第4章串級(jí)控制系統(tǒng)

1、第5章 串級(jí)控制系統(tǒng),,5.1 串級(jí)控制的概念及方框圖描述,傳統(tǒng)的反饋控制是在被控變量和設(shè)定值之間產(chǎn)生偏差之后才起作用的，因此在第4章中介紹采用前饋控制來(lái)幫助克服干擾的影響。但是如果干擾不可測(cè)或者無(wú)法獲得干擾與被控變量之間的模型時(shí)，就不能采用前饋控制策略。 另外一種可以克服干擾的方法就是串級(jí)控制，它通過(guò)選擇第二個(gè)測(cè)量點(diǎn)構(gòu)成第二個(gè)反饋回路來(lái)克服干擾。 第二個(gè)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)該比被控變量

2、更快感知到干擾的影響，這樣才能在干擾對(duì)被控變量產(chǎn)生很大影響之前通過(guò)第二個(gè)反饋回路迅速克服干擾的影響。,為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)串級(jí)控制系統(tǒng)，在這里先舉一個(gè)實(shí)際例子。對(duì)于圖5—1所示的連續(xù)攪拌反應(yīng)釜，放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量被流經(jīng)夾套的冷卻劑移走。假設(shè)反應(yīng)釜液位穩(wěn)定，而溫度控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是使反應(yīng)混合物溫度θ穩(wěn)定在設(shè)定值，控制手段是調(diào)節(jié)冷劑流量Qc。擾動(dòng)來(lái)自兩方面：來(lái)自物料方面的有物料溫度?f和流量Qf的變化；來(lái)自冷劑方面的有冷源的壓力pf,c和溫度

3、?f,c的變化。,圖5-1 夾套式連續(xù)攪拌反應(yīng)釜的溫度控制,,由于來(lái)自物料溫度?f和流量Qf的變化將很快由?反映出來(lái)，采用單回路控制足以克服該干擾。這里主要討論來(lái)自冷劑方面的干擾。 Pf,c和Qf,c的變化首先反映為夾套內(nèi)冷劑溫度θc的變化，而后才反映為θ的變化，因而由θ-Qc組成的單回路控制對(duì)克服來(lái)自冷劑方面的干擾不是很及時(shí)。假若改用θc-Qc組成單回路，則能較快克服這些干擾，然而θc-Qc組成的單回路不能克服進(jìn)料方面

4、干擾對(duì)θ的影響。為了兼顧這兩者的作用，設(shè)計(jì)成圖5—1(b)所示的串級(jí)控制。圖中θc-Qc回路主要用以快速克服冷劑方面的干擾，而θc控制器的設(shè)定值接受θ控制器的調(diào)整，用以克服其他干擾。,什么叫串級(jí)控制? 其組成結(jié)構(gòu)怎樣? 現(xiàn)以連續(xù)反應(yīng)釜的溫度控制為例加以說(shuō)明。 1.工藝過(guò)程 物料自頂部連續(xù)進(jìn)入釜中，經(jīng)反應(yīng)后由底部排出，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由夾套中的冷卻水帶走。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)反應(yīng)溫度T1要進(jìn)行嚴(yán)格控制。,圖5-1

5、 反應(yīng)釜示意圖,,2.引起溫度T1變化的干擾因素有: 進(jìn)料方面有：進(jìn)料流量、進(jìn)料入口溫度和化學(xué)組成，用F1表示； 冷卻水方面有：水的入口溫度和閥前壓力，用F2表示。,3.參數(shù)選擇 （1）被控參數(shù)選擇——反應(yīng)釜的溫度T1 （2）控制參數(shù)選擇——冷卻水流量。 被控過(guò)程有三個(gè)熱容積，即夾套中的冷卻水、釜壁和釜中物料。 采用單回路控制如下所示：,,圖中所示為簡(jiǎn)單控制。其框圖如圖5—2所示。,,圖5-2

6、單回路控制系統(tǒng)框圖,,4.采用單回路控制分析： 由圖可見(jiàn)，當(dāng)冷卻水方面的參數(shù)發(fā)生變化，如入口溫度突然升高時(shí)，要經(jīng)過(guò)上述三個(gè)容積后才能使反應(yīng)溫度T1升高，經(jīng)反饋后調(diào)節(jié)器輸出產(chǎn)生變化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥開(kāi)始動(dòng)作，從而使冷卻水流量增加，迫使溫度T1下降。這樣，從干擾開(kāi)始到調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，其間經(jīng)歷了比較長(zhǎng)的時(shí)間，在這段時(shí)間里，冷卻水溫度的升高，使反應(yīng)溫度T1出現(xiàn)了較大的偏差。主要原因：,調(diào)節(jié)不及時(shí),,5.采用串級(jí)控制： 設(shè)想：如果能在干擾

7、出現(xiàn)后，調(diào)節(jié)器立即開(kāi)始動(dòng)作，則控制效果就會(huì)大大改善。 如何才能使調(diào)節(jié)器適時(shí)動(dòng)作呢？經(jīng)過(guò)分析不難看到： 冷卻水方面的干擾F2的變化很快會(huì)在夾套溫度T2上表現(xiàn)出來(lái)，如果把T2的變化及時(shí)測(cè)量出來(lái)，并反饋給調(diào)節(jié)器T2C，則控制動(dòng)作即可大大提前了。但是僅僅依靠調(diào)節(jié)器T2C的作用是不夠的。因?yàn)椋嚎刂频淖罱K目標(biāo)——保持T1不變，而T2C的作用——只能穩(wěn)定T2不變， 它不能克服Fl干擾對(duì)T1的影響。因而也就不能保證T1符合工

8、藝要求。,方法之一： 適當(dāng)改變T2C的設(shè)定值T2r,從而使T1穩(wěn)定在所需要的數(shù)值上。這個(gè)改變T2r的工作，將由另一個(gè)調(diào)節(jié)器T1C來(lái)完成(它的主要任務(wù)就是根據(jù)T1與T1r的偏差自動(dòng)改變T2C的設(shè)定值T2r)。 這種將兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起工作，各自完成不同任務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，就是串級(jí)控制的基本思想。根據(jù)這一構(gòu)思，反應(yīng)釜溫度串級(jí)控制示意圖如圖5—3所示。,圖5-3反應(yīng)釜溫度與夾套溫度串級(jí)控制,（1)框圖如下：,副參數(shù)：夾套

