第8章提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)

1、單回路控制系統(tǒng)回顧單回路控制系統(tǒng)回顧圖圖 單回路控制系統(tǒng)框圖單回路控制系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器執(zhí)行器執(zhí)行器被控對(duì)象被控對(duì)象檢測(cè)變送器檢測(cè)變送器結(jié)構(gòu)和特性結(jié)構(gòu)和特性：?jiǎn)螁位芈坊芈贰⒇?fù)、負(fù)反饋、應(yīng)用較反饋、應(yīng)用較廣泛廣泛。適用。適用 于于時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)較小較小，負(fù)荷變化，負(fù)荷變化小小的對(duì)象。的對(duì)象。 但是但是，在某些被控對(duì)象的在某些被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜 或者或者控制任務(wù)比較特殊控制任務(wù)比較特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，的應(yīng)用場(chǎng)合， 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就顯得簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就顯得力不從心力不從心。 所謂所謂復(fù)雜復(fù)雜，乃是相對(duì)，乃是相對(duì)簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單而言的。一般來說，凡是而言的。一般來說，凡是結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)上比單回

2、路控制系統(tǒng)更為比單回路控制系統(tǒng)更為復(fù)雜復(fù)雜或或控制目的控制目的上較為上較為特特殊殊的控制系統(tǒng)都可以稱為的控制系統(tǒng)都可以稱為復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)。由于在這些系。由于在這些系統(tǒng)中，通常包含有兩個(gè)以上的變送器、控制器或者執(zhí)行統(tǒng)中，通常包含有兩個(gè)以上的變送器、控制器或者執(zhí)行器，構(gòu)成的回路數(shù)也多于一個(gè)，所以，復(fù)雜控制系統(tǒng)又器，構(gòu)成的回路數(shù)也多于一個(gè)，所以，復(fù)雜控制系統(tǒng)又稱為稱為多回路控制系統(tǒng)多回路控制系統(tǒng)。顯然，這類系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、。顯然，這類系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、參數(shù)整定與投運(yùn)比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)要參數(shù)整定與投運(yùn)比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)要復(fù)雜復(fù)雜一些。一些。 常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有常見的復(fù)雜控制系統(tǒng)有串級(jí)、前饋、大時(shí)

3、延串級(jí)、前饋、大時(shí)延、比值、比值、均勻、分程、選擇均勻、分程、選擇等控制系統(tǒng)。等控制系統(tǒng)。復(fù)雜控制系統(tǒng)復(fù)雜控制系統(tǒng)第第8章章 提高提高控制質(zhì)量控制質(zhì)量的的控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)q8.1 串級(jí)串級(jí)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)q8.2 前饋前饋控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)q8.3 大時(shí)延大時(shí)延控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜比較復(fù)雜第第9章章 滿足滿足特定要求特定要求的的過程控制系統(tǒng)過程控制系統(tǒng)q9.1 比值比值控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)q9.2 均勻均勻控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)q9.3 分程分程控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)q9.4 選擇選擇控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制任務(wù)控制任務(wù)比較特殊比較特殊第第8章章 提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)提高控制品質(zhì)的控制系統(tǒng)第第

4、8章章 提高控制提高控制品質(zhì)品質(zhì)的控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 生產(chǎn)過程中有很多生產(chǎn)過程中有很多容量滯后比較大容量滯后比較大（T T0 0）的對(duì)象）的對(duì)象，由于，由于控制變量控制變量的的變化變化要經(jīng)過一個(gè)要經(jīng)過一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)的時(shí)間才能對(duì)才能對(duì)被控變量被控變量起作用，這樣明顯造成控制作用起作用，這樣明顯造成控制作用不及時(shí)不及時(shí)，使，使系統(tǒng)控制變差。當(dāng)對(duì)象的系統(tǒng)控制變差。當(dāng)對(duì)象的容量滯后較大，負(fù)荷或干擾容量滯后較大，負(fù)荷或干擾變化比較劇烈、比較頻繁，變化比較劇烈、比較頻繁，或是工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出或是工藝對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出的的要求很高，要求很高，此時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)無(wú)法滿足要求此時(shí)，采用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)無(wú)法滿足

5、要求，可以采用，可以采用串級(jí)串級(jí)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)。8.1.1 基本概念基本概念 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) 煉油廠常用的設(shè)備中有一種叫煉油廠常用的設(shè)備中有一種叫管式加熱爐管式加熱爐, 工藝要求工藝要求被加熱原料在爐的被加熱原料在爐的出口溫度出口溫度保持恒定。保持恒定。第第8章章 提高控制提高控制品質(zhì)品質(zhì)的控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)q 8.1 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)冷物料加熱爐熱物料燃料影響物料影響物料出口溫度出口溫度的干擾的干擾：（1）原料油流量與初溫）原料油流量與初溫f1(t)（2）燃油壓力、流量、熱值）燃油壓力、流量、熱值f2(t)（3）煙囪抽力變化）煙囪抽力變化f3(t)（4）環(huán)

6、境溫度等）環(huán)境溫度等f(wàn)4(t)空氣空氣單回路單回路設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案1：出口溫度出口溫度為被控參數(shù)，為被控參數(shù)，燃料量燃料量為控制參數(shù)。為控制參數(shù)。T1CT1T冷物料加熱爐熱物料燃料第第8章章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)q 8.1 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1 基本概念基本概念 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)9分鐘分鐘45分鐘分鐘結(jié)論結(jié)論：1.結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)上合理合理； 2.實(shí)際控制質(zhì)量實(shí)際控制質(zhì)量 很差很差。爐第第8章章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1.1 基本概念基本概念 1. 單回路單回路設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案2：爐膛溫度爐膛溫度為被控參數(shù)，為被控

7、參數(shù)，燃料量燃料量為控制參數(shù)。為控制參數(shù)。T1CT1T冷物料加熱爐熱物料燃料結(jié)論結(jié)論：1.能及時(shí)克服能及時(shí)克服 f2(t)、f3(t) ； 2.不能克服不能克服f1(t) 、 f4(t) 。爐第第8章章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)q 8.1 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)8.1.1 基本概念基本概念 1. 復(fù)雜復(fù)雜設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案3：出口溫度出口溫度Y1(s)為主被控參數(shù)，為主被控參數(shù)，爐膛溫度爐膛溫度Y2(s)為副被控參數(shù)，為副被控參數(shù)，燃料量燃料量為控制參數(shù)。為控制參數(shù)。串級(jí)串級(jí)控控制系統(tǒng)制系統(tǒng)第第8章章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)q 8.1 串級(jí)控制系統(tǒng)串級(jí)

