畢業(yè)設(shè)計水箱液位自動控制系統(tǒng)設(shè)計論文

1、 . PAGE21 / NUMPAGES21水箱液位自動控制系統(tǒng)原理 液位自動控制是通過控制投料閥來控制液位的高低，當(dāng)傳感器檢測到液位設(shè)定值時，閥門關(guān)閉，防止物料溢出；當(dāng)檢測液位低于設(shè)定值時，閥門打開，使液位上升，從而達(dá)到控制液位的目的。在制漿造紙工廠常見有兩種方式的液位控制：常壓容器和壓力容器的液位控制，例如漿池和蒸汽閃蒸罐。液位自動控制系統(tǒng)由液位變送器（或差壓變送器）、電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和液位自動控制器構(gòu)成。根據(jù)用戶需要也可采用控制泵啟?；蚋淖冸姍C(jī)頻率方式來進(jìn)行液位控制。結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，操作簡便直觀，可以長期連續(xù)穩(wěn)定在無人監(jiān)控狀態(tài)下運行。應(yīng)用圍 在制漿造紙過程中涉與的所有池、罐、槽體液位自動

2、控制。圖1.1中，是控制器的傳遞函數(shù)，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)，是測量變送器的傳遞函數(shù)，是被控對象的傳遞函數(shù)。圖5.1中，控制器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量變送器都屬于自動化儀表，他們都是圍繞被控對象工作的。也就是說，一個過程控制的控制系統(tǒng)，是圍繞被控現(xiàn)象而組成的，被控對象是控制系統(tǒng)的主體。因此，對被控對象的動態(tài)特性進(jìn)行深入了解是過程控制的一個重要任務(wù)。只有深入了解被控對象的動態(tài)特性，了解他的在規(guī)律，了解被控辯量在各種擾動下變化的情況，才能根據(jù)生產(chǎn)工藝的要求，為控制系統(tǒng)制定一個合理的動態(tài)性能指標(biāo)，為控制系統(tǒng)的設(shè)計提供一個標(biāo)準(zhǔn)。性能指標(biāo)頂?shù)钠?，可能會對產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量造成影響。性能指標(biāo)頂?shù)倪^高，可能會成不必要

3、的投資和運行費用，甚至?xí)绊懙皆O(shè)備的壽命。性能指標(biāo)確定后，設(shè)計出合理的控制方案，也離不開對被控動態(tài)特性的了解。不顧被控對象的特點，盲目進(jìn)行設(shè)計，往往會導(dǎo)致設(shè)計的失敗。尤其是一些復(fù)雜控制方案的設(shè)計，不清楚被控對象的特點根本就無法進(jìn)行設(shè)計。有了正確的控制方案，控制系統(tǒng)中控制器，測量變送器、執(zhí)行器等儀表的選擇，必須已被控對象的特性為依據(jù)。在控制系統(tǒng)組成后，合適的控制參數(shù)的確定與控制系統(tǒng)的調(diào)整，也完全依賴與對被控對象動態(tài)特性的了解。由此可見，在控制工程中，了解被控制的對象是必須首先做好的一項工作。過程控制的被控對象設(shè)計的圍很廣。被控對象不一定是指一個具體的設(shè)備，不少情況下被控對象是指一個過程。有些過程

4、可能涉與好幾種設(shè)備，而在有些設(shè)備部可能包括了幾個過程。 過程控制被控對象的在機(jī)理較為復(fù)雜，由簡單過程，又存在嚴(yán)重非線性的過程，有多變量過程，有些被控對象的特性隨時間或工作條件而變化。對被控對象動態(tài)特性的了解，一種方法是通過分析被控對象的工作機(jī)理，建立被控對象的數(shù)學(xué)模型。但由于連續(xù)生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，完全從機(jī)理上揭示其在規(guī)律，獲得精確的數(shù)學(xué)模型還有較大的困難。另一種方法是工程上經(jīng)常使用的方法，它采用實驗法來獲得被控對象的數(shù)學(xué)模型。這種方法通過測量被控對象的階躍相應(yīng)曲線（稱為飛升曲線），近似確定被控對象的數(shù)學(xué)模型，研究被控對象的動態(tài)特性。第二章 系統(tǒng)元件的選擇2.1 有自平衡能力的單容元件 如果被控