9、溫度T2主調(diào)節(jié)器T1C：根據(jù)T1與T1r偏差自動(dòng)改變T2C的設(shè)定值T2r副調(diào)節(jié)器T2C：穩(wěn)定T2不變。,圖5-3反應(yīng)釜溫度與夾套溫度串級(jí)控制,,T1,T1T,T2T,T1C,T2C,,反作用,反作用,氣關(guān)式,,,1）主回路作用： 克服F1干擾對(duì)T1的影響，保證T1符合工藝要求。2）串級(jí)： 一個(gè)控制器的輸出用來(lái)改變另一個(gè)控制器的設(shè)定值，這樣連接起來(lái)的兩個(gè)控制器稱作是“串級(jí)”的。3）串級(jí)控制系統(tǒng)： 兩

10、個(gè)控制器都有各自的測(cè)量輸入，但只有主控制器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，只有副控制器的輸出信號(hào)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這樣組成的系統(tǒng)稱為串級(jí)控制系統(tǒng)。4）串級(jí)與單回路的主要區(qū)別： 結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)閉環(huán)。一個(gè)閉環(huán)在里面，稱為副環(huán)（或副回路），輸出送往調(diào)節(jié)閥直接控制生產(chǎn)過(guò)程。,,（2）名詞術(shù)語(yǔ)：1)主、副參數(shù)——主、副被控參數(shù) 主參數(shù)：起主導(dǎo)作用的那個(gè)被控參數(shù)。如：反應(yīng)釜溫度T1 副參數(shù)：為了穩(wěn)定主參數(shù)而引入的中間輔助參數(shù)。2)主、

11、副對(duì)象——主、副被控過(guò)程主被控過(guò)程：由主被控參數(shù)表征其特性的生產(chǎn)過(guò)程， 其輸入量為副參數(shù)，輸出量為主參數(shù)。副被控過(guò)程：由副參數(shù)為輸出的生產(chǎn)過(guò)程，其輸入量為控制參數(shù)。3)主、副調(diào)節(jié)器主調(diào)節(jié)器： 按主參數(shù)的測(cè)量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。副調(diào)節(jié)器：按副參數(shù)的測(cè)量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出直接控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作。,4)主、副回路主回路：

12、 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、調(diào)節(jié)閥、副被控過(guò)程和副測(cè)量變送器組成的閉合回路。 5)一次擾動(dòng)、二次擾動(dòng)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)。,（3）串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程分析 反應(yīng)釜串級(jí)控制系統(tǒng)的工作過(guò)程是： 當(dāng)處在穩(wěn)定工況時(shí)，進(jìn)料流量、入口溫度和化學(xué)組成不變，冷卻水的入口溫度和閥前壓力不變，夾套溫度和反應(yīng)溫

13、度均處于相對(duì)平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥保持一定的開(kāi)度，此時(shí)反應(yīng)溫度穩(wěn)定在給定值上，當(dāng)擾動(dòng)破壞了平衡工況時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)便開(kāi)始了其控制過(guò)程。根據(jù)不同的擾動(dòng)，分三種情況討論。,1）擾動(dòng)來(lái)自F2：導(dǎo)致T2改變，內(nèi)環(huán)立即開(kāi)始調(diào)節(jié)，迅速糾正F2引起的T2的偏差，此偏差還來(lái)不及影響T1。內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)及時(shí)，對(duì)外環(huán)影響小，具有“超前”調(diào)節(jié)作用。2）擾動(dòng)來(lái)自F1： F1改變，外環(huán)立即開(kāi)始調(diào)節(jié)，主調(diào)節(jié)器的輸出改變，從而改變副調(diào)節(jié)器的給定，然后調(diào)節(jié)冷卻水流量，保證T1不

14、變。3）擾動(dòng)F1、 F2 同時(shí)出現(xiàn)： 假設(shè)反應(yīng)釜串級(jí)系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，主、副調(diào)節(jié)器均為反作用。 如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)同時(shí)增大或同時(shí)減少，主、副調(diào)節(jié)器對(duì)調(diào)節(jié)閥的控制方向是一致的，即大幅度開(kāi)大或關(guān)小閥門，加強(qiáng)控制作用，使反應(yīng)溫度很快調(diào)回到給定值上。 如果一、二次擾動(dòng)的作用使主、副被控參數(shù)一個(gè)增大（反應(yīng)溫度升高），另一個(gè)減?。▕A套溫度降低），此時(shí)主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的方向是相反的，

15、調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度只要作較小變動(dòng)即滿足控制要求。,分析可知： 兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為目的，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合。尤其是對(duì)于二次干擾，副控制器首先進(jìn)行“粗調(diào)”，主控制器再進(jìn)一步“細(xì)調(diào)”，因此控制質(zhì)量必高于單回路控制系統(tǒng)。,（4）說(shuō)明： 1） 串級(jí)控制系統(tǒng)中的主、副變量可以是相同的物理參數(shù)，也可以是不同的物理參數(shù)。（如溫度與溫度，溫度與流量等） 2） 主回路是定值控制系統(tǒng)，副回路是隨

16、動(dòng)控制系統(tǒng)。,,復(fù)習(xí)：,1.串級(jí)的概念： 一個(gè)控制器的輸出用來(lái)改變另一個(gè)控制器的設(shè)定值，這樣連接起來(lái)的兩個(gè)控制器稱作是“串級(jí)”的。2.主回路（定值）、副回路（隨動(dòng)）3.主對(duì)象：輸入量、輸出量4.副對(duì)象：輸入量、輸出量5.主調(diào)節(jié)器的輸出、副調(diào)節(jié)器的輸出6.一次擾動(dòng)、二次擾動(dòng),5.2 串級(jí)控制系統(tǒng)的控制效果分析,串級(jí)控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。 因此，主變量在干擾作用下的

