第五章-串級(jí)控制系統(tǒng)課件

單回路控制系統(tǒng)：簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。過(guò)程控制系統(tǒng)中占有相當(dāng)大的比例。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方案的選擇及參數(shù)整定等對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)均有見(jiàn)解。

5.1單回路控制系統(tǒng)第五章串級(jí)控制系統(tǒng)1簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）一個(gè)被控對(duì)象，一個(gè)測(cè)量變送器，一個(gè)控制器和一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（控制閥）組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。2被控變量的選擇：1）選擇能直接反映過(guò)程產(chǎn)品和質(zhì)量又易于測(cè)量的參數(shù)作為被控變量——直接參數(shù)法；2）選擇那些間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直接參數(shù)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系，易于測(cè)量的參數(shù)作為被控變量——間接參數(shù)法。例如：化工生產(chǎn)中精餾塔把混合物分離為較純組分的產(chǎn)品，系統(tǒng)的要求就是產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的純度，塔頂出物的濃度最能直接反映過(guò)程的要求，準(zhǔn)確檢測(cè)？及時(shí)測(cè)量？可用塔頂?shù)臏囟乳g接作為被控變量。3操縱變量的選擇：從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中，選擇一個(gè)對(duì)被控變量影響顯著而且可控性能良好的輸入?yún)?shù)作為操縱變量，而其它未被選中的所有輸入量看作系統(tǒng)的干擾，通過(guò)改變操縱變量去克服干擾的影響。

根據(jù)過(guò)程干擾因素的來(lái)源和大小，以被控過(guò)程特性參數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響為依據(jù)，正確選擇操縱變量。4被控對(duì)象的特性可由兩條通道來(lái)描述：控制通道----操縱變量對(duì)被控變量影響的通道；干擾通道----干擾變量對(duì)被控變量影響的通道。在生產(chǎn)過(guò)程中可能有幾個(gè)控制變量可選擇，通過(guò)分析不同的控制通道和不同的擾動(dòng)通道對(duì)控制質(zhì)量的影響給出合理的選擇。操縱變量的選擇要考慮對(duì)象特性對(duì)控制系統(tǒng)的影響。51.放大系數(shù)對(duì)控制質(zhì)量的影響61）擾動(dòng)通道放大倍數(shù)越小越好，擾動(dòng)對(duì)被控變量的影響小，控制精度越高。2）操縱變量對(duì)被控變量的影響顯著，控制作用強(qiáng)，要求控制通道的放大倍數(shù)要大些，但必須以滿足工藝生產(chǎn)的合理性為前提條件；選擇操縱變量時(shí)：72.對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的影響1）擾動(dòng)通道特性的影響系統(tǒng)特征方程：系統(tǒng)特征方程發(fā)生變化，即在根平面上增加一個(gè)的附加極點(diǎn)，隨著時(shí)間常數(shù)Td的增大，其對(duì)應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程分量的衰減系數(shù)減小，過(guò)程變慢，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)；但其分量的幅值減小到使過(guò)程的超調(diào)量隨Td的增大而減小，控制質(zhì)量得到提高。8擾動(dòng)通道的純滯后不會(huì)影響控制質(zhì)量。擾動(dòng)通道的時(shí)間常數(shù)越大，干擾對(duì)被控變量的影響越緩慢，即對(duì)控制質(zhì)量的影響越小；擾動(dòng)通道存在純滯后時(shí)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為92）干擾作用位置對(duì)控制質(zhì)量的影響干擾通道具有慣性環(huán)節(jié)階數(shù)增加，對(duì)干擾信號(hào)的緩和作用越強(qiáng)，系統(tǒng)克服它的影響就越容易，控制質(zhì)量也就越高。操縱變量選擇時(shí)，應(yīng)使干擾信號(hào)遠(yuǎn)離被控量點(diǎn)。10（2）控制通道的影響控制通道中時(shí)間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏，控制及時(shí)，有利于克服干擾的影響，但時(shí)間常數(shù)過(guò)小，容易引起過(guò)渡的振蕩；時(shí)間常數(shù)過(guò)大，控制作用遲緩，被控變量的超調(diào)量加大，過(guò)渡過(guò)程時(shí)間增長(zhǎng)。11純滯后的存在操縱變量對(duì)被控變量的作用推遲，控制作用的推遲，不但使被控變量的超調(diào)量加大，還使過(guò)渡過(guò)程震蕩加劇，時(shí)間也增長(zhǎng)，控制質(zhì)量變壞。12