5、對象在擾動作用下偏離了原來的平衡狀態(tài)，在沒有外部干預(yù)的情況下（指沒有自動控制或人工控制參與），被控變量依靠被控對象部的反饋機(jī)理，能自發(fā)達(dá)到新的平衡狀態(tài)，我們稱這類對象是有自平衡能力的被控對象。具有自平衡能力的單容對象的傳遞函數(shù)為(2.1)這是個一階慣性環(huán)節(jié)。描述這類對象的參數(shù)是時間常數(shù)T和放大系數(shù)K。圖2.1 單容水箱圖2.1是單容水箱的示意圖。我們已經(jīng)推導(dǎo)過水箱的傳遞函數(shù)為其中T=RC，C為水箱的橫截面積，R為輸出管道閥門的阻力。T稱為水箱的時間常數(shù)。K稱為水箱的放大系數(shù)。一階系統(tǒng)的特性我們已經(jīng)在時域分析中進(jìn)行了詳細(xì)的討論，所有結(jié)論都適用于單容對象。作為過程控制的被控對象，單容對象的時間常數(shù)

6、比較大。2.2 無自平衡能力的單容元件圖2.2單容積分水箱圖2.2也是一個單容水箱。不同的是水箱的出口側(cè)安裝了一臺水泵，這樣一來，水箱的流出水量就與水位無關(guān)，而是保持不變，即流出量的變化量。在靜態(tài)下，流入水箱的流量與水泵的排水量一樣都為Q，水箱的水位H保持不變。在流入量有一個增量時，靜態(tài)平衡被破壞，但流出量并不變化，水箱的水位變化規(guī)律為式中C為水箱的橫截面積。對上式兩端求取拉普拉斯變換，可得水箱的傳遞函數(shù)：(2.2)這是一個積分環(huán)節(jié)。它的單位階躍響應(yīng)為圖2.3 兩種水箱變化的比較（a）單容積分水箱（b）有自平衡能力的單容水箱圖2.3（a）是水位變化的曲線。為了比較，我們把具有慣性環(huán)節(jié)特性的水箱

7、在單位階躍輸入下的水位響應(yīng)曲線也畫出來，如圖2.3（b）所示。很明顯，具有慣性環(huán)節(jié)特性的單容水箱，在輸入作用下，水位經(jīng)過一個動態(tài)過程后，可以重新達(dá)到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。而具有積分環(huán)節(jié)的水箱在受到同樣的擾動之后，水位則無限地上升，永遠(yuǎn)不會達(dá)到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。我們稱這種水箱為單容水箱。具有積分環(huán)節(jié)特性的單容對象的傳遞函數(shù)可以表示為(2.3)式中稱為飛升速度。其單位階躍響應(yīng)為(2.4)這是一條直線方程，如圖2.3（a）所示。是直線的斜率。式（2-4）說明，當(dāng)被控對象原來的平衡狀態(tài)被擾動作用破壞后，如果不依靠自動控制或人工控制的外來作用，被控變量將一直變化下去，不可能達(dá)到新的平衡狀態(tài)。我們稱這類對象為

8、無自平衡能力的對象。2.3單容對象的特性參數(shù)被控對象有無自平衡能力，是被控對象本身固有的特性。圖55給出了兩類水箱的方框圖。圖5-5（a）是有自平衡能力的單容水箱，從方框圖中可以看出，水箱的水位既與流入量有關(guān)，也受流出量的制約，在被控對象部形成了一個負(fù)反饋機(jī)制。當(dāng)流入量增大時，將引起水位的上升。水位上升的結(jié)果，流出量就會增加。流出量的增大又限制了水位的進(jìn)一步上升。經(jīng)過一個動態(tài)過程后，總能重新找到一個平衡點，使流入量與流出量相等，水位不再變化。圖5-5（b）是無自平衡能力的單容水箱，在其部不存在負(fù)反饋機(jī)制，水位只與流量有關(guān)。具有自平衡能力的被控對象，本身對擾動有一定的克服能力，控制性能較好。而無