17、過(guò)渡過(guò)程和單回路定值控制系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但由于串級(jí)控制系統(tǒng)從對(duì)象中引出了一個(gè)中間變量構(gòu)成了副回路，因此和單回路控制系統(tǒng)相比具有自己的特點(diǎn)。 串級(jí)控制系統(tǒng)能顯著提高控制品質(zhì)，因?yàn)樗葐位芈房刂葡到y(tǒng)在結(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路。 (1)副回路具有快速調(diào)節(jié)作用，能有效地克服發(fā)生于副回路的擾動(dòng)影響,方框圖如圖5－5所示：,圖5-5串級(jí)控制系統(tǒng)框圖,,在F2(s)(即二次干擾)作用下,副回路的傳函為:,,圖

18、5-5可等效為:在給定信號(hào)x1(s)作用下的傳函為:,,圖5-6 圖5-5所示系統(tǒng)的等效框圖,,在干擾F2作用下的傳函為:,對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)而言，當(dāng)在給定信號(hào)作用下，輸出量越能復(fù)現(xiàn)輸入量，即Y1(s)／X1(s)越接近于“1”，則系統(tǒng)的控制性能越好。 當(dāng)在干擾作用下，控制作用能迅速克服干擾的影響，即Y1(s)／F2(s)越接近于“零”，則系統(tǒng)的抗干擾能力就越強(qiáng)。 通常將二者的比值作為衡量控制系統(tǒng)控制

19、性能和抗干擾能力的綜合指標(biāo)。即：,思考：二者的比值越小越好還是越大越好？,,假設(shè)Gc1(s)=kc1,Gc2(s)=kc2,Gv(s)=kv,則上式寫為：而單回路控制系統(tǒng)：,圖5-7單回路控制系統(tǒng)框圖,,,則假設(shè)Gc (s)=kc, Gv(s)=kv,則上式寫為： 在一般情況下，有kc1kc2&

20、gt;kc,結(jié)論： 1）由于串級(jí)控制系統(tǒng)副回路的存在，能迅速克服進(jìn)入副回路的二次干擾，從而大大減小了二次干擾對(duì)主參數(shù)的影響。 2）由于副回路的存在，控制作用的總放大系數(shù)提高了，因而抗干擾能力和控制性能都比單回路控制系統(tǒng)有了明顯提高。,,（2）能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高工作頻率。 分析比較圖5—5和圖5—7可以發(fā)現(xiàn)，串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路代替了單回路系統(tǒng)中部分過(guò)程，亦即可以把整個(gè)副回路看成一個(gè)等效過(guò)程，其傳

21、遞函數(shù)用Go2'(s)表示，則,,,結(jié)論： 1) 由于副回路的存在，改善了控制通道的動(dòng)態(tài)特性，等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)縮小了(1+kc2kvkm2ko2)倍，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大，等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)將減小。 2) 通常情況下，副被控過(guò)程大多為單容或雙容過(guò)程，因而副調(diào)節(jié)器的比例增益可以取得很大，這樣，等效時(shí)間常數(shù)就可以減小到很小的數(shù)值，從而加快了副回路的響應(yīng)速度，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率。,則,式中ko2'和T

22、o2'分別為等效過(guò)程的放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)。 因?yàn)?1+kc2kvkm2ko2>>1 所以 To2'<<To2,,,,,副回路傳遞函數(shù)：,閉環(huán)傳遞函數(shù)：,系統(tǒng)特征方程：,假設(shè)：,GC1(s)=KC1, Gm1(s)=Km1,則：,整理：,標(biāo)準(zhǔn)形式：,,,,所以,,因?yàn)橹挥挟?dāng)0< ? <1時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)出現(xiàn)振蕩，而振蕩頻率即為串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率，因此,對(duì)于同一個(gè)被控過(guò)程，

23、如果不采用串級(jí)控制而采用單回路控制方案：,系統(tǒng)特征方程：,將系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)代入上式,?0=?,,,,如果使串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)阻尼系數(shù)相同，即?＝ ? ? ，則,因?yàn)椋?所以：,(5-10),,,1）由上述分析可知： 當(dāng)主、副被控過(guò)程為一階慣性環(huán)節(jié)，主、副調(diào)節(jié)器均為比例控制規(guī)律時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率。,2）進(jìn)一步研究表明：① 當(dāng)主

24、、副被控過(guò)程的Ｔo１ ／To２比值一定時(shí)，副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)KC2越大，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率就越高；② 而當(dāng)副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)KC2一定時(shí)， To１／To２的比值越大，串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率也越大。,串級(jí)控制系統(tǒng)工作頻率的提高，縮短了振蕩周期，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。,(3)串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象和控制閥特性的變化具有較好的魯棒性 由于實(shí)際過(guò)程往往具有非線性和時(shí)變特性，當(dāng)工藝變化時(shí)，對(duì)象特性

25、會(huì)產(chǎn)生變化，從而使原來(lái)整定好的控制器參數(shù)不再是“最佳的”，系統(tǒng)性能就會(huì)變差。 然而不同的控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)對(duì)特性變化的敏感程度是不一樣的，一般用“魯棒性”來(lái)描述這種敏感程度。系統(tǒng)品質(zhì)對(duì)對(duì)象特性變化越不敏感，則稱該系統(tǒng)魯棒性越好。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于等效副被控過(guò)程的等效放大系數(shù)為,結(jié)論: 1) 一般情況下， kc2kvkm2ko2 >>1 所以

26、 因此，當(dāng)副被控過(guò)程或調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)Ko2或kv隨負(fù)荷變化時(shí)，對(duì)ko2'的影響不大。,,2) 由于副回路通常是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)荷或操作條件改變時(shí)，主調(diào)節(jié)器將改變其輸出，副回路又能快速跟蹤以實(shí)現(xiàn)及時(shí)而又精確的控制，從而保證了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 可見(jiàn)，只要副回路具有較高的增益，副回路前向通道(這里主要指控制閥和副對(duì)象)特性的變化不大會(huì)影響副回路等效環(huán)節(jié)的特性。這也就使得串級(jí)系統(tǒng)對(duì)控