操縱變量的選擇原則：（1）構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其控制通道特性應(yīng)具有足夠大的放大倍數(shù)，比較小的時(shí)間常數(shù)及盡可能小的純滯后時(shí)間；（2）系統(tǒng)主要擾動(dòng)通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時(shí)間常數(shù)和盡可能小的放大系數(shù)；（3）應(yīng)考慮工藝上的合理性、經(jīng)濟(jì)性。13噴霧式干燥塔14碳酸鈣漿液干燥過(guò)程工藝流程：碳酸鈣漿液與加壓空氣由底部進(jìn)入塔內(nèi)，經(jīng)噴嘴噴出呈霧狀。另一路空氣由鼓風(fēng)機(jī)送至換熱器加熱后，與未加熱的空氣混合后進(jìn)入干燥塔內(nèi)，以蒸發(fā)漿液中的水分，成粉狀，并隨空氣一起送出。經(jīng)旋風(fēng)分離器分離，得到粉狀碳酸鈣（產(chǎn)品）。15被控變量的選擇：產(chǎn)品的濕度測(cè)量十分困難，根據(jù)工藝分析，產(chǎn)品的濕度與塔出口溫度密切相關(guān)，若保證溫度波動(dòng)小于2-5度，則符合質(zhì)量要求。選擇干燥塔出口溫度作為被控參數(shù)（間接參數(shù)）。16操縱變量的選擇：影響干燥塔出口溫度的主要因素有：加壓空氣流量，漿液流量，旁路空氣流量，煙道流量?？捎兴姆N變量作為操縱變量。根據(jù)工藝的具體情況分析，得出應(yīng)該的操縱變量。17若采用加壓空氣流量作為操縱變量，空氣直接進(jìn)入干燥塔，控制通道時(shí)滯最小，對(duì)干燥溫度的控制作用最靈敏。其它變量構(gòu)成的干擾通道相對(duì)滯后較大，整個(gè)控制系統(tǒng)的品質(zhì)比較好，應(yīng)該選擇方案。但是從工藝看，加壓空氣的作用是將漿液噴成霧狀，其流量的大小影響漿液的霧化程度，當(dāng)漿液流量確定后，加壓空氣的流量應(yīng)保持某一常數(shù)值。而這是一個(gè)不可控的因素，所以此方案不可采用。18若采用漿液流量作為操縱變量，控制通道滯后小，系統(tǒng)的控制作用及時(shí)，但是，漿液流量決定著生產(chǎn)負(fù)荷，如果取它為操縱變量，將影響產(chǎn)量，這是工藝過(guò)程所不容許的，所以此方案也不可選取。19若選擇旁路空氣作為操縱變量，漿液流量作為擾動(dòng)信號(hào)，其構(gòu)成的控制通道的滯后也較小，同時(shí)擾動(dòng)通道的時(shí)滯較大，控制系統(tǒng)的效果最好。若選擇煙道氣流量作為操縱變量，漿液流量作為擾動(dòng)信號(hào)，其構(gòu)成的控制通道的滯后也較小，但比旁路空氣作為操縱變量構(gòu)成的系統(tǒng)的時(shí)滯大一些。

20總體分析幾種控制方案，并考慮生產(chǎn)工藝的具體情況，得出選擇旁路空氣作為系統(tǒng)的操縱變量。21干燥塔總體控制方案：加壓空氣單獨(dú)設(shè)計(jì)一流量控制系統(tǒng)，以排除其對(duì)干燥塔溫度的影響；在溫度控制系統(tǒng)中，取塔出口溫度為被控變量，旁路空氣為操縱變量。22