9、自平衡能力的被控對象，其傳遞函數(shù)的極點位于虛軸上，是不穩(wěn)定的。被控變量若要按要求的規(guī)律變化，必須完全依賴于對象外部的控制系統(tǒng)。圖5.5 兩種類型的單容水箱（a）有自平衡能力（b）無自平衡能力我們曾經(jīng)提到，一階系統(tǒng)是含有一個存貯元件的系統(tǒng)。本節(jié)中我們看到，有自平衡能力無自平衡能力的對象都含有存貯元件，為什么表現(xiàn)出不同的特性呢？上面，我們就其部機(jī)理進(jìn)行分析?，F(xiàn)在我們來看表征其特性的參數(shù)的異同描述存貯元件存貯能力的參數(shù)稱為對象的容量系數(shù)。容量系數(shù)可定義為C=被控對象儲存的物質(zhì)或能量的變化量/輸出的變化量容量系數(shù)對不同的被控對象有不同的物理意義，如水箱的橫截面積，電容器的電容量。熱力系統(tǒng)得熱容量等。在

10、我們推導(dǎo)系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)時，經(jīng)常遇到T 稱為系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，它是系統(tǒng)或環(huán)節(jié)慣性大小的量度。式中的R稱為阻力系數(shù)。如電路的電阻，流體流動的液阻，傳熱過程的熱阻等。被控對象的容量系數(shù)，表示了被控對象抵抗擾動的能力，如水箱的橫截面積大，同樣流入量下，水位上升得就慢。電路的電容量大，在同樣充電電流下，電壓上升得就慢。慣性環(huán)節(jié)的慣性，其根本原因就是因為它具有存貯能力。但這并不是決定慣性大小的唯一因素。還有另一個因素就是阻力系數(shù)。阻力系數(shù)是對流入存貯元件凈流入量的制約。在R-C充電電路里，它限制了流入電容器的電流，在單容水箱中，它限制了水箱的凈進(jìn)水量。慣性環(huán)節(jié)因為其具備了自平衡能力，在其動態(tài)參數(shù)

11、上，用時間常數(shù)來表示，而單容積分環(huán)節(jié)則不存在阻力系數(shù)，只用容量系數(shù)就可以表征其特性。描述有自平衡能力單容被控對象的參數(shù)有兩個：放大系數(shù)K和時間常數(shù)T，稱為被控對象的特性參數(shù)。放大系數(shù)K表示輸入信號通過被控對象后穩(wěn)態(tài)輸出是輸入的K倍。對于同樣的輸入信號，放大系數(shù)大，對應(yīng)的輸出信號就大。K表示了被控對象的穩(wěn)態(tài)放大能力，是被控對象的穩(wěn)態(tài)參數(shù)。T是描述被控對象慣性大小的參數(shù)，時間常數(shù)T越大，被控對象在輸入作用下的輸出變化得越慢。T是單容被控對象的動態(tài)參數(shù)。無自平衡能力的被控對象在輸入作用下不會達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，描述其性能的參數(shù)只有一個動態(tài)參數(shù)：飛升速度。第三章 控制器參數(shù)的整定3.1 參數(shù)的確定控制器