27、制閥和副對(duì)象特性的變化具有魯棒性。這里需要注意以下兩點(diǎn)。 ①主回路對(duì)副對(duì)象及控制閥的特性變化具有魯棒性，但副回路本身卻并沒(méi)有這種特性。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。 ②主回路對(duì)副回路測(cè)量反饋通道特性的變化沒(méi)有魯棒性。,綜上所述： 串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有： (1)副回路具有快速調(diào)節(jié)作用，能有效地克服發(fā)生于副回路的擾動(dòng)影響。 (2)能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高工作頻率。

28、 (3)串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象和控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。,,5.3 串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍 1 適用于容量滯后較大的過(guò)程（提高工作頻率） 當(dāng)被控過(guò)程容量滯后較大時(shí)，可以選擇一個(gè)滯后較小的輔助變量組成副回路，使被控過(guò)程的等效時(shí)間常數(shù)減小，以提高系統(tǒng)的工作頻率，最終提高控制質(zhì)量。 因此，對(duì)于很多以溫度或質(zhì)量指標(biāo)為被控參數(shù)的過(guò)程，其容量滯后往往比較大，而生產(chǎn)上對(duì)這些參數(shù)的控制質(zhì)量要求又比較高，此

29、時(shí)宜采用串級(jí)控制系統(tǒng)。 例1： 圖5—8所示為工業(yè)生產(chǎn)中的加熱爐。,工藝要求： 將被加熱物料加熱到一定溫度，然后送給下一道工序。為了使?fàn)t出口溫度為一定值，選取燃料流量為控制參數(shù)。 但是，由于爐子的時(shí)間常數(shù)比較大，容量滯后也較大，干擾因素也較多，單回路控制系統(tǒng)不能滿足工藝對(duì)爐出口溫度的要求。 選擇時(shí)滯較小的爐膛溫度為副參數(shù)，構(gòu)成爐出口溫度對(duì)爐膛溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)，運(yùn)用副回路的快

30、速作用，將有效地提高控制質(zhì)量，從而滿足工藝要求。,主參數(shù)：爐出口溫度副參數(shù)：爐膛溫度控制參數(shù)：燃料流量干擾信號(hào)： f1(t)被加熱物料流量、初溫 f2(t) 燃料油熱值的變化、 壓力、流量變化 f3(t)煙囪抽力,,,圖5-8 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng),例2：電廠鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。 如下圖所示，由鍋爐汽鼓出來(lái)的飽和蒸汽經(jīng)過(guò)

31、熱器加熱成為過(guò)熱蒸汽，而過(guò)熱蒸汽的溫度是保證發(fā)電廠的汽輪機(jī)組正常運(yùn)行的一個(gè)重要條件，必須對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格控制。（蒸汽溫度的給定值460OC左右） 通常在過(guò)熱器之前或中間串接一個(gè)減溫器，通過(guò)改變減溫水流量大小來(lái)控制過(guò)熱蒸汽的溫度。,工藝要求II段過(guò)熱器之后的A點(diǎn)溫度維持恒定，以減溫水的流量為控制變量。當(dāng)汽輪機(jī)負(fù)荷突然增大時(shí)，蒸汽流量也立即相應(yīng)增加，檢測(cè)點(diǎn)A的過(guò)熱蒸汽溫度很快下降。為了使A點(diǎn)的過(guò)熱蒸汽溫度保持不變，噴

32、水減溫器的噴水量應(yīng)該減小，以克服蒸汽流量增加所引起的過(guò)熱蒸汽溫度下降。 若用簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，因控制閥至A點(diǎn)的通道長(zhǎng)，容量滯后大，顯然不能滿足控制質(zhì)量要求。若在減溫器與II段過(guò)熱器之間的B點(diǎn)選擇過(guò)熱蒸汽溫度為副變量，A點(diǎn)的過(guò)熱蒸汽溫度為主變量，構(gòu)成溫度對(duì)溫度的串級(jí)控制系統(tǒng)，控制質(zhì)量則得到顯著提高。因?yàn)楦被芈诽岣吡讼到y(tǒng)的工作頻率，縮短了控制穩(wěn)定時(shí)間，對(duì)于進(jìn)入副回路的擾動(dòng)（如減溫水壓力波動(dòng)等），在它沒(méi)影響到A點(diǎn)過(guò)熱蒸汽溫度之前，就

33、被副控制器予以校正。,補(bǔ)圖 5－8 過(guò)熱蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng),2．適用于純滯后較大的過(guò)程 當(dāng)被控過(guò)程純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，單回路控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求時(shí)，可以考慮用串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)改善控制質(zhì)量。 在離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后時(shí)間較小的地方選擇一個(gè)輔助參數(shù)作為副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)純滯后較小的副回路，由它實(shí)現(xiàn)對(duì)主要干擾的控制。 盡量將純滯后部分放到主對(duì)象中去，以提高副回路的快速抗干擾功能，及時(shí)對(duì)干擾采取控制措施，將

34、干擾的影響抑制在最小限度內(nèi)，從而提高主變量的控制質(zhì)量。 如化纖廠紡絲膠液壓力控制，其工藝流程如圖5-9所示。 紡絲膠液從混合器由計(jì)量泵（作為執(zhí)行器）送到冷卻器中進(jìn)行冷卻，隨后又被送到過(guò)濾器以除去雜質(zhì)。,圖5-9 紡絲膠液壓力與壓力串級(jí)控制,工藝要求： 過(guò)濾前的壓力應(yīng)穩(wěn)定在250kPa，（因?yàn)閴毫Σ▌?dòng)將直接影響到過(guò)濾效果和噴絲質(zhì)量）以保證后面噴頭抽絲工序的正常工作。由于膠液粘度較大，從計(jì)量泵至過(guò)濾