單回路控制系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但難于適應(yīng)工藝參數(shù)間關(guān)系比較復(fù)雜的控制，特別是現(xiàn)代大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn),高精度，高效益的要求。5.2串級(jí)控制基本概念23串級(jí)控制系統(tǒng)（CascadeControl)：對(duì)改善控制品質(zhì)有獨(dú)到之處，故而在過(guò)程控制系統(tǒng)中應(yīng)用很廣泛。

復(fù)雜控制系統(tǒng)：具有兩個(gè)以上的檢測(cè)變送單元、或控制器、或執(zhí)行器，能完成一些復(fù)雜或特殊的任務(wù)245.1.1串級(jí)控制的提出隔焰式隧道窯溫度控制系統(tǒng)251.工作原理：1）陶瓷制品預(yù)熱，燒結(jié)溫度1300℃，偏差＜±5℃，影響產(chǎn)品質(zhì)量；2）燒成帶溫度作為被控量，燃料的流量作為操縱變量；3）隔焰（火焰在燃燒室，防止有害物質(zhì)影響產(chǎn)品光澤）26簡(jiǎn)單控制：27假設(shè)系統(tǒng)燃燒室和燒成帶的數(shù)學(xué)模型均為慣性加純滯后環(huán)節(jié)控制閥為比例環(huán)節(jié)控制器采用PID控制，在此假設(shè)控制器采用PID控制器，其中Kp=0.36，Ti=45，TD=0，單回路控制系統(tǒng)仿真框圖和干擾D1、D2分別作用下系統(tǒng)輸出仿真曲線如圖所示。28（a）干擾D1作用下（b）干擾D2作用下292.存在問(wèn)題：控制閥到窯道燒成帶滯后時(shí)間長(zhǎng)，燃料的壓力波動(dòng)等，得不到及時(shí)調(diào)節(jié)，造成溫度波動(dòng)過(guò)大，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。3.解決方法：若單獨(dú)考慮燃料壓力的波動(dòng)，它首先影響燃燒室的溫度（滯后時(shí)間小），能否控制燃燒時(shí)溫度來(lái)達(dá)到穩(wěn)定燒成帶溫度？30燃燒室溫度控制系統(tǒng)31直接影響燒成帶溫度的干擾（制品原料，窯車速度）無(wú)法調(diào)節(jié)。燃燒室溫度作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)32（a）干擾D1作用下（b）干擾D2作用下33第一種控制包括系統(tǒng)所有干擾，第二種控制只能對(duì)主要干擾提前發(fā)現(xiàn)，及時(shí)控制。燒成帶溫度控制---主導(dǎo)作用，為定值控制；燃燒室溫度控制----輔助作用，它受燒成帶溫度控制器的操縱，即燒成帶溫度控制器的輸出作為燃燒室溫度控制器的設(shè)定值。形成串級(jí)控制系統(tǒng)。34溫度—溫度串級(jí)控制系統(tǒng)35串級(jí)控制系統(tǒng)：采用兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出去操縱控制閥，從而對(duì)主被控變量具有更好的控制效果。36隔焰隧道窯串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖37串級(jí)控制系統(tǒng)原理方框圖5.1.2串級(jí)控制系統(tǒng)的組成38串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語(yǔ)

主被控參數(shù)——起主導(dǎo)作用的被控參數(shù)。

副被控參數(shù)——為穩(wěn)定主參數(shù)而引入的中間輔助參數(shù)。

主被控過(guò)程——由主被控參數(shù)表征其特性的生產(chǎn)過(guò)程。其輸入量為副被控參數(shù)，輸出量為主被控參數(shù)。

副被控過(guò)程——由副被控參數(shù)作為輸出的生產(chǎn)過(guò)程，其輸入量為控制參數(shù)。

39串級(jí)控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語(yǔ)主調(diào)節(jié)器——按主被控參數(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。副調(diào)節(jié)器——按副被控參數(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，其輸出控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。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)。

