串級控制在鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用（附外文翻譯）

1、太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）太原科技大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）設(shè)計(論文)題目：串級控制在鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用姓 名： 學(xué)院（系）：機(jī)電工程系專 業(yè)： 過程裝備與控制工程年 級： 2008級指導(dǎo)教師： 2012年 6月 1日太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)院（直屬系）：化學(xué)與生物工程學(xué)院 時間： 2012 年 3月 1日學(xué) 生 姓 名指 導(dǎo) 教 師設(shè)計（論文）題目串級控制在鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用主要研究內(nèi)容1.鍋爐的工作過程；2.各種控制策略；3.提出鍋爐水位的控制方案；4.應(yīng)用matlab軟件中的simulink平臺進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真。研究方法調(diào)查法、觀察法、文獻(xiàn)研究法、

2、用matlab軟件等。主要技術(shù)指標(biāo)(或研究目標(biāo))通過這次畢業(yè)論文的設(shè)計，進(jìn)一步加深對所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本技能和專業(yè)知識的掌握；培養(yǎng)設(shè)計計算、數(shù)據(jù)處理、文件編輯、文字表達(dá)、文獻(xiàn)查閱、計算機(jī)應(yīng)用、外文應(yīng)用等基本工作實踐能力。主要參考文獻(xiàn)1 李國勇.過程控制試驗教程 北京：清華大學(xué)出版社 20112 李國勇，謝克明，楊麗娟.計算機(jī)仿真技術(shù)與cad：基于matlab的控制系統(tǒng)（第2版）m. 北京：電子工業(yè)出版社，2008.3 劉文定，王東林.過程控制系統(tǒng)的matlab仿真 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 20094 孫洪程，李大字.過程控制工程設(shè)計（第二版）m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.太原科技大學(xué)設(shè)計（論文）目

3、錄摘 要iiiabstractiv第1章 緒 論11.1鍋爐概述11.2 課題來源及主要任務(wù)4第2章 過程控制基礎(chǔ)52.1工業(yè)過程控制的發(fā)展概況52.2控制策略的介紹6第3章 鍋爐汽包液位特性233.1鍋爐汽包液位特性的綜述233.2汽包液位在給水流量作用下的動態(tài)特性253.3汽包液位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性27第4章 數(shù)學(xué)建模與控制策略的選擇304.1被控對象數(shù)學(xué)模型的建立304.1.1 數(shù)學(xué)模型實驗測定的主要方法304.1.2 鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立314.2鍋爐汽包液位的控制方案324.2.1單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)324.2.2雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)344.2.3三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)

4、354.2.4三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析364.2.5蒸汽流量分流系數(shù)的選擇384.2.6汽包液位的三沖量pid串級控制系統(tǒng)38第5章 仿真與結(jié)論405.1 simulink簡介405.2鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)仿真405.2.1鍋爐汽包液位雙沖量pid控制系統(tǒng)405.2.2鍋爐汽包液位三沖量串級pid控制系統(tǒng)415.3鍋爐汽包液位的三沖量串級pid控制系統(tǒng)參數(shù)整定42第6章 結(jié) 論45參考文獻(xiàn)46致 謝47附 錄4869串級控制在鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用摘 要鍋爐是電力、石油、化工等工業(yè)部門的重要熱源、能源動力設(shè)備，鍋爐控制系統(tǒng)的水平已經(jīng)成為衡量鍋爐性能的一個重要因素。由于鍋爐往往啟停頻繁、負(fù)

5、荷變化大，依靠人工操作很難保證其安全、穩(wěn)定的在經(jīng)濟(jì)工況下長期運行。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點，而汽包水位是工業(yè)鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標(biāo)，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對于提高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運行損耗，確保整個網(wǎng)絡(luò)安全運行具有重要意義。在實際運行中，自動控制已成為鍋爐安全高效運行的保證。鍋爐控制是一個比較復(fù)雜的控制過程，為保證提供合格的蒸汽適應(yīng)負(fù)荷的需要以及鍋爐的運行安全，各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制，而汽包水位控制系統(tǒng)是鍋爐自動控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。汽包水位是鍋爐正常運行的重要參數(shù)，維持汽包水位在一定的范圍內(nèi)變化，鍋爐水位控制的重要任務(wù)之一，也是保證汽機(jī)和鍋爐安全運行

6、的重要條件。所以研究鍋爐汽包水位的控制有著重要意義。目前鍋爐汽包水位的控制大多采用常規(guī)pid控制方式，由于其控制參數(shù)是固定不變的，不能進(jìn)行在線調(diào)整，其控制效果往往難以滿足要求。根據(jù)鍋爐控制現(xiàn)狀，介紹了國內(nèi)外研究成果及現(xiàn)狀，敘述了鍋爐的工藝流程及其他設(shè)備，說明了所涉及的過程裝備控制原理，設(shè)計了汽包水位控制系統(tǒng)的串級控制方案，并在matlab軟件平臺上進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明后者的自適應(yīng)能力更強，抗干擾能力和魯棒性更好，保證水位的穩(wěn)定。最后總結(jié)了本方案優(yōu)缺點并對汽包水位控制系統(tǒng)控制前景做了展望。關(guān)鍵詞：汽包水位； 三沖量； 串級控制；前饋控制； pid控制；matlababstractboiler i

