《核電廠儀表與控制系統(tǒng)》第3部分-控制系統(tǒng)的基本知識(shí)

第4單元控制系統(tǒng)的基本知識(shí)

核電廠儀表與控制基礎(chǔ)單元目錄4.4控制器4.4.1比例單元（P）4.4.2積分單元（I）4.1關(guān)于控制的基本概念4.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求4.3比較器

核電廠儀表與控制基礎(chǔ)單元目錄4.5控制通道4.4.3微分單元（D）4.4.2積分單元（I）4.4.4PID控制器＋－測(cè)量部件控制器執(zhí)行器被控對(duì)象4.操作系統(tǒng)的基本知識(shí)所謂控制就是根據(jù)人工控制的思想對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的設(shè)備進(jìn)行操作，由儀器、儀表完成這一操作過(guò)程稱(chēng)為自動(dòng)控制。控制的一般程序是：控制的輸入信號(hào)來(lái)自于儀表所監(jiān)測(cè)的工藝過(guò)程的參數(shù)，或操縱人員的手動(dòng)操作，輸入信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，按照一定的控制邏輯給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，使被控設(shè)備動(dòng)作。4.1關(guān)于控制的基本概念1）控制對(duì)象：在核電廠的控制對(duì)象是反應(yīng)堆動(dòng)力裝置。2)被控制量：被控制量也稱(chēng)為被調(diào)量，如反應(yīng)堆的功率等。3）給定值：希望被控制量應(yīng)該具有的量值稱(chēng)為給定值或目標(biāo)值。給定值可以是常量也可是隨時(shí)間變化的量。4）控制量：由控制作用加以改變，使被控制量跟蹤給定值的物理量稱(chēng)為控制量。例如反應(yīng)性就是控制量。5）擾動(dòng)：擾動(dòng)是一種對(duì)系統(tǒng)的輸出量產(chǎn)生相反作用的信號(hào)。如果擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)的內(nèi)部，稱(chēng)為內(nèi)擾；擾動(dòng)產(chǎn)生在系統(tǒng)的外部，則稱(chēng)為外擾。6）系統(tǒng)：系統(tǒng)是一些部件的組合?？刂葡到y(tǒng)包括了測(cè)量部件、控制器和控制對(duì)象等。7）控制器（調(diào)節(jié)器）：能按預(yù)期要求產(chǎn)生控制信號(hào)以改變控制量的設(shè)備或裝置稱(chēng)為控制器。8）反饋：反饋是指系統(tǒng)的輸出量全部或部分回送到輸入端，與輸入量共同影響系統(tǒng)的輸出。9）反饋控制：反饋控制能在有擾動(dòng)的情況下，力圖減小系統(tǒng)輸出量與給定值之間的偏差，在這里，反饋控制僅僅是對(duì)無(wú)法預(yù)計(jì)的擾動(dòng)而設(shè)計(jì)的。10）手動(dòng)控制：運(yùn)行人員根據(jù)測(cè)量信息隨時(shí)修正被控制量的偏差，此即手動(dòng)控制也稱(chēng)人工控制。11）自動(dòng)控制：采用機(jī)械或電氣等裝置來(lái)代替人的控制，就是自動(dòng)控制。自動(dòng)控制中是由控制裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制量偏差的修正。12）遠(yuǎn)距操作：遠(yuǎn)距操作也稱(chēng)遠(yuǎn)動(dòng)。它是利用控制器件對(duì)遠(yuǎn)離控制室的設(shè)備進(jìn)行操作的過(guò)程，如氣動(dòng)閥和電動(dòng)閥的開(kāi)、關(guān)操作，對(duì)泵、風(fēng)機(jī)的啟停操作等?？刂聘黜?xiàng)操作的指揮信號(hào)通常是集中到一個(gè)控制臺(tái)上。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，仍可由操作人員遠(yuǎn)距離操作。13）就地操作：就地操作也稱(chēng)現(xiàn)場(chǎng)操作，是由人直接操作控制設(shè)備的操作形式。14）開(kāi)關(guān)量控制：開(kāi)關(guān)量控制是指被控設(shè)備只有兩個(gè)狀態(tài)，即開(kāi)或關(guān)。例如截止閥的開(kāi)或關(guān)等。15）模擬量控制：模擬量控制是指對(duì)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程加以控制，使被控制量接近所要求的定值?？刂票仨氝B續(xù)地補(bǔ)償控制變量因干擾或過(guò)程負(fù)荷變化而引起的一切改變。傳感器以過(guò)程輸出的方式檢測(cè)出被控制量的變化并將該變化輸送到控制單元?！氨容^器”連續(xù)地比較“測(cè)量值”與“定值”之間的“偏差”，并將“偏差”信號(hào)送往控制器?！翱刂破鳌睂⑦@個(gè)偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化成一個(gè)“指令信號(hào)”，去控制調(diào)節(jié)單元，從而修正控制變量，這樣就形成了一個(gè)“控制回路”。我們稱(chēng)之為“閉環(huán)回路”控制。模擬量控制采用的是連續(xù)變化的信號(hào)。下圖表示出一個(gè)熱交換器出口溫度控制系統(tǒng)的基本組成4.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求4.2.1幾類(lèi)常用的控制系統(tǒng)：1）恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)這類(lèi)系統(tǒng)的任務(wù)是維持被控制量等于一個(gè)給定的常值。在有擾動(dòng)輸入時(shí)，盡快使被控制量恢復(fù)到給定值。2）隨動(dòng)系統(tǒng)