二

次

擾動(dòng)——包括在副回路內(nèi)的擾動(dòng)。

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5.1.3工作過(guò)程

1）干擾作用于副回路（二次干擾）干擾為燃料壓力波動(dòng)，首先引起燃燒室溫度變化，副控制器作定值控制（因滯后，并不立即引起燒成帶溫度變化）燃料流量將被調(diào)回到穩(wěn)態(tài)值附近，如果干擾不大，副回路的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)平穩(wěn)，不會(huì)引起主變量變化。如果干擾較大，副回路的作用已大大消弱了它對(duì)主變量的影響，隨時(shí)間的推移，主變量仍會(huì)受影響，主控制器作定值控制，克服干擾對(duì)主變量的影響。41（a）單回路控制系統(tǒng)（b）串級(jí)控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)二次干擾作用下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線422）干擾作用于主回路（一次干擾）干擾導(dǎo)致主變量變化，主控制器作用，副控制器的設(shè)定值變化（副變量的檢測(cè)值不變），等效為設(shè)定值不變，測(cè)量值變化的副控制器的定值控制。注意：副回路沒(méi)有搶先動(dòng)作克服干擾，而是接受主控制信號(hào)之后才工作。主控制器起主導(dǎo)作用，副控制器處于從屬地位。43（a）單回路控制系統(tǒng)（b）串級(jí)控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)一次干擾作用下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線443）干擾同時(shí)作用主，副回路（一，二次干擾）（1）干擾引起主副回路同向變化

主控制器的作用和副控制器的作用也為同向，副控制器獲得的偏差大，控制作用也大，克服干擾的能力強(qiáng)。（2）干擾引起主副回路反向變化若變化大小相同，二次干擾可補(bǔ)償一次干擾，閥門(mén)無(wú)需調(diào)節(jié)；若不相同，主控制器調(diào)節(jié)，副控制器在作小范圍調(diào)節(jié)，主控制器為主導(dǎo)，主副控制器協(xié)調(diào)一致。45（a）單回路控制系統(tǒng)（b）串級(jí)控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)一次、二次干擾同時(shí)作用下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線46另一實(shí)例反應(yīng)釜溫度與溫度串級(jí)控制475.2串級(jí)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)5.2.1系統(tǒng)分析串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上僅僅比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)多了一個(gè)副控制回路，但對(duì)系統(tǒng)的影響特別大。5.2.1.1減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)48串級(jí)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖49串級(jí)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖50串級(jí)控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化方框圖51副回路的等效傳遞函數(shù)52無(wú)論在何種情況下，不等式總是成立的，由此得：53

串級(jí)控制系統(tǒng)能使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)變小，意味著控制通道的縮短，使控制作用更及時(shí)，響應(yīng)速度更快，控制質(zhì)量提高。

等效副回路的放大系數(shù)減小，這可使主控制器的增益整定的比單回路控制大些，對(duì)系統(tǒng)抗干擾能力更有利。54串級(jí)控制系統(tǒng)使擾動(dòng)的穩(wěn)態(tài)余差比單回路系統(tǒng)余差大大減小。單回路時(shí)副環(huán)擾動(dòng)的傳遞函數(shù)串級(jí)時(shí)副環(huán)擾動(dòng)的傳遞函數(shù)55串級(jí)控制后，副環(huán)的擾動(dòng)的穩(wěn)態(tài)余差降低了565.2.1.2提高了系統(tǒng)工作頻率串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程57設(shè)主副回路各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)代入，整理得串級(jí)系統(tǒng)的特征方程，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率5859單回路控制系統(tǒng)的特征方程及頻率60假設(shè)串級(jí)控制和單回路控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)相同，則

