第5章 復(fù)雜控制系統(tǒng)zhm

1、常見的復(fù)雜控制系有：常見的復(fù)雜控制系有：串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng) 、前饋控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng)、前饋控制系統(tǒng)、均勻控制系統(tǒng) 、比值控制系統(tǒng)比值控制系統(tǒng) 、分程控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng) 、選擇控制系統(tǒng)、選擇控制系統(tǒng)、大滯后補(bǔ)償、多沖量控制系統(tǒng)、多變量解耦控制大滯后補(bǔ)償、多沖量控制系統(tǒng)、多變量解耦控制隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對(duì)提高隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量，對(duì)提高 生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求，這使工生產(chǎn)效率、降耗節(jié)能以及環(huán)境保護(hù)提出了更高的要求，這使工 業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格、對(duì)工藝參數(shù)要求更加苛業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)

2、格、對(duì)工藝參數(shù)要求更加苛 刻，從而對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能要求更高；刻，從而對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能要求更高； 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿足要求，故簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿足要求，故需在單回路的基礎(chǔ)上，采取其需在單回路的基礎(chǔ)上，采取其 它措施，組成比單回路系統(tǒng)它措施，組成比單回路系統(tǒng)“復(fù)雜復(fù)雜”一些的控制系統(tǒng)，在各自一些的控制系統(tǒng)，在各自特特 定的條件下，采用復(fù)雜控制系統(tǒng)對(duì)提高控制品質(zhì)，擴(kuò)大自動(dòng)化定的條件下，采用復(fù)雜控制系統(tǒng)對(duì)提高控制品質(zhì)，擴(kuò)大自動(dòng)化 應(yīng)用范圍，起著關(guān)鍵性的作用。作粗略估計(jì)，通常復(fù)雜控制系應(yīng)用范圍，起著關(guān)鍵性的作用。作粗略估計(jì)，通常復(fù)雜控制系 統(tǒng)約占全部控制系統(tǒng)數(shù)的統(tǒng)約占全部控制系統(tǒng)數(shù)的10%1

3、0%左右。左右。復(fù)雜控制系統(tǒng)：克服單回路系統(tǒng)的局限性。復(fù)雜控制系統(tǒng)：克服單回路系統(tǒng)的局限性。重點(diǎn)：重點(diǎn)： 內(nèi)容、組成、特點(diǎn)、工作過(guò)程、工程設(shè)計(jì)原則內(nèi)容、組成、特點(diǎn)、工作過(guò)程、工程設(shè)計(jì)原則; ; 原理推導(dǎo)原理推導(dǎo)自動(dòng)控制；自動(dòng)控制； 變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器-與單回路控制系統(tǒng)相近與單回路控制系統(tǒng)相近串級(jí)：串級(jí)： 按照結(jié)構(gòu)命名的，一個(gè)控制器的輸出作為下一個(gè)按照結(jié)構(gòu)命名的，一個(gè)控制器的輸出作為下一個(gè) 控制器的輸入系統(tǒng)，兩個(gè)控制器相串聯(lián)，叫做?？刂破鞯妮斎胂到y(tǒng)，兩個(gè)控制器相串聯(lián)，叫做。 如圖所示：如圖所示：5.15.1串級(jí)控制系統(tǒng)（雙閉環(huán)）串級(jí)控制系統(tǒng)（雙閉環(huán)）串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖串

4、級(jí)控制系統(tǒng)方框圖5.1.15.1.1串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1 1、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu) 以加熱爐為例以加熱爐為例( (煉油廠煉油廠) )介質(zhì)受熱升溫或氣化時(shí)其溫度介質(zhì)受熱升溫或氣化時(shí)其溫度會(huì)直接影響后一工序的操作工會(huì)直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)爐溫多高況和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)爐溫多高會(huì)使物料在爐內(nèi)分解會(huì)使物料在爐內(nèi)分解, ,甚至結(jié)甚至結(jié)焦而燒壞爐管，故必嚴(yán)加控制焦而燒壞爐管，故必嚴(yán)加控制爐出口爐出口T T被控變量：爐出口溫度被控變量：爐出口溫度操縱變量：燃料量操縱變量：燃料量影響爐出口溫度的因素（干擾）有：影響爐出口溫度的因素（干擾）有：1)1)被加熱物料（原料油）的流量、初始溫度、組

5、分（被加熱物料（原料油）的流量、初始溫度、組分（f f1 1）；）；2)2)燃料熱值（或成分）變化、壓力波動(dòng)等（燃料熱值（或成分）變化、壓力波動(dòng)等（f f2 2）；）；3)3)煙囪擋板位置改變，抽力變化（煙囪擋板位置改變，抽力變化（f f3 3）。）?？刂茽t出口溫度控制爐出口溫度f(wàn) f1 1f f2 2f f3 控制爐出口溫度控制爐出口溫度 （單回路）（單回路）所有對(duì)被控參數(shù)的所有對(duì)被控參數(shù)的擾動(dòng)都包含在這個(gè)擾動(dòng)都包含在這個(gè)回路中，理論上都回路中，理論上都可由溫度調(diào)節(jié)器予可由溫度調(diào)節(jié)器予以克服。但加熱爐以克服。但加熱爐爐管等熱容較大，爐管等熱容較大，即控制通道的時(shí)間即控制通道的時(shí)間常數(shù)和容量滯

6、后較常數(shù)和容量滯后較大，反應(yīng)緩慢，控大，反應(yīng)緩慢，控制系統(tǒng)不能及時(shí)產(chǎn)制系統(tǒng)不能及時(shí)產(chǎn)生控制作用，克服生控制作用，克服f對(duì)對(duì)y=T的影響，控的影響，控制質(zhì)量差。當(dāng)生產(chǎn)制質(zhì)量差。當(dāng)生產(chǎn)工藝對(duì)出口溫度要工藝對(duì)出口溫度要求很嚴(yán)格時(shí)，該簡(jiǎn)求很嚴(yán)格時(shí)，該簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)不能滿單控制系統(tǒng)不能滿足要求。足要求。方案一：出口溫度控制方案方案一：出口溫度控制方案t控制通道控制通道大，約大，約15min,且且t控制通道控制通道t干擾通道干擾通道f f1 1f f2 2f f3 特點(diǎn)：特點(diǎn)：控制通道容積滯后減少控制通道容積滯后減少（約（約3min3min），故能及時(shí)有），故能及時(shí)有效地克服效地克服f f2 2(t), f

7、(t), f3 3( t)( t)但但T T2 2畢竟不能真正代表畢竟不能真正代表T T1 1即便即便T T2 2恒定，恒定，Q Q原料油原料油、T T原料原料油油的變化仍會(huì)影的變化仍會(huì)影T T1 1f f1 1(t)(t)未包括在系統(tǒng)內(nèi)未包括在系統(tǒng)內(nèi)不能克服擾動(dòng)不能克服擾動(dòng)f f1 1(t)(t)對(duì)對(duì)T1T1的影響的影響, ,控制效果仍然控制效果仍然不能達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。不能達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。方案二：爐膛溫度控制方案方案二：爐膛溫度控制方案f f1 1f f2 2f f3 3y1=T1爐膛溫度為間接控制量爐膛溫度為間接控制量方案三：串級(jí)控制方案方案三：串級(jí)控制方案主被控參數(shù)主被控參數(shù)( (簡(jiǎn)