7、s one kind of very important heat energy power resource equipment to serve national industry of electric, petroleum, chemical and others. the control level of boiler system becomes one key factor to measure the performance of system. because boiler bears frequent operation on starting and pausing wi

8、th variant load, it is difficult to rely on manual operation to ensure its security, stability and long-term operation to be economical in real production conditions. the problem of modeling and control is a attention focus of people .the boiler water lever is importance index of industry boiler saf

9、ety and stabilization. it is importance meaning to ensure water level in definite range for increasing quality of steam and reducing wastage of equipment and insuring safety of whole heart-power-net. actually control automation has become a guarantee to operation of safety and high efficiency. boile

10、r control is a more complicated control process, in order to ensure the provision of qualified needs the steam load and the safe operation of boilers, each aspect of the process parameters must be strictly controlled, and the drum water level control system for automatic control system for boilers a

11、re the most important aspect.boiler drum water-level is important parameters of the normal operation to maintain the drum water level at a certain range of changes. boiler water-level controlling is among one of an important tasks as well as steam turbine and boiler to ensure safe operation of an im

12、portant condition. so research of boiler drum water-level control is of an important significance. at present, the boiler drum water-level control of mostly conventional pid control method, because its control parameters are fixed and can not be adjusted online, and its control is often difficult to

13、 meet the requirements. according to actuality of boiler control, this paper introduces domestic and international research results and the present situation, describes the process of boiler and other equipment, and explains the processes involved equipment control principle, the design of the drum

14、water level control system cascade control scheme, and in the matlab software platform simulation results show that the latter adaptive ability strong, the anti-interference ability and better robustness, guarantee the stability of the water level. it summarizes the advantages and disadvantages of t

15、his scheme and drum water level control system control prospect.key words: water-level ; three impulse ; cascade system ; feed forward control；pid controller ; matlab第1章 緒 論1.1鍋爐概述 鍋爐是我國工業(yè)生產(chǎn)和生活上應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的熱力設(shè)備，是化工、煉油、造紙和制糖等工業(yè)生產(chǎn)過程必不可少的重要動力設(shè)備。尤其是在現(xiàn)代化的石油化工企業(yè)里，熱力站的設(shè)立可以使工藝生產(chǎn)過程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不僅能為反應(yīng)器、

16、蒸餾塔、換熱器以及其他設(shè)備、管道保溫伴熱提供熱源，而且還可以為生產(chǎn)過程中的風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類驅(qū)動提供動力來源。但是，由于鍋爐往往負(fù)荷變化大，啟停頻繁，依靠人工操作很難保證其安全、穩(wěn)定的在經(jīng)濟(jì)工況下長期運行，所以必須裝備自動控制設(shè)備。因而，對鍋爐設(shè)備中的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究是必要的。鍋爐是一種受壓又直接受火的特種設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用動力設(shè)備。對鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當(dāng)，往往會引起事故，輕則停爐影響生產(chǎn)，重則發(fā)生爆炸，造成人身傷亡，損壞廠房、設(shè)備，后果十分嚴(yán)重。因此，鍋爐的安全問題是一項非常重要的問題，必須引起高度重視。其中鍋爐壓力、水位、溫度是鍋爐運行質(zhì)量的重要指標(biāo)，水

17、位過高會影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)象；水位過低會影響汽水循環(huán)，使金屬局部過熱而爆管，導(dǎo)致重大事故。因此，必須對汽包水位進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使水位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍。正常運行時的鍋爐燃燒系統(tǒng)必需使出口的過熱蒸汽溫度維持在一定范圍內(nèi)，該參數(shù)的控制質(zhì)量直接影響著機(jī)組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性17。鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)，如圖1-1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。圖1-1鍋爐的汽水系統(tǒng)鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)

18、下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管13?！盃t”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入，通過空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過

19、熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。16與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。經(jīng)上介紹，鍋爐系統(tǒng)的主要包括燃燒系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。其主要工藝流程如圖1-2所示。圖1-2鍋爐主要工藝流程圖1燃燒嘴；2爐膛；3汽包；4減溫器；5爐墻；6過熱器；7省煤器；8空氣預(yù)熱器鍋爐的控制系統(tǒng)包括燃燒控制系統(tǒng)、送引風(fēng)控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-3 鍋爐控制系統(tǒng)總圖鍋爐是重要的動力設(shè)備，其要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐發(fā)熱量適應(yīng)負(fù)

20、荷的需要。為此，生產(chǎn)過程的各個主要工藝參數(shù)必須嚴(yán)格控制。鍋爐設(shè)備的主要控制要求如下：供給蒸汽量適應(yīng)負(fù)荷變化需求或保持給定負(fù)荷。鍋爐供給用汽設(shè)備的蒸汽壓力應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。汽包水位保持在一定范圍內(nèi)。保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟(jì)性和安全運行。、過熱蒸汽溫度應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。爐膛負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)。鍋爐設(shè)備是一個復(fù)雜的控制對象，主要輸入變量是鍋爐給水量、燃燒量、減溫水量、送風(fēng)量和引風(fēng)量等；主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負(fù)壓、過剩空氣（氧氣含量等）。系統(tǒng)輸入變量與輸出變量之間相互關(guān)聯(lián)。如果蒸汽負(fù)荷發(fā)生變化，必將引起汽包水位、蒸汽壓力和過熱蒸汽溫度等的變化。燃料量的變化不僅影響蒸汽壓力