35、器前的距離較長(zhǎng)，即純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，單回路控制系統(tǒng)不能滿足工藝要求。 在靠近計(jì)量泵出口的某個(gè)地方選擇一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)作為副參數(shù)，構(gòu)成一個(gè)壓力與壓力的串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖5—9所示。,由圖可見(jiàn)，當(dāng)來(lái)自紡絲膠液的粘度發(fā)生變化或因計(jì)量泵前的混合器有污染而引起壓力變化時(shí)，副參數(shù)能及時(shí)反應(yīng)，并通過(guò)副回路及時(shí)予以克服，從而穩(wěn)定了過(guò)濾前的膠液壓力，滿足了工藝要求。,圖5-9 紡絲膠液壓力與壓力串級(jí)控制,3．適用于干擾變化激烈、幅度大的過(guò)程

36、 由于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于進(jìn)入其中的干擾具有較強(qiáng)的克服能力，因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只要將變化激烈而且幅度大的干擾包括在副回路之中，就可以大大減小變化激烈而又幅度大的干擾對(duì)主參數(shù)的影響。 圖5—10所示為某快裝鍋爐的液位控制示意圖。,局限性： 利用串級(jí)控制克服純滯后的方法有很大局限性，即只有當(dāng)純滯后環(huán)節(jié)能夠大部分乃至全部都可以劃入主對(duì)象中去時(shí)，這種方法才能有效地提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，否則將不會(huì)獲得好的效

37、果。,在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中用汽和用水的場(chǎng)合很多，蒸汽流量和水壓的變化既頻繁激烈且幅值又大，而快裝鍋爐的汽包容量往往又較小，所以汽包液位是一個(gè)很重要的參數(shù)。 為確保控制質(zhì)量，常以蒸汽流量和水流量的綜合作用作為副回路的測(cè)量值，同液位一起構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，即所謂三沖量液位串級(jí)控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)把多沖量與串級(jí)控制結(jié)合起來(lái)，所以它比一般的三沖量控制系統(tǒng)對(duì)液位具有更強(qiáng)的控制能力。,?,圖5-10 快裝鍋爐三沖量液位串級(jí)控制,4．適用于參數(shù)

38、互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程 在有些生產(chǎn)過(guò)程中，有時(shí)兩個(gè)互相關(guān)聯(lián)的參數(shù)需要用同一個(gè)介質(zhì)進(jìn)行控制。方法I: 采用單回路控制系統(tǒng)，則需要裝兩套裝置，如在同一管道上裝兩個(gè)調(diào)節(jié)閥。這樣，既不經(jīng)濟(jì)又無(wú)法工作。方法II：采用串級(jí)控制系統(tǒng)，即分清互相關(guān)聯(lián)的主次，組成串級(jí)控制，以滿足工藝要求。 例如煉油廠常壓塔塔頂出口溫度和一線溫度的控制就屬此例。,進(jìn)入常壓塔的油品，通過(guò)精餾將各組分分離成塔頂汽油、一線航空煤油、二線輕柴油、三線重柴油、塔

39、底重油等產(chǎn)品（利用其各組分不同的揮發(fā)度），其中塔頂出口溫度是保證塔頂產(chǎn)品純度的主要指標(biāo)，一線溫度是保證一線產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，兩者均通過(guò)塔頂?shù)幕亓髁縼?lái)控制。若采用單回路控制，顯然是困難的，如果采用圖5-11所示的串級(jí)控制系統(tǒng)，則既可行又能滿足工藝要求。,圖5-11 一線溫度與塔頂溫度串級(jí)控制,5 適用于非線性過(guò)程 在過(guò)程控制中，被控過(guò)程的特性大多呈現(xiàn)不同程度的非線性。當(dāng)負(fù)荷或操作條件變化時(shí)，過(guò)程特性會(huì)發(fā)生變化，這是由于工作點(diǎn)的

40、移動(dòng)引起的。此時(shí)，若采用單回路控制系統(tǒng)，雖然可以通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)來(lái)保證系統(tǒng)的衰減率不變。但是，負(fù)荷或操作條件的變化是隨時(shí)發(fā)生的，僅靠改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)來(lái)適應(yīng)此變化是不可行的。 如果采用串級(jí)控制系統(tǒng)，由于它能根據(jù)負(fù)荷和操作條件的變化，自動(dòng)調(diào)整副調(diào)節(jié)器的給定值，使系統(tǒng)運(yùn)行在新的工作點(diǎn)，最終使主被控參數(shù)保持平穩(wěn)，從而達(dá)到工藝要求。 例如，在化學(xué)工業(yè)中，醋酸裝置的乙炔合成反應(yīng)器，其中部溫度是生產(chǎn)過(guò)程的重要參數(shù)，為

41、保證合成氣質(zhì)量，必須對(duì)它進(jìn)行嚴(yán)格控制，其工藝流程如圖5-12所示。,由圖可見(jiàn): 在它的控制通道中，包括了一個(gè)換熱器和一個(gè)合成反應(yīng)器。由于換熱器有明顯的非線性，致使整個(gè)被控過(guò)程非線性特性比較嚴(yán)重。 若采用單回路控制系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)荷或操作條件變化時(shí)，要想保持系統(tǒng)原有衰減率不變，則必須不斷改變調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然而這是不現(xiàn)實(shí)的。,混合氣,采用串級(jí)控制： 主被控參數(shù)——反應(yīng)器中部溫度。 副被控參數(shù)——換熱

42、器出口溫度。 這樣，在副回路中就包括了過(guò)程特性中非線性特性的主要部分。再利用串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象和控制閥特性的變化具有較好的魯棒性這一特點(diǎn)，這就可以保證控制系統(tǒng)具有較好的控制質(zhì)量，滿足了工藝要求。,圖5-12 合成反應(yīng)器溫度串級(jí)控制系統(tǒng),總結(jié): 串級(jí)控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用范圍雖然較廣，但是必須根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的具體情況，充分利用串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，才能收到預(yù)期的效果。1 主副調(diào)節(jié)器、變送器會(huì)選取。2 串級(jí)控制系統(tǒng)

