第六章第一節(jié)

教書育人要義傳道授業(yè)釋疑；

師生同心協(xié)力,共探過控真諦。

熟悉儀表原理,統(tǒng)領(lǐng)系統(tǒng)設(shè)計；

理論實踐結(jié)合，思維創(chuàng)新第一?！哆^程控制與自動化儀表》西安理工大學潘永湘楊延西趙躍制作教學理念：第6章常用高性能過程控制系統(tǒng)

本章要點1）了解串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景，熟悉串級控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與特點；2）掌握串級控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，熟悉串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法；3）了解前饋控制的原理及使用場合；4）掌握前饋補償器的設(shè)計方法，熟悉前饋－反饋復合控制的特點及工業(yè)應(yīng)用；前面介紹的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是單回路的。這種控制系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)使用的過程控制儀表較少，系統(tǒng)成本較低，能夠解決多數(shù)簡單被控過程的控制要求而在實際生產(chǎn)過程中得到了廣泛應(yīng)用。對于一些生產(chǎn)過程比較復雜，生產(chǎn)工藝比較煩瑣的情況，簡單過程控制系統(tǒng)就無法滿足生產(chǎn)過程的控制需要?？茖W工作者為滿足不同生產(chǎn)工藝需要，研究開發(fā)了各種各樣復雜的、多回路的或者不同于PID規(guī)律的控制算法，統(tǒng)稱其為復雜控制系統(tǒng)。根據(jù)復雜控制系統(tǒng)的控制目的的不同，可以將復雜控制系統(tǒng)大體上分成兩類：一類是以提高響應(yīng)曲線性能指標為目的的控制系統(tǒng)。開發(fā)這類控制系統(tǒng)的目的是提高控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，改善系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)。顯而易見，這類系統(tǒng)的發(fā)展依托于控制原理的最新成果。隨著控制理論的發(fā)展，研發(fā)出各種新型的控制系統(tǒng)。如串級控制系統(tǒng)是在雙閉環(huán)控制理論發(fā)展后產(chǎn)生的、前饋控制系統(tǒng)是在前饋控制理論出現(xiàn)后問世的。另一類控制系統(tǒng)是按照滿足特定生產(chǎn)工藝要求而開發(fā)出的控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展主要得益于對各種工藝操作分析的新理念而往往不依賴于控制理論的發(fā)展。在控制原理教科書中一般找不到這類控制系統(tǒng)的理論依據(jù)。如比值控制系統(tǒng)、分程控制系統(tǒng)、選擇性控制系統(tǒng)等。單回路控制系統(tǒng)能解決工業(yè)過程自動化過程的大量參數(shù)定值控制問題。對于多數(shù)復雜控制系統(tǒng)，如多輸入多輸出系統(tǒng)、大滯后系統(tǒng)和擾動較大的系統(tǒng)等簡單控制系統(tǒng)就很難控制，無法滿足控制系統(tǒng)的控制要求。串級控制系統(tǒng)在改善復雜控制系統(tǒng)的控制指標方面具有較大的優(yōu)勢。

問題：過渡過程時間長，調(diào)節(jié)不及時解決辦法：串級控制(圖6－3）圖6－2化學反應(yīng)釜溫度單回路控制系統(tǒng)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由夾套中的冷卻水帶走；為保證產(chǎn)品的質(zhì)量，對反應(yīng)溫度T1需要進行嚴格控制?？刂谱兞浚豪鋮s水流量被控變量：反應(yīng)溫度控制閥：氣關(guān)閥控制規(guī)律：PID

6.1串級控系統(tǒng)