21、，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、過?？諝夂蜖t膛負(fù)壓。給水量的變化不僅影響汽包水位，而且對蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度等亦有影響。減溫水的變化會導(dǎo)致過熱蒸汽溫度、蒸汽壓力、汽包水位等的變化等。所以鍋爐設(shè)備是一個多輸入、多輸出且相互關(guān)聯(lián)的控制對象。1.2 課題來源及主要任務(wù)1. 課題來源在焦化廠參觀實習(xí)后，通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)掌握了鍋爐工藝流程和設(shè)備的相關(guān)知識。對我國鍋爐現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)有了大概了解。通過閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合自己在大學(xué)期間所學(xué)的基本知識，基本掌握了鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)。根據(jù)實際情況提出了本課題。2. 課題的主要任務(wù)鍋爐汽包液位是鍋爐運行質(zhì)量的重要指標(biāo)。水位過高會影響汽水分離，產(chǎn)生汽帶水現(xiàn)

22、象；水位過低會影響汽水循環(huán)，使金屬局部過熱而爆管，導(dǎo)致重大事故。因此，必須對汽包水位進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，使水位嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍。鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是在滿足生產(chǎn)工藝要求前提下，實現(xiàn)原料的最大利用、達(dá)到理想產(chǎn)量的目的。工作過程要求效率高，系統(tǒng)穩(wěn)定，能源和原料利用率高。由于目前鍋爐是我國工業(yè)生產(chǎn)和生活上應(yīng)用面最廣、數(shù)量最多的熱力設(shè)備，汽包液位的控制質(zhì)量直接影響著機(jī)組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。為更好的解決因為鍋爐汽包液位所帶來的干擾滯后問題，急需研究并應(yīng)用一種有效的汽包液位控制策略。第2章 過程控制基礎(chǔ)2.1工業(yè)過程控制的發(fā)展概況自本世紀(jì)30年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，自動化技術(shù)不斷地

23、發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用。過程控制技術(shù)是自動化技術(shù)的重要組成部分，普遍運用于石油、化工、電力、冶金、輕工、紡織、建材等工業(yè)部門。初期的過程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表，過程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入，單輸出系統(tǒng)，過程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論，以保持被控參數(shù)溫度、液位、壓力、流量的穩(wěn)定和消除主要擾動為控制目的過程。其后，串級控制、比值控制和前饋控制等復(fù)雜過程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動和電動單元組合儀表也開始大量采用，同時電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)開始應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制（ddc）和設(shè)定值控制（spc）。之

24、后，以最小二乘法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)辨識，以極大值和動態(tài)規(guī)劃為主要方法的最優(yōu)控制和以卡爾曼濾波理論為核心的最佳估計所組成的現(xiàn)代控制理論，開始應(yīng)用于解決過程控制生產(chǎn)中的非線性，耦合性和時變性等問題，使得工業(yè)過程控制有了更好的理論基礎(chǔ)。同時新型的分布式控制系統(tǒng)（dcs）集計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，使工業(yè)自動化進(jìn)入控制管理一體化的新模式?，F(xiàn)今工業(yè)自動化己進(jìn)入計算機(jī)集成過程系統(tǒng)（cips）時代，并依托人工智能，控制理論和運籌學(xué)相結(jié)合的智能控制技術(shù)向工廠綜合自動化的方向發(fā)展14?，F(xiàn)代化過程工業(yè)向著大型化和連續(xù)化的方向發(fā)展，生產(chǎn)過程也隨之日趨復(fù)雜，而對生產(chǎn)質(zhì)量經(jīng)濟(jì)效益的要求

25、，對生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求卻越來越高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益都成為衡量當(dāng)今自動控制水平的重要指標(biāo)。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調(diào)節(jié)儀表（模擬式與數(shù)字式）已經(jīng)不能滿足對現(xiàn)代化過程工業(yè)的控制要求。由于計算機(jī)具有運算速度快精度高存儲量大編程靈活以及具有很強的通信能力等特點，目前以微處理器單片微處理器為核心的工業(yè)控制幾與數(shù)字調(diào)節(jié)器過程計算機(jī)設(shè)備，正逐步取代模擬調(diào)節(jié)器，在過程控制中得到十分廣泛的作用。在控制系統(tǒng)中引入計算機(jī)，可以充分利用計算機(jī)的運算邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務(wù)和實現(xiàn)復(fù)雜控制規(guī)律。在系統(tǒng)中，由于計算機(jī)只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先

26、經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能輸入計算機(jī)。當(dāng)計算機(jī)接受了給定值和反饋量后，依照偏差值，按某種控制規(guī)律（pid）進(jìn)行運算，計算結(jié)果再經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成對系統(tǒng)的控制作用1。過程計算機(jī)控制系統(tǒng)的組成包括硬件和軟件（除了被控對象檢測與執(zhí)行裝置外）。(1)過程計算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分：a.由中央處理器時鐘電路內(nèi)存儲器構(gòu)成的計算機(jī)主機(jī)是組成計算機(jī)控制系統(tǒng)的核心部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理邏輯判斷控制量計算越限報警等，通過接口電路向系統(tǒng)發(fā)出各種控制命令，指揮系統(tǒng)安全可靠的協(xié)調(diào)工作。b.包括各種控制開關(guān)數(shù)字鍵功能鍵指示燈聲訊器和數(shù)字顯示器等的控制臺是人機(jī)對話的聯(lián)