8、稱主參數(shù)簡(jiǎn)稱主參數(shù))=)=爐出口溫度爐出口溫度 副被控參數(shù)副被控參數(shù)( (簡(jiǎn)稱副參數(shù)簡(jiǎn)稱副參數(shù))=)=爐膛溫度爐膛溫度 特點(diǎn)：特點(diǎn)： f f2 2 (t) , f (t) , f3 3 (t (t）主要由副回）主要由副回 路來(lái)克服；路來(lái)克服；f f1 1(t)(t) 由主回路來(lái)消除由主回路來(lái)消除 該系統(tǒng)的方框圖表示如下：該系統(tǒng)的方框圖表示如下：f f1 1f f2 2f f3 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如下：串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如下：主被控參數(shù)：又主變量，在串級(jí)系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控參數(shù)主被控參數(shù)：又主變量，在串級(jí)系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控參數(shù)( (爐出口溫度爐出口溫度) )；副被控參數(shù)：又副變量，串級(jí)系統(tǒng)

9、中，為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引進(jìn)的中間輔助參副被控參數(shù)：又副變量，串級(jí)系統(tǒng)中，為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引進(jìn)的中間輔助參 數(shù)數(shù)( (爐膛溫度爐膛溫度) )主被控過(guò)程：又主對(duì)象，由主被控變量表征其特征的生產(chǎn)設(shè)備，其輸入是副變量主被控過(guò)程：又主對(duì)象，由主被控變量表征其特征的生產(chǎn)設(shè)備，其輸入是副變量副被控過(guò)程：即副對(duì)象，為副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設(shè)備副被控過(guò)程：即副對(duì)象，為副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設(shè)備主控制器：按主變量的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器。其輸出為主控制器：按主變量的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器。其輸出為 副調(diào)節(jié)器的給定值；副調(diào)節(jié)器的給定值；副控制器：按副變量的測(cè)量值與給定值的偏

10、差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器。其輸出直副控制器：按副變量的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器。其輸出直 接控制調(diào)節(jié)閥工作接控制調(diào)節(jié)閥工作主回路：由主副調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥，主副被控過(guò)程，主測(cè)量變送器組成的閉合回路主回路：由主副調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)閥，主副被控過(guò)程，主測(cè)量變送器組成的閉合回路副回路：由副調(diào)節(jié)器，副被控過(guò)程和副測(cè)量變送器組成的閉合回路副回路：由副調(diào)節(jié)器，副被控過(guò)程和副測(cè)量變送器組成的閉合回路一次擾動(dòng)：不包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)一次擾動(dòng)：不包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)f1(t)f1(t)二次擾動(dòng)：副回路內(nèi)的擾動(dòng)二次擾動(dòng)：副回路內(nèi)的擾動(dòng)f2(t)f2(t)和和f3(t)f3(t)2.2.術(shù)語(yǔ)解釋術(shù)語(yǔ)解釋（1 1）二次擾

11、動(dòng)（副回路）：燃料壓力、熱值變化）二次擾動(dòng)（副回路）：燃料壓力、熱值變化f f2 2(t)(t)和抽力變化和抽力變化f f3 3(t) (t) 3.工作過(guò)程分析：工作過(guò)程分析：穩(wěn)態(tài)時(shí)：穩(wěn)態(tài)時(shí)：f f2 2和和f f3 3先影響爐膛溫度，于是副調(diào)節(jié)器立即發(fā)出校正信號(hào)，控制先影響爐膛溫度，于是副調(diào)節(jié)器立即發(fā)出校正信號(hào)，控制調(diào)節(jié)閥的開度，改變?nèi)剂狭浚朔鲜鰯_動(dòng)對(duì)爐膛溫度的影響。調(diào)節(jié)閥的開度，改變?nèi)剂狭?，克服上述擾動(dòng)對(duì)爐膛溫度的影響。若擾動(dòng)量不大，經(jīng)過(guò)副回路的及時(shí)控制，一般不影響爐出口溫度若擾動(dòng)量不大，經(jīng)過(guò)副回路的及時(shí)控制，一般不影響爐出口溫度若擾動(dòng)的幅值較大，雖然經(jīng)過(guò)副回路的及時(shí)校正，仍影響爐出口

12、若擾動(dòng)的幅值較大，雖然經(jīng)過(guò)副回路的及時(shí)校正，仍影響爐出口 溫度，此時(shí)再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而完全克服上述擾動(dòng)，溫度，此時(shí)再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而完全克服上述擾動(dòng)， 使?fàn)t出口溫度調(diào)回到給定值上來(lái)。使?fàn)t出口溫度調(diào)回到給定值上來(lái)。 有擾動(dòng)時(shí)：有擾動(dòng)時(shí)：f1(t) f1(t) 、 f2(t) f2(t) 、f3(t)f3(t)均不變，調(diào)節(jié)閥開度不變，均不變，調(diào)節(jié)閥開度不變，爐膛出口溫度處于相對(duì)平衡狀態(tài)，爐膛出口溫度處于相對(duì)平衡狀態(tài)，y1=y1=給定給定副回路控制通道環(huán)節(jié)少，時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏副回路控制通道環(huán)節(jié)少，時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏當(dāng)當(dāng)f f進(jìn)入副回路時(shí)進(jìn)入副回路時(shí)串級(jí)可獲得比單回路更快的控制作

13、用，提高控制質(zhì)量串級(jí)可獲得比單回路更快的控制作用，提高控制質(zhì)量當(dāng)當(dāng)f f1 1使?fàn)t出口溫度變化時(shí)，由使?fàn)t出口溫度變化時(shí)，由TCTC1 1改變改變TCTC2 2的給定值的給定值x2x2，由，由TCTC2 2輸輸出改變閥開度，進(jìn)而改變出改變閥開度，進(jìn)而改變T T2 2，以矯正，以矯正T T1 1的變化使其回到的變化使其回到x1x1上。上。串級(jí)控制系統(tǒng)中：串級(jí)控制系統(tǒng)中：f f作用主回路，由于副回路的存在，加快了作用主回路，由于副回路的存在，加快了 校正作用，可及時(shí)改變校正作用，可及時(shí)改變T T2 2數(shù)值，使數(shù)值，使f f對(duì)對(duì)T1T1的的影影 響比單回路系統(tǒng)時(shí)要小很多響比單回路系統(tǒng)時(shí)要小很多（2 2

14、）一次擾動(dòng)：）一次擾動(dòng)： 來(lái)自原料油的流量和初溫來(lái)自原料油的流量和初溫f1(t)f1(t)在在f f作用下，主、副參數(shù)變化方向相同即：同時(shí)增大作用下，主、副參數(shù)變化方向相同即：同時(shí)增大( (或同時(shí)減少或同時(shí)減少) ) 若若T1T1、T2T2，則，則TC1TC1使使x2x2由于由于T1T1而減少，即而減少，即TC2TC2的設(shè)定值的設(shè)定值，又又T2T2 e2 e2 更大，更大，TC2TC2輸出大為輸出大為，閥開度關(guān)得更小，大幅度減少燃料供給，直到，閥開度關(guān)得更小，大幅度減少燃料供給，直到 T1=X1 T1=X1為止。因主、副調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的，即為止。因主、副調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向

