1、15.1 單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)第五章第五章 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)2簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)）簡單控制系統(tǒng)（單回路控制系統(tǒng)） 一個被控對象，一個測量變送器，一個控一個被控對象，一個測量變送器，一個控制器和一個執(zhí)行機構(gòu)（控制閥）組成的閉環(huán)制器和一個執(zhí)行機構(gòu)（控制閥）組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)。3 被控變量的選擇：被控變量的選擇：1）選擇能直接反映過程產(chǎn)品和質(zhì)量又易于測）選擇能直接反映過程產(chǎn)品和質(zhì)量又易于測量的參數(shù)作為被控變量量的參數(shù)作為被控變量直接參數(shù)法直接參數(shù)法；2）選擇那些間接反映產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量又與直）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)有單值對應(yīng)關(guān)系，易于測量的參數(shù)作

2、接參數(shù)有單值對應(yīng)關(guān)系，易于測量的參數(shù)作為被控變量為被控變量間接參數(shù)法間接參數(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程的要求，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程的要求，準(zhǔn)確檢測？準(zhǔn)確檢測？及時測量？及時測量？可用塔頂?shù)臏囟乳g接作為被控變量。可用塔頂?shù)臏囟乳g接作為被控變量。4操縱變量的選擇：操縱變量的選擇：從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中，從諸多影響被控變量的輸入?yún)?shù)中，選擇一選擇一個對被控變量影響顯著而且可控性能良好的個對被控變量影響顯著

3、而且可控性能良好的輸入?yún)?shù)作為操縱變量輸入?yún)?shù)作為操縱變量，而其它未被選中的，而其它未被選中的所有輸入量看作系統(tǒng)的干擾，通過改變操縱所有輸入量看作系統(tǒng)的干擾，通過改變操縱變量去克服干擾的影響。變量去克服干擾的影響。 根據(jù)過程干擾因素的來源和大小，以被控過根據(jù)過程干擾因素的來源和大小，以被控過程特性參數(shù)對控制質(zhì)量的影響為依據(jù)，正確選程特性參數(shù)對控制質(zhì)量的影響為依據(jù)，正確選擇操縱變量。擇操縱變量。5被控對象的特性可由兩條通道來描述：被控對象的特性可由兩條通道來描述：控制通道控制通道-操縱變量對被控變量影響的通道；操縱變量對被控變量影響的通道；干擾通道干擾通道-干擾變量對被控變量影響的通道。干擾變量

4、對被控變量影響的通道。在生產(chǎn)過程中可能有幾個控制變量可選擇，在生產(chǎn)過程中可能有幾個控制變量可選擇，通過通過分析不同的控制通道和不同的擾動通道對控制質(zhì)分析不同的控制通道和不同的擾動通道對控制質(zhì)量的影響給出合理的選擇。量的影響給出合理的選擇。操縱變量的選擇要考慮對象特性對控制系統(tǒng)的影操縱變量的選擇要考慮對象特性對控制系統(tǒng)的影響。響。61.放大系數(shù)對控制質(zhì)量的影響放大系數(shù)對控制質(zhì)量的影響1)() 1)(1()()(21TsKsGsTsTKsGKsGooddcc)()()(1)()()()()(1)()()()(1)()()(limlimsDsGsGsGsssEesDsGsGsGsEsGsGsGsDs

5、YocdssssocdocdocdssKKKessD1,/1)(則71）擾動通道放大倍數(shù)越小越好擾動通道放大倍數(shù)越小越好，擾動對被控，擾動對被控變量的影響小，控制精度越高。變量的影響小，控制精度越高。2）操縱變量對被控變量的影響顯著，控制作）操縱變量對被控變量的影響顯著，控制作用強，要求控制通道的放大倍數(shù)要大些，但用強，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；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：82.對象動態(tài)特性的影響對象動態(tài)特性的影響1）擾動通道特性的影響）擾動通道特性的影響)()(1/11)()(1)()()(sGsGTsTKsGsGsGsD

6、sYocdddocd0)()(1)1(sGsGTsocd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 的附加極點，隨著時間常數(shù)Td的增大，其對應(yīng)的過渡過程分量的衰減系數(shù)減小，過程變慢，過渡過程時間加長；但其分量的幅值減小到 使過程的超調(diào)量隨Td的增大而減小，控制質(zhì)量得到提高。dT1dT/19擾動通道的純滯后不會影響控制質(zhì)量。擾動通道的純滯后不會影響控制質(zhì)量。擾動通道的擾動通道的時間常數(shù)越大時間常數(shù)越大，干擾對被控變量，干擾對被控變量的影響越緩慢，即對控制質(zhì)量的的影響越緩慢，即對控制質(zhì)量的影響越小影響越小；擾動通道存在純滯后時，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為擾動通道存在純滯后時，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞

7、函數(shù)為)()()()(1)()()(tytyesGsGsGsDsYsocd102）干擾作用位置對控制質(zhì)量的影響）干擾作用位置對控制質(zhì)量的影響干擾通道具有慣性環(huán)節(jié)階數(shù)增加，對干擾信號的緩和作用越強，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，應(yīng)使干擾信號遠(yuǎn)離被控量點。應(yīng)使干擾信號遠(yuǎn)離被控量點。11（2）控制通道的影響）控制通道的影響 控制通道中時間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏，控制通道中時間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏，控制及時，有利于克服干擾的影響，控制及時，有利于克服干擾的影響，但時間常數(shù)過小，容易引起過渡的振但時間常數(shù)過小，容易引起過渡的振蕩；時間常數(shù)過大，控制作用遲緩，蕩；時間常數(shù)過大，控制作用