6.1.1串級控制系統(tǒng)的基本概念

一、什么是串級控制？它是怎樣提出來的？其組成結(jié)構(gòu)怎樣?（圖6－1;）F1：進料流量、進料入口溫度及化學成分F2：冷卻水的入口溫度和閥前壓力單回路控制系統(tǒng)擾動分析問題：從擾動開始至調(diào)節(jié)器動作，調(diào)節(jié)滯后較大，特別對于大容量的反應(yīng)槽，調(diào)節(jié)滯后更大。冷卻水入口溫度↑→夾套內(nèi)冷卻水溫度T2↑→（經(jīng)對流傳熱）槽壁溫度↑→反應(yīng)槽溫度T1↑→（經(jīng)反饋回路）冷卻水量↑對調(diào)節(jié)滯后的解決方法之一 對于冷卻水方面的擾動，如冷卻水的入口溫度、閥前壓力等擾動，夾套冷卻水溫度T2比反應(yīng)槽溫度T1能更快地感受到。因而可設(shè)計夾套水溫單回路控制系統(tǒng)TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動。但TC2的設(shè)定值應(yīng)根據(jù)T1的控制要求作相應(yīng)的變化（這一要求可用反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)器TC1來自動實現(xiàn)）。“串級控制”特點：兩個調(diào)節(jié)器串在一起工作，調(diào)節(jié)器T2C通過調(diào)節(jié)冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調(diào)節(jié)器T1C通過調(diào)節(jié)夾套內(nèi)水溫的設(shè)定值以保證反應(yīng)溫度維持在工藝所希望的某一給定值。反應(yīng)器溫度串級控制框圖TC1稱為“主調(diào)節(jié)器”，TC2稱為“副調(diào)節(jié)器”。圖8-5串級控制系統(tǒng)組成原理及術(shù)語(1)組成原理①將原被控對象分解為兩個串聯(lián)的被控對象。②以分解后的兩個被控對象的中間變量作為副被控變量，構(gòu)成一個副回路（簡單控制系統(tǒng)）。③將原被控變量作為主被控變量構(gòu)成主回路。④主控制系統(tǒng)控制器的輸出信號作為副控制系統(tǒng)控制器的設(shè)定值，副控制系統(tǒng)的輸出信號作為主被控對象的輸入信號。(2)串級控制系統(tǒng)術(shù)語主變量：生產(chǎn)過程所需要控制的工藝參數(shù)，在串級控制系統(tǒng)中起主導作用的被控變量。副變量：串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主變量或因某種需要引入的輔助變量。副對象：副變量表征其特性的工藝生產(chǎn)設(shè)備。主對象：主變量表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)過程。副控制器：其給定值來自主控制器的輸出，并按副變量的測量值與給定值的偏差而工作的控制器（又名隨動控制器）。主控制器：按主變量的測量值與給定值偏差而工作，其輸出作為副變量給定值的控制器（主導控制器）。主回路：由主變量的測量變送裝置，主、副控制器，執(zhí)行器和主、副對象構(gòu)成的外回路。也稱為外環(huán)或主環(huán)。副回路：由負變量的測量變送裝置、副控制器、執(zhí)行器和副對象所構(gòu)成的內(nèi)回路。也稱為內(nèi)環(huán)或副環(huán)。主測量值、副測量值：相應(yīng)被控變量的測量值。主設(shè)定值、副設(shè)定值：主設(shè)定值是主被控變量的期望值，由主控制器內(nèi)部設(shè)定。副設(shè)定值由主控制器的輸出信號提供。6.1.2串級控制系統(tǒng)的控制效果1.能迅速克服二次干擾（圖6－5）

控制能力和抗干擾能力綜合定義為：對于一個控制系統(tǒng)而言，評價其性能好壞的指標可以看式中的傳遞函數(shù)。對于擾動來講，其傳遞函數(shù)的值越小越好；對于控制作用來講，其傳遞函數(shù)接近于1為佳；系統(tǒng)的抗擾動能力可以用兩者的比作評價。即由于串級控制系統(tǒng)副回路的存在，使得二次回路中的擾動得到快速控制，大大降低了二次擾動對被控量的影響，提高了控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。比值越大，系統(tǒng)的控制能力和抗干擾能力越強單回路系統(tǒng)(圖6－7）及傳遞函數(shù)控制能力和抗干擾能力綜合為：一般情況下有：結(jié)論：提高了控制質(zhì)量2.能改善控制通道的動態(tài)特性，提高工作頻率（1）等效時間常數(shù)減小，響應(yīng)速度加快；(分析比較圖6－5和圖6－7）響應(yīng)速度加快(2)提高了系統(tǒng)的工作頻率串級系統(tǒng)的特征方程為：如式（6－11）所示，則串級控制系統(tǒng)的工作頻率為：對同一過程，采用單回路控制方案，用同樣的分析方法，可得：若兩種方案的阻尼系數(shù)相同，則有：結(jié)論：副回路改善了動特性、提高了響應(yīng)速度和工作頻率；當主、副時間常數(shù)比值一定，副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)越大，工作頻率越高；同樣，當比例系數(shù)一定，主、副時間常數(shù)比值越大，工作頻率也越高。其結(jié)果使振蕩周期