15、是一致的，即大幅度大幅度關(guān)小關(guān)小( ( 或開大或開大) )閥門，加強(qiáng)控制作用，加快了控制過(guò)程。閥門，加強(qiáng)控制作用，加快了控制過(guò)程。在在f f作用下，主、副參數(shù)變化方向相反即：一個(gè)增大一個(gè)減少作用下，主、副參數(shù)變化方向相反即：一個(gè)增大一個(gè)減少 若若T1 T1 、T2T2，TTTT1 1 其輸出增大其輸出增大x2 ;x2 ;同時(shí)同時(shí)TTTT2 2若兩者增加量恰好相若兩者增加量恰好相 等，則等，則TC2TC2的輸入的輸入e1e1不變，不變，TC2TC2輸出不變，閥不需動(dòng)作；若兩者增加量雖不相等，輸出不變，閥不需動(dòng)作；若兩者增加量雖不相等， 由于能相互抵消一部分，由于能相互抵消一部分，e2e2變化較小

16、，變化較小，TC2TC2的輸出變化幅度也較小，閥開度只要的輸出變化幅度也較小，閥開度只要 做較小的改變，即可校正做較小的改變，即可校正T1T1的偏差，使之回到的偏差，使之回到x1.x1.顯然主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥顯然主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥 的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開度的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開度只作較小變動(dòng)即只作較小變動(dòng)即滿足控制要求。滿足控制要求。（3 3）一二次擾動(dòng)同時(shí)存在）一二次擾動(dòng)同時(shí)存在假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣開式假設(shè)調(diào)節(jié)閥為氣開式主主/副調(diào)節(jié)器均反作用副調(diào)節(jié)器均反作用串級(jí)系統(tǒng)：引入副回路不僅能迅速克服副回路的串級(jí)系統(tǒng)：引入副回路不僅能迅速克服副回路的f也能加速克服主回路的也能加速克服主回路的

17、f。 副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)副回路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn),對(duì)對(duì) 于副回路沒有完全克服掉的于副回路沒有完全克服掉的f影響能徹底加以消除。影響能徹底加以消除。 主副回路互相配合、互相補(bǔ)充，是控制質(zhì)量顯著提高主副回路互相配合、互相補(bǔ)充，是控制質(zhì)量顯著提高5.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的性能分析串級(jí)控制系統(tǒng)的性能分析串級(jí)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖串級(jí)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖單回路控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖單回路控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖二者相比二者相比: :串級(jí)系統(tǒng)中的副回路代替了單回路系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥串級(jí)系統(tǒng)中的副回路代替了單回路系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥Gv(

18、s)Gv(s)和一部分對(duì)和一部分對(duì)象象G Gp2p2(s),(s),若將整個(gè)副回路看成一個(gè)等效對(duì)象，其傳函用若將整個(gè)副回路看成一個(gè)等效對(duì)象，其傳函用GGp2p2(s)(s)表示表示( )( )( )222pY sGsR s輸出對(duì)于輸入的傳遞函數(shù)：輸出對(duì)于輸入的傳遞函數(shù)：( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )122111122112221ccVppccVppmcVpmGs Gs G s Gs GsY SR SGs Gs G s Gs Gs GsGs G s Gs Gs（ ）（ ）)()()()(1)()()()()()(22222222sGsG

19、sGsGsGsGsGsRsYsGmpvcpvcP 設(shè)副回路的傳遞函數(shù)：設(shè)副回路的傳遞函數(shù)：1 1、改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性、改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性副回路的傳遞函數(shù)：副回路的傳遞函數(shù)：( ),( ),( ),( )22222211ppvvmmccpKGsG sK GsKGsKT s假定：假定：K K p2 p2 ：等效被控過(guò)程放大系數(shù)：等效被控過(guò)程放大系數(shù)T T p2 p2 ：等效被控過(guò)程時(shí)間常數(shù)：等效被控過(guò)程時(shí)間常數(shù))()()()(1)()()()()()(22222222sGsGsGsGsGsGsGsRsYsGmpvcpvcP ( )22222222222222222221111111pc

20、vpcvpcvpmPPppPcvmpcvpmKK K KK KT sK K KKKGsKTT sK KKsT sK K KK則：則：其中：其中：2222221mpvcpvcPKKKKKKKK 222221mpvcpPKKKKTT ()222222222111pPpcvpmcvpmTTTK K KKK K KK通常情況下，副對(duì)象是單容或雙容對(duì)象，故通常情況下，副對(duì)象是單容或雙容對(duì)象，故Kc2Kc2可取得很大，隨可取得很大，隨 著著Kc2Kc2的增大的增大, ,等效等效Tp2Tp2就可以減到很小，從而加快了副回路的就可以減到很小，從而加快了副回路的 響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作效率。響應(yīng)速度，提高了

21、系統(tǒng)的工作效率。 同時(shí)，使同時(shí)，使 若匹配得好，可使若匹配得好，可使 G Go2o2(s) (s) 1. 對(duì)主控制器來(lái)說(shuō)，等效被控過(guò)程只有副回路之外對(duì)主控制器來(lái)說(shuō)，等效被控過(guò)程只有副回路之外 的環(huán)節(jié)，控制通道容積滯后減小，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，控制的環(huán)節(jié)，控制通道容積滯后減小，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，控制 更為及時(shí)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。更為及時(shí)，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。22222211cvpPcvpmK K KKK K KK上式表明：上式表明：副回路的存在，起到改善動(dòng)態(tài)特性的作用，等效時(shí)間常數(shù)副回路的存在，起到改善動(dòng)態(tài)特性的作用，等效時(shí)間常數(shù) 縮小了（縮小了（1 1Kc2KvK02K

22、m2Kc2KvK02Km2）倍；）倍；設(shè)雙容對(duì)象的設(shè)雙容對(duì)象的單單回路控制系統(tǒng)如下圖所示：回路控制系統(tǒng)如下圖所示：其特征方程式為：其特征方程式為：0)1()(2121221 KKKSTTSTTcpppp2 2、提高了系統(tǒng)的工作頻率、提高了系統(tǒng)的工作頻率1212121211211 ppppDTTTT,21212111121212cPPPPPPK K KTTT TT T 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，振蕩頻率為：時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，振蕩頻率為：設(shè)雙容對(duì)象的串級(jí)控制系統(tǒng)如下圖所示：設(shè)雙容對(duì)象的串級(jí)控制系統(tǒng)如下圖所示：主回路特征方程為：主回路特征方程為：0)()()()(11121 sGsGsGsGmppc0

23、111111221 mPPPPcKsTKsTKK則：則：01s12121121212 PPmPPcPPPPTTKKKKsTTTT整整理理得得：12121122121n1,2PPmPPcnPPPPTTKKKKTTTT 令令： 衰減系數(shù)衰減系數(shù)n n 自然頻率自然頻率022n2 nss 則則：1-2442-s2n222n2 , 1 nnn特征根：特征根：串級(jí)控制系統(tǒng)的工作串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率（振蕩頻率）為：頻率（振蕩頻率）為： 112222211ppTTTTppnC 通過(guò)控制器參數(shù)整定，使通過(guò)控制器參數(shù)整定，使 （相同衰減率）則（相同衰減率）則 ：1212111ppppDCTTTT 即：串級(jí)控制