12、參數(shù)的整定，對PID控制規(guī)律來說，就是恰當(dāng)選擇比例度 （或比例放大系數(shù) ）、積分時間常數(shù) 和微分時間常數(shù) 的值。控制器參數(shù)整定的方法有兩類，一類是理論計算法，一類是工程整定法.已知被控對象較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，可以應(yīng)用理論計算法。用傳統(tǒng)的時域法、頻率法、根軌跡法都可以進(jìn)行整定，利用計算機(jī)進(jìn)行參數(shù)整定和優(yōu)化的方法也很多。往往由于數(shù)學(xué)模型的原因，理論計算得到的數(shù)據(jù)精度不高，但它卻可以為工程整定法提供指導(dǎo)。工程整定法易于掌握，是比較實用的方法。常用的工程整定法有穩(wěn)定邊界法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法等。穩(wěn)定邊界法又稱為臨界比例度法。具體過程是，先將控制器變?yōu)楸壤刂破?，逐漸減小比例帶 ，直到出現(xiàn)等幅振蕩。這

13、是的比例度稱為臨界比例度，記為 。記下兩個波峰相距的時間（臨界振蕩周期） ，根據(jù)和 ，按表3.1 進(jìn)行計算。表3.1 穩(wěn)定邊界法計算公式表（衰減率）控制規(guī)律比例度（%）積分時間(min)微分時間(min)衰減曲線法。衰減曲線法是使系統(tǒng)產(chǎn)生衰減振蕩，根據(jù)衰減振蕩參數(shù)來確定控制器參數(shù)。工程上認(rèn)為，衰減率 (衰減比為4：1）時，系統(tǒng)的動態(tài)過程較適宜。因此，一般都采用4：1衰減曲線來進(jìn)行整定。具體過程是：先將控制器變成比例控制器，比例度取較大的值，給定值為階躍函數(shù)，觀察曲線的衰減情況。然后逐漸減小比例度，直到衰減比為 4：1，此時的比例度為 ，衰減周期為 ，如圖5.34所示圖3.1 4:1衰減曲線根據(jù)

14、和 ，按表 3.1進(jìn)行計算。表3.2 衰減曲線法計算表控制規(guī)律比例度（%）積分時間(min)微分時間(min)響應(yīng)曲線法與以上兩種方法不同。以上兩種方法都是在閉環(huán)系統(tǒng)下進(jìn)行的，而響應(yīng)曲線法則要測出系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)。把控制系統(tǒng)從控制器輸出點斷開。在調(diào)節(jié)閥上加一個階躍輸入，測量變送器的輸出作為響應(yīng)曲線。響應(yīng)曲線一般的形式如圖 3.2所示。根據(jù)響應(yīng)曲線可近似求出如下傳遞函數(shù)圖3.2 系統(tǒng)的開環(huán)階躍響應(yīng)根據(jù)求出的K,T和值 ，按表3.3計算。表3.3響應(yīng)曲線計算表（衰減率）被控對象控制規(guī)律3.2 電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型。直流電動機(jī)可以在較寬的速度圍和負(fù)載圍得到連續(xù)和準(zhǔn)確地控制，因此在控

15、制工程中應(yīng)用非常廣泛。直流電動機(jī)產(chǎn)生的力矩與磁通和電樞電流成正比，通過改變電樞電流或改變激磁電流都可以對電流電機(jī)的力矩和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。在這種控制方式中，激磁電流恒定，控制電壓加在電樞上，這是一種普遍采用的控制方式。設(shè) 為輸入的控制電壓 電樞電流 為電機(jī)產(chǎn)生的主動力矩 為電機(jī)軸的角速度 為電機(jī)的電感 為電樞導(dǎo)數(shù)的電阻 為電樞轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的反電勢 為電機(jī)和負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)電路的克?；舴蚨ɡ碚砗笫街校?稱為直流電動機(jī)的電氣時間常數(shù)； 稱為直流電動機(jī)的機(jī)電時間常數(shù)；,為比例系數(shù)。直流電動機(jī)電樞繞組的電感比較小，一般情況下可以忽略不計，式（2.4）可簡化為3.3 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖3.3 過程控制系