給定值是一個(gè)隨時(shí)間變化的量，系統(tǒng)的任務(wù)是保證控制量以一定的精度跟隨輸入量的變化而變化。例如，高射炮的角度控制系統(tǒng)就是隨動(dòng)系統(tǒng)，敵機(jī)的方位、高度是時(shí)刻變化的，控制系統(tǒng)要使高射炮始終對(duì)準(zhǔn)敵機(jī)，就要使炮身跟隨敵機(jī)運(yùn)動(dòng)。4.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能要求3）程序控制系統(tǒng)這類(lèi)系統(tǒng)的輸入量是一個(gè)已知的時(shí)間函數(shù)。系統(tǒng)使輸出量以一定的精度跟隨輸入量的變化而變化。4）過(guò)程控制系統(tǒng)當(dāng)控制系統(tǒng)的輸出量是溫度、壓力、流量、液位或pH值等一些變量時(shí)，則稱(chēng)為過(guò)程控制系統(tǒng)。4.2.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程在沒(méi)有外部信號(hào)作用時(shí)，系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，它的輸出保持原來(lái)的狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)受到外部信號(hào)作用時(shí)，其輸出量要發(fā)生變化。因?yàn)橄到y(tǒng)中總是包含有慣性環(huán)節(jié)或貯能元件，所以輸出的變化不可能立即發(fā)生，而是有一個(gè)阻尼的過(guò)渡過(guò)程，常把這種過(guò)程稱(chēng)為動(dòng)態(tài)過(guò)程，也叫做控制系統(tǒng)的時(shí)間響應(yīng)。例如，當(dāng)分別給系統(tǒng)外加一個(gè)單位階躍式的給定輸入x（t）和擾動(dòng)輸入n（t）時(shí)，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)輸出y（t）的動(dòng)態(tài)過(guò)程如下圖所示控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線所示。

單位階躍作用下控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線動(dòng)態(tài)過(guò)程性能的優(yōu)劣是控制系統(tǒng)質(zhì)量好壞的重要標(biāo)志。其最重要的就是穩(wěn)定性，即當(dāng)系統(tǒng)受到外部作用時(shí)，它的輸出量是隨著時(shí)間的推移而衰減。在滿(mǎn)足穩(wěn)定的前題下，還要求系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程應(yīng)有較好的快速性和適當(dāng)?shù)乃p振蕩特性。當(dāng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后，要求輸出量最終應(yīng)在一定的偏差范圍內(nèi)趨近給定值，即穩(wěn)態(tài)誤差應(yīng)滿(mǎn)足精度的要求。為了說(shuō)明控制系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)下的動(dòng)態(tài)過(guò)程，常用下列參數(shù)來(lái)描述控制系統(tǒng)的特性指標(biāo)：1）穩(wěn)定性指標(biāo)評(píng)定穩(wěn)定性的品質(zhì)指標(biāo)是衰減率或衰減比。(1)衰減率每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期被調(diào)量波動(dòng)幅度的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為衰減率，用ф