24、系統(tǒng)工作頻率即：串級(jí)控制系統(tǒng)工作頻率大于大于單級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率單級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率DCPpPpTTTT 2121/3 ( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )2112122112221ppccVppmcVpmGs GsY SF SGs Gs G s Gs Gs GsGs G s Gs Gs（ ）（ ）來(lái)來(lái)表表示示）（）（）（）（用用若若克克服服二二次次擾擾動(dòng)動(dòng)的的能能力力SFSYSRSYsQ2111/)( 越大越好越大越好）（）（）（）（則則 SFSYSRSYsQ2111/)(二次擾動(dòng)作用于副回路，分析擾動(dòng)二次擾動(dòng)作用于副回路，分析擾動(dòng)F F2 2(s)(

25、s)的作用：的作用：3 3、增強(qiáng)了克服二次擾動(dòng)的能力、增強(qiáng)了克服二次擾動(dòng)的能力系統(tǒng)的控制性能越好；系統(tǒng)的控制性能越好；當(dāng)它在給定信號(hào)作用下，其輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的變化當(dāng)它在給定信號(hào)作用下，其輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的變化系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)；系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)；其控制作用能迅速克服擾動(dòng)的影響其控制作用能迅速克服擾動(dòng)的影響( )( )( )( )121101Y sF sY sR 力大大增強(qiáng)力大大增強(qiáng)串級(jí)比單回路抗干擾能串級(jí)比單回路抗干擾能顯然：顯然：cccKKK21串級(jí)控制系統(tǒng)抗干擾能力：串級(jí)控制系統(tǒng)抗干擾能力：）（）（）（sGsGsGsQvccC212)( 同理：?jiǎn)位芈房刂瓶垢蓴_能力同理：?jiǎn)位芈房?/p>

26、制抗干擾能力 )()(/)(22sGsGsFsYsRsYsQvcD ）（）（）（）（二者的抗擾能力之比：二者的抗擾能力之比：）（）（）（sGsGsGsQsQcccDC2122)()( 若串級(jí)與單回路控制系統(tǒng)均采用比例調(diào)節(jié)器，則：若串級(jí)與單回路控制系統(tǒng)均采用比例調(diào)節(jié)器，則：cccDCKKKsQsQ2122)()( )()()()()()()()()()(1)()()(222112211221sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGSFSYmpVcmppVccppV ）（）（( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )12211112211

27、2221ccVppccVppmcVpmGs Gs G s Gs GsY SR SGs Gs G s Gs Gs GsGs G s Gs Gs（ ）（ ）可知：cccKKK21實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：串級(jí)控制系統(tǒng)克服二次干擾的能力大于單回路控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：串級(jí)控制系統(tǒng)克服二次干擾的能力大于單回路控制系統(tǒng) （約（約1010100100倍）。倍）。 串級(jí)控制系統(tǒng)克服一次干擾的能力也比單回路控制系串級(jí)控制系統(tǒng)克服一次干擾的能力也比單回路控制系 統(tǒng)強(qiáng)。統(tǒng)強(qiáng)。1)1)當(dāng)二次擾動(dòng)進(jìn)入副環(huán)，首先影響副參數(shù)，如影響爐膛溫度變化，當(dāng)二次擾動(dòng)進(jìn)入副環(huán)，首先影響副參數(shù)，如影響爐膛溫度變化， 于是副調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作，力圖削弱干擾對(duì)于

28、是副調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作，力圖削弱干擾對(duì)y2y2的影響。的影響。2)2)干擾經(jīng)過(guò)副回路的抑制后再進(jìn)入主回路，對(duì)干擾經(jīng)過(guò)副回路的抑制后再進(jìn)入主回路，對(duì)y1y1的影響將有較大的的影響將有較大的 減弱。減弱。3)3)主副兩個(gè)調(diào)節(jié)器的比例增益（主副兩個(gè)調(diào)節(jié)器的比例增益（Kc1Kc1、Kc2Kc2）大，抗干擾能力強(qiáng)。）大，抗干擾能力強(qiáng)。4)4)當(dāng)變化劇烈或幅值較大的擾動(dòng)作用于系統(tǒng)時(shí)，可以采用串級(jí)系當(dāng)變化劇烈或幅值較大的擾動(dòng)作用于系統(tǒng)時(shí)，可以采用串級(jí)系 統(tǒng)，不過(guò)要把這些擾動(dòng)都納入副回路。統(tǒng)，不過(guò)要把這些擾動(dòng)都納入副回路。4 4對(duì)負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力對(duì)負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力 （系統(tǒng)的（系統(tǒng)的“魯棒性魯棒

29、性”增強(qiáng)）增強(qiáng)） 魯棒性：魯棒性：Robust 控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)對(duì)對(duì)象的特性變化的敏感程度控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)對(duì)對(duì)象的特性變化的敏感程度. 系統(tǒng)品質(zhì)對(duì)對(duì)象特性變化越不敏感，則系統(tǒng)魯棒性越好系統(tǒng)品質(zhì)對(duì)對(duì)象特性變化越不敏感，則系統(tǒng)魯棒性越好由于系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性存在使得系統(tǒng)的特性會(huì)發(fā)生變化，從而由于系統(tǒng)的非線性和時(shí)變性存在使得系統(tǒng)的特性會(huì)發(fā)生變化，從而使系統(tǒng)整定好的參數(shù)不再是最優(yōu)的，系統(tǒng)性能就會(huì)變差。使系統(tǒng)整定好的參數(shù)不再是最優(yōu)的，系統(tǒng)性能就會(huì)變差。串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，它對(duì)副對(duì)象（包括調(diào)節(jié)閥）的特串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，它對(duì)副對(duì)象（包括調(diào)節(jié)閥）的特性變化不敏感，從這意義上說(shuō)，它也

30、具有一定得魯棒性。性變化不敏感，從這意義上說(shuō)，它也具有一定得魯棒性。下圖是串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路：下圖是串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路：對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行分析對(duì)上述結(jié)論進(jìn)行分析( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )222222221cvppcvpmGs Gs GsYsGsRsGs Gs Gs Gs( )/(),( ),( )( )22222221pppccvvmmGsKTsGsKGsKGsK設(shè)：設(shè)：2222221cvppcvpmKK KKKK KK當(dāng)當(dāng)2cK整定的足夠大整定的足夠大 使使1222 mpvcKKKK則則,22210ppmKTK( )( )22211pmmGsGsK約為副變送

31、器傳遞函數(shù)的倒數(shù)約為副變送器傳遞函數(shù)的倒數(shù)等效副回路的特性取決于測(cè)量環(huán)節(jié)的特性，而與副回路的等效副回路的特性取決于測(cè)量環(huán)節(jié)的特性，而與副回路的和和 的非線性無(wú)關(guān)的非線性無(wú)關(guān)副回路的副回路的Kv、Kp2的非線性的非線性/時(shí)變性對(duì)主回路的影響較小時(shí)變性對(duì)主回路的影響較小)(),(2sGsGvc)(2sGp222221ppcvpmTTK K KK( )2221pppKGsTs得得: :串級(jí)系統(tǒng)具有串級(jí)系統(tǒng)具有自動(dòng)自動(dòng)克服副對(duì)象和調(diào)節(jié)閥特性的非線性特性對(duì)控制克服副對(duì)象和調(diào)節(jié)閥特性的非線性特性對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響，在操作條件和負(fù)荷變化時(shí)，不改變控制器整定參系統(tǒng)性能的影響，在操作條件和負(fù)荷變化時(shí)，不改變控

