng)穩(wěn)定性及其他。 (1)確定前饋控制規(guī)律確定前饋控制規(guī)律 當(dāng)求得過(guò)程的數(shù)學(xué)模型后，可通過(guò)分析過(guò)程擾動(dòng)通道和控制通道當(dāng)求得過(guò)程的數(shù)學(xué)模型后

57、，可通過(guò)分析過(guò)程擾動(dòng)通道和控制通道 數(shù)學(xué)模型的特性參數(shù)，即數(shù)學(xué)模型的特性參數(shù)，即T0與與Tf的大小和純時(shí)延時(shí)間的大小和純時(shí)延時(shí)間0與與f來(lái)合來(lái)合 理選擇。理選擇。 當(dāng)當(dāng)T0Tf時(shí)，可采用動(dòng)態(tài)前饋時(shí)，可采用動(dòng)態(tài)前饋反饋控制來(lái)改善控制品質(zhì)。反饋控制來(lái)改善控制品質(zhì)。 當(dāng)當(dāng)f0時(shí)，則前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)修改為式時(shí)，則前饋調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)修改為式 (6-56)。 但當(dāng)?shù)?dāng)0f時(shí)，則前饋調(diào)節(jié)器有純超前環(huán)節(jié)時(shí)，則前饋調(diào)節(jié)器有純超前環(huán)節(jié)eeffs，這是做不到的。因，這是做不到的。因 此，不能采用前饋補(bǔ)償。此，不能采用前饋補(bǔ)償。 (2)前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性：對(duì)任一過(guò)程控制系統(tǒng)，能正常運(yùn)行的必前饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)

58、定性：對(duì)任一過(guò)程控制系統(tǒng)，能正常運(yùn)行的必 要條件是系統(tǒng)必須穩(wěn)定。要條件是系統(tǒng)必須穩(wěn)定。 (3)其他：在設(shè)計(jì)一個(gè)完整工藝設(shè)備的自動(dòng)控制方案時(shí)，必須考慮物其他：在設(shè)計(jì)一個(gè)完整工藝設(shè)備的自動(dòng)控制方案時(shí)，必須考慮物 料、能量平衡兩個(gè)重要關(guān)系。有的是直接根據(jù)物料平衡或能量平衡料、能量平衡兩個(gè)重要關(guān)系。有的是直接根據(jù)物料平衡或能量平衡 關(guān)系，來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制方案；有的是同時(shí)利用上述兩種關(guān)系關(guān)系，來(lái)設(shè)計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制方案；有的是同時(shí)利用上述兩種關(guān)系 來(lái)設(shè)計(jì)控制方案的。對(duì)此要視具體過(guò)程而定來(lái)設(shè)計(jì)控制方案的。對(duì)此要視具體過(guò)程而定 。 在控制方案設(shè)計(jì)中，控制方案設(shè)計(jì)的一般程序?yàn)椋涸诳刂品桨冈O(shè)計(jì)中，控制方案設(shè)計(jì)

59、的一般程序?yàn)椋?在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，必須先熟悉生產(chǎn)工藝過(guò)程，充分了解工藝對(duì)在設(shè)計(jì)控制方案時(shí)，必須先熟悉生產(chǎn)工藝過(guò)程，充分了解工藝對(duì) 自動(dòng)化設(shè)計(jì)的要求；要熟悉現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備，以便能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出自動(dòng)化設(shè)計(jì)的要求；要熟悉現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備，以便能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和提出 問(wèn)題；必須深入了解生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種影響因素。問(wèn)題；必須深入了解生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各種影響因素。 要對(duì)已有的自動(dòng)化方案認(rèn)真地進(jìn)行調(diào)查研究、分析比較，據(jù)此提要對(duì)已有的自動(dòng)化方案認(rèn)真地進(jìn)行調(diào)查研究、分析比較，據(jù)此提 出新的設(shè)計(jì)方案。出新的設(shè)計(jì)方案。 求取過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。求取過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。 進(jìn)行仿真與模似試驗(yàn)。進(jìn)行仿真與模似試驗(yàn)。 提出改進(jìn)后的正式設(shè)計(jì)方

60、案。提出改進(jìn)后的正式設(shè)計(jì)方案。 現(xiàn)場(chǎng)安裝、試車?，F(xiàn)場(chǎng)安裝、試車。 在前饋在前饋反饋控制系統(tǒng)中，由于有反饋控制來(lái)保證被控量最終等于反饋控制系統(tǒng)中，由于有反饋控制來(lái)保證被控量最終等于 給定值，因此可以降低對(duì)前饋控制的要求，使前饋調(diào)節(jié)器可以選擇給定值，因此可以降低對(duì)前饋控制的要求，使前饋調(diào)節(jié)器可以選擇 比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式和動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)，由于采用前饋控制來(lái)抵銷比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式和動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)，由于采用前饋控制來(lái)抵銷 某些主要擾動(dòng)，使被控參數(shù)不致出現(xiàn)過(guò)大的動(dòng)態(tài)偏差，所以反饋控某些主要擾動(dòng)，使被控參數(shù)不致出現(xiàn)過(guò)大的動(dòng)態(tài)偏差，所以反饋控 制可以以較慢動(dòng)作進(jìn)行。制可以以較慢動(dòng)作進(jìn)行。 對(duì)于具體的整定方法，