表示?？蓪?xiě)出ф的表達(dá)式：式中，y1—第一個(gè)波峰的幅值；y3—第三個(gè)波峰的幅值。(2)衰減比前后兩個(gè)相鄰?fù)较虿ǚ谋确Q(chēng)為衰減比，用K=Y1/Y3：根據(jù)ф與K的數(shù)值，可以判別調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性：若ф<0(K<1)，則調(diào)節(jié)過(guò)程是發(fā)散的，不穩(wěn)定；若ф=0(K=1)，則調(diào)節(jié)過(guò)程是等幅振蕩的，臨界狀態(tài)；若0<ф<1(1<K<∞)，則調(diào)節(jié)過(guò)程是衰減振蕩的，趨于穩(wěn)定；若ф=1(K=∞)，則調(diào)節(jié)過(guò)程是非周期的，趨于穩(wěn)定過(guò)程，但趨于穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)。只要ф>0(K>1)，則調(diào)節(jié)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，但并不是越大越好。對(duì)ф=1(K=∞)的非周期過(guò)程，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)偏差也大，雖然是穩(wěn)定的，但并不是所希望的。一般取ф=0.75~0.9，K=4~10，便可以達(dá)到滿(mǎn)意的效果。最大偏差：整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中被調(diào)量偏離給定值的最大值。在圖中被調(diào)量第一波峰的高度y1就是調(diào)節(jié)過(guò)程中的最大偏差。一般用超調(diào)量M來(lái)表示被調(diào)量的最大偏差，M等于被調(diào)量相對(duì)于穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值的百分比，即：(2)靜態(tài)偏差（穩(wěn)態(tài)偏差）又叫靜差，它是指調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束以后，被調(diào)量與給定值的偏差。一般地說(shuō)靜差越小越好。(3)過(guò)渡時(shí)間t∞是指從擾動(dòng)發(fā)生起到被調(diào)量又重新趨于穩(wěn)定建立新的平衡狀態(tài)為止所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。但是，實(shí)際上被調(diào)量達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間很長(zhǎng)，不易確認(rèn)。所以，一般被調(diào)量進(jìn)入允許的靜態(tài)范圍或死區(qū)，即認(rèn)為過(guò)渡過(guò)程結(jié)束。對(duì)于允許誤差△，t∞即為過(guò)渡時(shí)間。一般地說(shuō)，過(guò)渡時(shí)間越小越好，這樣才能保證下次擾動(dòng)到來(lái)時(shí)，上次擾動(dòng)引起的調(diào)節(jié)過(guò)程已結(jié)束。(4)振蕩周期或頻率振蕩周期是指過(guò)渡曲線上兩個(gè)同向波峰之間的時(shí)間，其倒數(shù)為振蕩頻率。在保證一定衰減率的條件下，一般希望周期越短越好。周期短就意味著過(guò)渡時(shí)間短，快速性好。比較器E(t)（偏差信號(hào)）整定值測(cè)量值調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)4.3比較器比較器在控制系統(tǒng)中的作用是：用來(lái)比較輸入信號(hào)和定值信號(hào)，經(jīng)比較后產(chǎn)生一偏差信號(hào)，把此偏差信號(hào)送給控制器，偏差信號(hào)的大小決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度，其正、負(fù)決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向。控制系統(tǒng)的作用就是減小此偏差，使它在允許的范圍內(nèi)。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制器的作用是根據(jù)被控制變量的測(cè)量值與給定值之間的偏差，按預(yù)定的控制規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算并發(fā)出控制信號(hào)控制執(zhí)行器。通常是在階躍或斜坡輸入信號(hào)的作用下，來(lái)研究控制器的輸出信號(hào)隨時(shí)間變化的規(guī)律。若以S表示控制器的輸出變化量，E表示輸入的偏差信號(hào)，則控制器的控制規(guī)律可表示為如下的函數(shù)關(guān)系：4.4控制器控制器的運(yùn)算部分通常實(shí)現(xiàn)比例-積分-微分(PID)運(yùn)算功能4.4.1比例單元(P)1）比例器運(yùn)算關(guān)系式比例器的輸出信號(hào)S正比于輸入偏差信號(hào)E。即：控制器輸出變量與輸入偏差成正比，在時(shí)間上沒(méi)有延遲。KP是控制器的放大倍數(shù)。比例調(diào)節(jié)器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)增益可調(diào)的放大器。比例增益KP是調(diào)節(jié)器輸出變量△S與輸入變量E(t)之比。因此引入比例帶來(lái)表示比例作用的強(qiáng)弱。2）比例帶的物理意義比例帶可定義如下：