27、系紐帶，操作人員可以通過操作臺向計算機(jī)輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計算機(jī)向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，發(fā)出報警信號。c.通用外圍設(shè)備包括打印機(jī)記錄儀圖形顯示器閃存等，它們用來顯示存儲打印記錄各種數(shù)據(jù)。d. i/o接口和i/o通道是計算機(jī)主機(jī)與外部連接的橋梁。i/o通道有模擬量通道和數(shù)字量通道。模擬量i/o通道將有傳感變送器得到的工業(yè)對象的生產(chǎn)過程參數(shù)（標(biāo)準(zhǔn)電信號）變換成二進(jìn)制代碼傳送給計算機(jī)；同時將計算機(jī)輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模擬信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。(2)過程計算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分：a.系統(tǒng)軟件由計算機(jī)及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計算機(jī)本身資源，方便用戶使

28、用計算機(jī)。b.應(yīng)用程序由用戶根據(jù)要解決的控制問題而編寫的各種程序（如各種數(shù)據(jù)采集濾波程序控制量計算程序生產(chǎn)過程監(jiān)控程序），應(yīng)用軟件的優(yōu)劣將影響到控制系統(tǒng)的功能精度和效率2。2.2控制策略的介紹2.2.1反饋控制目前，最基本也是應(yīng)用最廣泛的控制系統(tǒng)是反饋控制系統(tǒng)，它由被控對象、測量變送環(huán)節(jié)、反饋控制器以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，如圖2-1所示。實現(xiàn)對被控變量的定值或跟蹤控制。圖2-1反饋控制系統(tǒng)原理圖反饋控制器的作用是將測量信號與設(shè)定值相比產(chǎn)生偏差信號，并按照一定的運算規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，用來操縱末端執(zhí)行元件。下面介紹三種基本的反饋控制模式：比例控制（p）、比例積分控制(pi) 、比例積分微分控制（pi

29、d）15。比例（p）調(diào)節(jié)在p調(diào)節(jié)中，控制器的輸出信號u與偏差信號e成比例，即: (2-1)式中，稱為比例增益(視情況可設(shè)置為正或負(fù))。比例度的定義在過程控制中，通常用比例度表示控制器輸出與偏差成線性關(guān)系的比例控制器輸入(偏差)的范圍。因此，比例度又稱為比例帶，其定義為: (2-2)如果采用的是單元組合儀表，控制器的輸入和輸出都是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號，此時 (2-3)則有： (2-4)這表明，比例度與控制器比例增益的倒數(shù)成正比。當(dāng)采用無量綱形式（如采用單元組合儀表）時，比例度就等于控制器比例增益的倒數(shù)。比例度小，意味著較小的偏差就能激勵控制器產(chǎn)生100%的開度變化，相應(yīng)的比例增益就大。比例控制的特點：

30、理想比例控制器的輸出特性對于控制器的輸出沒有物理限制，而實際的控制器是具有物理限制的，當(dāng)輸出達(dá)到上限或者下限，控制器就飽和了。比例控制器增益調(diào)整的基本矛盾：穩(wěn)定程度與控制精度的矛盾。增加能使控制精度提高，但穩(wěn)定程度變差。參數(shù)的整定，就是對這兩項指標(biāo)在作權(quán)衡。純比例控制器有一個缺點就是當(dāng)設(shè)定值改變后總是存在一定的余差。因此在實際使用中常采用帶有積分作用的控制器。不過對于那些允許余差存在的應(yīng)用，純比例控制器往往由于它的簡單而得到青睞。例如，對于一些儲罐的液位，只希望保持儲罐中的液位不會溢出且不會干涸，因此只需要將液位控制在一定的上下限之間即可，這時采用純比例控制器將是一個不錯的選擇。比例調(diào)節(jié)的顯著

31、特點就是有差調(diào)節(jié)。如果采用比例調(diào)節(jié)，則在負(fù)荷擾動下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有余（殘）差。 因為根據(jù)比例調(diào)節(jié)的特點，只有控制器的輸入有變化，即被調(diào)量和設(shè)定值之間有偏差,控制器的輸出才會發(fā)生變化。比例度對控制過程的影響:(1)誤差余（殘）差隨著比例度的加大而加大。(2)穩(wěn)定性穩(wěn)定性隨著比例度的加大而提高。比例度過小就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。比例積分(pi)控制積分控制1. 積分控制的調(diào)節(jié)規(guī)律在 i調(diào)節(jié)中，控制器的輸出信號的變化速度 dudt與偏差信號e成正比，即: (2-5)式中稱為積分速度，可視情況取正值或負(fù)值。2. 積

32、分控制的特點消除余差穩(wěn)定作用比 p調(diào)節(jié)差。其調(diào)節(jié)過程的進(jìn)行總比采用 p調(diào)節(jié)時緩慢，表現(xiàn)在振蕩頻率較低。3. 積分速度對于控制過程的影響:采用 i調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度成正比。因此，增大積分速度(即減小積分時間ti)將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度,見圖2-2。圖2-2 積分速度對于控制過程的影響pi控制1. 比例積分的調(diào)節(jié)規(guī)律為: (2-6)式中為比例帶，可視情況取正值或負(fù)值；ti為積分時間。ti愈小，積分部分所占的比重愈大。2. pi控制的特點:pi調(diào)節(jié)就是綜合 p、i兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用 p調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用 i調(diào)節(jié)消除殘差。應(yīng)當(dāng)指出，pi調(diào)節(jié)引入積分動作帶來消除系統(tǒng)