8、控制系統(tǒng)8.1.1 基本概念基本概念 1. 主被控參數(shù)主被控參數(shù)Y1(s) ：主要：主要控制目標(biāo)控制目標(biāo)，工藝要求，工藝要求副被控參數(shù)副被控參數(shù)Y2(s) ：被控對(duì)象引出的：被控對(duì)象引出的中間變量中間變量副對(duì)象：副被控參數(shù)與控制參數(shù)之間的副對(duì)象：副被控參數(shù)與控制參數(shù)之間的通道特性通道特性主對(duì)象：主被控參數(shù)與副被控參數(shù)之間的主對(duì)象：主被控參數(shù)與副被控參數(shù)之間的通道特性通道特性副控制器：接受副控制器：接受副變量副變量的偏差，其輸出控制的偏差，其輸出控制閥門閥門主控制器：接受主控制器：接受主變量主變量的偏差，其輸出是副控制器的的偏差，其輸出是副控制器的給定值給定值所以，主回路所以，主回路是一個(gè)是一個(gè)

9、定值控定值控制系統(tǒng)制系統(tǒng)，副回，副回路則是一個(gè)路則是一個(gè)隨隨動(dòng)控制系統(tǒng)動(dòng)控制系統(tǒng)。第第8章章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1.1 基本概念基本概念 1. 副回路（副環(huán)）：由副變量檢測(cè)變送器、副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對(duì)象組成副回路（副環(huán)）：由副變量檢測(cè)變送器、副控制器、調(diào)節(jié)閥、副對(duì)象組成 的回路。處在串級(jí)控制系統(tǒng)的回路。處在串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)部?jī)?nèi)部的，在控制過程中起著的，在控制過程中起著 “粗調(diào)粗調(diào)”的作用。的作用。主回路（主環(huán)）：由主回路（主環(huán)）：由副回路副回路、主控制器、主對(duì)象、主變量檢測(cè)變送器組成、主控制器、主對(duì)象、主變量檢測(cè)變送器組成 的回路，在控制系統(tǒng)中起著的回路，在控制系

10、統(tǒng)中起著“細(xì)調(diào)細(xì)調(diào)”的作用。的作用。一次干擾：進(jìn)入一次干擾：進(jìn)入主回路主回路的干擾的干擾 二次干擾：進(jìn)入二次干擾：進(jìn)入副回路副回路的干擾的干擾控制閥控制閥出口溫度出口溫度燃料油燃料油原料油原料油溫度測(cè)量值溫度測(cè)量值溫度變送器溫度變送器TC溫度設(shè)定值溫度設(shè)定值流量測(cè)量值流量測(cè)量值流量變送器流量變送器QC控制量控制量第第8章章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1.1 基本概念基本概念 1. 另一種方案另一種方案第第8章章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1.1 基本概念基本概念 2.串級(jí)控制系統(tǒng)的串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過程工作過程+-+-1）只有二次擾動(dòng)）只有二次擾動(dòng)2

11、）只有一次擾動(dòng)）只有一次擾動(dòng)3）一、二次擾動(dòng)均有）一、二次擾動(dòng)均有使主副參數(shù)使主副參數(shù)同向同向變化變化使主副參數(shù)使主副參數(shù)異向異向變化變化加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)工作過程加熱爐串級(jí)控制系統(tǒng)工作過程器校正。作用：主回路、主調(diào)節(jié)路進(jìn)一步調(diào)節(jié)。度，如果擾動(dòng)大，主回影響爐出口溫節(jié)，如果擾動(dòng)不大，不作用：副調(diào)節(jié)器開始調(diào)、）（節(jié)過程如下：當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)，其調(diào))()2()()(1132tftftf能滿足要求。開度變化較小就節(jié)閥的方向相反，閥的副調(diào)節(jié)器控制調(diào)變大，一個(gè)變小，主、數(shù)、副參數(shù)一個(gè)）一、二次擾動(dòng)使主參調(diào)節(jié)速度很快；幅度開大或關(guān)小，變大或變小，調(diào)節(jié)閥大數(shù)、副參數(shù)同時(shí)）一、二次擾動(dòng)使主參作用：、21)()()

12、() 3(321tftftf 第第8章章 提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)提高控制質(zhì)量的控制系統(tǒng)8.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)特點(diǎn) 1. 改善改善過程動(dòng)態(tài)特性過程動(dòng)態(tài)特性22222222( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )cvoocvomGs G s GssGsXsGs G s Gs Gs 22222211cvoocvomK K KKK K K K222221oocvomTTK K K K靜態(tài)放大系數(shù)靜態(tài)放大系數(shù)時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)改善過程動(dòng)態(tài)特性改善過程動(dòng)態(tài)特性8.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)22( )mmGsK( )vvG sK22( )ccGsK

13、222( )1oooKGsT s222222222222222222211( )11111ocvocvocvomooooocvmocvomKK K KK KT sK K K KKGsKTT sK KKT sK K K K式中：式中：設(shè)上式中：設(shè)上式中：代入，得：代入，得：222221oocvomTT sK K K K 其等效系統(tǒng)與其等效系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)單回路系統(tǒng)相比：相比：取代取代2222221omoVCooTKKKKTT改善過程動(dòng)態(tài)特性改善過程動(dòng)態(tài)特性8.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)從理論上可以證明，由于副回路從理論上可以證明，由于副回路的存在，可以使等效對(duì)象的時(shí)間的存在，可

14、以使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)常數(shù)大大減?。ㄖ虚g大小的時(shí)間，大大減?。ㄖ虚g大小的時(shí)間，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)起超相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)起超前作用的前作用的微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)）因而使得系）因而使得系統(tǒng)的統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，控制更加，控制更加及及時(shí)時(shí)，最大動(dòng)態(tài)偏差得到，最大動(dòng)態(tài)偏差得到減小減?。慌c；與此同時(shí)，等效對(duì)象時(shí)間常數(shù)的縮此同時(shí)，等效對(duì)象時(shí)間常數(shù)的縮短，還使系統(tǒng)的短，還使系統(tǒng)的工作頻率工作頻率得到提得到提高，這就縮短了高，這就縮短了振蕩周期振蕩周期，減少，減少了過渡過程的時(shí)間。即便是干擾了過渡過程的時(shí)間。即便是干擾作用于主對(duì)象，串級(jí)控制系統(tǒng)的作用于主對(duì)象，串級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量也將比單回