32、制器整定參數(shù)，系統(tǒng)仍能保持或接近原有的控制質(zhì)量，具有魯棒性。數(shù)，系統(tǒng)仍能保持或接近原有的控制質(zhì)量，具有魯棒性。 串級(jí)系統(tǒng)能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化，具有一定的適應(yīng)能力串級(jí)系統(tǒng)能適應(yīng)負(fù)荷和操作條件的變化，具有一定的適應(yīng)能力注意：注意： 主回路對(duì)副對(duì)象及調(diào)節(jié)閥的特性變化具有魯棒性，但副回主回路對(duì)副對(duì)象及調(diào)節(jié)閥的特性變化具有魯棒性，但副回 路本身沒有這個(gè)特性。副對(duì)象或控制閥特性的變化依然會(huì)路本身沒有這個(gè)特性。副對(duì)象或控制閥特性的變化依然會(huì) 較敏感地影響副回路的穩(wěn)定性。較敏感地影響副回路的穩(wěn)定性。 主回路對(duì)副回路反饋通道特性變化沒有魯棒性主回路對(duì)副回路反饋通道特性變化沒有魯棒性 舉例說(shuō)明：舉例說(shuō)明：例

33、：在一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥為氣開，口徑為例：在一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥為氣開，口徑為20mm20mm，后來(lái)改，后來(lái)改 為氣關(guān)閥，口徑為氣關(guān)閥，口徑32mm32mm，問(wèn)：，問(wèn)： 主、副控制正反作用是否要變？為什么？主、副控制正反作用是否要變？為什么？副控制器的比例度和積分時(shí)間是否要變？變大還是變小？副控制器的比例度和積分時(shí)間是否要變？變大還是變??？ 為什么？為什么？主控制器的比例度和積分時(shí)間是否要變？變大還是變??？主控制器的比例度和積分時(shí)間是否要變？變大還是變??？ 為什么？為什么？自己分析：若主自己分析：若主/ /副測(cè)量變送環(huán)節(jié)的量程改變后，主副測(cè)量變送環(huán)節(jié)的量程改變后，主/ /副控制器正

34、副控制器正 反作用及控制器參數(shù)的是否要改變？如何變？反作用及控制器參數(shù)的是否要改變？如何變？ P P117117作業(yè)作業(yè)5-35-3、5-45-4、5-15-綜上所述：綜上所述：可將串級(jí)控制系統(tǒng)具有較好控制性能的原因歸納為：可將串級(jí)控制系統(tǒng)具有較好控制性能的原因歸納為：1 1、改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能；、改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能； T Tp2p2TTp2 p2 （加快副回路的響應(yīng)速度）（加快副回路的響應(yīng)速度） 若匹配得好可使若匹配得好可使 ，對(duì)主控制器而言，等效，對(duì)主控制器而言，等效 的被控過(guò)程只有除副回路之外的環(huán)節(jié)，控制通道容積滯后減小，加快了的被控過(guò)程只有除副回路之外的環(huán)節(jié)，控制通道容積滯

35、后減小，加快了 系統(tǒng)的相應(yīng)速度，控制更及時(shí)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)系統(tǒng)的相應(yīng)速度，控制更及時(shí)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì) 2 2、提高了系統(tǒng)的工作頻率；、提高了系統(tǒng)的工作頻率； 使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間減小，控制品質(zhì)大為改善使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間減小，控制品質(zhì)大為改善3 3、對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的克服能力；、對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的克服能力；4 4、對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化具有一定的自適應(yīng)能力、對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化具有一定的自適應(yīng)能力（魯棒性增強(qiáng)）（魯棒性增強(qiáng)）22222211cvpPcvpmK K KKK K KKCD12cccK KK( )( )22211pmmGsGsK5.1.35.1.3串級(jí)控制系

36、統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 15 5串級(jí)控制系統(tǒng)的性能在前面已經(jīng)詳細(xì)闡述，設(shè)計(jì)時(shí)就要充分發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)的性能在前面已經(jīng)詳細(xì)闡述，設(shè)計(jì)時(shí)就要充分發(fā)揮這些優(yōu)點(diǎn)，串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就十分重要，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，不但這些這些優(yōu)點(diǎn)，串級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就十分重要，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，不但這些優(yōu)點(diǎn)不能充分發(fā)揮，甚至還可能影響系統(tǒng)的正常工作。優(yōu)點(diǎn)不能充分發(fā)揮，甚至還可能影響系統(tǒng)的正常工作。串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提：串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提： 單回路不能滿足要求；單回路不能滿足要求； 能找到一個(gè)中間參數(shù)作為副變量；能找到一個(gè)中間參數(shù)作為副變量； 調(diào)節(jié)閥的變化能影響這個(gè)中間參數(shù)（調(diào)節(jié)閥的變化能影響這個(gè)中間參數(shù)（主副共用一個(gè)閥）；主副

37、共用一個(gè)閥）； 副回路的輸出必須能影響主對(duì)象副回路的輸出必須能影響主對(duì)象串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)；串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)；對(duì)于主變量的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，可以按照單回路控制對(duì)于主變量的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，可以按照單回路控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行；串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì) 以及主、副回路關(guān)系的考慮。以及主、副回路關(guān)系的考慮。1.1.主變量的選擇：主變量的選擇：同單回路被控量的選擇相同同單回路被控量的選擇相同2.2.副回路的設(shè)計(jì)：副回路的設(shè)計(jì)：設(shè)置副環(huán)的目的：提高主被控變量的

38、控制品質(zhì)設(shè)置副環(huán)的目的：提高主被控變量的控制品質(zhì)副回路設(shè)計(jì)是串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題副回路設(shè)計(jì)是串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個(gè)單回路，問(wèn)題的實(shí)質(zhì)在于如何從結(jié)構(gòu)上看，副回路也是一個(gè)單回路，問(wèn)題的實(shí)質(zhì)在于如何從整個(gè)對(duì)象中選取一部分作為副對(duì)象，然后組成一個(gè)副控制從整個(gè)對(duì)象中選取一部分作為副對(duì)象，然后組成一個(gè)副控制回路，這也可以歸納為如何選擇副變量（副參數(shù)）?；芈罚@也可以歸納為如何選擇副變量（副參數(shù)）。副變量的選擇一般遵守以下原則：副變量的選擇一般遵守以下原則：（1 1）主、副變量（）主、副變量（y1y1、y2y2）有對(duì)應(yīng)關(guān)系）有對(duì)應(yīng)關(guān)系（2 2）y2y2的選擇必須使

39、副回路包括變化劇烈的主要干擾的選擇必須使副回路包括變化劇烈的主要干擾 并盡可能多包含一些干擾并盡可能多包含一些干擾主變量主變量y1y1確定后，所選副變量確定后，所選副變量y2y2應(yīng)與應(yīng)與y1y1有一定的內(nèi)在聯(lián)系，有一定的內(nèi)在聯(lián)系，y2y2的的 變化應(yīng)反應(yīng)變化應(yīng)反應(yīng)y1y1的變化趨勢(shì)、并在很大程度上影響的變化趨勢(shì)、并在很大程度上影響y1y1；副變量的選擇應(yīng)是物理上可測(cè)的副變量的選擇應(yīng)是物理上可測(cè)的; ;副回路的控制通道盡可能短，時(shí)間常數(shù)不能太大，時(shí)間滯后小副回路的控制通道盡可能短，時(shí)間常數(shù)不能太大，時(shí)間滯后小 以便使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)顯著大大減小，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻以便使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)顯著