式中，E為控制器輸入信號(hào)的變化量，即偏差信號(hào)，為控制器輸出信號(hào)的變化量；(Emax-Emin)為控制器輸入信號(hào)的變化范圍，即量程。(Smax-Smin)為控制器輸出信號(hào)的變化范圍。比例器的整定是通過(guò)改變比例系數(shù)KP（或比例帶δ）來(lái)實(shí)現(xiàn)比例器的穩(wěn)定工作。

比例器基本組成階躍響應(yīng)初始條件：測(cè)量值=整定值，即E=0，S=S0。在時(shí)刻t0將幅值為a的一個(gè)階躍變化加到測(cè)量輸入端，則控制器的輸出將是一個(gè)幅度為KP·a的階躍斜坡響應(yīng)在時(shí)刻t0，一個(gè)斜率為a的斜坡變化信號(hào)加到測(cè)量輸入端，則控制器的輸出以斜率KP·a變化。4.4.2積分單元(I)比例作用快捷.但不精確，它不能使測(cè)量值完全等于定值

1)積分器的運(yùn)算公式

積分器輸出正比于它的輸入信號(hào)對(duì)時(shí)間的積分：式中：E(t)——積分器的輸入信號(hào)，S—積分器的輸出信號(hào)，KI—積分速度，TI—積分時(shí)間時(shí)數(shù)。傳遞函數(shù)為：

2)PI控制器（1)PI控制器的運(yùn)算公式比例積分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中，是比例項(xiàng)，是積分項(xiàng)，稱(chēng)為積分時(shí)間常數(shù)。在數(shù)值上，積分時(shí)間TI與積分速度KI互為倒數(shù)關(guān)系，即TI=1/KI。顯然，比例積分控制將比例控制反應(yīng)快和積分控制能消除余差的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起其傳遞函數(shù)為：為了研究PI控制器的特性，假定PI控制器的輸入為階躍信號(hào)。即：在階躍偏差輸入的幅值為A時(shí)。比例作用使輸出立即跳變至KPA，隨后積分作用使輸出隨時(shí)間線性增長(zhǎng)，因而該控制器的輸出特性是一條截距為KPA而斜率為KPA/TI的直線。在KP和A確定的情況下，直線的斜率將取決于積分時(shí)間TI的大小。TI越小，積分速度KI越大，直線越陡，TI越大，積分速度KI越小，直線越平緩。積分時(shí)間常數(shù)TI是PI控制器在階躍輸入時(shí)，控制器積分部分的輸出增加到等于比例部分輸出所需要的時(shí)間，因此，TI是描述積分作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要參數(shù)。