15、路控制系統(tǒng)控制質(zhì)量也將比單回路控制系統(tǒng)有所改善。有所改善。副回路的引入，使副回路的引入，使整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率有提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率有提高代入（代入（8.5）圖圖8.7可得串級(jí)系統(tǒng)的特征方程為：可得串級(jí)系統(tǒng)的特征方程為：12111( )( )( )( )0coomGs Gs Gs Gs（8.5）111( )1oooKGsT s11( )ccGsK11mmGK2121211121210oocoomooooTTK K K KssT TT T（8.7）12122oooooTTT T21211121coomoooK K K KT T令令：特征方程式（特征方程式（8.7）可寫成標(biāo)準(zhǔn)形式：）可寫成標(biāo)準(zhǔn)形式

16、：2220ooss （8.8）8.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2.系統(tǒng)系統(tǒng)工作頻率工作頻率提高提高2220ooss （8.9）特征根為：特征根為：2221,224412oooos 01系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，振蕩頻率為：系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，振蕩頻率為： 221212112oocoooTTT T（8.10）218.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2.系統(tǒng)系統(tǒng)工作頻率工作頻率提高提高單回路特征方程：?jiǎn)位芈诽卣鞣匠蹋海?.11）*12111( )( )( )( )( )0cvoomGs G s Gs Gs Gs*11( )ccGsK2220ddodoss 特征方程標(biāo)準(zhǔn)形式：特征方程標(biāo)準(zhǔn)形

17、式：12122ooddoooTTT T *21211 021cvomdooK K K KT T同理可得單回路系統(tǒng)振蕩頻率為：同理可得單回路系統(tǒng)振蕩頻率為：（8.15）2102122211oooddddodTTTT 228.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2.系統(tǒng)系統(tǒng)工作頻率工作頻率提高提高2102122211oooddddodTTTT 若使串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相同的衰減率，即：若使串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)具有相同的衰減率，即：221212112oocoooTTT Td212112221102221 02112112ooooooooddoodoTTTT TTTTTTT

18、 T（8.16）oco2o1o2o1o2o2TT1TT1TT所以：，則有：由于工作頻率提高，控制品質(zhì)改善。工作頻率提高，控制品質(zhì)改善。串級(jí)系統(tǒng)：串級(jí)系統(tǒng)：?jiǎn)位芈废到y(tǒng)：?jiǎn)位芈废到y(tǒng)：238.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)2.系統(tǒng)系統(tǒng)工作頻率工作頻率提高提高（8.17）進(jìn)入副回路的干擾進(jìn)入副回路的干擾F3(s)與副回路輸出與副回路輸出2(s)之間的傳遞函數(shù)記為之間的傳遞函數(shù)記為G*o2(s) : *2223222( )( )( )( )1( )( )( )( )ooovomGssGsF sGs Gs Gs Gs系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入X1(s)與被控參數(shù)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為之間

19、的傳遞函數(shù)記為: 121111211( )( )( )( )( )1( )( )( )( )coocoomGs Gs GssX sGs Gs Gs Gs干擾干擾F3(s)與被控參數(shù)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為之間的傳遞函數(shù)記為: *21131211( )( )( )( )1( )( )( )( )oocoomGs GssF sGs Gs Gs Gs（8.19）（8.18）248.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3.對(duì)對(duì)二次擾動(dòng)二次擾動(dòng)有有很強(qiáng)很強(qiáng)的克服能力的克服能力系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入X1(s)與被控參數(shù)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為之間的傳遞函數(shù)記為: 12111121

20、1( )( )( )( )( )1( )( )( )( )coocoomGs Gs GssX sGs Gs Gs Gs干擾干擾F3(s)與被控參數(shù)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為之間的傳遞函數(shù)記為: *21131211( )( )( )( )1( )( )( )( )oocoomGs GssF sGs Gs Gs Gs（8.19）（8.18）串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)F3(s)抗干擾能力抗干擾能力Jc3表示為表示為: 12112113*13212( )( )( )( )( )( )/( )( )/( )( )( )( )coococoooGs Gs GsGs GssX sJsF sGs

21、GsGs312( )( )( )cccvJGs Gs Gs（8.21）258.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3.對(duì)對(duì)二次擾動(dòng)二次擾動(dòng)有有很強(qiáng)很強(qiáng)的克服能力的克服能力系統(tǒng)輸入系統(tǒng)輸入X1(s)與被控參數(shù)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為之間的傳遞函數(shù)記為: 干擾干擾F3(s)與被控參數(shù)與被控參數(shù)1(s)之間的傳遞函數(shù)記為之間的傳遞函數(shù)記為: （8.25）單回路控制系統(tǒng)對(duì)單回路控制系統(tǒng)對(duì)F3(s)抗干擾能力抗干擾能力Jk3表示為表示為: 圖圖8.12中單回路系統(tǒng)中單回路系統(tǒng)：*1211*11211( )( )( )( )( )( )1( )( )( )( )( )cvoocvoom

22、Gs G s Gs GssX sGs G s Gs Gs Gs211*31211( )( )( )( )1( )( )( )( )( )oocvoomGs GssF sGs G s Gs Gs Gs*12111311321( )( )( )( )( )/( )( )( )( )/( )( )( )cvookcvooGs Gs Gs GssX sJGs GssF sGs Gs268.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3.對(duì)對(duì)二次擾動(dòng)二次擾動(dòng)有有很強(qiáng)很強(qiáng)的克服能力的克服能力（8.25）由式（由式（8.21）、（）、（8.25）可得串級(jí)系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路）可得串級(jí)系統(tǒng)與單回路系統(tǒng)

23、對(duì)進(jìn)入副回路干擾干擾F3(s)的抗干擾能力之比的抗干擾能力之比: *12111311321( )( )( )( )( )/( )( )( )( )/( )( )( )cvookcvooGs Gs Gs GssX sJGs GssF sGs Gs312( )( )( )cccvJGs Gs Gs（8.21）31212*311( )( )( )( )( )( )( )( )cccvcckcvcJGs Gs GsGs GsJGs GsGs11( )ccGsK22( )ccGsK*11( )ccGsK31212*311( )( )ccccckccJGs GsK KJGK一般情況下，總有：一般情況下，總