40、大大減小，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻 率，加快控制過(guò)程反應(yīng)速度，縮短控制時(shí)間，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)；率，加快控制過(guò)程反應(yīng)速度，縮短控制時(shí)間，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)；串級(jí)系統(tǒng)對(duì)二次干擾有較強(qiáng)的克服能力，設(shè)計(jì)時(shí)，副變量的選擇一定要串級(jí)系統(tǒng)對(duì)二次干擾有較強(qiáng)的克服能力，設(shè)計(jì)時(shí)，副變量的選擇一定要把主要干擾包含在副回路中，并力求包含較多的把主要干擾包含在副回路中，并力求包含較多的f f。但不是包含越多越好，。但不是包含越多越好，因因f f多則控制通道時(shí)間常數(shù)必然增大響應(yīng)就變慢，勢(shì)必使副參數(shù)的位置靠多則控制通道時(shí)間常數(shù)必然增大響應(yīng)就變慢，勢(shì)必使副參數(shù)的位置靠近主參數(shù)，反而使副回路克服近主參數(shù)，反而使副回路克服f f的靈敏

41、度下降。的靈敏度下降。極端情況，副回路包含所有干擾，主控制器就失去作用，也就不成為串級(jí)系統(tǒng)了極端情況，副回路包含所有干擾，主控制器就失去作用，也就不成為串級(jí)系統(tǒng)了在要求副回路控制通道短、反應(yīng)快與盡可能包含一些干擾這兩者之間存在要求副回路控制通道短、反應(yīng)快與盡可能包含一些干擾這兩者之間存在著矛盾，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加以協(xié)調(diào)在著矛盾，在設(shè)計(jì)中應(yīng)加以協(xié)調(diào)Tp1、Tp2 不能太接近，通常是不能太接近，通常是Tp20Kv0） 工藝安全角度考慮工藝安全角度考慮( (防爆炸防爆炸) )+ Km20+ + 閥開度增大，爐膛溫度升高，故：閥開度增大，爐膛溫度升高，故：K K02020+ + 負(fù)反饋負(fù)反饋 則則K Kc2

42、c20 0 反作用調(diào)節(jié)器反作用調(diào)節(jié)器主控制器正反作用的選擇：主控制器正反作用的選擇：3 3種種 方法一：方法一：當(dāng)當(dāng)y1y1、y2y2增增/ /減，由工藝分析，為使二減，由工藝分析，為使二者減者減/ /增，要求增，要求閥的動(dòng)作方向一致閥的動(dòng)作方向一致則則主控制器選擇主控制器選擇反反作用，反之選正作用作用，反之選正作用完全由工藝情況確定完全由工藝情況確定 與閥和副控制器的正反作用無(wú)關(guān)與閥和副控制器的正反作用無(wú)關(guān)方法二：方法二： 副控制器正反作用選擇同單回路，而主控制器類似單回路副控制器正反作用選擇同單回路，而主控制器類似單回路副環(huán)作用方向副環(huán)作用方向總是正總是正的的 主測(cè)量環(huán)節(jié)為正作用主測(cè)量環(huán)節(jié)

43、為正作用主控制器正反作用取決于主對(duì)象，主控制器正反作用取決于主對(duì)象， 而與閥的正反作用形式無(wú)關(guān)，即：保證而與閥的正反作用形式無(wú)關(guān)，即：保證K Kc1c1K Kp1p100方法三：方法三： 副環(huán)作用方向總是正的，故主回路等效一個(gè)單回路副環(huán)作用方向總是正的，故主回路等效一個(gè)單回路 主、副控制器正反作用選擇同單回路（構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)）主、副控制器正反作用選擇同單回路（構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)）串級(jí)控制系統(tǒng)中，兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥串級(jí)控制系統(tǒng)中，兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥主副調(diào)節(jié)器有聯(lián)系，相互關(guān)聯(lián)。主副調(diào)節(jié)器有聯(lián)系，相互關(guān)聯(lián)。主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定亦是相互關(guān)聯(lián)的，需要相互協(xié)調(diào)，

44、反復(fù)整定才能取整定亦是相互關(guān)聯(lián)的，需要相互協(xié)調(diào)，反復(fù)整定才能取得最佳效果。得最佳效果。串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定要比單回路控制系統(tǒng)整串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定要比單回路控制系統(tǒng)整定復(fù)雜定復(fù)雜常見方法有：常見方法有： 兩步整定、逐步逼近法兩步整定、逐步逼近法5.5.串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定先整定副回路：斷開主回路，按單回路整定法先整定副回路：斷開主回路，按單回路整定法( (如衰減曲線法如衰減曲線法) ) 求取副調(diào)節(jié)器的參數(shù)求取副調(diào)節(jié)器的參數(shù)G Gc2c21 1整定主回路：把整定好的副回路作為主回路中的一個(gè)節(jié)，然后按整定主回路：把整定好的副回路作為主回路中的一個(gè)

45、節(jié)，然后按 照單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的參數(shù)照單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的參數(shù) G Gc1c11 1再次整定副回路：（主、副回路均閉環(huán)）在主調(diào)節(jié)器的整定參再次整定副回路：（主、副回路均閉環(huán)）在主調(diào)節(jié)器的整定參 數(shù)為數(shù)為G Gc1c11 1 的條件下，按單回路參數(shù)整定法，重新求取的條件下，按單回路參數(shù)整定法，重新求取 副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)G Gc2c22 2，完成一個(gè)循環(huán)的整定，完成一個(gè)循環(huán)的整定重新整定主回路：重新整定主回路： （主、副回路均閉環(huán)）在副回路整定參數(shù)（主、副回路均閉環(huán)）在副回路整定參數(shù) 為為G Gc2c22 2的情況下，重新整定主回路調(diào)節(jié)器，得到的情況下，重

46、新整定主回路調(diào)節(jié)器，得到G Gc1c12 2若調(diào)解過(guò)程仍未達(dá)到品質(zhì)要求，按照上述若調(diào)解過(guò)程仍未達(dá)到品質(zhì)要求，按照上述3 3、4 4步繼續(xù)進(jìn)行，直步繼續(xù)進(jìn)行，直 到調(diào)節(jié)效果滿意為止。到調(diào)節(jié)效果滿意為止。 該法費(fèi)時(shí)較多該法費(fèi)時(shí)較多（1 1）逐步逼近法）逐步逼近法 適用于主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)相差不大適用于主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)相差不大定義：一種依次整定副回路、主回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近定義：一種依次整定副回路、主回路，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近 主、副回路最佳整定的一種方法，其步驟：主、副回路最佳整定的一種方法，其步驟：定義：定義：系統(tǒng)處于串級(jí)工作狀態(tài)，按單回路整定副調(diào)節(jié)器，再將副回路視系統(tǒng)處于串級(jí)工