串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率提高，使振蕩周期縮短，系統(tǒng)的快速性提高，改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。615.2.1.3增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力串級(jí)控制中，假定二次干擾從控制閥前進(jìn)入副回路干擾從閥前進(jìn)入串級(jí)系統(tǒng)62擾動(dòng)信號(hào)作用下產(chǎn)生的輸出，可用如下等效變換圖63設(shè)定值作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)干擾作用下的輸出為誤差，其越塊衰減越好；設(shè)定值作用下的輸出越快趨于設(shè)定值越好。評(píng)價(jià)值64主副控制器的增益之積越大，系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)，控制品質(zhì)越好。65單回路控制系統(tǒng)評(píng)價(jià)值66副回路的存在，能迅速克服二次干擾對(duì)主變量的影響，大大提高了控制質(zhì)量。另外，對(duì)于一次干擾，因時(shí)間常數(shù)的減小，其抗干擾能力也有一定提高。5.2.1.4對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性增強(qiáng)1）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)控制系統(tǒng)，其設(shè)定值隨主控制器的輸出而變化，適應(yīng)負(fù)荷變化的能力較強(qiáng)。67當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，對(duì)象特性也變化，但串級(jí)控制中副對(duì)象的等效放大倍數(shù)只與檢測(cè)變送環(huán)節(jié)的增益有關(guān)，與控制閥和副對(duì)象的增益無(wú)關(guān)。也就是串級(jí)控制系統(tǒng)能自動(dòng)的克服對(duì)象特性的影響，從而顯示它對(duì)負(fù)荷變化具有一定的自適應(yīng)能力。2）串級(jí)控制系統(tǒng)中等效副對(duì)象的放大倍數(shù)為685.2.1.5.串級(jí)控制可實(shí)現(xiàn)更為靈活的控制操作方式串級(jí)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制，主控制，副控制多種控制方式。主控是切除副回路，以主被控變量作為被控變量的單回路控制；副控是切除主回路。若系統(tǒng)某些部件發(fā)生故障，系統(tǒng)可零活切換，減小對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的影響。69例：設(shè)串級(jí)控制系統(tǒng)的主，副對(duì)象的傳遞函數(shù)分別為主，副控制器的傳遞函數(shù)分別為簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)控制效果如下表70二次干擾作用71一次干擾作用72一，二次干擾同時(shí)作用73控制品質(zhì)指標(biāo)Kc=3.7TI=38Kc1=8.4Kc2=10TI=12.8衰減率0.750.75余差00系統(tǒng)工作頻率0.0870.23二次干擾作用下的最大偏差0.280.013一次干擾作用下的最大偏差0.350.13簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)串級(jí)控制系統(tǒng)745.2.2串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正確合理地設(shè)計(jì)，才能使串級(jí)控制系統(tǒng)發(fā)揮其特點(diǎn)。設(shè)計(jì)包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律選型和正、反作用的確定。5.2.2.1主、副回路的選擇(一)、主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，可以按單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。75

主變量(操縱量)的選擇原則主要有：

(1)、條件允許時(shí)選擇反應(yīng)控制目的的參數(shù)作為主變量。

(2)、其次考慮選擇與質(zhì)量有單值關(guān)系的間接參數(shù)作為主變量。

(3)、所選主變量應(yīng)有足夠的靈敏度，且工藝合理、易實(shí)現(xiàn)。76(二)、副回路決定整個(gè)串級(jí)系統(tǒng)的性能關(guān)鍵是副變量的選擇1）應(yīng)使主要的和更多的干擾落入副回路應(yīng)將變化最劇烈、幅度最大、最頻繁的擾動(dòng)包括在副回路中。研究系統(tǒng)的干擾來(lái)源是十分重要的。以管式加熱爐為例，主擾動(dòng)為燃油壓力還是燃油熱值，則副回路的選擇大不相同。77管式加熱爐串級(jí)控制方案78系統(tǒng)主控變量---出口溫度，燃料油的流量作為操縱變量，1）單回路控制--T1T測(cè)溫T1C控制閥；控制通道時(shí)間常數(shù)達(dá)15min,控制不及時(shí)，另外，燃料油壓力波動(dòng)較大且頻繁，可選如下2）出口溫度與閥前壓力的串級(jí)控制；3）出口溫度與燃料流量的串級(jí)控制；79