24、有： Kc1Kc2K*c1278.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)3.對(duì)對(duì)二次擾動(dòng)二次擾動(dòng)有有很強(qiáng)很強(qiáng)的克服能力的克服能力8.1.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)4.對(duì)負(fù)荷變化對(duì)負(fù)荷變化有一定的有一定的自適應(yīng)自適應(yīng)能力能力（1）單回路控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)是在一定的負(fù)荷和操作條件單回路控制系統(tǒng)中控制器參數(shù)是在一定的負(fù)荷和操作條件下，按某種質(zhì)量指標(biāo)整定得到的，固定不變。而下，按某種質(zhì)量指標(biāo)整定得到的，固定不變。而過程控制中的過程控制中的對(duì)象對(duì)象特性會(huì)特性會(huì)隨著生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的改變而發(fā)生變化?？刂齐S著生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的改變而發(fā)生變化?？刂破鲄?shù)只能在一個(gè)較小的工作范圍內(nèi)與對(duì)

25、象特性相匹配，如果器參數(shù)只能在一個(gè)較小的工作范圍內(nèi)與對(duì)象特性相匹配，如果負(fù)荷和操作條件變化過大，超出了這個(gè)適應(yīng)范圍，控制質(zhì)量就負(fù)荷和操作條件變化過大，超出了這個(gè)適應(yīng)范圍，控制質(zhì)量就很難保證。串級(jí)控制系統(tǒng)就不同。雖然主回路是一個(gè)定值控制很難保證。串級(jí)控制系統(tǒng)就不同。雖然主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值是隨著主調(diào)節(jié)器系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值是隨著主調(diào)節(jié)器的輸出而變化的。的輸出而變化的。主調(diào)節(jié)器可以按照生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的變主調(diào)節(jié)器可以按照生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的變化情況相應(yīng)地調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作化情況相應(yīng)地調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)

26、行在新的工作點(diǎn)上點(diǎn)上，從而保證在新的負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有，從而保證在新的負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。較好的控制質(zhì)量。（2）22222211cvoocvomK K KKK K K K1 1、改善了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高了工作頻率。、改善了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高了工作頻率。 由于副環(huán)起了改善過程的動(dòng)態(tài)特性的作用，可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。 串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的引入，相當(dāng)于將單回路控制系統(tǒng)中包括執(zhí)行器在內(nèi)的廣義象分為兩部分，一部分由副回路代替，另一部分就是主對(duì)象。所以可以把副回路看成是主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，或者把副回路理解為一部分等效對(duì)象。此

27、時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)的方塊圖可簡(jiǎn)化成如圖所示。 二、串級(jí)控制系統(tǒng)的效果分析 從理論上可以證明，由于副回路的存在，可以使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大大減?。ê透睂?duì)象相比），意味著對(duì)象總的時(shí)間滯后要有所縮短，（相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)起超前作用的微分環(huán)節(jié)）因而使得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，控制更加及時(shí)，最大動(dòng)態(tài)偏差得到減?。慌c此同時(shí)，等效對(duì)象時(shí)間常數(shù)的縮短，還使系統(tǒng)的工作頻率得到提高，這就縮短了振蕩周期，減少了過渡過程的時(shí)間。即便是干擾作用于主對(duì)象，串級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量也將比單回路控制系統(tǒng)有所改善。 一般來說，副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比主對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要小，而比測(cè)量變送環(huán)節(jié)及控制閥的時(shí)間常數(shù)要大。也就是說，副對(duì)象的時(shí)間常

28、數(shù)在系統(tǒng)中是屬于中間大小的時(shí)間常數(shù)?？梢宰C明，在一個(gè)系統(tǒng)中，中間大小的時(shí)間常數(shù)的減小，有利于提高控制質(zhì)量，提高系統(tǒng)的可控性。2 2、串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾具有極強(qiáng)的克服能力。、串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于進(jìn)入副回路的干擾具有極強(qiáng)的克服能力。 副環(huán)具有快速作用，能有效的克服二次擾動(dòng)的影響。 這是因?yàn)楫?dāng)干擾作用于副環(huán)時(shí)，在它還沒影響到主變量之前副調(diào)節(jié)器首先對(duì)干擾作用采取抑制措施，進(jìn)行“粗調(diào)”，合適與否最后視主變量是否受影響來判斷，如果主變量還會(huì)受影響(不過這種影響比沒有副調(diào)節(jié)器采取抑制措施要小得多)，那么將再由主控制器進(jìn)行“細(xì)調(diào)”。由于這里對(duì)副環(huán)干擾有兩級(jí)控制措施，顯然控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)一個(gè)

29、調(diào)節(jié)器的控制質(zhì)量要好得多。即使干擾作用于主環(huán)，副環(huán)的超前作用雖然得不到體現(xiàn)，但是由于副回路的存在，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)縮小了，因而系統(tǒng)的工作頻率得以提高，能比單回路系統(tǒng)較為及時(shí)地對(duì)干擾采取控制措施，因而控制質(zhì)量也會(huì)比單回路控制系統(tǒng)高。 由上分析可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)由于有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器合力對(duì)干擾采取控制措施，因而抗干擾能力大為增強(qiáng)。 實(shí)踐證明，單回路控制系統(tǒng)控制質(zhì)量相比，當(dāng)干擾作用于副環(huán)時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)的質(zhì)量要高10到100倍；當(dāng)干擾作用于主環(huán)時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)的質(zhì)量也要高2到5倍。 過程控制中的對(duì)象經(jīng)常表現(xiàn)出非線性，隨著生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的改變，對(duì)象的特性就會(huì)發(fā)生變化。而控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)所設(shè)定的控制