8、遲緩，被控變量的超調(diào)量加大，過渡過程時被控變量的超調(diào)量加大，過渡過程時間增長。間增長。12 純滯后的存在操縱變量對被控變量純滯后的存在操縱變量對被控變量的作用推遲，控制作用的推遲，不但的作用推遲，控制作用的推遲，不但使被控變量的超調(diào)量加大，還使過渡使被控變量的超調(diào)量加大，還使過渡過程震蕩加劇，時間也增長，控制質(zhì)過程震蕩加劇，時間也增長，控制質(zhì)量變壞。量變壞。13 操縱變量的選擇原則：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）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)，比較小的性應(yīng)具有足夠大的放大倍數(shù)，比較小的時間常數(shù)及盡可能小的純滯后時間；時間常數(shù)及盡可能小的純滯后時間

9、；（2）系統(tǒng)主要擾動通道特性應(yīng)該具有）系統(tǒng)主要擾動通道特性應(yīng)該具有盡可能大的時間常數(shù)和盡可能小的放大盡可能大的時間常數(shù)和盡可能小的放大系數(shù)；系數(shù)；（3）應(yīng)考慮工藝上的合理性、經(jīng)濟性。）應(yīng)考慮工藝上的合理性、經(jīng)濟性。14噴霧式干燥塔噴霧式干燥塔15碳酸鈣漿液干燥過程工藝流程：碳酸鈣漿液干燥過程工藝流程：碳酸鈣漿碳酸鈣漿液與加壓空氣由底部進(jìn)入塔內(nèi)，經(jīng)噴嘴噴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)機送至換熱出呈霧狀。另一路空氣由鼓風(fēng)機送至換熱器加熱后，與未加熱的空氣混合后進(jìn)入干器加熱后，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，燥塔內(nèi)，以蒸發(fā)漿液中的水分，成

10、粉狀，并隨空氣一起送出。經(jīng)旋風(fēng)分離器分離，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）。得到粉狀碳酸鈣（產(chǎn)品）。16被控變量的選擇：被控變量的選擇：產(chǎn)品的濕度測量十產(chǎn)品的濕度測量十分困難，根據(jù)工藝分析，產(chǎn)品的濕度分困難，根據(jù)工藝分析，產(chǎn)品的濕度與塔出口溫度密切相關(guān)，若保證溫度與塔出口溫度密切相關(guān)，若保證溫度波動小于波動小于2-5度，則符合質(zhì)量要求。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)選擇干燥塔出口溫度作為被控參數(shù)（間接參數(shù)）。（間接參數(shù)）。17操縱變量的選擇：操縱變量的選擇：影響干燥塔出口溫度的主要因素有：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

11、空氣加壓空氣流量，漿液流量，旁路空氣流量，煙道流量。可有四種變量作為流量，煙道流量。可有四種變量作為操縱變量。操縱變量。根據(jù)工藝的具體情況分析，得出應(yīng)該根據(jù)工藝的具體情況分析，得出應(yīng)該的操縱變量。的操縱變量。18若采用加壓空氣流量作為操縱變量，空氣直接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，控制通道時滯最小，對干燥溫度進(jìn)入干燥塔，控制通道時滯最小，對干燥溫度的控制作用最靈敏。其它變量構(gòu)成的干擾通道的控制作用最靈敏。其它變量構(gòu)成的干擾通道相對滯后較大，整個控制系統(tǒng)的品質(zhì)比較好，相對滯后較大，整個控制系統(tǒng)的品質(zhì)比較好，應(yīng)該選擇方案。但是從工藝看，加壓空氣的作應(yīng)該選擇方案。但是從工藝看，

12、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。而這是一個不可控的流量應(yīng)保持某一常數(shù)值。而這是一個不可控的因素，所以此方案不可采用。因素，所以此方案不可采用。19若采用漿液流量作為操縱變量，控制通道滯后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，但是，漿液流量決小，系統(tǒng)的控制作用及時，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，這是工藝過程所不容許的，所以此方案產(chǎn)量，這是工

13、藝過程所不容許的，所以此方案也不可選取。也不可選取。20若選擇旁路空氣作為操縱變量，漿液流量作為若選擇旁路空氣作為操縱變量，漿液流量作為擾動信號，其構(gòu)成的控制通道的滯后也較小，擾動信號，其構(gòu)成的控制通道的滯后也較小，同時擾動通道的時滯較大，控制系統(tǒng)的效果最同時擾動通道的時滯較大，控制系統(tǒng)的效果最好。好。若選擇煙道氣流量作為操縱變量，漿液流量作若選擇煙道氣流量作為操縱變量，漿液流量作為擾動信號，其構(gòu)成的控制通道的滯后也較小，為擾動信號，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)的時滯但比旁路空氣作為操縱變量構(gòu)成的系統(tǒng)的時滯大一些。大一些。 21總體分析幾種控制方案，并考慮生

14、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。空氣作為系統(tǒng)的操縱變量。22干燥塔總體控制方案：干燥塔總體控制方案：加壓空氣加壓空氣單獨設(shè)計一流量控制系統(tǒng)，以排單獨設(shè)計一流量控制系統(tǒng)，以排除其對干燥塔溫度的影響；除其對干燥塔溫度的影響；在溫在溫度控制系統(tǒng)中，取塔出口溫度為度控制系統(tǒng)中，取塔出口溫度為被控變量，旁路空氣為操縱變量。被控變量，旁路空氣為操縱變量。235.2 串級控制基本概念串級控制基本概念24255.1.1 串級控制串級控制隔焰式隧道窯溫度控制系統(tǒng)隔焰式隧道窯溫度控制系統(tǒng)261.工作原理：工作原理：1）陶瓷制品預(yù)熱，