47、作狀態(tài)，按單回路整定副調(diào)節(jié)器，再將副回路視 為串級(jí)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路對(duì)主調(diào)節(jié)器進(jìn)行一次參數(shù)整定為串級(jí)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路對(duì)主調(diào)節(jié)器進(jìn)行一次參數(shù)整定（2 2） 兩步整定法兩步整定法步驟：先副后主步驟：先副后主A.A.系統(tǒng)串級(jí)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，主、副調(diào)節(jié)器均純比例作用下，置主調(diào)節(jié)器系統(tǒng)串級(jí)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，主、副調(diào)節(jié)器均純比例作用下，置主調(diào)節(jié)器 1 1=100100，由大到小逐漸降低副控制器的比例度，直到副回路過(guò)渡過(guò)，由大到小逐漸降低副控制器的比例度，直到副回路過(guò)渡過(guò) 程衰減比程衰減比4 4：1 1的比例度的比例度2s2s和振蕩周期和振蕩周期T T2s2s。B.B.整定主調(diào)節(jié)器：將副調(diào)節(jié)器置

48、整定主調(diào)節(jié)器：將副調(diào)節(jié)器置2s2s上，逐步降低上，逐步降低1 1，直到主回路過(guò)渡過(guò)，直到主回路過(guò)渡過(guò) 程衰減比程衰減比4 4：1 1的比例度的比例度1s1s和周期振蕩和周期振蕩T T2s2s。C.C.根據(jù)根據(jù)1s1s, , 2s2s, T, T1s1s, T, T2s2s, ,按衰減曲線法應(yīng)驗(yàn)公式，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器按衰減曲線法應(yīng)驗(yàn)公式，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器 的的、T TI I，和，和T TD D的數(shù)值。的數(shù)值。D.D.按先副后主、先比例后積分的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，按先副后主、先比例后積分的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)， 再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳

49、再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳 為止。為止。注意：在副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好后，再整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，會(huì)影響副參數(shù)的控制注意：在副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好后，再整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)時(shí)，會(huì)影響副參數(shù)的控制 品質(zhì)，但只要主參數(shù)的品質(zhì)，但只要主參數(shù)的 控制品質(zhì)得到保證，副參數(shù)的控制品質(zhì)差一點(diǎn)也控制品質(zhì)得到保證，副參數(shù)的控制品質(zhì)差一點(diǎn)也 是可以接受的。是可以接受的。主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，一般為：主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，一般為： T01/T02=3T01/T02=310 10 主回路的工作周期遠(yuǎn)大于副回路工作周期，主、副回路間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系很小主回路的工作周期遠(yuǎn)大于副回路工作周

50、期，主、副回路間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系很小5.1.45.1.4串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用被控過(guò)程的參數(shù)溫度：其容量滯后較大。被控過(guò)程的參數(shù)溫度：其容量滯后較大。若采用單回路控制系統(tǒng)，其控制質(zhì)量不能滿足生產(chǎn)要求。若采用單回路控制系統(tǒng)，其控制質(zhì)量不能滿足生產(chǎn)要求。串級(jí)控制系統(tǒng)改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性、提高其工作頻率。串級(jí)控制系統(tǒng)改善過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性、提高其工作頻率。選擇一個(gè)滯后較小的副參數(shù)，組成一個(gè)快速動(dòng)作的副回路選擇一個(gè)滯后較小的副參數(shù)，組成一個(gè)快速動(dòng)作的副回路 減小等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，加快響應(yīng)速度，從而取得減小等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，加快響應(yīng)速度，從而取得 較好的控制質(zhì)量較好的控制質(zhì)量例如：加熱爐溫度串級(jí)控制系

51、統(tǒng)例如：加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 主過(guò)程時(shí)間常數(shù)為主過(guò)程時(shí)間常數(shù)為15min15min，擾動(dòng)因素多。，擾動(dòng)因素多。爐膛溫度作為副參數(shù)，構(gòu)成爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)爐膛溫度作為副參數(shù)，構(gòu)成爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)，提高了控制質(zhì)量，滿足生產(chǎn)工藝要求?？刂葡到y(tǒng)，提高了控制質(zhì)量，滿足生產(chǎn)工藝要求。1.1.用于克服被控過(guò)程較大的容量滯后用于克服被控過(guò)程較大的容量滯后當(dāng)工業(yè)過(guò)程純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)可應(yīng)用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)改善其當(dāng)工業(yè)過(guò)程純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)可應(yīng)用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)改善其控制質(zhì)量，控制質(zhì)量，即在離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的地方，選擇一個(gè)副即在離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的地方，選擇一個(gè)副參數(shù)，構(gòu)

52、成一個(gè)純滯后較小的副回路，把主要擾動(dòng)包括在副回路參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)純滯后較小的副回路，把主要擾動(dòng)包括在副回路中中。在其影響主參數(shù)前，由副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主要擾動(dòng)的及時(shí)控制，。在其影響主參數(shù)前，由副回路實(shí)現(xiàn)對(duì)主要擾動(dòng)的及時(shí)控制，從而提高控制質(zhì)量。從而提高控制質(zhì)量。例：網(wǎng)前箱溫度串級(jí)控制例：網(wǎng)前箱溫度串級(jí)控制工藝過(guò)程：工藝過(guò)程：紙漿用泵從儲(chǔ)槽送至混合器在紙漿用泵從儲(chǔ)槽送至混合器在混合器內(nèi)用蒸汽加熱至混合器內(nèi)用蒸汽加熱至7272左左右，經(jīng)過(guò)立篩、圓篩除去雜質(zhì)右，經(jīng)過(guò)立篩、圓篩除去雜質(zhì)后送到網(wǎng)前箱，再去銅網(wǎng)脫水后送到網(wǎng)前箱，再去銅網(wǎng)脫水要求：要求： 網(wǎng)前箱溫度保持在網(wǎng)前箱溫度保持在61 61 左右左右 （1 1

53、 ）單回路控制系統(tǒng)：由于從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達(dá)單回路控制系統(tǒng)：由于從混合器到網(wǎng)前箱純滯后達(dá)90s90s，當(dāng)紙漿流，當(dāng)紙漿流量波動(dòng)量波動(dòng)35kg35kgminmin時(shí)，溫度最大偏差達(dá)時(shí)，溫度最大偏差達(dá)8.58.5，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間達(dá)，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間達(dá)450s450s?？刂瀑|(zhì)量差，不能滿足工藝要求?？刂瀑|(zhì)量差，不能滿足工藝要求。2.2.用于克服被控過(guò)程的純滯后用于克服被控過(guò)程的純滯后串級(jí)系統(tǒng)：串級(jí)系統(tǒng)： 混合器溫度為副參數(shù)，網(wǎng)前箱出口溫度為主參數(shù)混合器溫度為副參數(shù)，網(wǎng)前箱出口溫度為主參數(shù) 主要擾動(dòng)（紙漿流量波動(dòng)）包括在副回路中主要擾動(dòng)（紙漿流量波動(dòng)）包括在副回路中 當(dāng)其波動(dòng)時(shí)，網(wǎng)前箱溫度最大偏差未超過(guò)