30、器參數(shù)卻是在一定的負(fù)荷和操作條件下，按某種質(zhì)量指標(biāo)整定得到的。因此，這些控制器參數(shù)只能在一個(gè)較小的工作范圍內(nèi)與對(duì)象特性相匹配，如果負(fù)荷和操作條件變化過大，超出了這個(gè)適應(yīng)范圍，控制質(zhì)量就很難保證。這個(gè)問題是單回路控制系統(tǒng)中的一個(gè)難題。但是，串級(jí)控制系統(tǒng)就不同。雖然主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值給定值是隨著隨著主調(diào)節(jié)器的輸出而變化主調(diào)節(jié)器的輸出而變化的。主調(diào)節(jié)器可以按照生產(chǎn)負(fù)荷和操作條主調(diào)節(jié)器可以按照生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的變化情況相應(yīng)地調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的件的變化情況相應(yīng)地調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)上工作點(diǎn)上，從而保證在新的

31、負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。 3 3、由于副環(huán)的存在，使系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷或操作的變化具有一定的適、由于副環(huán)的存在，使系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷或操作的變化具有一定的適應(yīng)能力。應(yīng)能力。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，雖然主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值是隨著主調(diào)節(jié)器的輸出而變化的。主調(diào)節(jié)器可以按照生產(chǎn)負(fù)荷和操作條件的變化情況相應(yīng)地調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)上，從而保證在新的負(fù)荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。 如果對(duì)象有非線性特性存在，那么可以把它設(shè)計(jì)處于副回路之中，當(dāng)操作條件或負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，雖然副回路的衰減比會(huì)發(fā)生一些變化，穩(wěn)定裕度會(huì)降低一些，

32、但是，它對(duì)主回路的穩(wěn)定性影響卻很小。串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍： 根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，它主要適合于被控對(duì)象的容量滯后或純滯后時(shí)間較大，干擾作用強(qiáng)而且頻繁，或者生產(chǎn)負(fù)荷經(jīng)常大范圍波動(dòng)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝要求的場(chǎng)合。此外，當(dāng)一個(gè)生產(chǎn)變量需要跟隨另一個(gè)變量而變化或需要互相兼顧時(shí)，也可采用這種結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。 但串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)所需的儀表多，投運(yùn)和整定相應(yīng)也復(fù)雜一些。所以，如果單回路控制系統(tǒng)能夠解決問題時(shí)，就不一定采用串級(jí)控制方案。綜上所述，串級(jí)控制系統(tǒng)良好的控制性能歸因于：（1）對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力（2）改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率（3）對(duì)負(fù)荷或操作條

33、件的變化有一定的適應(yīng)能力。8.1.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用應(yīng)用于應(yīng)用于容量滯后較大容量滯后較大的過程的過程應(yīng)用于應(yīng)用于純時(shí)延較大純時(shí)延較大的過程的過程 應(yīng)用于應(yīng)用于擾動(dòng)變化激烈擾動(dòng)變化激烈的過程的過程 應(yīng)用于應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程的過程 應(yīng)用于應(yīng)用于非線性非線性的過程的過程 4.有一定的有一定的自適應(yīng)自適應(yīng)能力能力增設(shè)一個(gè)增設(shè)一個(gè)流量控制流量控制系統(tǒng)系統(tǒng) 兩個(gè)系統(tǒng)相兩個(gè)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，無(wú)互關(guān)聯(lián)，無(wú)法工作。法工作。進(jìn)料進(jìn)料蒸汽蒸汽采出采出F,zfB,xBLB再沸器再沸器精餾塔精餾塔TCTTFCFTV1V2應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例2：精餾塔提餾段溫度控制系統(tǒng)：精餾塔提餾

34、段溫度控制系統(tǒng) 精餾過程：將混合物料中各組分分離，精餾過程：將混合物料中各組分分離，達(dá)到規(guī)定的純度。達(dá)到規(guī)定的純度。 分離的機(jī)理：利用混合物中各組分的揮分離的機(jī)理：利用混合物中各組分的揮發(fā)度不同（沸點(diǎn)不同）使液相中的輕組發(fā)度不同（沸點(diǎn)不同）使液相中的輕組分（低沸物）和液相中的重組分（高沸分（低沸物）和液相中的重組分（高沸物）互相轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)分離。物）互相轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)分離。精餾塔示意圖精餾塔示意圖進(jìn)料進(jìn)料熱蒸汽熱蒸汽采出采出冷凝冷卻器冷凝冷卻器F,zfB,xBD,xDLBLDL回流罐回流罐回流泵回流泵再沸器再沸器精餾塔精餾塔提餾段溫度控制系統(tǒng)提餾段溫度控制系統(tǒng)進(jìn)料進(jìn)料熱蒸汽熱蒸汽采出采出F,

35、zfB,xBLB再沸器再沸器精餾塔精餾塔TCTT如果蒸汽壓力如果蒸汽壓力波動(dòng)比較大、波動(dòng)比較大、比較頻繁，而比較頻繁，而塔釜容量比較塔釜容量比較大，控制將很大，控制將很不及時(shí)，控制不及時(shí)，控制效果會(huì)很差。效果會(huì)很差?？刂崎y的蒸汽控制閥的蒸汽流量不僅與閥流量不僅與閥的開度有關(guān)，的開度有關(guān)，而且與閥前后而且與閥前后的壓力有關(guān)。的壓力有關(guān)。增設(shè)一個(gè)流量控制系統(tǒng)增設(shè)一個(gè)流量控制系統(tǒng) 兩個(gè)系統(tǒng)相兩個(gè)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，無(wú)互關(guān)聯(lián)，無(wú)法工作。法工作。進(jìn)料進(jìn)料蒸汽蒸汽采出采出F,zfB,xBLB再沸器再沸器精餾塔精餾塔TCTTFCFTV1V2關(guān)聯(lián)情況分析關(guān)聯(lián)情況分析 當(dāng)進(jìn)料量增大，提餾段溫度下降，當(dāng)進(jìn)料量增大，提餾

36、段溫度下降，TC開始開始調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)，V1開度增大，蒸汽流量增大。開度增大，蒸汽流量增大。 由于流量是個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到流量增由于流量是個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到流量增加，加，F(xiàn)C開始調(diào)節(jié)，使流量等于設(shè)定值，即開始調(diào)節(jié)，使流量等于設(shè)定值，即將將V2關(guān)小。關(guān)小。 上述兩種情況發(fā)生矛盾，無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制。上述兩種情況發(fā)生矛盾，無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制。構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)料進(jìn)料蒸汽蒸汽采出采出F,zfB,xBLB再沸器再沸器精餾塔精餾塔TCTTFCFT8.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1主參數(shù)主參數(shù)的選擇和的選擇和主回路主回路的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 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)串