15、燒結(jié)溫度）陶瓷制品預(yù)熱，燒結(jié)溫度1300，偏，偏差差5，影響產(chǎn)品質(zhì)量；，影響產(chǎn)品質(zhì)量；2）燒成帶溫度作為）燒成帶溫度作為被控量被控量，燃料的流量，燃料的流量作為作為操縱變量操縱變量；3）隔焰（火焰在燃燒室，防止有害物質(zhì)）隔焰（火焰在燃燒室，防止有害物質(zhì)影響產(chǎn)品光澤）影響產(chǎn)品光澤）27溫溫度度到到設(shè)設(shè)定定值值燃燃料料的的流流量量調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)閥閥檢檢測測C11UCTTT簡單控制簡單控制：28ssesTKGesTKsG211) s (1)(202002010101和vvKsG)(5K) s (171) s (1501)(5021001vvssGesGessG，和假設(shè)系統(tǒng)燃燒室和燒成帶的數(shù)學(xué)模型均為慣性加

16、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。29（a）干擾D1作用下 （b）干擾D2作用下302.存在問題：存在問題：控制閥到窯道燒成帶滯后時間長，燃料的控制閥到窯道燒成帶滯后時間長，燃料的壓力波動等，得不到及時調(diào)節(jié)，造成溫度壓力波動等，得不到及時調(diào)節(jié)，造成溫度波動過大，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。波動過大，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。3.解決方法：解決方法：若單獨考慮燃料壓力的波動，它首先影響若單獨考慮燃料壓力的波動，它首先影響燃燒室的溫度（滯后時間小），能

17、否控制燃燒室的溫度（滯后時間小），能否控制燃燒時溫度來達(dá)到穩(wěn)定燒成帶溫度？燃燒時溫度來達(dá)到穩(wěn)定燒成帶溫度？31燃燒室溫度控制系統(tǒng)燃燒室溫度控制系統(tǒng)32直接影響燒成帶溫度的干擾（制品原料，直接影響燒成帶溫度的干擾（制品原料，窯車速度）無法調(diào)節(jié)。窯車速度）無法調(diào)節(jié)。燃燒室溫度作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)燃燒室溫度作為被控變量的單回路控制系統(tǒng)33（a）干擾D1作用下 （b）干擾D2作用下 34 第一種控制包括系統(tǒng)所有干擾，第二種控制第一種控制包括系統(tǒng)所有干擾，第二種控制 只能對主要干擾提前發(fā)現(xiàn)，及時控制。只能對主要干擾提前發(fā)現(xiàn)，及時控制。燒成帶溫度控制燒成帶溫度控制-主導(dǎo)作用主導(dǎo)作用，為定值控制；，

18、為定值控制；燃燒室溫度控制燃燒室溫度控制-輔助作用輔助作用，它受燒成帶溫，它受燒成帶溫度控制器的操縱，即度控制器的操縱，即燒成帶溫度控制器的輸出作燒成帶溫度控制器的輸出作為燃燒室溫度控制器的設(shè)定值為燃燒室溫度控制器的設(shè)定值。形成串級控形成串級控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。35溫度溫度溫度串級控制系統(tǒng)溫度串級控制系統(tǒng)36串級控制系統(tǒng)：串級控制系統(tǒng)：采用兩個控制器采用兩個控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副串聯(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，從而對主被控變出去操縱控制閥，從而對主被控變量具有更好的控制效果。量具有更好的控制效果。37隔焰隧道

19、窯串級控制系統(tǒng)方框圖隔焰隧道窯串級控制系統(tǒng)方框圖38串級控制系統(tǒng)原理方框圖串級控制系統(tǒng)原理方框圖5.1.2 串級控制系統(tǒng)的組成串級控制系統(tǒng)的組成39串級控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語串級控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語 n主被控參數(shù)主被控參數(shù)起主導(dǎo)作用起主導(dǎo)作用的被控參數(shù)。的被控參數(shù)。 n副被控參數(shù)副被控參數(shù)為為穩(wěn)定主參數(shù)而引入的中間輔穩(wěn)定主參數(shù)而引入的中間輔助參數(shù)。助參數(shù)。 n主被控過程主被控過程由主被控參數(shù)表征其特性的生由主被控參數(shù)表征其特性的生產(chǎn)過程。其輸入量為副被控參數(shù)，輸出量為主產(chǎn)過程。其輸入量為副被控參數(shù)，輸出量為主被控參數(shù)。被控參數(shù)。 n副被控過程副被控過程由副被控參數(shù)作為輸出的生產(chǎn)由副被控參數(shù)作為輸出的

20、生產(chǎn)過程，其輸入量為控制參數(shù)。過程，其輸入量為控制參數(shù)。 40串級控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語串級控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語n主調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器按主被控參數(shù)的測量值與給定值按主被控參數(shù)的測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)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。器的給定值。n副調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器按副被控參數(shù)的測量值與主調(diào)節(jié)按副被控參數(shù)的測量值與主調(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)閥動作。調(diào)節(jié)閥動作。 n副副 回回 路路由副調(diào)節(jié)器、副被控過程和副由副調(diào)節(jié)器、副被控過程和副測量變送器組成的閉合回路。測量變送器組成的閉合回路。 n一一 次次

21、 擾動擾動不包括在副回路內(nèi)的擾動。不包括在副回路內(nèi)的擾動。 n二二 次次 擾動擾動包括在副回路內(nèi)的擾動。包括在副回路內(nèi)的擾動。 41 5.1.3 工作過程工作過程 1）干擾作用于副回路（二次干擾）干擾作用于副回路（二次干擾） 干擾為燃料壓力波動，干擾為燃料壓力波動，首先引起燃燒室溫度變首先引起燃燒室溫度變化，副控制器作定值控制化，副控制器作定值控制（因滯后，并不立即引起（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，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，如果干擾不大，副回路的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)平穩(wěn)副回路的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)平穩(wěn)，不會引，不會引起主變量變化。如果起主變量

22、變化。如果干擾較大干擾較大，副回路的作用已大副回路的作用已大大消弱了它對主變量的影響大消弱了它對主變量的影響，隨時間的推移，主變，隨時間的推移，主變量仍會受影響，量仍會受影響，主控制器作定值控制，克服干擾對主控制器作定值控制，克服干擾對主變量的影響主變量的影響。42（a）單回路控制系統(tǒng) （b）串級控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)二次干擾作用下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 432）干擾作用于主回路（一次干擾）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，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（副變量的檢測值不副控制器的設(shè)定值變化（副變量的檢測值不變），等效為設(shè)定值不變，測