33、殘差之好處的同時，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，pi控制器比例度必須適當(dāng)加大。所以 pi調(diào)節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)以換取較好的穩(wěn)態(tài)性能。在比例帶不變的情況下，減小積分時間ti，將使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低、振蕩加劇、調(diào)節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。圖2-3積分時間對控制過程的影響比例微分控制1. pd控制器的動作規(guī)律是: (2-7) 式中， 為比例帶，可視情況取正值或負(fù)值；td為微分時間。pd控制器有導(dǎo)前作用，其導(dǎo)前時間即是微分時間td。2. 比例微分控制的特點:pd調(diào)節(jié)也是有差調(diào)節(jié)，與 p調(diào)節(jié)相同。因在穩(wěn)態(tài)下，dedt0，pd控制器的微分部分輸出為零。提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性

34、的作用。因微分調(diào)節(jié)動作總是力圖抑制被調(diào)量的振蕩。適度引入微分動作可以允許稍許減小比例度，同時保持衰減率不變10。 pid控制原理在過程控制中，絕大部分都采用 pid控制。例外的情況有兩種：一種是被控對象易于控制而控制要求又不高的，可以采用更簡單的開關(guān)控制方式。另一種是被控對象特別難以控制而控制要求又特別高的情況，這時如果 pid控制難以達(dá)到生產(chǎn)要求就要考慮采用更先進(jìn)的控制方法。比例積分微分控制規(guī)律為: (2-8)式中、ti和td參數(shù)意義與 pi、pd控制器同。比例-積分-微分控制規(guī)律是最為理想的控制，它集三者之長：既有比例作用的及時迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。

35、圖2-4各種控制規(guī)律的響應(yīng)過程1-比例控制；2-積分控制；3-pi控制；4-pd控制；5-pid控制當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時，微分立即大幅度動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。pid控制具有以下優(yōu)點：(1)原理簡單，使用方便。(2)適應(yīng)性強，可以廣泛應(yīng)用于化工、熱工、冶金、煉油以及造紙、建材等各種生產(chǎn)部門。(3)魯棒性強，即其控制品質(zhì)對被控對象特性的變化不大敏感。(4)按 pid控制進(jìn)行工作

36、的自動控制器早已商品化。(5)因此，pid控制器適應(yīng)性較強，技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也非常廣泛。比例積分微分（pid）控制作用微分控制作用是通過誤差的變化率來預(yù)報誤差信號的未來變化趨勢。理想的微分控制作用如式（2-9）所示。 （2-9）式中，是微分時間。當(dāng)誤差是常數(shù)時，即，微分控制器的輸出就等于初始值。因此微分作用不單獨使用，總是與比例或比例積分作用同時使用。一個理想的pid控制器可用式(2-10)所示。 （2-10）由于理想的微分作用在物理上是不能實現(xiàn)的，所以一般用超前-滯后單元來產(chǎn)生近似的微分作用。它的傳遞函數(shù)如式（2-11）所示。 （2-11）式中， 通常取。微分作用通過提供超前作用使得被控過

37、程趨于穩(wěn)定，因此它常用來抵消積分作用帶來的不穩(wěn)定趨勢，同時微分作用也能減小過渡過程時間，從而改善被控變量的動態(tài)響應(yīng)。不過微分作用在高頻下有較大的振幅比。如果測量值含有很大的噪聲，即含有高頻或隨機(jī)的變化，由于微分作用會對高頻噪聲起到了放大作用，小的噪聲也會使控制閥產(chǎn)生很大的動作。因此存在高頻噪聲的地方不宜用微分，除非先將信號進(jìn)行濾波。另外對于純滯后過程，由于在純滯后階段，微分作用為零，所以附加微分作用對純滯后是不起作用的3。在自動控制的發(fā)展過程中，pid調(diào)節(jié)是歷史最悠久的、控制性能最強的基本調(diào)節(jié)方式。pid調(diào)節(jié)原理簡單、易于整定、使用方便；pid調(diào)節(jié)可用于補償系統(tǒng)使之達(dá)到大多數(shù)品質(zhì)指標(biāo)的要求。直

38、到目前為止，pid調(diào)節(jié)仍然是應(yīng)用最廣泛的基本控制方式。在pid調(diào)節(jié)作用下，對誤差信號分別進(jìn)行了比例、積分、微分運算，三個作用分量之和作為控制信號輸出給被控對象。pid調(diào)節(jié)器的微分方程數(shù)學(xué)模型如式（2-12）所示。 （2-12）其中： pid調(diào)節(jié)器的輸出信號放大倍數(shù)積分時間常數(shù)微分時間常數(shù)設(shè)定值與測量值的偏差信號式中：,其中是系統(tǒng)的設(shè)定信號，是被控量的測量值。式(2-12)也常寫成(2-13)的形式。 （2-13）式中：為比例增益，為積分增益，為微分增益。數(shù)字pid控制由于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字pid控制器的應(yīng)用也越來越廣泛，將逐漸的取代傳統(tǒng)的模擬pid控制器。數(shù)字pid控制算法通常分為位置式p