16、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳遞函數(shù)為控制器參數(shù)的確定 測的該控制系統(tǒng)開環(huán)階躍響應(yīng)的參數(shù)后得到的近似傳遞函數(shù)為3.4 PID控制器的參數(shù)計算根據(jù) 查表5.4 minmin工程整定法由于采用的是經(jīng)驗公式，所以對同一系統(tǒng)應(yīng)用不同方法整定出的參數(shù)不可能一致。它們的實際控制性能指標(biāo)將會有差別。第四章 控制系統(tǒng)的校正在工業(yè)生產(chǎn)過程中，被控對象的特性并不是不變的。當(dāng)被控對象特性發(fā)生變化后，原定整定的 PID控制參數(shù)就不是最合適的參數(shù)了，必須重新整定。這將給連續(xù)化的生產(chǎn)帶來不利的影響。有一種控制系統(tǒng)，能根據(jù)被控對象特性的變化或其他條件的變化，自動調(diào)整控制系統(tǒng)的控制規(guī)律和控制器的控制參數(shù)，使控制系統(tǒng)始終處于最佳狀態(tài)，我們稱這種控

17、制系統(tǒng)為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。能對控制器參數(shù)進(jìn)行自動整定的自適應(yīng)控制系統(tǒng)成為自校正系統(tǒng)或自整定系統(tǒng)。圖4.1 自校正系統(tǒng)的工作原理圖 4.1時自校整系統(tǒng)的工作原理圖。自校正系統(tǒng)與一般控制系統(tǒng)相比，增加了兩種功能：一是根據(jù)控制器輸出和被控對象輸出分析對象的特性，即對對象進(jìn)行識別；二是根據(jù)識別結(jié)果計算并改變控制器參數(shù)，稱為決策。例如假定被控對象的模型為 :對象識別環(huán)節(jié)就會根據(jù)測量的值對K,T和 進(jìn)行估計。決策環(huán)節(jié)則根據(jù)求出的對象參數(shù)按規(guī)定的整定規(guī)則計算出控制器參數(shù)并對控制器參數(shù)進(jìn)行修改。4.1 控制器的正反作用 控制系統(tǒng)要能正常工作，必須有一個負(fù)反饋控制系統(tǒng)。為了保證這一點，必須正確選擇各環(huán)節(jié)的正反作用

18、?？刂破鞯恼醋饔檬歉鶕?jù)被控變量的測量值和控制器輸出之間的關(guān)系確定的。被控變量測量值增加時，控制器的輸出也增加，則控制器為正作用控制器，并規(guī)定其穩(wěn)態(tài)放大系數(shù) 為負(fù)。被控對象的測量值增加時，控制器的輸出值減小，則控制器為反作用控制器，并規(guī)定器穩(wěn)態(tài)放大系數(shù) 為正。被控對象的輸出與調(diào)節(jié)閥的介質(zhì)流量變化決定了被控對象的正反作用。介質(zhì)流量增加，被控對象的輸出也增加，則被控對象為正作用，規(guī)定其放大系數(shù) 為正。介質(zhì)流量增加時，被控對象輸出減小，則被控對象為反作用，規(guī)定其放大系數(shù) 為負(fù)。執(zhí)行器氣開式為正作用，氣關(guān)式為反作用，并規(guī)定正作用調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù) 為正，反作用的 為負(fù)。變送器的作用一般都是正作用，其放大

19、系數(shù) 為正。要保證系統(tǒng)是負(fù)反饋系統(tǒng)，組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的正反作用的乘積必須為正。這可用各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)來表示。即 為正。這里相乘只取正符號計算，不必計算放大系數(shù)的具體數(shù)值。選擇控制器的正反作用的步驟是先根據(jù)工藝與安全要求確定調(diào)節(jié)閥正反作用，被控對象的正反作用是固有的特性，測量變送器一般是正作用，所以往往可以排除在外，最后再選擇控制器的正反作用，使 的乘積為正。4.2 串級控制系統(tǒng)串級控制系統(tǒng)是在單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，對改善控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)非常有效，在過程控制中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，是一種典型的復(fù)雜控制系統(tǒng)。圖4.2夾套反應(yīng)器的溫度控制（a）單回路控制（b）串級控制我們通過一個實例來說明串級