23、量值變化的副變），等效為設(shè)定值不變，測量值變化的副控制器的定值控制。控制器的定值控制。注意：注意：副回路沒有搶先動作克服干擾，而副回路沒有搶先動作克服干擾，而是接受主控制信號之后才工作。是接受主控制信號之后才工作。主控制器起主控制器起主導(dǎo)作用，副控制器處于從屬地位。主導(dǎo)作用，副控制器處于從屬地位。44（a）單回路控制系統(tǒng) （b）串級控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)一次干擾作用下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線453）干擾同時作用主，副回路（一，二次干擾）干擾同時作用主，副回路（一，二次干擾）（1）干擾引起主副回路同向變化）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，主控制器的作用和副控

24、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，克服干副控制器獲得的偏差大，控制作用也大，克服干擾的能力強。擾的能力強。（2）干擾引起主副回路反向變化）干擾引起主副回路反向變化 若變化大小相同，二次干擾可補償一次干擾，若變化大小相同，二次干擾可補償一次干擾，閥門無需調(diào)節(jié)；若不相同，主控制器調(diào)節(jié)，副控閥門無需調(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)，制器在作小范圍調(diào)節(jié)，主控制器為主導(dǎo)，主副控主控制器為主導(dǎo)，主副控制器協(xié)調(diào)一致。制器協(xié)調(diào)一致。46（a）單回路控制系統(tǒng) （b）串級控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)一次、二次干擾同時作用下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線47另一實例另一實例 反應(yīng)釜

25、溫度與溫度串級控制反應(yīng)釜溫度與溫度串級控制485.2 串級控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計串級控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計5.2.1 系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析 串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上僅僅比簡單串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上僅僅比簡單控制系統(tǒng)多了一個副控制回路，但對控制系統(tǒng)多了一個副控制回路，但對系統(tǒng)的影響特別大。系統(tǒng)的影響特別大。5.2.1.1 減小了對象的時間常數(shù)減小了對象的時間常數(shù)49串級控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖串級控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖50串級控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖串級控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖51串級控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)簡化方框圖串級控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)簡化方框圖52副副回回路路的的等等效效傳傳遞遞函函數(shù)數(shù)1KKKK1sTKKKK1KKK

26、KKKK1sTKKKK1sTKKK11sTKKK) s (G) s (G) s (s)G(s)GG1) s (s)G(s)GG) s (G) s (R) s (Ym202vc202m202vc202vc2m202vc20202vc2m20202vc20202vc202m202vc202vc202221sTK) s (G,K(s)G,K(s)G,K(s)G 020202m2m2vvc2c2假設(shè)假設(shè)531KKKK1m202vc2等效副對象的傳遞函數(shù)等效副對象的傳遞函數(shù)等效副對象的時間常數(shù)等效副對象的時間常數(shù)等效副對象的放大倍數(shù)等效副對象的放大倍數(shù)1sTK) s (GKKKK1TTKKKK1KKKK

27、020202m202vc20202m202vc202vc202無論在何種情況下，無論在何種情況下， 不等式總是成立的，由此得：不等式總是成立的，由此得：54 串級控制系統(tǒng)能使等效副對象的時間串級控制系統(tǒng)能使等效副對象的時間常數(shù)變小，意味著控制通道的縮短，使控常數(shù)變小，意味著控制通道的縮短，使控制作用更及時，響應(yīng)速度更快，控制質(zhì)量制作用更及時，響應(yīng)速度更快，控制質(zhì)量提高。提高。 等效副回路的放大系數(shù)減小，這可使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，主控制器的增益整定的比單回路控制大些，對系統(tǒng)抗干擾能力更有利。對系統(tǒng)抗干擾能力更有利。55 串級控制系統(tǒng)使擾動的穩(wěn)態(tài)余

28、差比單回串級控制系統(tǒng)使擾動的穩(wěn)態(tài)余差比單回路系統(tǒng)余差大大減小。路系統(tǒng)余差大大減小。) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (D) s (Ym10102vc2c1m202vc2m202vc20111) s (G) s (G) s (G) s (G1) s (G) s (D) s (Ym202vc20222) s (G) s (D) s (Y0222單回路時副環(huán)擾單回路時副環(huán)擾動的傳遞函數(shù)動的傳遞函數(shù)串級時副環(huán)擾動串級時副環(huán)擾動的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù)56

29、02020sssm202vc202m202vc2020sssKs1) s (GeKKKK1Ks1) s (G) s (G) s (G) s (G1) s (Gelimslims單單串串串級控制后，副環(huán)的擾動的穩(wěn)態(tài)余差降低了串級控制后，副環(huán)的擾動的穩(wěn)態(tài)余差降低了m202vc2KKKK11575.2.1.2 提高了系統(tǒng)工作頻率提高了系統(tǒng)工作頻率0) s (G) s (G) s (s)G(s)G(s)GGs)(G) s (s)G(s)GG10) s (G) s (G) s (G) s (s)G(s)GG1) s (s)G(s)GG(s)G10) s (G) s (s)G(s)GG1m10102vc2

30、c1m202vc2m101m202vc202vc2c1m10102c1串級控制系統(tǒng)的特征方程串級控制系統(tǒng)的特征方程58設(shè)主副回路各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)設(shè)主副回路各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1sTK) s (G1sTK) s (GK(s)GK(s)GK(s)GK(s)G020202010101m2m2m1m1c2c2c1c1代入，整理得串級系統(tǒng)的特征方程，串級控代入，整理得串級系統(tǒng)的特征方程，串級控制系統(tǒng)的工作頻率制系統(tǒng)的工作頻率5921TTTKKKKTT1j1jsTTKKKKKKKKKKK1TTTKKKKTT20s2s0TTKKKKKKKKKKK1sTTTKKKKTTs2020101m202vc20201200