37、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)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)，。對(duì)于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，基本基本上按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。上按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與凡直接或間接與生產(chǎn)過程運(yùn)行性能密切相關(guān)并可直接測(cè)量的工藝參數(shù)，均生產(chǎn)過程運(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)。若條件許可，可以選用可選作主參數(shù)。若條件許可，可以選用質(zhì)量指標(biāo)質(zhì)量指標(biāo)作為主參作為主參數(shù)，因?yàn)樗钪苯右沧钣行?。否則，應(yīng)選一個(gè)與產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)，因?yàn)樗钪苯右沧钣行?。否則，應(yīng)選一個(gè)與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有指標(biāo)有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)單值函數(shù)關(guān)系的參

38、數(shù)作為主參數(shù)。另外，對(duì)于選用。另外，對(duì)于選用的主參數(shù)必須具有足夠的的主參數(shù)必須具有足夠的變化靈敏度變化靈敏度，并須符合工藝過程，并須符合工藝過程的合理性。的合理性。 2副參數(shù)副參數(shù)的選擇和的選擇和副回路副回路的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) （1）副參數(shù)的選擇原則）副參數(shù)的選擇原則 8.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1）副參數(shù)的變化應(yīng)反映主參數(shù)的變換趨勢(shì)、并在很大程度）副參數(shù)的變化應(yīng)反映主參數(shù)的變換趨勢(shì)、并在很大程度上上影響影響主參數(shù)；主參數(shù)；2）選擇的副參數(shù)必須是物理上）選擇的副參數(shù)必須是物理上可測(cè)可測(cè)的；的；3）由副參數(shù)所構(gòu)成的副回路，調(diào)節(jié)通道盡可能短，調(diào)節(jié)過）由副參數(shù)所構(gòu)成的副回路，調(diào)節(jié)通道盡

39、可能短，調(diào)節(jié)過程時(shí)間常數(shù)不能太大，時(shí)間滯后小，以便使等效過程時(shí)間常程時(shí)間常數(shù)不能太大，時(shí)間滯后小，以便使等效過程時(shí)間常數(shù)顯著減小，提高整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)顯著減小，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率工作頻率，加快控制過程反映，加快控制過程反映速度，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。速度，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。 （2）副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的）副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾主要干擾，并盡可能并盡可能多包含一些干擾。多包含一些干擾。盡可能將帶有盡可能將帶有非線性或時(shí)變特性非線性或時(shí)變特性的環(huán)節(jié)包含于的環(huán)節(jié)包含于副回路副回路中。中。 8.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2副參數(shù)副參數(shù)的選擇和的選擇

40、和副回路副回路的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 常用的串級(jí)控制系統(tǒng)：溫度常用的串級(jí)控制系統(tǒng)：溫度+流量、溫度流量、溫度+壓力、液位壓力、液位+流量、流量、溫度溫度+溫度等。溫度等。（3）主、副回路時(shí)間常數(shù)的適當(dāng)）主、副回路時(shí)間常數(shù)的適當(dāng)匹配匹配 在選擇副變量時(shí)，應(yīng)注意使主、副回路中控制過程的時(shí)在選擇副變量時(shí)，應(yīng)注意使主、副回路中控制過程的時(shí)間常數(shù)之比為間常數(shù)之比為310，以減少主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，避免，以減少主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，避免“共振共振”。 在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，如果有幾種可供選擇的控制方案，則在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，如果有幾種可供選擇的控制方案，則應(yīng)同時(shí)把經(jīng)濟(jì)性原則和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來，進(jìn)行分析比應(yīng)同時(shí)把經(jīng)濟(jì)性原

41、則和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來，進(jìn)行分析比較，在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，力求節(jié)約。較，在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，力求節(jié)約。 （5）副回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮）副回路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性原則原則 （4）副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的）副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的合理性合理性 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)影響到工藝過程的正常運(yùn)行。到工藝過程的正常運(yùn)行。 （4）副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的）副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮生產(chǎn)工藝的合理性合理性 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)影響到工藝過程的正常運(yùn)

42、行。到工藝過程的正常運(yùn)行。 在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，如果有幾種可供選擇的控制方案，則在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，如果有幾種可供選擇的控制方案，則應(yīng)同時(shí)把經(jīng)濟(jì)性原則和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來，進(jìn)行分析比應(yīng)同時(shí)把經(jīng)濟(jì)性原則和控制品質(zhì)要求結(jié)合起來，進(jìn)行分析比較，在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，力求節(jié)約。較，在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，力求節(jié)約。 8.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2副參數(shù)副參數(shù)的選擇和的選擇和副回路副回路的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì) 3串級(jí)控制系統(tǒng)控制參數(shù)選擇串級(jí)控制系統(tǒng)控制參數(shù)選擇 （1）選擇）選擇可控性良好可控性良好的參數(shù)作為控制參數(shù)。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）所選擇的控制參

43、數(shù)必須使控制通道有足夠大的放大系數(shù)足夠大的放大系數(shù)， 并應(yīng)保證并應(yīng)保證大于大于主要擾動(dòng)通道的放大系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要主要擾動(dòng)通道的放大系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)主要 擾動(dòng)進(jìn)行有效控制并提高控制質(zhì)量。擾動(dòng)進(jìn)行有效控制并提高控制質(zhì)量。（3）所選控制參數(shù)必須使）所選控制參數(shù)必須使控制通道有較高的靈敏度，即時(shí)間控制通道有較高的靈敏度，即時(shí)間 常數(shù)適當(dāng)小一些。常數(shù)適當(dāng)小一些。（4）選擇控制參數(shù)應(yīng)同時(shí)考慮）選擇控制參數(shù)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性與工藝上的與工藝上的合理性合理性 。8.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4主、副控制器控制規(guī)律的選擇主、副控制器控制規(guī)律的選擇 主控制器起主控制器起定值控制定值控制作用、

44、副控制器起作用、副控制器起隨動(dòng)控制隨動(dòng)控制作用。作用。 8.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器通常選用通常選用PI調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)主變量的無(wú)差控制。調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)主變量的無(wú)差控制。當(dāng)控制當(dāng)控制通道容量滯后比較大通道容量滯后比較大時(shí)，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選用時(shí)，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選用PID調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。 副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器一般選用一般選用P調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)。為了能夠?yàn)榱四軌蚩焖俑櫩焖俑?，一般不引入積分調(diào)節(jié)。，一般不引入積分調(diào)節(jié)。主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則選擇原則：依然是依然是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋負(fù)反饋。 主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式主、副調(diào)節(jié)器的正