積分器特點(diǎn)消除系統(tǒng)余差是積分控制規(guī)律的主要優(yōu)點(diǎn)。對(duì)積分控制器來(lái)說(shuō)，其輸出信號(hào)的大小不僅與輸入偏差信號(hào)的大小有關(guān)，而且還將取決于偏差存在時(shí)間的長(zhǎng)短。這就是說(shuō)，只有在偏差信號(hào)E等于零的情況下，積分控制器的輸出信號(hào)才能相對(duì)穩(wěn)定，這是積分控制的顯著特點(diǎn)。4.4.3微分單元(D)對(duì)于慣性較大的被控過(guò)程，往往希望能夠根據(jù)被控變量的變化趨勢(shì)而采取預(yù)防性的調(diào)節(jié)措施。理想微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：TD：微分時(shí)間常數(shù)。微分器的輸出只與輸入信號(hào)的變化速度（dE/dt）成正比，其比例系數(shù)TD稱(chēng)為微分時(shí)間常數(shù)。

微分器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)理想微分器對(duì)輸入的階躍信號(hào)的響應(yīng)是一個(gè)無(wú)限大的脈沖。

微分器對(duì)斜坡信號(hào)的響應(yīng)TDE(t)S(t)3）實(shí)際微分單元從微分器對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)分析可知，理想的微分器是不可能制造和使用的，因此實(shí)際中使用近似的微分器。這種模塊等效為一個(gè)純微分和一個(gè)具有時(shí)間常數(shù)TD/K的一階濾波器。K表示瞬態(tài)增益，它有固定的或可調(diào)的值。一個(gè)幅值為a的階躍擾動(dòng)加到輸入端將引起輸出一個(gè)幅值為a·K的階躍擾動(dòng)，然后按時(shí)間常數(shù)為T(mén)D/K的自然指數(shù)規(guī)律減少到零。一個(gè)具有斜率為a的斜坡加到輸入端將引起一個(gè)幅度為T(mén)D·a的輸出。響應(yīng)曲線前部是時(shí)間常數(shù)為T(mén)D/K的自然指數(shù)曲線。微分器只與輸入信號(hào)的變化速度有關(guān)。當(dāng)輸入信號(hào)恒定不變時(shí)，微分部分的輸出為零。實(shí)際上，微分器總是與比例作用或比例積分控制作用組合使用的。理想的比例微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：KP可取正值或負(fù)值；TD為微分時(shí)間常數(shù)。其傳遞函數(shù)為：則PD控制器的輸出為：式中：當(dāng)階躍信號(hào)作用于PD控制器時(shí)，首先是微分作用引起控制器的輸出無(wú)窮大，然后是比例作用。假定輸入信號(hào)E(t)是個(gè)斜坡信號(hào)，即：輸入信號(hào)E(t)是斜坡信號(hào)的特性曲線在t=0時(shí)，給PD控制器加入E(t)=At斜坡信號(hào)，則控制器的輸出首先是微分項(xiàng)，其輸出為KPTDA，隨著時(shí)間增加，比例項(xiàng)KPAt的輸出逐漸增加，當(dāng)t=TD時(shí)，比例項(xiàng)的輸出也為KPTDA，此時(shí)PD控制器總的輸出為2KPTDA。從上述分析可以得出PD控制器的微分時(shí)間常數(shù)TD是PD控制器在斜坡輸入時(shí)，控制器比例部分輸出增加到等于微分部分輸出所需要的時(shí)間。TD是描述微分作用強(qiáng)弱的一個(gè)重要參數(shù)。式中：KP—比例增益；KD—微分增益；TD—微分時(shí)間常數(shù)。實(shí)際的比例微分（PD）控制作用是比例作用和近似微分作用的組合。這種微分模塊等效為一個(gè)純微分和一個(gè)具有時(shí)間常數(shù)“TD/K--”的一階濾波器。K表示瞬態(tài)增益。