31、2002 , 10201m20201vm1c2c1m202vc220020101m202vc20201020020201m20201vm1c2c1m202vc2020101m202vc202012串串串串60單回路控制系統(tǒng)的特征方程及頻率單回路控制系統(tǒng)的特征方程及頻率,202010201,0,2,00,2, 10201m20201vc1,2002010201,0,0201m20201vc1020102012m10102vc121TTTTj1jsTTKKKKK1TTTT20TTKKKKK1sTTTTs0(s)(s)G(s)GG) s (G) s (G1單單61假設(shè)串級控制和單回路控制系統(tǒng)的衰減系

32、數(shù)假設(shè)串級控制和單回路控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)相同，則相同，則單串單串）（02010201m202vc2020101m202vc20201TT1TTKKKK11TTTKKKKTT 串級控制系統(tǒng)的工作頻率提高，使振蕩周期縮串級控制系統(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)的動態(tài)品質(zhì)。短，系統(tǒng)的快速性提高，改善了系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。625.2.1.3 增強了系統(tǒng)的抗干擾能力增強了系統(tǒng)的抗干擾能力串級控制中，假定二次干擾從控制閥前進(jìn)入串級控制中，假定二次干擾從控制閥前進(jìn)入副回路副回路干擾從閥前進(jìn)入串級系統(tǒng)干擾從閥前進(jìn)入串級系統(tǒng)63擾動信號作用下產(chǎn)生的輸出，可用如下等效變擾動信號作用下產(chǎn)生

33、的輸出，可用如下等效變換圖換圖) s (G) s (s)G(s)GG1) s (s)GG(s)G1) s (D) s (Ym10102c10102c22164) s (G) s (s)G(s)GG1) s (s)G(s)GG) s (R) s (Ym10102c10102c111設(shè)定值作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)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；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。設(shè)定值作用下的輸出越快趨于設(shè)定值越好。) s (s)GG) s (D/ ) s (Y) s (R/ ) s (Yc2c11111評價值評價值65C2C

34、1c2c11111C2c2C1c1KK) s (s)GG) s (D/ ) s (Y) s (R/ ) s (YK) s (G,K(s)G 主副控制器的增益之積越大，系統(tǒng)主副控制器的增益之積越大，系統(tǒng)抗干擾能力越強，控制品質(zhì)越好。抗干擾能力越強，控制品質(zhì)越好。66單回路控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)cC2m10102vC0102vCm10102vc10102v2K(s)G) s (D/ ) s (Y) s (R/ ) s (Y) s (G) s (s)G(s)G(s)GG1) s (s)G(s)G(s)GG) s (R) s (Y) s (G) s (s)G(s)G(s)GG1) s (s)G(s)G

35、G) s (D) s (Y評價值評價值67 副回路的存在，能迅速克服二次干擾對主副回路的存在，能迅速克服二次干擾對主變量的影響，大大提高了控制質(zhì)量。變量的影響，大大提高了控制質(zhì)量。另外，對于一次干擾，因時間常數(shù)的減小，另外，對于一次干擾，因時間常數(shù)的減小，其抗干擾能力也有一定提高。其抗干擾能力也有一定提高。5.2.1.4 對負(fù)荷變化的適應(yīng)性增強對負(fù)荷變化的適應(yīng)性增強1）主回路主回路是一個是一個定值控制定值控制系統(tǒng)，系統(tǒng)，副回路副回路卻卻是一個是一個隨動控制隨動控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)，其設(shè)定值隨主控制器設(shè)定值隨主控制器的輸出而變化，的輸出而變化，68當(dāng)負(fù)荷變化時，對象特性也變化，但串級控制中當(dāng)負(fù)荷變化

36、時，對象特性也變化，但串級控制中副對副對象的等效放大倍數(shù)只與檢測變送環(huán)節(jié)的增益有關(guān)，與象的等效放大倍數(shù)只與檢測變送環(huán)節(jié)的增益有關(guān)，與控制閥和副對象的增益無關(guān)。控制閥和副對象的增益無關(guān)。也就是串級控制系統(tǒng)能也就是串級控制系統(tǒng)能自動的克服對象特性的影響，從而顯示它對負(fù)荷變化自動的克服對象特性的影響，從而顯示它對負(fù)荷變化具有一定的自適應(yīng)能力。具有一定的自適應(yīng)能力。m202m202vc2m202vc202vc202K1K1KKKKKKKK1KKKK，則則一一般般條條件件下下，2）串級控制系統(tǒng)中等效副對象的放大倍數(shù)為）串級控制系統(tǒng)中等效副對象的放大倍數(shù)為695.2.1.5. 串級控制可實現(xiàn)更為靈活的控制

37、串級控制可實現(xiàn)更為靈活的控制操作方式操作方式 串級控制系統(tǒng)可實現(xiàn)串級控制，主控制，串級控制系統(tǒng)可實現(xiàn)串級控制，主控制，副控制多種控制方式。主控是切除副回路，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；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，減小對生產(chǎn)過程的影障，系統(tǒng)可零活切換，減小對生產(chǎn)過程的影響。響。70例：設(shè)串級控制系統(tǒng)的主，副對象的傳遞函數(shù)分例：設(shè)串級控制系統(tǒng)的主，副對象的傳遞函數(shù)分別為別為20201) 1s)(110s(1) s (G) 13s)(130s(1)

38、 s (G主，副控制器的傳遞函數(shù)分別為主，副控制器的傳遞函數(shù)分別為C2c2IC1c1K) s (G)sT11 (K) s (G簡單控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)控制效果如下表簡單控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)控制效果如下表71二次干擾作用二次干擾作用72一次干擾作用一次干擾作用73一，二次干擾同時作用一，二次干擾同時作用74控制品質(zhì)指標(biāo)控制品質(zhì)指標(biāo)Kc=3.7 TI=38Kc1=8.4Kc2=10 TI=12.8衰減率衰減率0.750.75余差余差00系統(tǒng)工作頻率系統(tǒng)工作頻率0.0870.23二次干擾作用下二次干擾作用下的最大偏差的最大偏差0.280.013一次干擾作用下一次干擾作用下的最大偏差的最大偏差0.