45、、反作用方式選擇的順序選擇的順序是：是： 首先首先根據(jù)工藝的要求確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式；根據(jù)工藝的要求確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式；然后然后按照副回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、按照副回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用；反作用；最后最后再依據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系和主回路構(gòu)成負(fù)反饋的原再依據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系和主回路構(gòu)成負(fù)反饋的原則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。則，確定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。5主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定 8.1.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8.1.5 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 常用的整定方

46、法有：常用的整定方法有：逐步逼近法逐步逼近法、兩步整定法兩步整定法、一步整定法一步整定法1逐步逼近法逐步逼近法 整定步驟：整定步驟： （1）主回路斷開，把副回路作為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，并按單回）主回路斷開，把副回路作為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，并按單回路路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定法，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值控制系統(tǒng)的參數(shù)整定法，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值W2(s)1。 （2）副調(diào)節(jié)器參數(shù)值置于）副調(diào)節(jié)器參數(shù)值置于W2(s)1數(shù)值上，把主回路閉合，把副回?cái)?shù)值上，把主回路閉合，把副回路作為一個(gè)等效環(huán)節(jié)，這樣，主回路又成為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。再按路作為一個(gè)等效環(huán)節(jié)，這樣，主回路又成為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。再按單回路

47、整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值W1(s)1。 （3）主調(diào)節(jié)器參數(shù)置于）主調(diào)節(jié)器參數(shù)置于W1(s)1上，主回路閉合，再按上述方法求上，主回路閉合，再按上述方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值W2(s)2。至此，完成了一次逼近循環(huán)至此，完成了一次逼近循環(huán)。若控。若控制制質(zhì)量已達(dá)到工藝要求，整定即告結(jié)束。主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值分別質(zhì)量已達(dá)到工藝要求，整定即告結(jié)束。主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值分別為為W1(s)1和和W2(s)2。否則，將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于。否則，將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于W2(s)2上，再按上上，再按上述方法求取主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)值述方

48、法求取主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)值W1(s)2。 如此如此循環(huán)循環(huán)下去，逐步逼近，直到滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。下去，逐步逼近，直到滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。 2兩步整定法兩步整定法 兩步整定法：第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。兩步整定法：第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。 整定步驟：整定步驟： （1）在工況穩(wěn)定、主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的）在工況穩(wěn)定、主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用的條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如，用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度）曲線法整定，求取

49、副調(diào)節(jié)器的比例度2s和操作周期和操作周期T2s。 （2）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值2s上，把副回路作上，把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主調(diào)節(jié)器的比例度例度1s和操作周期和操作周期T1s。 （3）根據(jù)求得的）根據(jù)求得的1s、T1s，2s、T2s數(shù)值，按單回路系統(tǒng)衰減數(shù)值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度曲線法整定公式計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間、積分時(shí)間T1和微分時(shí)和微分時(shí)間間TD的數(shù)值。的數(shù)值。 （4）按先副后主、先比例后積分最后微分的

50、整定程序，設(shè)置主、）按先副后主、先比例后積分最后微分的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，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。系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳為止。 8.1.5 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 3一步整定法一步整定法 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)。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)。 1cK02KsccKKKK021sK21cK5 . 0022KKc

51、02K2cK理論根據(jù)：串級(jí)控制系統(tǒng)可以等價(jià)為單回路反饋控制系統(tǒng)，其等理論根據(jù)：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)效調(diào)節(jié)器總的放大系數(shù)KC為主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)為主調(diào)節(jié)器放大系數(shù) 與與 回路等效放大系數(shù)的乘積，即回路等效放大系數(shù)的乘積，即在確定副調(diào)節(jié)器的比例度在確定副調(diào)節(jié)器的比例度 時(shí)，根據(jù)時(shí)，根據(jù)式中，式中， 為純比例作用下，產(chǎn)生為純比例作用下，產(chǎn)生4：1衰減比過程的總放大系數(shù)。衰減比過程的總放大系數(shù)。 這一關(guān)系式，這一關(guān)系式，通過副過程放大系數(shù)通過副過程放大系數(shù) ，求取副調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)，求取副調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù) ，或按經(jīng)，或按經(jīng)驗(yàn)選取。驗(yàn)選取。8.1.5 串

52、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 整定步驟：整定步驟：1cK2cK （1）在生產(chǎn)穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，由副過程）在生產(chǎn)穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，由副過程K02確定副確定副調(diào)節(jié)器的比例度，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。調(diào)節(jié)器的比例度，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。 （2）按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。）按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。 （3）觀察控制過程，根據(jù)）觀察控制過程，根據(jù) 與與 互相匹配的原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)互相匹配的原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。節(jié)器參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。 （4）在調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定過程中，若

53、出現(xiàn)）在調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定過程中，若出現(xiàn)“共振共振”，只要加大主、，只要加大主、副調(diào)節(jié)器中任何一個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，便可以消除副調(diào)節(jié)器中任何一個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，便可以消除“共振共振”。若。若“共振共振”劇劇烈，可以先切換至遙控，待生產(chǎn)穩(wěn)定后，將調(diào)節(jié)器參數(shù)置于比產(chǎn)生烈，可以先切換至遙控，待生產(chǎn)穩(wěn)定后，將調(diào)節(jié)器參數(shù)置于比產(chǎn)生“共振共振”時(shí)略大的數(shù)值上，重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。時(shí)略大的數(shù)值上，重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 例例 某工廠在石油裂解氣冷卻系統(tǒng)中，通過液態(tài)丙烯的氣化來某工廠在石油裂解氣冷卻系統(tǒng)中，通過液態(tài)丙烯的氣化來吸收熱量，以保持裂解氣出口溫度的穩(wěn)定。組成以出口溫度為主吸收熱量，以保持裂解