——實(shí)際的PD控制器對(duì)階躍信號(hào)的響應(yīng)當(dāng)輸入偏差信號(hào)E（t）為階躍信號(hào)時(shí)（其幅值為A），則實(shí)際的比例微分控制器的輸出特性曲線如圖所示。其關(guān)系式可寫(xiě)為：階躍信號(hào)作用下PD控制器輸出特性曲線當(dāng)t=TD/KD，△S（t）=KPA+0.368KPA(KD－1)?？梢?jiàn)，在時(shí)間間隔t=TD/KD內(nèi)，PD調(diào)節(jié)器的輸出從其躍變脈沖的頂點(diǎn)下降了微分作用部分最大輸出的63.2%。令T=TD/KD，并稱(chēng)之為時(shí)間常數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得時(shí)間常數(shù)T，并由此求得微分時(shí)間常數(shù)TD。斜坡信號(hào)作用下實(shí)際的PD控制器輸出特性曲線實(shí)際的PD控制器對(duì)斜坡信號(hào)的響應(yīng)相當(dāng)于實(shí)際微分單元對(duì)斜坡信號(hào)的響應(yīng)再加上比例部分對(duì)斜坡信號(hào)的響應(yīng)。

微分器特點(diǎn)微分作用考慮了測(cè)量值變化的速度，它響應(yīng)快，且穩(wěn)定。由于微分作用總是力圖阻止被控變量的任何變化，所以適當(dāng)?shù)奈⒎挚刂谱饔糜幸种普袷幍男ЧＨ粑⒎謺r(shí)間常數(shù)TD太大，則微分控制作用過(guò)強(qiáng)，反而不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。工業(yè)用控制器的微分時(shí)間常數(shù)可在一定范圍內(nèi)（例如3秒至10分鐘）進(jìn)行調(diào)整。4.4.4PID控制器在實(shí)際的控制電路中,往往把比例、積分、微分按實(shí)際情況組合起來(lái)使用，構(gòu)成一個(gè)綜合的PID控制器。理想的比例積分微分控制規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中，KP：比例增益；TI：積分時(shí)間常數(shù)；TD：微分時(shí)間常數(shù)PID的基本結(jié)構(gòu)A）串聯(lián)：B)并聯(lián)：C）混合聯(lián)接：PID控制器電路原理圖（a）電路接線原理圖（b）特性曲線此電路的傳遞函數(shù)為式中：4.5控制通道4.5.1控制通道的一般組成“控制通道”是指一個(gè)完整的電氣控制系統(tǒng)，它包括幾個(gè)連結(jié)成串的模塊。主要模塊有：加法器（包括比較器）；控制器P；控制器I；控制器D；函數(shù)發(fā)生器；電壓閾值繼電器；大、小值選擇器；乘/除法器；測(cè)量?jī)x表；執(zhí)行器；其它模塊。這些模塊插入控制柜中，組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。4.5.2控制通道的類(lèi)型控制通道分閉環(huán)、開(kāi)環(huán)和跟蹤通道三種。下面是一個(gè)電阻絲加熱爐的閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中的熱電偶用來(lái)測(cè)量爐溫，并將爐溫T轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，再與給定的信號(hào)電壓比較，相減得到的偏差E，經(jīng)電壓和功率放大后驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)去調(diào)節(jié)調(diào)壓器的滑臂，改變控制量Vi，從而使被控制量T向希望值靠近。閉環(huán)控制系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，具有自動(dòng)修正被控制量偏差的能力，它的特點(diǎn)是：精確度：如果控制器包括積分作用，則精確度非常好響應(yīng)慢：一個(gè)干擾只有經(jīng)過(guò)整個(gè)工藝過(guò)程，控制通道才會(huì)響應(yīng)，如有大的慣性過(guò)程則需要很長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間不穩(wěn)定性：如整定不正確，控制器與過(guò)程耦合可產(chǎn)生振蕩，故調(diào)試比較復(fù)雜。

開(kāi)環(huán)控制控制器的輸出不作用到輸入，開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)是：快速性：反應(yīng)非?？欤?yàn)楦蓴_變量的任何變化立即影響到控制變量而無(wú)需等待被控變量的變化，被控變量不與定值進(jìn)行比較，因此精度較差；穩(wěn)定性：干擾變量和控制變量不可能出現(xiàn)耦合；整定：控制器的整定必須以干擾變量對(duì)控制量的影響為依據(jù)，這可使被控量的偏離盡可能的小。