39、350.13簡單控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)755.2.2 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的設(shè)計76 主變量主變量( (操縱量操縱量) )的選擇原則主要有：的選擇原則主要有： (1)(1)、條件允許時選擇反應(yīng)控制目、條件允許時選擇反應(yīng)控制目的的參數(shù)作為主變量。的的參數(shù)作為主變量。 77( (二二) )、副回路決定整個串級系統(tǒng)的、副回路決定整個串級系統(tǒng)的性能關(guān)鍵是副變量的選擇性能關(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)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、最頻繁的擾應(yīng)將變化最劇烈、幅度最大、最頻繁的擾動包括在副回路中。動包括在副回路中。 研究

40、系統(tǒng)的干擾來源是十分重要的。以管研究系統(tǒng)的干擾來源是十分重要的。以管式加熱爐為例，主擾動為燃油壓力還是燃油式加熱爐為例，主擾動為燃油壓力還是燃油熱值，則副回路的選擇大不相同。熱值，則副回路的選擇大不相同。78管式加熱爐串級控制方案管式加熱爐串級控制方案79 系統(tǒng)主控變量系統(tǒng)主控變量-出口溫度，燃料油的流量出口溫度，燃料油的流量作為操縱變量，作為操縱變量，1）單回路控制）單回路控制-T1T測溫測溫T1C控制閥；控制閥；控制通道時間常數(shù)達(dá)控制通道時間常數(shù)達(dá)15min,控制不及時，另控制不及時，另外，燃料油壓力波動較大且頻繁，外，燃料油壓力波動較大且頻繁，可選如下可選如下2）出口溫度與閥前壓力的串級

41、控制；）出口溫度與閥前壓力的串級控制；3）出口溫度與燃料流量的串級控制；）出口溫度與燃料流量的串級控制；80 若原料油的流量波動頻繁（原料油的若原料油的流量波動頻繁（原料油的入口溫度波動較大）入口溫度波動較大）4）出口溫度與爐膛溫度的串級控制。）出口溫度與爐膛溫度的串級控制。812 2）主、副對象的時間常數(shù)要匹配）主、副對象的時間常數(shù)要匹配 串級控制系統(tǒng)中，主，副控制回路是兩個相互串級控制系統(tǒng)中，主，副控制回路是兩個相互獨立又密切相關(guān)的回路，在一定條件下，如果受獨立又密切相關(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，到某種干擾的作用，主參數(shù)的變化進(jìn)入副回路時，會引

42、起副參數(shù)的波動，振幅的增加，而副參數(shù)的會引起副參數(shù)的波動，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，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)，就會使主，副參數(shù)長時間大幅度地波如此循環(huán)，就會使主，副參數(shù)長時間大幅度地波動，形成串級控制系統(tǒng)的共振。導(dǎo)致控制品質(zhì)惡動，形成串級控制系統(tǒng)的共振。導(dǎo)致控制品質(zhì)惡化，為此，化，為此，主、副對象的時間常數(shù)的選擇要匹配。主、副對象的時間常數(shù)的選擇要匹配。82串級與單回路頻率的比值與主副時間常數(shù)串級與單回路頻率的比值與主副時間常數(shù)的比值的關(guān)系的比值的關(guān)系為了避免共振效應(yīng)，在設(shè)計時，務(wù)必將主，為了避免共振效應(yīng)，在設(shè)計時，務(wù)必將主，

43、副回路的工作頻率錯開。副回路的工作頻率錯開。83 定性分析關(guān)系曲線：定性分析關(guān)系曲線：1）串級控制系統(tǒng)頻率增長的速度在）串級控制系統(tǒng)頻率增長的速度在 T01/T02較小時最為顯著；較小時最為顯著；2）T02小一點，副回路靈敏，控制作用快一小一點，副回路靈敏，控制作用快一點，但點，但T01/T02比值加大，提高系統(tǒng)的工作比值加大，提高系統(tǒng)的工作頻率不利；頻率不利；3）T02過小，導(dǎo)致副回路過于靈敏而不穩(wěn)定。過小，導(dǎo)致副回路過于靈敏而不穩(wěn)定。8485863 3）選副回路應(yīng)考慮工藝上的合理性）選副回路應(yīng)考慮工藝上的合理性 只有滿足工藝要求，才具有實用性。只有滿足工藝要求，才具有實用性。 先考慮工藝要

44、求，再考慮其他要求。先考慮工藝要求，再考慮其他要求。 875.2.2.3 主、副控制器的選擇主、副控制器的選擇 1 1、對、對主變量控制質(zhì)量要求高主變量控制質(zhì)量要求高 主變量宜采用主變量宜采用PIPI規(guī)律；欲克服容量滯后，規(guī)律；欲克服容量滯后，應(yīng)引進(jìn)微分作用，采用應(yīng)引進(jìn)微分作用，采用PIDPID規(guī)律。規(guī)律。 副變量一般采用副變量一般采用P P規(guī)律就可以了。規(guī)律就可以了。 2 2、對副變量控制要求也較高、對副變量控制要求也較高 主、副變量均采用主、副變量均采用PIPI控制規(guī)律。控制規(guī)律。 88 3 3、對主變量控制要求不高，甚至允、對主變量控制要求不高，甚至允許小波動許小波動 主變量采用主變量采