并非包括的干擾越大越好。干擾包括得越大，副變量的位置會(huì)越靠近主變量，靈敏度會(huì)降低，副回路的優(yōu)越性體現(xiàn)不出來(lái)。若原料油的流量波動(dòng)頻繁（原料油的入口溫度波動(dòng)較大）4）出口溫度與爐膛溫度的串級(jí)控制。802）主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要匹配串級(jí)控制系統(tǒng)中，主，副控制回路是兩個(gè)相互獨(dú)立又密切相關(guān)的回路，在一定條件下，如果受到某種干擾的作用，主參數(shù)的變化進(jìn)入副回路時(shí)，會(huì)引起副參數(shù)的波動(dòng)，振幅的增加，而副參數(shù)的變化傳送到主環(huán)后，又使主參數(shù)的變化幅值增加，如此循環(huán)，就會(huì)使主，副參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間大幅度地波動(dòng)，形成串級(jí)控制系統(tǒng)的共振。導(dǎo)致控制品質(zhì)惡化，為此，主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)的選擇要匹配。81串級(jí)與單回路頻率的比值與主副時(shí)間常數(shù)的比值的關(guān)系為了避免共振效應(yīng)，在設(shè)計(jì)時(shí)，務(wù)必將主，副回路的工作頻率錯(cuò)開(kāi)。82定性分析關(guān)系曲線：1）串級(jí)控制系統(tǒng)頻率增長(zhǎng)的速度在T01/T02較小時(shí)最為顯著；2）T02小一點(diǎn)，副回路靈敏，控制作用快一點(diǎn)，但T01/T02比值加大，提高系統(tǒng)的工作頻率不利；3）T02過(guò)小，導(dǎo)致副回路過(guò)于靈敏而不穩(wěn)定。83(1)、當(dāng)T01/T02>10時(shí)，則T02很小，副回路包括的干擾很少，作用未發(fā)揮，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也受影響。(2)、當(dāng)T01/T02<3時(shí)，說(shuō)明T02過(guò)大，副回路包括的干擾過(guò)多，控制作用不及時(shí)。(3)、當(dāng)T01/T021時(shí)，主、副對(duì)象之間動(dòng)態(tài)聯(lián)系密切，主、副回路易出現(xiàn)“共振效應(yīng)”84

究竟T02取多大為好，應(yīng)按具體情況確定。若欲快速克服主干擾，則小一點(diǎn)為好；若欲克服對(duì)象的大滯后，可取大點(diǎn)；若欲克服對(duì)象的非線性，則T01/T02宜取大一些。一般認(rèn)為：T01/T02=310較合適。853）選副回路應(yīng)考慮工藝上的合理性只有滿足工藝要求，才具有實(shí)用性。先考慮工藝要求，再考慮其他要求。4）、副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性原則技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)應(yīng)綜合考慮。865.2.2.3主、副控制器的選擇(一)、控制規(guī)律的選擇

1、對(duì)主變量控制質(zhì)量要求高主變量宜采用PI規(guī)律；欲克服容量滯后，應(yīng)引進(jìn)微分作用，采用PID規(guī)律。副變量一般采用P規(guī)律就可以了。2、對(duì)副變量控制要求也較高主、副變量均采用PI控制規(guī)律。

87

3、對(duì)主變量控制要求不高，甚至允許小波動(dòng)主變量采用P規(guī)律，副回路對(duì)主回路的跟隨要求快而準(zhǔn)時(shí)采用PI控制規(guī)律。

4、對(duì)主、副變量控制要求均不高可均采用P規(guī)律；必要時(shí)對(duì)主變量控制引進(jìn)微分作用。88從串級(jí)控制系統(tǒng)的余差來(lái)看主副控制器的選擇假設(shè)主，副廣義對(duì)象均為一階慣性（1）擾動(dòng)進(jìn)入副環(huán)，且D2(s)=1/s，系統(tǒng)的余差為89當(dāng)主，副控制器均為P控制器時(shí)：當(dāng)主，副控制器中有一個(gè)具有積分作用時(shí)：（2）擾動(dòng)進(jìn)入主環(huán)，且D1(s)=1/s，系統(tǒng)的余差為90當(dāng)主控制器為PI時(shí)，副控制器為P或PI時(shí)：91而當(dāng)主控制器為P，副控制器為P或PI時(shí)：所以，要消除余差，串級(jí)控制系統(tǒng)的主控制器采用PI，副控制器為P或PI。92(二)、控制器正、反作用方式的選擇定義：如果輸入控制器的測(cè)量信號(hào)增大，控制器的輸出也增大，則稱其作用方式為正作用，否則為反作用。正反作用方式選擇方式有邏輯推理法和判別式法93（1）邏輯推理法控制器正反作用選擇的推理過(guò)程94隔焰式隧道窯溫度控制系統(tǒng)為例a)副回路燃燒室溫度T2升高要求燃料的流量減小要求閥上的控制信號(hào)減小要求T2C的比例作用的輸出減小。T2C選反作用方式95b)主回路確定主控制器的正反作用，要利用副控制器的選擇結(jié)果。燒成帶溫度T1升高要求燃料流量減小要求閥上控制信號(hào)減小由于副控制器是“反”作用，要求副控制器的設(shè)定值減小要求主控制器比例作用的輸出減小。T1C選擇“反”作用96(2)判別式法串級(jí)控制系統(tǒng)控制器正、反作用方式的確定原則同單回路控制系統(tǒng)---保證系統(tǒng)為負(fù)反饋。