39、id控制算法和增量式pid控制算法。由于計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此式中的積分和微分不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。設(shè)采樣周期為t，按模擬pid控制算法的算式，以一系列的采樣時刻點kt代替連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，采樣周期t必須足夠短，上述離散過程才能保證有足夠的精度15。離散后的數(shù)字pid算法可表示為式（2-14）。 (2-14)為了書寫方便，將簡化表示為，即省去采樣周期，如式（2-15）所示。 (2-15)式中：、分別為比例系數(shù)、積分時間常數(shù)和微分時間常數(shù)；采樣周期；采樣序號，k=0，1，2，；第k次采樣時刻的計算機(jī)輸出值；第k次

40、采樣時刻輸入的偏差值；第(k一1)次采樣時刻輸入的偏差值。由于控制器的輸出直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如閥門)，的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(如閥門開度)是一一對應(yīng)的，所以通常式(2-14)或(2-15)稱為位置式pid控制算法。這種算法的缺點是，由于全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對值進(jìn)行累加，計算機(jī)運算的工作量大。而且，因為計算機(jī)的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實際位置，如計算機(jī)出現(xiàn)故障，的大幅度變化，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故，因而產(chǎn)生了增量式pid算法。由(2-15)式根據(jù)遞推得式（2-16）。 (2-16)用式(

41、2-15)減去(2-16)得式（2-17）。 (2-17)上式稱為增量式pid控制算法。可以看出，由于一般計算機(jī)控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期，一旦確定了，和，只要使用前后三次測量值的偏差，即可由上式求出控制增量。采用增量式算法時，計算機(jī)輸出的控制增量對應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置(如閥門開度)的增量。對應(yīng)閥門實際位置的控制量，可通過式（2-17）計算出來。 (2-18)增量式控制雖然只是在算法上作了一點改進(jìn)，但卻帶來了不少優(yōu)點：(1)由于計算機(jī)輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去除。(2)手動自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當(dāng)計算機(jī)發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有

42、信號的鎖存作用，故依然能保持原值。(3)算式中不需要累加，控制增量的確定僅與最近三次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得較好的控制效果11。pid參數(shù)的整定方法參數(shù)的整定有兩種方法：理論設(shè)計法和實驗確定法。用理論設(shè)計法確定pid控制器參數(shù)的前提是被控對象要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在一般工業(yè)過程中是很難做到的。因此，主要采用的還是實驗確定法。1. 試湊法 試湊法是通過仿真或?qū)嶋H運行，觀測系統(tǒng)對典型輸入的響應(yīng)，根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，反復(fù)調(diào)節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定pid參數(shù)。采用試湊法重要的一點是要熟悉各控制參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的影響。增大比例系數(shù),一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，如果是有差系

43、統(tǒng)，則有利于減少凈差。但比例系數(shù)過大，會加大系統(tǒng)超調(diào)，甚至產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。增大積分時間，有利于減少超調(diào)，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，但系統(tǒng)抗干擾能力變差，對干擾過于敏感。根據(jù)上述各參數(shù)對系統(tǒng)動、靜態(tài)性能的影響，可直接對控制器參數(shù)進(jìn)行整定，并對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，直到系統(tǒng)響應(yīng)滿意為止。具體方法如下：(1)純比例控制器，比例系數(shù)由小到大逐漸增加，觀測相應(yīng)的響應(yīng)，使系統(tǒng)的過度過程達(dá)到4：1的衰減振蕩和較小的靜差。如果系統(tǒng)凈差已小到允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)滿意，那么只需用比例控制器即可，參數(shù)整定完畢。(2) 加入積分，整定積分時間。如果只用比例控制，系統(tǒng)的凈差不能滿足設(shè)計要求，則需加入積分部分。整定使，

44、先將比例系數(shù)減小10%-20%，以補償因加入積分作用而引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。然后由大到小調(diào)節(jié)，在保持系統(tǒng)響應(yīng)良好的情況下，使凈差得到消除。這一步可以反復(fù)進(jìn)行，以便得到滿意的效果。(3) 加入微分，整定微分時間。經(jīng)過以上兩步調(diào)整后，如果系統(tǒng)動態(tài)過程仍不能令人滿意，可加入微分部分，構(gòu)成pid控制器。整定時由0開始逐漸增大，同時反復(fù)調(diào)節(jié)及，直到獲得較滿意的控制效果為止。應(yīng)該指出，pid控制器的參數(shù)對控制質(zhì)量的影響并不十分的敏感，因而同一系統(tǒng)的參數(shù)并不是唯一的。在實際應(yīng)用中，只要被控對象的主要指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求，就可選定相應(yīng)的控制參數(shù)作為有效的控制參數(shù)。2. 實驗確定法 采用上述試湊法確定pid控制器參