45、用P P規(guī)律，副回路對主回規(guī)律，副回路對主回路的跟隨要求快而準(zhǔn)時采用路的跟隨要求快而準(zhǔn)時采用PIPI控制規(guī)律。控制規(guī)律。 89從串級控制系統(tǒng)的余差來看主副控制器的選擇從串級控制系統(tǒng)的余差來看主副控制器的選擇假設(shè)主，副廣義對象均為一階慣性假設(shè)主，副廣義對象均為一階慣性1sTK) s (G1sTK) s (G020202010101（1）擾動進(jìn)入副環(huán)，且）擾動進(jìn)入副環(huán)，且D2(s)=1/s，系統(tǒng)的余，系統(tǒng)的余差為差為0201m1vc2c101m2vc2020102010s2m10102vc2c1m202vc202010s10sssKKKK) s (G) s (G1)s(TKK) s (G1)s1)

46、(Ts(TKKlim) s (D) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G1) s (G) s (Gslim) s (sYlime90當(dāng)主，副控制器均為當(dāng)主，副控制器均為P控制器時：控制器時：0KKKKKKKKK1KKe0201m1vc2c1m2vc20201ss當(dāng)主，副控制器中有一個具有積分作用時：當(dāng)主，副控制器中有一個具有積分作用時：0KKKK) s (G) s (G1)s(TKK) s (G1)s1)(Ts(TKKlime0201m1vc2c101m2vc2020102010sss（2）擾動進(jìn)入主環(huán)，且）擾動進(jìn)

47、入主環(huán)，且D1(s)=1/s，系統(tǒng)的余，系統(tǒng)的余差為差為91) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (D) s (Ym10102vc2c1m202vc2m202vc20111m10102vc2c1m202v01c20201m20201vc202010s1m10102vc2c1m202vc2m202vc2010sssKKKK) s (G) s (GKKK) 1sT)(s (G) 1sT)(1sT(KKKK) s (G) 1sT(Klim) s (D)

48、 s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G) s (G1)s (G) s (G) s (G) s (G1)s (Gslime當(dāng)主控制器為當(dāng)主控制器為PI時，副控制器為時，副控制器為P或或PI時：時：0KKKK) s (G) s (GKKK) 1sT)(s (G) 1sT)(1sT(KKKK) s (G) 1sT(Klimem10102vc2c1m202v01c20201m20201vc202010sss92而當(dāng)主控制器為而當(dāng)主控制器為P，副控制器為，副控制器為P或或PI時：時：0KKKK) s (G) s (GKKK) 1sT)(

49、s (G) 1sT)(1sT(KKKK) s (G) 1sT(Klimem10102vc2c1m202v01c20201m20201vc202010sss所以，要消除余差，串級控制系統(tǒng)的主控制器所以，要消除余差，串級控制系統(tǒng)的主控制器采用采用PI，副控制器為，副控制器為P或或PI。93( (二二) )、控制器正、反作用方式的選擇、控制器正、反作用方式的選擇定義：如果輸入控制器的測量信號定義：如果輸入控制器的測量信號增大，控制器的輸出也增大，則稱增大，控制器的輸出也增大，則稱其作用方式為正作用，否則為反作其作用方式為正作用，否則為反作用。用。正反作用方式選擇方式有正反作用方式選擇方式有邏輯推理邏

50、輯推理法法和和判別式法判別式法94（1）邏輯推理法）邏輯推理法控制器正反作用選擇的推理過程控制器正反作用選擇的推理過程95隔焰式隧道窯溫度控制系統(tǒng)為例隔焰式隧道窯溫度控制系統(tǒng)為例a)副回路副回路 燃燒室溫度燃燒室溫度T2升高升高 要求燃料的流要求燃料的流量減小量減小 要求閥上的控制信號減小要求閥上的控制信號減小 要求要求T2C的比例作用的輸出減小。的比例作用的輸出減小。T2C選反作用方式選反作用方式96b)主回路主回路 確定主控制器的正反作用，要利用副確定主控制器的正反作用，要利用副控制器的選擇結(jié)果。控制器的選擇結(jié)果。燒成帶溫度燒成帶溫度T1升高升高 要求燃料流量減小要求燃料流量減小 要要求閥

51、上控制信號減小求閥上控制信號減小 由于副控制器是由于副控制器是“反反”作用，要求副控制器的設(shè)定值減小作用，要求副控制器的設(shè)定值減小 要求主要求主控制器比例作用的輸出減小。控制器比例作用的輸出減小。T1C選擇選擇“反反”作用作用97(2)判別式法判別式法 控制閥的控制閥的+/-取決于它得作用方式，取決于它得作用方式，“氣開氣開”為為“+”，“氣關(guān)氣關(guān)”為為“-”。（。（從安全角度選擇控制閥的類型從安全角度選擇控制閥的類型） 副對象的副對象的+/-取決于操縱變量和副控制變量的關(guān)系，操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稱其縱變量增大，副控制變量也增大時稱其“+”，操縱

52、變量增，操縱變量增大，副控制變量減小時稱其大，副控制變量減小時稱其“-”。9899說明：說明： 若生產(chǎn)過程要求系統(tǒng)既可進(jìn)行串級控制若生產(chǎn)過程要求系統(tǒng)既可進(jìn)行串級控制又可由主控制器單獨控制。兩種控制方式又可由主控制器單獨控制。兩種控制方式切換時，要注意主控制器的正反作用方式切換時，要注意主控制器的正反作用方式是否要改變。是否要改變。若副控制器是反作用，切換時主控制器的若副控制器是反作用，切換時主控制器的作用方式不變；作用方式不變；若副控制器是正作用，切換時主控制器的若副控制器是正作用，切換時主控制器的作用方式要改變。作用方式要改變。100主，副控制器的防積分飽和措施主，副控制器的防積分飽和措施積