a)副回路副控制器正反作用選擇的判別式

(副控制器+/-)(控制閥+/-)(副對(duì)象+/-)=(-)控制閥的+/-取決于它得作用方式，“氣開(kāi)”為“+”，“氣關(guān)”為“-”。（從安全角度選擇控制閥的類型）副對(duì)象的+/-取決于操縱變量和副控制變量的關(guān)系，操縱變量增大，副控制變量也增大時(shí)稱其“+”，操縱變量增大，副控制變量減小時(shí)稱其“-”。97b)主回路主控制器正反作用選擇的判別式

(主控制器+/-)(副對(duì)象+/-)(主對(duì)象+/-)=(-)

因此，當(dāng)主副變量同向變化時(shí)，主控制器應(yīng)選反作用方式；當(dāng)主副變量反向變化時(shí)，則應(yīng)選正作用方式。98說(shuō)明：若生產(chǎn)過(guò)程要求系統(tǒng)既可進(jìn)行串級(jí)控制又可由主控制器單獨(dú)控制。兩種控制方式切換時(shí)，要注意主控制器的正反作用方式是否要改變。若副控制器是反作用，切換時(shí)主控制器的作用方式不變；若副控制器是正作用，切換時(shí)主控制器的作用方式要改變。99主，副控制器的防積分飽和措施積分飽和現(xiàn)象：造成系統(tǒng)控制品質(zhì)下降甚至失控。串級(jí)控制系統(tǒng)，主，副控制器中，副控制器采用P，主控制器采用PI，PID，積分飽和的條件與單回路控制系統(tǒng)相同，可采用外部積分反饋法。100主，副控制器均有積分作用：存在兩個(gè)控制器輸出都達(dá)到極值點(diǎn)的可能，串級(jí)控制系統(tǒng)的失控范圍要比單回路控制系統(tǒng)積分飽和失控大得多。101管式加熱爐串級(jí)控制方案燃料油設(shè)定值熱原料油冷原料油102主控制副控制閥門(mén)開(kāi)度出口溫度103副控制器防止積分飽和的方法和單回路控制系統(tǒng)的方法相同，采用外部積分反饋法。主控制器防止積分飽和的方法仍然是外部積分反饋法，只是其反饋信號(hào)不是主控制器的輸出，而是副變量的測(cè)量值作為主控制器的外部反饋信號(hào)。104間歇單元105當(dāng)副回路出現(xiàn)長(zhǎng)期偏差時(shí)，主控制器的輸出R2僅于其輸入信號(hào)E1之間僅僅存在比例關(guān)系。而此時(shí)的Y2只是主控制器輸出的一個(gè)偏置值。1065.3串級(jí)控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度，其品質(zhì)指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)一樣。副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，只要求副參數(shù)能快速而準(zhǔn)確地跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化即可。

107在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法、一步整定法等。5.3.1逐步逼近法逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。該方法較繁瑣。具體步驟為：

(1)先斷開(kāi)主回路，整定副控制器。108主回路斷開(kāi)，把副回路按單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值[GC2(s)]1。(2)閉合主回路，整定主控制器副調(diào)節(jié)器參數(shù)置于[GC2(s)]1上，閉合主回路，副回路作為一個(gè)等效環(huán)節(jié)。按單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值[GC1(s)]1

。

109(3)重新整定副控制器參數(shù)主調(diào)節(jié)器參數(shù)置于[GC1(s)]1上，閉合主回路，再按上述方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值[GC2(s)]2