43、中的主副變量可以是相同的物理參數(shù)，也可以是不同的物理參數(shù)。,,復(fù)習(xí)：,1.串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)：(1)副回路具有快速調(diào)節(jié)作用，能有效地克服發(fā)生于副回路的擾動(dòng)影響。(2)能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高工作頻率。(3)串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)副對(duì)象和控制閥特性的變化具有較好的魯棒性。2.串級(jí)控制系統(tǒng)的應(yīng)用范圍（1）適用于容量滯后較大的過(guò)程（2）適用于純滯后較大的過(guò)程（3）適用于干擾變化激烈、幅度大的過(guò)程（4）適用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程（

44、5）適用于非線性過(guò)程,5.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) (1)串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 一般來(lái)說(shuō)串級(jí)控制有如下的設(shè)計(jì)原則。 ①在單回路控制不能滿足要求的情況下可以考慮采用串級(jí)控制。 串級(jí)控制系統(tǒng)雖然可以有效抑制副回路中的干擾，但是串級(jí)系統(tǒng)比單回路控制復(fù)雜。串級(jí)控制的調(diào)試、投運(yùn)以及維護(hù)工作量都要大于單回路控制。因此只有在單回路控制不能達(dá)到滿意控制精度時(shí)才考慮采用串級(jí)控制。②副變量要物理可測(cè)、副對(duì)象

45、的時(shí)間常數(shù)要小、純滯后時(shí)間應(yīng)盡可能短。,副變量的選擇首先必須是物理上可測(cè)的，其次應(yīng)使副回路調(diào)節(jié)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)不能太大，調(diào)節(jié)通道盡可能短，時(shí)間滯后小，以便使等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)大大減小，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率，加快反應(yīng)速度，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 例如圖5—3所示反應(yīng)釜溫度控制，副參數(shù)為夾套溫度，它較反應(yīng)釜內(nèi)溫度反應(yīng)快，對(duì)于冷卻水入口溫度、調(diào)節(jié)閥閥前壓力等方面的干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。 又如圖5—

46、8所示加熱爐溫度控制，選取爐膛溫度為副參數(shù)，它較爐出口溫度反應(yīng)快，對(duì)燃料壓力、燃料成分以及煙囪抽力等干擾能夠迅速克服。 總之，為了充分發(fā)揮副回路的快速作用，必須設(shè)法選擇一個(gè)物理上可測(cè)、對(duì)干擾作用能迅速做出反應(yīng)的工藝參數(shù)作為副被控參數(shù)。,③副回路應(yīng)盡可能多地包含變化頻繁、幅度大的干擾。 為了充分發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路干擾有較強(qiáng)的克服能力這一特點(diǎn)，在選擇副參數(shù)時(shí)一定要把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的

47、干擾包含在副回路中，將影響主參數(shù)最嚴(yán)重、最劇烈、最頻繁的干擾抑制到最低限度。確保主被控量的控制質(zhì)量。 但也不能使副回路包含的干擾越多越好，因?yàn)楦被芈钒母蓴_越多，副被控過(guò)程的時(shí)間滯后必然越大，副回路迅速克服干擾的能力會(huì)受到影響。如圖5－8所示的以爐出口溫度為主參數(shù)與爐膛溫度為副參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)，如果燃料的流量和熱值變化是主要擾動(dòng)，上述方案是正確合理的。 當(dāng)然，并不是說(shuō)在副回路中包括的擾動(dòng)愈多愈好，而應(yīng)該

48、是合理。因?yàn)榘ǖ臄_動(dòng)愈多，其通道就愈長(zhǎng)，時(shí)間常數(shù)就愈大，這樣副回路就會(huì)失去快速克服擾動(dòng)的作用。 此外，若所有擾動(dòng)均包含在副回路內(nèi)，則主調(diào)節(jié)器就失去了作用，亦不成為串級(jí)控制系統(tǒng)了。所以必須結(jié)合具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。,圖5-13是煉油廠管式加熱爐原油出口溫度的兩種串級(jí)控制方案： a) 是原料油出口溫度與燃料油閥后壓力串級(jí)控制方案。 只適用于燃料油壓力是主要干擾的場(chǎng)合。 b) 是原料油出口溫度與爐膛溫度串級(jí)控制方

49、案， 它適用于燃料油壓力比較穩(wěn)定,燃料油的粘度、成份、處理量和燃料油熱值經(jīng)常波動(dòng)的場(chǎng)合。,圖5-13 管式加熱爐串級(jí)控制方案a,圖5-13 管式加熱爐串級(jí)控制方案b,結(jié)論： （1）即便是同一被控過(guò)程，由于主要干擾不同，采用的串級(jí)控制方案也會(huì)有所不同。 （2）但無(wú)論什么情況，副變量的選擇必須使副回路包含其主要干擾。,④ 主、副被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)要適當(dāng)匹配。 主副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)之比To1/To2

50、應(yīng)大于3，一般控制在3～10的范圍內(nèi)。,由式（5－10）可知，當(dāng)主、副被控過(guò)程均用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)描述，且保證串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)的衰減系數(shù)相同時(shí)，其工作頻率之比為,根據(jù)上式，假設(shè)1＋kc2kvko2km2=10，作出如圖5－14所示曲線。由圖可見(jiàn),串級(jí)控制相對(duì)于單回路控制的工作頻率的增長(zhǎng)在主、副被控過(guò)程的時(shí)間常數(shù)之比T01/T02較小時(shí)才較為明顯，而隨著這個(gè)比值的增加明顯減弱。,因此，在選擇副參數(shù)時(shí)，雖然希望副回路盡可能靈敏

51、點(diǎn)，但也不要過(guò)于苛求減小副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，因?yàn)檫@對(duì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的整個(gè)工作頻率受益不大。另一方面，副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)太小，必然會(huì)使副回路所包含的干擾少。 相反，當(dāng)主副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)之比太小時(shí)，雖然副回路對(duì)改善過(guò)程的特性作用明顯了，但包含的干擾太多，會(huì)使副回路反應(yīng)遲鈍反而不能及時(shí)克服進(jìn)入副回路的干擾。所以說(shuō)，主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)應(yīng)匹配適當(dāng)。 究竟如何匹配才算適當(dāng)? 從消除主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系看，