20、控制原理。圖4.3是夾套式反應(yīng)釜溫度控制的例子。反應(yīng)釜中的放熱化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量必須被傳輸出去，以保證化學(xué)反應(yīng)的溫度條件。冷卻水通過夾套把反映熱帶走。圖4.2（a）是一個單回路控制系統(tǒng)。TT表示溫度測量變送器，TC表示溫度控制器。這個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖4.2。影響反應(yīng)釜反應(yīng)溫度的因素來自反應(yīng)物料和冷卻水兩個方面，用 表示物料方面的擾動，用表示冷卻水方面的擾動。因為這兩個擾動的作用點不同，對反應(yīng)釜溫度 的影響也不一樣。若冷卻水發(fā)生擾動，如冷卻水入口水溫度突然升高或冷卻水流量突然減小，這個擾動經(jīng)過夾套、反應(yīng)釜的槽壁、反應(yīng)釜（反應(yīng)槽）才能對 發(fā)生影響，由于被控對象熱容量大，熱傳遞過程的慣性很大。

21、在 發(fā)生變化后，控制器才能開大冷卻水進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，加大流量，但影響到 又要經(jīng)過一個熱傳遞過程。這將使反應(yīng)釜的溫度 發(fā)生較大的偏差?？梢妴位芈废到y(tǒng)不能滿足控制的要求。由于冷卻水方面的擾動會很快影響到夾套溫度，如果把單回路控制系統(tǒng)改變成圖4.2（b）的形式，即增加一個夾套溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)冷卻水?dāng)_動發(fā)生時，這個控制回路會立即產(chǎn)生控制作用，穩(wěn)定由于這個控制回路慣性小，反應(yīng)快， 很快會被穩(wěn)定下來， 基本上不受擾動的影響，控制質(zhì)量就大大得到改善。圖4.4是這個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖4.3 夾套反映器單回路溫度控制系統(tǒng)圖4.4 夾套反應(yīng)器串級溫度控制系統(tǒng)圖4.4所示的控制系統(tǒng)為串級控制系統(tǒng)。當(dāng)被控對象具有較大的慣性

22、和容量延遲時，圖4.5 被控對象若被控對象可以分為兩部分，稱為過程，過程，如圖4.5 所示。過程的輸出是過程的輸入,會對被控變量產(chǎn)生重大影響.一般情況下,過程 的慣性較小,過程的慣性較大.對于這種情況,采用單回路控制方案,對發(fā)生在過程上的擾動,控制效果很差,采用串級控制方式,則能收到較為滿意的控制效果。圖4.6 串級控制系統(tǒng)的原理圖串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖見圖4.6。串級控制系統(tǒng)共有2個控制回路.部的反饋回路稱為副回路。副回路包括副控制器(副調(diào)節(jié)器),調(diào)節(jié)閥,副對象(即過程)和副變送器.發(fā)生在副回路的擾動稱為二次擾動。外部的控制回路稱為主回路.主回路包括主控制器(主調(diào)節(jié)器),整個副回路,主對象(過

23、程 )和變送器。發(fā)生在主對象上的擾動稱為一次擾動。如果把整個副回路當(dāng)成一個等效環(huán)節(jié),它串聯(lián)在主回路的前向通道上。這就是串級控制名稱的由來。串級控制在結(jié)構(gòu)上有兩個特點:一個特點是串級控制雖然有兩個控制器,兩個變送器和兩個測量參數(shù),但仍然是一個單輸入單輸出系統(tǒng),系統(tǒng)只有一個需人為設(shè)定的給定值,只有一個控制變量(即副控制器輸出),只有一個執(zhí)行機(jī)構(gòu),因而也只能有一個被控變量,這一點和單回路控制系統(tǒng)極其相似;串級控制的另一個結(jié)構(gòu)的特點是主控制器和副控制器串聯(lián)在回路中.主控制器的輸出是副控制器的給定值.主控制器接受設(shè)定的給定值,所以整個串級控制系統(tǒng)是一個定值調(diào)節(jié)系統(tǒng).副控制器的給定值是主控制器的輸出,因為