54、氣出口溫度的穩(wěn)定。組成以出口溫度為主參數(shù)、氣化壓力為副參數(shù)的溫度與壓力串級(jí)控制系統(tǒng)。參數(shù)、氣化壓力為副參數(shù)的溫度與壓力串級(jí)控制系統(tǒng)。采用一步整定法：采用一步整定法： （1）在本系統(tǒng)中，副參數(shù)為壓力，該參數(shù)反應(yīng)快，滯后小，比）在本系統(tǒng)中，副參數(shù)為壓力，該參數(shù)反應(yīng)快，滯后小，比例度可選小一些，根據(jù)本例具體情況，選取副調(diào)節(jié)器比例度為例度可選小一些，根據(jù)本例具體情況，選取副調(diào)節(jié)器比例度為40%。 （2）將副調(diào)節(jié)器的比例度）將副調(diào)節(jié)器的比例度2置于置于40%的刻度上，按的刻度上，按4：1衰減曲衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，得到線法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，得到1s30%，TI13min。 （3）按）按4：1衰減曲

55、線法的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主調(diào)節(jié)器參數(shù)，即衰減曲線法的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主調(diào)節(jié)器參數(shù)，即 20.81s0.830%24% TI10.3 TI1s=0.33=0.9min Td10.1 TI1s=0.13=0.3min 副調(diào)節(jié)器的比例度副調(diào)節(jié)器的比例度240%。 （4）按照）按照“先比例后積分再微分先比例后積分再微分”的程序，將主調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于的程序，將主調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于計(jì)算求得的數(shù)值上，使系統(tǒng)投入運(yùn)行，實(shí)踐證明，系統(tǒng)主參數(shù)穩(wěn)定，計(jì)算求得的數(shù)值上，使系統(tǒng)投入運(yùn)行，實(shí)踐證明，系統(tǒng)主參數(shù)穩(wěn)定，完全滿足工程要求。完全滿足工程要求。 例例 在硝酸生產(chǎn)過程中，有一個(gè)氧化爐與氨氣流量的串級(jí)控制在硝酸生產(chǎn)過程中，有一個(gè)氧

56、化爐與氨氣流量的串級(jí)控制系統(tǒng)，爐溫為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超過系統(tǒng)，爐溫為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超過50C，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)變化，要求不高。，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)變化，要求不高。采用兩步整定法：采用兩步整定法： （1）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主調(diào)節(jié)器選用）在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主調(diào)節(jié)器選用PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選用控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器選用P控制規(guī)律，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件下，主、副調(diào)節(jié)器均置于純比例作用，控制規(guī)律，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行條件下，主、副調(diào)節(jié)器均置于純比例作用，主調(diào)節(jié)器的比例度主調(diào)節(jié)器的比例度置于置于100%上，用上，用4：1衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器參

57、衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，得數(shù)，得2s32%，T2s15s。 （2）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于32%上，用相同的整定方法，將主調(diào)上，用相同的整定方法，將主調(diào)節(jié)器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，求得主調(diào)節(jié)器的節(jié)器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，求得主調(diào)節(jié)器的1s50%，T17min。 （3）根據(jù)上述求得的各參數(shù)，運(yùn)用）根據(jù)上述求得的各參數(shù)，運(yùn)用4：1衰減曲線法整定計(jì)算公式，衰減曲線法整定計(jì)算公式，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為：主調(diào)節(jié)器（溫度調(diào)節(jié)器）：計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為：主調(diào)節(jié)器（溫度調(diào)節(jié)器）： 比例度比例度11.21s60% 積分時(shí)間積分時(shí)間T10.5T1s3.5min 副調(diào)

58、節(jié)器（流量調(diào)節(jié)器）：副調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)器）： 比例度比例度22s32%。 （4）把上述計(jì)算的參數(shù)，按先比例后積分的次序，分別設(shè)置在主、）把上述計(jì)算的參數(shù)，按先比例后積分的次序，分別設(shè)置在主、副調(diào)節(jié)器上，并使串級(jí)控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運(yùn)行。副調(diào)節(jié)器上，并使串級(jí)控制系統(tǒng)在該參數(shù)下運(yùn)行。 【例1】某聚合反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行放熱反應(yīng)，釜溫過高會(huì)發(fā)生事故，為此采用夾套水冷卻。由于釜溫控制要求較高，且冷卻水壓力、溫度波動(dòng)較大，故設(shè)置控制系統(tǒng)如圖所示。 這是什么類型的控制系統(tǒng)？試畫出其框圖，說明其主變量和副變量是什么； 選擇調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式； 選擇控制器的正、反作用； 選擇主、副控制器的選擇主、副控制器的控制規(guī)律

59、控制規(guī)律；如如主要干擾主要干擾是冷卻水的是冷卻水的溫度溫度波動(dòng)，波動(dòng)，試簡(jiǎn)述其控制過程；試簡(jiǎn)述其控制過程；如如主要干擾主要干擾是冷卻水的是冷卻水的壓力壓力波動(dòng)，波動(dòng)，試簡(jiǎn)述其控制過程，并說明這時(shí)可試簡(jiǎn)述其控制過程，并說明這時(shí)可如何如何改進(jìn)改進(jìn)控制方案，以提高控制質(zhì)控制方案，以提高控制質(zhì)量。量。8.1.6 串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析【例2】某干燥器的流程如圖所示。干燥器采用夾套加熱和真空抽吸并行的方式來干燥物料。夾套內(nèi)通入的是經(jīng)列管式加熱器加熱后的熱水，而加熱器采用的是飽和蒸汽。為了提高干燥速度，應(yīng)有較高的干燥溫度,但過高會(huì)使物料的物性發(fā)生變化，這是不允許的，因此要求對(duì)干燥溫度進(jìn)行

60、嚴(yán)格控制。 如果蒸汽壓力波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試確定這時(shí)控制閥的氣開、氣關(guān)形式與控制器的正、反作用。 如果如果冷水流量波動(dòng)是主要干擾冷水流量波動(dòng)是主要干擾，應(yīng)采，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試確定這時(shí)用何種控制方案？為什么？試確定這時(shí)控制器的正、反作用和控制閥的氣開、控制器的正、反作用和控制閥的氣開、氣關(guān)形式。氣關(guān)形式。如果如果冷水流量與蒸汽壓力都經(jīng)常波動(dòng)冷水流量與蒸汽壓力都經(jīng)常波動(dòng)，應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試畫出應(yīng)采用何種控制方案？為什么？試畫出這時(shí)的控制流程圖，確定控制器的正、這時(shí)的控制流程圖，確定控制器的正、反作用。反作用。8.1.6 串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例分析串級(jí)控