串級(jí)控制系統(tǒng)當(dāng)被控過(guò)程或控制對(duì)象的滯后較大，干擾較劇烈頻繁時(shí)，則可采用串級(jí)控制系統(tǒng)。凡是采用兩個(gè)相互串聯(lián)的控制器，而且以一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的參比信號(hào)的控制系統(tǒng)稱(chēng)為串級(jí)控制系統(tǒng)，圖中C1稱(chēng)為主被控變量。使C1平穩(wěn)而迅速地穩(wěn)定在給定值r1上是該控制系統(tǒng)所要達(dá)到的主要目的?？刂破鱃C1稱(chēng)為主控制器。C2稱(chēng)為副被控變量，GC2稱(chēng)為副控制器，GC2的參比值就是主控制器GC1的輸出值u1。而GC2的輸出信號(hào)u2用以控制執(zhí)行元件GV，Hm1和Hm2分別為主、副被控變量的反饋單元。副控制對(duì)象GP2與Hm2、、GC2、GV構(gòu)成的回路稱(chēng)為副回路，主控制對(duì)象GP1與Hm1、GC1、GC2、GV、GP2所構(gòu)成的回路稱(chēng)為主回路。穩(wěn)壓器水位控制系統(tǒng)是一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)。

串級(jí)控制的特點(diǎn)—抑制干擾能力強(qiáng)，響應(yīng)時(shí)間快串級(jí)控制系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng)。進(jìn)入副回路的干擾d2首先影響副被控變量C2，使其發(fā)生變化。由于副回路的反饋控制作用，在主被控變量C1尚未產(chǎn)生明顯的變化之前，副控制器GC2就已使執(zhí)行元件GV動(dòng)作，以克服干擾d2對(duì)C2所造成的影響，使C2的波動(dòng)減小，從而使干擾d2對(duì)主控變量C1的影響更小。副回路實(shí)際上起到了快速“粗調(diào)”作用，而主回路則擔(dān)當(dāng)起進(jìn)一步“細(xì)調(diào)”的功能，從而使主被控變量C1穩(wěn)定在參比值r1上。在設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)設(shè)法讓主要干擾都進(jìn)入副回路之內(nèi)?！纳瓶刂铺匦裕岣呖垢蓴_能力在串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路可視為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，或稱(chēng)為廣義被控對(duì)象。對(duì)主控制器而言，整個(gè)被控對(duì)象分為兩部分，一是副回路控制對(duì)象，二是主控對(duì)象。如果匹配得好，可使通道響應(yīng)時(shí)間大大縮短。當(dāng)副回路整定得很好時(shí)，其閉環(huán)后的滯后時(shí)間將很小，從而使整個(gè)被控對(duì)象的滯后時(shí)間近似等于主控對(duì)象的滯后時(shí)間。而若不設(shè)副回路時(shí)，整個(gè)被控對(duì)象的總滯后時(shí)間應(yīng)等于主、副被控對(duì)象的滯后時(shí)間之和。此外，由于副回路被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)比主控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)要小得多，所以由于副回路的引入而使被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性有了很大的改善，從而有利于提高系統(tǒng)克服干擾的能力。—提高系統(tǒng)的控制精度副回路相當(dāng)于一個(gè)隨動(dòng)反饋控制系統(tǒng)，如果匹配得當(dāng)，它的特性可近似看作是1：1的比例環(huán)節(jié)。亦即，在給定的參比信號(hào)作用下，其被控變量能盡快地跟隨參比值而變化，此外，副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)的特性在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，只要不至于改變副回路1：1的比例特性，就不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)，因此有利于提高系統(tǒng)的控制精度。凡是可以利用上述特點(diǎn)之一來(lái)提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)的場(chǎng)合，都可以采用串級(jí)控制系統(tǒng)，特別是在被控對(duì)象的容量滯后大、干擾強(qiáng)、要求高的場(chǎng)合，采用串級(jí)控制可以獲得明顯的效果。