45、數(shù)，需要較多的現(xiàn)場試驗，有時做起來很不方便，所以，人們利用整定模擬pid控制器參數(shù)時已取得的經(jīng)驗，根據(jù)一些基本的試驗所得數(shù)據(jù)，由經(jīng)驗公式導(dǎo)出pid控制器參數(shù)，從而減少了試湊次數(shù)。常用臨界比例法。其方法是：投入比例控制器，形成閉環(huán)，逐漸增大比例系數(shù)，使系統(tǒng)對階躍輸入的響應(yīng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的比例系數(shù)（臨界比例系數(shù)）和振蕩周期（臨界振蕩周期）。然后利用經(jīng)驗公式，求取pid控制器參數(shù)。2.2.2前饋控制 1.前饋控制的基本原理前饋控制的基本原理就是測量進(jìn)入過程的干擾量（包括外界干擾和設(shè)定值變化），并根據(jù)干擾的測量值產(chǎn)生合適的控制作用來改變控制量，使被控變量維持在設(shè)定值上。反饋控制的一個突出優(yōu)

46、點是本身不形成閉合回路，不存在閉環(huán)穩(wěn)定性問題，因而也就不存在控制精度與穩(wěn)定性的矛盾。不變性原理或稱擾動補償原理是前饋控制的理論基礎(chǔ)?！安蛔冃浴笔侵缚刂葡到y(tǒng)的被控變量不受擾動變量變化的影響6。進(jìn)入控制系統(tǒng)中的擾動會通過被控對象的內(nèi)部聯(lián)系，使被控變量發(fā)生偏離其設(shè)定值得變化。不變性原理是通過前饋控制器的校正作用，消除擾動對被控變量的這種影響。對于任何一個系統(tǒng)，總是希望被控變量受擾動的影響越小越好。不變性的定義如式（2-19）所示。當(dāng)時， (2-19)即被控變量與擾動無關(guān)。一般情況下存在著以下幾種類型的不變性：絕對不變性 所謂絕對不變性是指在擾動的作用下被控變量在整個過渡過程中始終保持不變，即控制過程

47、的動態(tài)和靜態(tài)偏差均為零。誤差不變性 誤差不變性又稱不變性，是指在擾動的作用下，被控變量的波動小于一個很小的值，如式（2-20）所示。 , (2-20)誤差不變性在工程上具有現(xiàn)實意義。對于大量工程上應(yīng)用的前饋或前饋-反饋控制系統(tǒng)，由于實際補償?shù)哪Ｐ团c理想的補償模型之間存在誤差，以及測量變送裝置精度的限制，有時難以實現(xiàn)絕對不變性控制。因此，總是按照工藝上的要求提出一個允許的偏差值，依次進(jìn)行誤差不變性系統(tǒng)的設(shè)計。這種誤差不變性系統(tǒng)由于滿足工程領(lǐng)域的實際要求，獲得了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。穩(wěn)態(tài)不變性 穩(wěn)態(tài)不變性是指系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下被控變量與擾動無關(guān)。即系統(tǒng)在擾動的作用下，穩(wěn)態(tài)時被控變量的偏差為零，靜態(tài)

48、前饋系統(tǒng)就是屬于這種穩(wěn)態(tài)不變性系統(tǒng)，工程上常將不變性與穩(wěn)態(tài)不變性結(jié)合起來應(yīng)用，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)既能消除靜態(tài)偏差，又能滿足工藝上對動態(tài)偏差的要求。選擇不變性 被控變量往往受到若干個干擾的影響，若系統(tǒng)對其中幾個主要的干擾實現(xiàn)不變性補償，就稱為選擇不變性?；诓蛔冃栽斫M成的自動控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)，它實際上是根據(jù)不變性原理對干擾進(jìn)行補償?shù)囊环N開環(huán)控制系統(tǒng)。2.前饋控制系統(tǒng)的特點(1)前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制及時，前饋控制是針對干擾作用進(jìn)行控制的，當(dāng)干擾一出現(xiàn)，前饋控制器就根據(jù)檢測到的干擾，按一定控制規(guī)律進(jìn)行控制。從理論上說，當(dāng)干擾發(fā)生后，被控變量還未發(fā)生變化，前饋控制器就產(chǎn)生了控制作用

49、把偏差徹底消除。因此前饋控制對于干擾的克服要比反饋控制及時的多，這也是前饋控制的一個主要優(yōu)點。(2)前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，而前饋控制屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。前饋控制器根據(jù)干擾產(chǎn)生的控制作用對被控變量進(jìn)行影響，而被控變量并不會反過來影響前饋控制器的輸入信號（擾動量）。從一定意義上來說前饋控制系統(tǒng)是開環(huán)控制系統(tǒng)這一點是前饋控制的不足之處，由于前饋控制不存在閉環(huán)，因此前饋控制的效果無法通過反饋加以檢驗。因此采用前饋控制時，對被控對象的了解必須比采用反饋控制時清楚的多，才能得到比較合適的前饋控制系統(tǒng)。(3)前饋控制采用的是由對象特性確定的“專用”控制器，一般的反饋控制系統(tǒng)

50、均采用通用的pid控制器，而前饋控制器是專用控制器，對于不同的對象特性，前饋控制器的形式將是不同的。(4)一種前饋只能補償一種干擾。在理論上，前饋控制可以實現(xiàn)被控變量的不變性，但在工程實踐中，由于下列原因前饋控制系統(tǒng)仍然會存在偏差。實際的工業(yè)對象會存在多個擾動，若都設(shè)置前饋通道，勢必增加控制系統(tǒng)投資費用和維護(hù)工作量。因而一般僅選擇幾個主要干擾加前饋控制。這樣設(shè)計的前饋控制器對于其它干擾是絲毫沒有校正作用的。受前饋控制模型精度的限制。用儀表來實現(xiàn)前饋控制算式時，往往作了近似處理。尤其當(dāng)綜合得到的前饋控制算式中包含有純超前環(huán)節(jié)或純微分環(huán)節(jié)時，在物理上是不能實現(xiàn)的。因此構(gòu)建的前饋控制器只能是近似的，