24、這個輸出要隨著擾動而變化,所以副回路是一個隨動系統(tǒng).過程控制中還會經(jīng)常遇到具有兩個回路的控制系統(tǒng),只要不符合以上兩個特征,就不是串級控制系統(tǒng).串級控制在控制品質(zhì)上也有兩個最顯著的特點.圖4.7是某個串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖,圖中標(biāo)明了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù).為了比較控制效果,圖4.8給出了同一被控對象的單回路控制結(jié)構(gòu)圖.圖 4.7 串級控制系統(tǒng)當(dāng)二次擾動進(jìn)入副回路后,二次擾動至控制系統(tǒng)輸出(稱為主參數(shù))的傳遞函數(shù)為而單回路系統(tǒng), 至主參數(shù)的傳遞函數(shù)為:圖4.8 單回路控制系統(tǒng)圖 4.9比較兩式，串級系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分母比單回路系統(tǒng)大的多。這說明，串級控制系統(tǒng)使二次擾動對主參數(shù)的增益明顯減小，與單回路相比，

25、二次擾動的影響可以減小10-100倍。從作用原理上看，二次擾動首先影響副對象的輸出（稱為副參數(shù)），副控制器立即產(chǎn)生控制作用，由于副對象（或副過程）慣性較小，所以擾動的影響很快得到克服，不會對被控變量產(chǎn)生大的影響。串級控制的副回路對進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的克服能力。這是串級控制的一個顯著的特點。在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，一定要把被控對象的主要擾動包括在副回路。這是設(shè)計串級控制系統(tǒng)的根本原則。對于一次擾動，是不經(jīng)過副回路的。但副回路的存在卻可以使副回路的等效傳遞函數(shù)的慣性大大減小，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。這是串級控制的另一個顯著特點。在串級控制中，副回路主要是為了抑制二次擾動，并不

26、要將二次擾動完全消除，所以精度要求并不高，副控制器選比例控制就可以了。主回路的任務(wù)是保證系統(tǒng)輸出與給定值一致，控制精度要求高，所以主控制器應(yīng)選擇比例積分（PI）或(PID)控制器。副回路起“粗調(diào)”作用，要求響應(yīng)快，主回路起“細(xì)調(diào)”作用，要求精度高。這是選用主副控制器的原則。串級控制系統(tǒng)主副控制器參數(shù)定有多種方法。當(dāng)主副對象慣性相差不大，主副回路相互影響時，可采用逐步逼近法。即先斷開主回路整定副控制器參數(shù)，然后再整定主回路參數(shù)，接著再次在閉環(huán)下整定副回路參數(shù)。先副后主，逐步逼近，直到控制性能指標(biāo)滿意。二步整定法適用于主副對象時間常數(shù)相差較大的情況。在系統(tǒng)閉合時先整定副回路，然后把副回路當(dāng)成一個環(huán)

27、節(jié)，整定主回路。這種方法應(yīng)用較廣?，F(xiàn)在，生產(chǎn)過程的新技術(shù)、新工藝以與新型的生產(chǎn)設(shè)備都對自動控制提出了更高的要求。在新的控制理論指導(dǎo)下的許多高級、先進(jìn)的控制方式正在逐步獲得應(yīng)用。例如最優(yōu)控制系統(tǒng)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)，預(yù)測控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)等。第五章 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析5.1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析已知系統(tǒng)的特征方程為用勞斯判據(jù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性如下 1 12 10 6 15 2 2顯然，勞斯表第一列系數(shù)符號一樣，故系統(tǒng)是穩(wěn)定的。5.2 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差開環(huán)傳遞函數(shù)表示為式中K表示系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。N表示開環(huán)傳遞函數(shù)所包含的積分環(huán)節(jié)數(shù)。在分析控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差時，我們根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)所含的積分環(huán)節(jié)數(shù)來對系統(tǒng)