52、在控制過(guò)程中，主、副回路的振蕩頻率?主/ ?副接近時(shí)容易引起共振，為此必須使?主/ ?副>3。 相應(yīng)地，主副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)之比T01/T02應(yīng)大于3，一般控制在3～10的范圍內(nèi)。 這樣，主、副回路之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系就非常小了。,注意： 系統(tǒng)的控制參數(shù)必定是先影響副參數(shù)，再去影響主參數(shù)的這種串聯(lián)對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后再考慮其它方面的要求。,在選擇副參數(shù)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)不止一個(gè)可供選擇的方案，在這種情況下可根

53、據(jù)對(duì)主參數(shù)控制質(zhì)量的要求及經(jīng)濟(jì)性原則來(lái)決定。,⑤應(yīng)綜合考慮控制質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性要求。,現(xiàn)舉一個(gè)精餾塔提餾段溫度控制的例子。圖5-14表示了塔的提餾段和再沸器。 提餾段某塊板的溫度定為主變量，控制閥安裝在再沸器的加熱蒸汽管線上。 中間變量可以是：（1）加熱蒸汽流量(即圖中的方案1)，（2）加熱蒸汽壓力(即圖中方案2)，（3）再沸器工藝介質(zhì)一側(cè)的氣相流量(即圖中方案3)。,圖5-14 精餾塔提餾段和再沸器的控制

54、,進(jìn)料口以上的塔段，把上升蒸汽中易揮發(fā)組分進(jìn)一步提濃，稱為精餾段； 進(jìn)料口以下的塔段，從下降液體中提取易揮發(fā)組分,稱為提餾段。 兩段操作的結(jié)合,使液體混合物中的兩個(gè)組分較完全地分離，生產(chǎn)出所需純度的兩種產(chǎn)品。,如果選擇蒸汽量作為副變量，它只能快速消除因蒸汽汽源壓力或冷凝壓力變化引起的干擾，對(duì)于克服其他干擾，串級(jí)控制的優(yōu)點(diǎn)不明顯。 閥后加熱蒸汽壓力是冷凝溫度的一種度量，在某種程度上，也是對(duì)壁溫的

55、一種度量。金屬壁通常有幾秒的時(shí)間常數(shù)，若將加熱蒸汽壓力選作副變量，則能把這個(gè)時(shí)間常數(shù)包含在副對(duì)象中。但是保持蒸汽壓力恒定并不能保證工藝介質(zhì)氣相流量的恒定，而它是更為重要的變量。 若將工藝介質(zhì)氣相流量作副變量，副對(duì)象又增加了再沸器液相側(cè)的滯后。經(jīng)過(guò)擴(kuò)大副對(duì)象，包括再沸器液位、溫度及傳熱系數(shù)等的變化都進(jìn)入了副回路，因而能得到較快的校正，但是對(duì)加熱蒸汽汽源壓力波動(dòng)的校正就不如前面兩個(gè)方案快速了。,,以上對(duì)副變量選擇

56、的討論都是從控制質(zhì)量角度來(lái)考慮的，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需考慮工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性。,,圖5-14 精餾塔提餾段和再沸器的控制,如圖5-15是兩個(gè)同樣的冷卻器，均以被冷卻氣體的出口溫度作為主被控參數(shù)，但兩個(gè)控制系統(tǒng)的副參數(shù)的選擇卻不相同。①是將冷劑液位作為副參數(shù)，該方案投資少，適用于對(duì)溫度控制質(zhì)量要求不太高的場(chǎng)合；②是以冷劑蒸發(fā)壓力作為副參數(shù)，該方案投資多，但副回路相當(dāng)靈敏，溫度控制質(zhì)量比較高。,,方案比較： （1）從控制

57、角度看，蒸汽壓力作為副參數(shù)比以冷卻器液位為副參數(shù)靈敏，反應(yīng)速度快。 （2） 但是，如從經(jīng)濟(jì)原則來(lái)考慮，以冷卻器液位為副參數(shù)比以蒸汽壓力為副參數(shù)的方案來(lái)得節(jié)省。 因?yàn)橐龅胶笳弑惹罢呖刂瀑|(zhì)量好，在冷凍機(jī)入口壓力（氣體丙稀返回冷凍壓縮機(jī)冷凝后重復(fù)使用）相等的情況下，方案（ b）中丙稀蒸發(fā)壓力就需高于方案（a）中的丙稀蒸發(fā)壓力（調(diào)節(jié)閥上需要有一定的壓降），這樣冷卻溫差就要減小，冷量利用就不夠充分。

58、 而且此方案中還需要另外設(shè)置一套液位控制系統(tǒng)，以維持一定的蒸發(fā)空間，防止氣丙稀帶液進(jìn)入冷凍機(jī)危及后者的安全，這樣方案（b）的儀表投資相應(yīng)地也要有所增加。 相比之下，方案（a）雖然比較遲鈍一些（因?yàn)樗墙柚趥鳠崦娣e的改變以達(dá)到控制溫度的目的，因此反應(yīng)較慢）但是卻較為經(jīng)濟(jì)。 所以，在溫度控制要求不是很高的情況下，采用方案（a）較為經(jīng)濟(jì)。,,（2）主、副控制器控制規(guī)律的選擇

59、 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。 主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)的范圍很小，一般要求無(wú)靜差，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律。 副回路是隨動(dòng)回路，允許存在余差。從這個(gè)角度說(shuō)，副控制器不需要積分作用。如選擇溫度作副變量時(shí)，副控制器不宜加積分。這樣可以將副回路的開(kāi)環(huán)靜態(tài)增