51、如將純超前環(huán)節(jié)處理為靜態(tài)環(huán)節(jié)，將純微分環(huán)節(jié)處理為超前滯后環(huán)節(jié)。3.前饋控制應(yīng)用的場合實現(xiàn)前饋控制的前提是干擾可以測量的。下列幾種情況采用前饋控制比較有利。(1)系統(tǒng)中存在幅度大，頻率高且可測的干擾，該干擾對被控參數(shù)影響顯著，反饋控制難以克服，而工藝上對被控參數(shù)又要求十分嚴(yán)格，這時可引入前饋控制來改善系統(tǒng)的質(zhì)量。(2)當(dāng)主要干擾無法用串級控制系統(tǒng)使其包圍在副回路時，采用前饋控制將會比串級控制獲得更好的效果。(3)當(dāng)對象干擾通道和控制通道的時間常數(shù)相差不大時，引入前饋控制可以很好地改善控制質(zhì)量。當(dāng)干擾通道的時間常數(shù)比控制通道的時間常數(shù)大的多時，反饋控制可獲得良好的控制效果，無需再加前饋控制。這時只

52、有當(dāng)對控制質(zhì)量要求較高時，才有必要引入前饋控制。如果干擾通道比控制通道的時間常數(shù)小得多，由于干擾對被控對象的影響十分迅速，以致即使前饋控制器響應(yīng)時間為零，也無法完全補償干擾的影響，這時使用前饋控制效果不佳。4. 前饋反饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)中，不存在被控變量的反饋，即對補償?shù)男Ч麤]有檢驗的手段。因此，如果控制的結(jié)果無法消除被控變量的偏差，系統(tǒng)將無法做進(jìn)一步的校正。5為了解決前饋控制的這一局限性，在工程上往往將前饋與反饋結(jié)合起來應(yīng)用，構(gòu)成前饋-反饋控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋控制作用及時的優(yōu)點，又保持了反饋控制能克服多種擾動以及對被控變量進(jìn)行檢驗的長處，是一種適合過程控制的好方法。前饋-反饋控制系

53、統(tǒng)具有以下幾個優(yōu)點：(1)從前饋控制角度，由于增添了反饋控制，降低了對前饋控制模型精度的要求，并能對未選作前饋信號的干擾產(chǎn)生校正作用。(2)從反饋控制角度，由于前饋控制的存在，對干擾作了及時的粗調(diào)作用，大大減小了反饋控制的負(fù)擔(dān)。2.2.3串級控制系統(tǒng)串級控制是在單回路pid控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種控制技術(shù)。當(dāng)pid控制應(yīng)用于單回路控制一個被控量時，其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制參數(shù)易于整定。但是，當(dāng)系統(tǒng)中同時有幾個因素影響同一個被控量時，如果只控制其中一個因素，將難以滿足系統(tǒng)的控制性能。串級控制針對上述情況，在原控制回路中，增加一個或幾個控制內(nèi)回路，用以控制可能引起被控量變化的其它因素，從而有效地抑制

54、了被控對象的時滯特性，提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性。傳統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)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，前饋控制可以用來幫助克服干擾的影響。但是如果干擾不可測量或者無法獲得干擾與被控變量之間的模型時，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控制，它通過選擇第二個測量點構(gòu)成第二個反饋回路來克服干擾7。第二個測量點應(yīng)該比被控變量更快感知到干擾的影響，這樣才能在干擾對被控變量產(chǎn)生很大的影響之前通過第二個反饋回路迅速克服干擾的影響。一個控制器的輸出用來改變另一個控制器的設(shè)定值，這樣連接起來的兩個控制器稱作“串級”控制。如圖2-5所示。圖2-5 串級控制系統(tǒng)的框圖主變量:保

55、持其平穩(wěn)是串級控制的主要目標(biāo)。副變量：被控制過程中引入的中間變量。主對象:主變量副變量之間的通道特性。副對象變量之間的通道特性。主控制器:接受的是主變量的偏差，其輸出用來改變副控制器的設(shè)定值。副控制器:接受的是副變量的偏差，其輸出去操縱閥門。副回路：處于串級控制系統(tǒng)內(nèi)部的，由副變量測量變送器，副控制器，控制閥，副對象組成的回路。主回路：若將副回路看成一個以主控制器輸出為輸入，以副變量為輸出的等效環(huán)節(jié)，則串級系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個單回路，稱這個單回路為主回路。必須注意的是主回路并不是指將副變量測量變送環(huán)節(jié)前（后）斷開后形成的單回路。兩個控制器都具有各自的測量輸入，但只有主控制器具有自己獨立的設(shè)定值，只有副控制器的輸出信號送給執(zhí)行器，這樣組成的系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個定值控制系統(tǒng)。因此，主變量在干擾作用下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標(biāo)。但由于串級控制系統(tǒng)從對象中引出了一個中間變量構(gòu)成了回路，因此和單回路控制系統(tǒng)相比它具有自己的特點。(1)副回路具有快速調(diào)節(jié)作用，能有效克服發(fā)生與副