串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)—副被控變量主要應(yīng)基于以下幾點(diǎn)來(lái)選擇：工藝上的合理性，在上圖中控制變量首先影響副被控變量C2，再由C2去影響主被控變量C1。因此，選擇副被控變量時(shí)，應(yīng)使主、副被控變量具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。亦即，通過(guò)調(diào)整副被控變量，能使主被控變量盡快回到參比值。此外，還應(yīng)注意所選擇的副被控變量的工藝合理性和實(shí)現(xiàn)的可能性。

應(yīng)盡可能使主要的干擾都包括在副回路中；副被控變量的選擇，應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相匹配，以防產(chǎn)生振蕩。為此，整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率必須顯著地低于副回路的共振頻率。這一要求只有在副被控對(duì)象的時(shí)間響應(yīng)比主被控對(duì)象小得多的情況下方可滿(mǎn)足?！?、副控制器正/反作用的選擇由于執(zhí)行元件接受副控制器的輸出信號(hào)u2，所以應(yīng)先選擇副控制器的正/反作用。主控制器是通過(guò)副控制器才發(fā)揮作用，所以它的正/反作用由副被控變量C2對(duì)主控變量C1的影響關(guān)系來(lái)決定，而與執(zhí)行元件的情況無(wú)關(guān)?！?、副控制器控制規(guī)律的選擇主控制器起定值控制作用，副控制器起隨動(dòng)控制作用；主被控變量要求無(wú)（余）差，對(duì)副被控變量沒(méi)有也不應(yīng)提出無(wú)差要求。因此，副控制器一般選用比例作用（P）。對(duì)于采用流量作為副被控變量的串級(jí)系統(tǒng)，為了使流量副回路單獨(dú)工作時(shí)也能穩(wěn)定，引入積分控制，在穩(wěn)壓器水位控制中上充流量控制器是PI控制器。副控制器很少使用微分作用。4.5.4控制通道的整定控制系統(tǒng)的整定就是優(yōu)化控制器的比例、積分和微分參數(shù)，以及調(diào)整一些濾波器及函數(shù)發(fā)生器等。較困難的是優(yōu)化整定閉環(huán)通道，因?yàn)閮蓚€(gè)相互制約的目標(biāo)必須被協(xié)調(diào)。按重要順序它們是穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間。

1）穩(wěn)定性

在一個(gè)干擾變量的階躍擾動(dòng)下，或更簡(jiǎn)單地在一個(gè)定值的階躍擾動(dòng)下，測(cè)量值必須在第一個(gè)過(guò)調(diào)峰值后快速回到穩(wěn)態(tài)值。穩(wěn)定性是由衰減比來(lái)表征的（D1/D2的比率）它必須大于或接近于4。曲線1、2和3分別表示對(duì)應(yīng)于階躍輸入的三種類(lèi)型的響應(yīng)。

(1)曲線1：應(yīng)該避免，被控變量是不穩(wěn)定的；

(2)曲線2：這是一個(gè)“理想”響應(yīng)，被控變量被正確地衰減且響應(yīng)時(shí)間盡可能地短；

(3)曲線3：響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)（穩(wěn)定性是完美的）。這條曲線在下述條件下是可接受的：如果基本系統(tǒng)表明一個(gè)響應(yīng)在另外的運(yùn)行點(diǎn)上趨向于曲線2，且被控變量沒(méi)有報(bào)警閾。2）響應(yīng)時(shí)間系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間是指測(cè)量值達(dá)到定值所要求的時(shí)間，該時(shí)間應(yīng)盡可能短。3）控制器整定中注意事項(xiàng)控制器整定中應(yīng)注意下列事項(xiàng)，以保證控制器整定的正確。(1)階躍數(shù)值的選擇通常用±10％的滿(mǎn)量程值階躍擾動(dòng)可提供清晰而方便的回路參數(shù)分析。例如：當(dāng)所選擇的試驗(yàn)控制通道運(yùn)行在滿(mǎn)量程附近時(shí)，一個(gè)+10％的階躍將明顯會(huì)導(dǎo)致飽和或引發(fā)保護(hù)裝置動(dòng)作，在這種情況下，一個(gè)﹣10％的階躍也將足以提供完整的信息。(2)控制器調(diào)整把控制器