。（4）重新整定主控制器參數(shù)副調(diào)節(jié)器參數(shù)置于[GC2(s)]2

上，閉合主回路，再按上述方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值[GC1(s)]2

。110完成一次逼近循環(huán)后，可循環(huán)下去，逐步逼近，直到達(dá)到滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求為止。

對(duì)于不同的控制系統(tǒng)和不同的品質(zhì)指標(biāo)要求，逐步逼近法逼近的循環(huán)次數(shù)是不同的，所以往往費(fèi)時(shí)較多。1115.3.2兩步整定法(應(yīng)用最廣泛)對(duì)于主副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相差很大，則主副回路的工作頻率差別很大，當(dāng)副回路整定好后，可看作主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)整定主回路參數(shù)，此時(shí)副回路的影響很小，甚至可忽略不計(jì)，先整定副變量，再整定主變量----兩步整定法112第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。工況穩(wěn)定時(shí)，閉合主回路，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100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度δ2s和操作周期T2s。

113將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的數(shù)值上，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)器的比例度和操作周期。根據(jù)求得的δ2s、T2s數(shù)值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定，計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間的數(shù)值。114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(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。

1155.3.3一步整定法

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副控制器的比例度，然后按單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定主控制器參數(shù)----一步整定法。工程中發(fā)現(xiàn)，在被控對(duì)象特性一定的情況下，為得到主變量的4：1衰減振蕩過(guò)程，主、副控制器的放大系數(shù)Kc1和Kc2可在一定范圍任意搭配，相互關(guān)系近視滿足Kc1*Kc2=常數(shù)（參見(jiàn)下表）116參數(shù)副控制器主控制器過(guò)度過(guò)程Ks序號(hào)δ2Kc2δ1Kc1時(shí)間140%2.575%1.3393.32230%3.33100%1103.33325%4125%0.883.2主副控制器放大系數(shù)匹配實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)117理論依據(jù)：串級(jí)控制中，如果把副回路等效看成一個(gè)完成“粗調(diào)”任務(wù)的控制器，那么整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)可看成兩個(gè)控制器串聯(lián)的單回路控制系統(tǒng)。整個(gè)回路等效的放大系數(shù)等與主控放大系數(shù)與等效副回路的放大系數(shù)的積，即Kc=Kc1*Kc2，主變量產(chǎn)生4：1衰減振蕩過(guò)程，則Kc為某一定值，Kc1和Kc2允許在一定范圍內(nèi)任意搭配。118一步整定法：*按表5.3的經(jīng)驗(yàn)值，選擇副控制器的比例度，使副回路按純比例控制運(yùn)行；*系統(tǒng)投入串級(jí)控制運(yùn)行狀態(tài)，按單回路系統(tǒng)參數(shù)整頓的方法對(duì)主控制器參數(shù)整定，使主變量的控制品質(zhì)最佳。*若整定過(guò)程中出現(xiàn)“共振”，只需加大主副控制器中任一比例度的值即可。119

應(yīng)用舉例

在硝酸生產(chǎn)過(guò)程中，有一個(gè)氧化爐溫度與氨氣流量的串級(jí)控制系統(tǒng)。溫度為主參數(shù)，工藝要求較高，溫度最大偏差不能超過(guò)5℃，氨氣流量為副參數(shù)，允許在一定范圍內(nèi)變化，要求不高。系統(tǒng)控制器參數(shù)采用兩步整定法，過(guò)程如下。120

①、在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主控制器選用PI控制規(guī)律，副控制器選用P控制規(guī)律。在系統(tǒng)穩(wěn)定允許條件下，主、副控制器均置于純比例作用，主控制器的比例度置于100%，用4：1衰減曲線法(見(jiàn)右圖)整定副控制器的參數(shù)，得

121

②將副控制器的比例度置于32%上，用相同的方法整定，將主控制器的比例度由大到小逐漸調(diào)節(jié)，取得主控制器的1S=50%,T1S=7min。

2S=32%,T2S=15s。122

③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(見(jiàn)上表4-1)，計(jì)算主、副控制器的整定參數(shù)為：主控制器(溫度控制器)：比例度1=