53、分飽和現(xiàn)象：造成積分飽和現(xiàn)象：造成系統(tǒng)控制品質(zhì)下降系統(tǒng)控制品質(zhì)下降甚至失控。甚至失控。串級控制系統(tǒng)，主，副控制器中，副控串級控制系統(tǒng)，主，副控制器中，副控制器采用制器采用P，主控制器采用，主控制器采用PI，PID，積，積分飽和的條件與單回路控制系統(tǒng)相同，分飽和的條件與單回路控制系統(tǒng)相同，可可采用外部積分反饋法。采用外部積分反饋法。101 主，副控制器均有積分作用：存主，副控制器均有積分作用：存在兩個控制器輸出都達(dá)到極值點的在兩個控制器輸出都達(dá)到極值點的可能，可能，串級控制系統(tǒng)的失控范圍要比單回串級控制系統(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。路控制系統(tǒng)積分飽和失控大得多。102管式加

54、熱爐串級控制方案管式加熱爐串級控制方案燃料油燃料油設(shè)定值設(shè)定值熱原料油熱原料油冷原料油冷原料油103主控制主控制副控制副控制閥門開度閥門開度出口溫度出口溫度104 副控制器防止積分飽和的方法和單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，采用外部回路控制系統(tǒng)的方法相同，采用外部積分反饋法。積分反饋法。主控制器防止積分飽和的主控制器防止積分飽和的方法仍然是方法仍然是外部積分反饋法外部積分反饋法，只是其反饋信號不只是其反饋信號不是主控制器的輸出，而是副變量的測是主控制器的輸出，而是副變量的測量值作為主控制器的外部反饋信號。量值作為主控制器的外部反饋信號。105)(sR1)(sY1)(sE

55、1)(sR2)(sE2)(sY2)(sGc2)(sG)(sGo2c1K1ST1I1)(sY2間歇間歇單元單元)()()()()()()()(sEsTKssYYsTsEKsIcIc111222222111211RRsRYs11R，應(yīng)應(yīng)不不斷斷跟跟蹤蹤系系統(tǒng)統(tǒng)正正常常時時，106當(dāng)副回路出現(xiàn)長期偏差時，當(dāng)副回路出現(xiàn)長期偏差時，)()(sY22Rs 主控制器的輸出主控制器的輸出R2僅于其輸入信號僅于其輸入信號E1之間僅僅存在比例關(guān)系。而此時之間僅僅存在比例關(guān)系。而此時的的Y2只是主控制器輸出的一個偏置只是主控制器輸出的一個偏置值。值。1075.3 串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的整定串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)的

56、整定n串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值控制系統(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。回路定值控制系統(tǒng)一樣。n副回路是一個隨動系統(tǒng)，只要求副參數(shù)能快速副回路是一個隨動系統(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。而準(zhǔn)確地跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化即可。 108n在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有：逐步逼近法、兩步整定整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法、法、一步整定法等。一步整定法等。5.3.1 5.3.1 逐步逼近法逐步逼近法 逐步逼近法是先副

57、后主，逐步逼近。逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。該方該方法較繁瑣。法較繁瑣。 具體步驟為：具體步驟為： (1) 先斷開主回路，整定副控制器。先斷開主回路，整定副控制器。109n主回路斷開，把副回路按單回路控制系統(tǒng)主回路斷開，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)值的參數(shù)整定，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值GGC2C2(s)(s)1 1。(2)(2)閉合主回路，整定主控制器閉合主回路，整定主控制器n副調(diào)節(jié)器參數(shù)置于副調(diào)節(jié)器參數(shù)置于GGC2C2(s)(s)1 1上，閉合主回路，上，閉合主回路，副回路作為一個等效環(huán)節(jié)。按單回路整定副回路作為一個等效環(huán)節(jié)。按單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的

58、整定參數(shù)值方法，求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值GGC1C1(s)(s)1 1 。 110(3)(3)重新整定副控制器參數(shù)重新整定副控制器參數(shù)n主調(diào)節(jié)器參數(shù)置于主調(diào)節(jié)器參數(shù)置于GGC1C1(s)(s)1 1上，閉合主回路，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)值再按上述方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值GGC2C2(s)(s)2 2 。（4 4）重新整定主控制器參數(shù)重新整定主控制器參數(shù)n副調(diào)節(jié)器參數(shù)置于副調(diào)節(jié)器參數(shù)置于GGC2C2(s)(s)2 2 上，閉合主回上，閉合主回路，再按上述方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參路，再按上述方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值數(shù)值GGC1C1(s)(s)2 2 。111n完

59、成一次逼近循環(huán)后，可循環(huán)下去，逐步逼完成一次逼近循環(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。近，直到達(dá)到滿意的質(zhì)量指標(biāo)要求為止。 對于不同的控制系統(tǒng)和不同的品質(zhì)指標(biāo)要求，對于不同的控制系統(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，所以逐步逼近法逼近的循環(huán)次數(shù)是不同的，所以往往費時較多。往往費時較多。 1125.3.2 5.3.2 兩步整定法兩步整定法 (應(yīng)用最廣泛) 對于主副對象的時間常數(shù)相差很大，則對于主副對象的時間常數(shù)相差很大，則主副回路的工作頻率差別很大，主副回路的工作頻率差別很大，當(dāng)副回路當(dāng)副回路整定好后，可看作主回路的一個環(huán)節(jié)來整整定好后，可看作主回路

60、的一個環(huán)節(jié)來整定主回路參數(shù)定主回路參數(shù)，此時副回路的影響很小，此時副回路的影響很小，甚至可忽略不計，甚至可忽略不計，先整定副變量，再整定先整定副變量，再整定主變量主變量-兩步整定法兩步整定法113 第一步，整定副控制器；第二步，整定主第一步，整定副控制器；第二步，整定主控制器。控制器。n工況穩(wěn)定時，閉合主回路，主、副調(diào)節(jié)器工況穩(wěn)定時，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)器的比都在純比例作用的條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于例度置于100%，用單回路控制系統(tǒng)的衰，用單回路控制系統(tǒng)的衰減曲線法整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度減曲線法整定，求取副調(diào)節(jié)器的比例度2s和操作周期和操作周期T2s。