54、當(dāng)其波動(dòng)時(shí)，網(wǎng)前箱溫度最大偏差未超過(guò)1 1 ， 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間為過(guò)渡過(guò)程時(shí)間為200s200s，滿足工藝要求。，滿足工藝要求。補(bǔ)充作業(yè)題補(bǔ)充作業(yè)題在下圖所示的反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行放熱化學(xué)反應(yīng)，而釜內(nèi)溫度過(guò)高在下圖所示的反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行放熱化學(xué)反應(yīng)，而釜內(nèi)溫度過(guò)高會(huì)發(fā)生事故，因此采用夾套通過(guò)冷卻水來(lái)進(jìn)行冷卻，以帶走會(huì)發(fā)生事故，因此采用夾套通過(guò)冷卻水來(lái)進(jìn)行冷卻，以帶走反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量。由于工藝對(duì)該反應(yīng)過(guò)程中溫度控反應(yīng)過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量。由于工藝對(duì)該反應(yīng)過(guò)程中溫度控制精度要求很高，單回路控制滿足不了要求，需用串級(jí)控制制精度要求很高，單回路控制滿足不了要求，需用串級(jí)控制當(dāng)冷卻水壓力波動(dòng)是主要干擾時(shí)，應(yīng)怎樣組成

55、串級(jí)？畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)冷卻水壓力波動(dòng)是主要干擾時(shí)，應(yīng)怎樣組成串級(jí)？畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)冷卻水入口溫度波動(dòng)是主要干擾時(shí)，應(yīng)怎樣組成當(dāng)冷卻水入口溫度波動(dòng)是主要干擾時(shí)，應(yīng)怎樣組成串級(jí)串級(jí)？畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)？畫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖對(duì)上述兩種不同控制方案選擇控制閥的開閉形式及主、副控制器的正對(duì)上述兩種不同控制方案選擇控制閥的開閉形式及主、副控制器的正反反 作用。作用。作業(yè)題作業(yè)題P1175-1 、 5-3、5-如：在燃燒過(guò)程中，為了保證其燃燒的經(jīng)濟(jì)性，防止大如：在燃燒過(guò)程中，為了保證其燃燒的經(jīng)濟(jì)性，防止大 氣污染，需要自動(dòng)保持燃料量與空氣量按一定比例混合后氣污染，需要自動(dòng)保持燃料量與空氣量按一定比例混合后 送入爐膛；送入

56、爐膛；在制藥生產(chǎn)過(guò)程中，為增強(qiáng)藥效，需要對(duì)某種成分的藥物在制藥生產(chǎn)過(guò)程中，為增強(qiáng)藥效，需要對(duì)某種成分的藥物 加注入劑，生產(chǎn)工藝要求藥物和注入劑混合后的含量，必加注入劑，生產(chǎn)工藝要求藥物和注入劑混合后的含量，必 須符合規(guī)定的比例，一旦比例失調(diào)將產(chǎn)生浪費(fèi)；須符合規(guī)定的比例，一旦比例失調(diào)將產(chǎn)生浪費(fèi)；在造紙的生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證紙漿的濃度，必須自動(dòng)控制在造紙的生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證紙漿的濃度，必須自動(dòng)控制 紙漿量和水量按一定的比例混合。所以，嚴(yán)格控制其比例，紙漿量和水量按一定的比例混合。所以，嚴(yán)格控制其比例， 對(duì)于優(yōu)質(zhì)安全生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是十分重要的。對(duì)于優(yōu)質(zhì)安全生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是十分重要的。在許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，要求

57、兩種或多種物料流量成一定比在許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，要求兩種或多種物料流量成一定比例關(guān)系，一旦比例失調(diào)，就會(huì)影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行，影響產(chǎn)例關(guān)系，一旦比例失調(diào)，就會(huì)影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至發(fā)生生產(chǎn)事故。而比例得當(dāng)則可保證優(yōu)質(zhì)、高品質(zhì)量，甚至發(fā)生生產(chǎn)事故。而比例得當(dāng)則可保證優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗。產(chǎn)、低耗。將主物料稱為主流量，而從物料稱為從流量。但在有些場(chǎng)合將主物料稱為主流量，而從物料稱為從流量。但在有些場(chǎng)合, ,將不可控物料定為主物料將不可控物料定為主物料, ,用改變可控物料即從物料來(lái)實(shí)現(xiàn)用改變可控物料即從物料來(lái)實(shí)現(xiàn)它們之間的比值關(guān)系。它們之間的比值關(guān)系。 其比值用其比值用k k表示：表示：k

58、=Qk=Q2 2/Q/Q1 1定義：定義：在需要保持比例關(guān)系的兩種物料中，往往其中一種物料處于在需要保持比例關(guān)系的兩種物料中，往往其中一種物料處于 主導(dǎo)地位，稱為主物料或主動(dòng)量主導(dǎo)地位，稱為主物料或主動(dòng)量Q Q1 1 ( (或或F1表示表示) ; ;而另一種物料按主物料進(jìn)行配比，在控制過(guò)程中跟隨主物料而另一種物料按主物料進(jìn)行配比，在控制過(guò)程中跟隨主物料 變化而變化，稱為從物料或從動(dòng)量變化而變化，稱為從物料或從動(dòng)量Q Q2 2 ( (或或F F2 2表示表示) ) 。保持兩種物料間成一定的保持兩種物料間成一定的( (變或不變變或不變) )比例關(guān)系，往往僅是生產(chǎn)過(guò)程全部工藝要求比例關(guān)系，往往僅是生

59、產(chǎn)過(guò)程全部工藝要求的一部分，甚至不是工藝要求中的主要部分，即有時(shí)僅僅只是一種的一部分，甚至不是工藝要求中的主要部分，即有時(shí)僅僅只是一種控制手段控制手段，而，而不是最終目的不是最終目的。 例如：燃燒過(guò)程中，燃料與空氣比例雖很重要，但控制的最例如：燃燒過(guò)程中，燃料與空氣比例雖很重要，但控制的最終目的卻是溫度等量終目的卻是溫度等量在比值控制系統(tǒng)中在比值控制系統(tǒng)中, ,從動(dòng)量隨主動(dòng)量按一定比例變化從動(dòng)量隨主動(dòng)量按一定比例變化, ,故它實(shí)際上是一種隨動(dòng)系統(tǒng)故它實(shí)際上是一種隨動(dòng)系統(tǒng) 凡是兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)凡是兩個(gè)或多個(gè)參數(shù)自動(dòng)自動(dòng)維持一定比值關(guān)系的過(guò)程控制系統(tǒng)稱維持一定比值關(guān)系的過(guò)程控制系統(tǒng)稱5.2.1比值控

60、制系統(tǒng)的類型比值控制系統(tǒng)的類型1 1、開環(huán)比值控制系統(tǒng)、開環(huán)比值控制系統(tǒng) 其組成如下圖所示：其組成如下圖所示：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)態(tài)：穩(wěn)態(tài)：Q Q2 2=KQ=KQ1 1Q Q2 2能跟蹤能跟蹤Q Q1 1而變化而變化缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：對(duì)對(duì)Q2本身無(wú)抗干擾能力本身無(wú)抗干擾能力Q Q2 2因其管線兩端因其管線兩端P P波動(dòng)而變化時(shí)波動(dòng)而變化時(shí), ,系統(tǒng)不起控系統(tǒng)不起控制作用制作用, ,控制閥開度不變控制閥開度不變, ,難保難保Q Q2 2與與Q Q1 1的比值的比值關(guān)系，故只能適用于副流量較平穩(wěn)且比值要關(guān)系，故只能適用于副流量較平穩(wěn)且比值要求不高的場(chǎng)合求不高的場(chǎng)合. .實(shí)際中實(shí)際中Q Q2