60、益調(diào)整得較大，以提高克服干擾的能力。但是當(dāng)副回路是流量(或液體壓力)系統(tǒng)時(shí)，它們的開(kāi)環(huán)靜態(tài)增益都比較小，若不加入積分作用，會(huì)產(chǎn)生很大余差?？紤]到串級(jí)系統(tǒng)有時(shí)會(huì)斷開(kāi)主回路，讓副回路單獨(dú)運(yùn)行，這樣大的余差是不合適的。又因?yàn)榱髁扛被芈窐?gòu)成的等效環(huán)節(jié)比主對(duì)象的動(dòng)態(tài)滯后要小得多，副控制器增加積分作用也不太影響主回路性能。所以在實(shí)際生產(chǎn)上，流量(或液體壓力)副控制器常采用比例加積分作用。,在溫度作副變量的系統(tǒng)中，副控制器可以具有微分作用。但要注意：

61、因?yàn)楦被芈肥莻€(gè)隨動(dòng)回路，設(shè)定值是經(jīng)常變化的。對(duì)于設(shè)定值變化，微分作用會(huì)引起控制閥的大幅度跳動(dòng)，并引起很大超調(diào)。 所以在副控制器中，不宜設(shè)置微分作用。但是，為克服溫度副對(duì)象的慣性滯后，副控制器可選用具有“微分先行”的控制器。,（3）主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定 串級(jí)控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方式選擇的方法是： （1）首先根據(jù)工藝要求決定調(diào)節(jié)閥的氣開(kāi)、氣關(guān)形式。 （2）然后再?zèng)Q定副調(diào)節(jié)器的正、反作

62、用。 （3）再依據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系最后決定主調(diào)節(jié)器的正、反作用。 如在單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所述，要使一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)能正常運(yùn)行，系統(tǒng)必須采用負(fù)反饋。 對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則依然是使整個(gè)系統(tǒng)為負(fù)反饋，即主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積的極性必須為正。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的確定同單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全一樣。 現(xiàn)以圖5-8所示加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)為例，說(shuō)明主副調(diào)節(jié)器正、反

63、作用方式的確定。,1）從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開(kāi)式，即一旦調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障，調(diào)節(jié)閥全關(guān)，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保其設(shè)備安全，故kv為正。2）當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，爐膛溫度升高，故ko2為正。為保證副回路為負(fù)反饋，則kc2應(yīng)為正，即為反作用調(diào)節(jié)器。3)由于爐膛溫度升高，爐出口溫度也升高，故ko1也為正。4)為保證整個(gè)回路為負(fù)反饋，則kc1應(yīng)為正，即為反作用調(diào)節(jié)器。 表5-1所示為調(diào)節(jié)器正、反作用選擇的各種

64、情況，可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)照。,,圖5-8 加熱爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng),檢驗(yàn)： 當(dāng)爐出口溫度升高時(shí)，主調(diào)節(jié)器輸出減小，即副調(diào)節(jié)器的給定值減小，因此，副調(diào)節(jié)器輸出減小，使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小。這樣，進(jìn)入加熱爐燃料油減小，從而使?fàn)t膛溫度和爐出口溫度降低。由此可見(jiàn)，主副調(diào)節(jié)器正、反作用方式是正確的。,,,表5-1 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式,例2 反應(yīng)釜溫度串級(jí)控制系統(tǒng) 1）從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，冷卻水調(diào)節(jié)閥選用氣關(guān)式，即一旦調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障

65、，調(diào)節(jié)閥全開(kāi)，冷卻水進(jìn)入夾套，防止反應(yīng)釜溫度過(guò)高，確保其安全，故Kv為負(fù)。 2）當(dāng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，夾套溫度T2下降，故ko2為負(fù)。為保證副回路為負(fù)反饋，則kc2應(yīng)為正，即為反作用調(diào)節(jié)器。 3）由于夾套T2下降，反應(yīng)釜溫度T1下降，故ko1為正。 4）為保證整個(gè)回路為負(fù)反饋，則kc1應(yīng)為正，即為反作用調(diào)節(jié)器。,檢驗(yàn)： 當(dāng)反應(yīng)溫度升高時(shí)，主控制器輸出減小，即副控制器設(shè)定值減小，所以副控制器輸出減小，使調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大，冷卻水流量

66、增大，從而使反應(yīng)溫度降低。 由此可見(jiàn)，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式選擇是正確的。,,(4)串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定 串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定比單回路控制系統(tǒng)要復(fù)雜一些，因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)節(jié)器串在一個(gè)系統(tǒng)中工作，相互之間或多或少有些影響。在運(yùn)行中，主環(huán)和副環(huán)的工作頻率是不同的，一般來(lái)說(shuō)，副環(huán)的頻率較高，主環(huán)的頻率則較低。工作頻率的高低主要取決于被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，但也與主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)有關(guān)。 在整定時(shí)應(yīng)盡

67、量加大副調(diào)節(jié)器的增益以提高副環(huán)的工作頻率，目的是使主、副環(huán)工作頻率錯(cuò)開(kāi)，以減少相互間的影響。,串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定目前采用的有如下幾種方法。 逐步逼近法、兩步整定法、一步整定法。,1）逐步逼近法 ①適用范圍: 適用于主、副過(guò)程的時(shí)間常數(shù)相差不大，主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系比較密切的情況。,②逐步逼近法的步驟： a.在主回路開(kāi)環(huán)、副回路閉環(huán)的情況下，先整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，可采用任意一種單回路調(diào)

68、節(jié)器參數(shù)整定方法，求得副調(diào)節(jié)器參數(shù)[Gc2]1； b.副調(diào)節(jié)器置于[Gc2]1數(shù)值上，把主回路閉合，副回路等效成一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣的方法求得主調(diào)節(jié)器參數(shù)[Gc1]1； c.按以上兩步所得結(jié)果，觀察系統(tǒng)在[Gc1]1、 [Gc2]1作用下的過(guò)渡過(guò)程曲線，如已滿足工藝要求，則[Gc1]1、 [Gc2]1即為所求調(diào)節(jié)器參數(shù)。否則，在主回路閉合的情況下，再整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，記為[Gc2]2 ，觀察系統(tǒng)在[Gc1]1、 [Gc2