太原科技大學畢業(yè)設計（論文）設計論文題目串級控制在鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中的應用姓名學院（系）機電工程系專業(yè)過程裝備與控制工程年級2008級指導教師2012年6月1日太原科技大學畢業(yè)設計（論文）任務書學院（直屬系）化學與生物工程學院時間2012年3月1日學生姓名指導教師設計（論文）題目串級控制在鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中的應用主要研究內容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應用MATLAB軟件中的SIMULINK平臺進行控制系統(tǒng)的仿真。研究方法調查法、觀察法、文獻研究法、用MATLAB軟件等。主要技術指標或研究目標通過這次畢業(yè)論文的設計，進一步加深對所學的基礎理論、基本技能和專業(yè)知識的掌握；培養(yǎng)設計計算、數(shù)據(jù)處理、文件編輯、文字表達、文獻查閱、計算機應用、外文應用等基本工作實踐能力。主要參考文獻1李國勇過程控制試驗教程北京清華大學出版社20112李國勇，謝克明，楊麗娟計算機仿真技術與CAD基于MATLAB的控制系統(tǒng)（第2版）M北京電子工業(yè)出版社，20083劉文定，王東林過程控制系統(tǒng)的MATLAB仿真北京機械工業(yè)出版社20094孫洪程，李大字過程控制工程設計（第二版）M北京化學工業(yè)出版社太原科技大學設計（論文）I目錄摘要IIIABSTRACTIV第1章緒論111鍋爐概述112課題來源及主要任務4第2章過程控制基礎521工業(yè)過程控制的發(fā)展概況522控制策略的介紹6第3章鍋爐汽包液位特性2331鍋爐汽包液位特性的綜述2332汽包液位在給水流量作用下的動態(tài)特性2533汽包液位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性27第4章數(shù)學建模與控制策略的選擇3041被控對象數(shù)學模型的建立30411數(shù)學模型實驗測定的主要方法30412鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)數(shù)學模型的建立3142鍋爐汽包液位的控制方案32421單沖量水位調節(jié)系統(tǒng)32422雙沖量水位調節(jié)系統(tǒng)34423三沖量水位調節(jié)系統(tǒng)35424三沖量水位調節(jié)系統(tǒng)的分析36425蒸汽流量分流系數(shù)DA的選擇38426汽包液位的三沖量PID串級控制系統(tǒng)38第5章仿真與結論4051SIMULINK簡介4052鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)仿真40521鍋爐汽包液位雙沖量PID控制系統(tǒng)40522鍋爐汽包液位三沖量串級PID控制系統(tǒng)41太原科技大學設計（論文）II53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章結論45參考文獻46致謝47附錄48太原科技大學設計（論文）III串級控制在鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)中的應用摘要鍋爐是電力、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)濟工況下長期運行。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關注的焦點，而汽包水位是工業(yè)鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標，保證水位控制在給定范圍內，對于提高蒸汽品質、減少設備損耗和運行損耗，確保整個網(wǎng)絡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雜的控制過程，為保證提供合格的蒸汽適應負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變化，鍋爐水位控制的重要任務之一，也是保證汽機和鍋爐安全運行的重要條件。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，不能進行在線調整，其控制效果往往難以滿足要求。根據(jù)鍋爐控制現(xiàn)狀，介紹了國內外研究成果及現(xiàn)狀，敘述了鍋爐的工藝流程及其他設備，說明了所涉及的過程裝備控制原理，設計了汽包水位控制系統(tǒng)的串級控制方案，并在MATLAB軟件平臺上進行了仿真，結果表明后者的自適應能力更強，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。關鍵詞汽包水位；三沖量；串級控制；前饋控制；PID控制；MATLAB太原科技大學設計（論文）IVABSTRACTBOILERISONEKINDOFVERYIMPORTANTHEATENERGYPOWERRESOURCEEQUIPMENTTOSERVENATIONALINDUSTRYOFELECTRIC,PETROLEUM,CHEMICALANDOTHERSTHECONTROLLEVELOFBOILERSYSTEMBECOMESONEKEYFACTORTOMEASURETHEPERFORMANCEOFSYSTEMBECAUSEBOILERBEARSFREQUENTOPERATIONONSTARTINGANDPAUSINGWITHVARIANTLOAD,ITISDIFFICULTTORELYONMANUALOPERATIONTOENSUREITSSECURITY,STABILITYANDLONGTERMOPERATIONTOBEECONOMICALINREALPRODUCTIONCONDITIONSTHEPROBLEMOFMODELINGANDCONTROLISAATTENTIONFOCUSOFPEOPLETHEBOILERWATERLEVERISIMPORTANCEINDEXOFINDUSTRYBOILERSAFETYANDSTABILIZATIONITISIMPORTANCEMEANINGTOENSUREWATERLEVELINDEFINITERANGEFORINCREASINGQUALITYOFSTEAMANDREDUCINGWASTAGEOFEQUIPMENTANDINSURINGSAFETYOFWHOLEHEARTPOWERNETACTUALLYCONTROLAUTOMATIONHASBECOMEAGUARANTEETOOPERATIONOFSAFETYANDHIGHEFFICIENCYBOILERCONTROLISAMORECOMPLICATEDCONTROLPROCESS,INORDERTOENSURETHEPROVISIONOFQUALIFIEDNEEDSTHESTEAMLOADANDTHESAFEOPERATIONOFBOILERS,EACHASPECTOFTHEPROCESSPARAMETERSMUSTBESTRICTLYCONTROLLED,ANDTHEDRUMWATERLEVELCONTROLSYSTEMFORAUTOMATICCONTROLSYSTEMFORBOILERSARETHEMOSTIMPORTANTASPECTBOILERDRUMWATERLEVELISIMPORTANTPARAMETERSOFTHENORMALOPERATIONTOMAINTAINTHEDRUMWATERLEVELATACERTAINRANGEOFCHANGESBOILERWATERLEVELCONTROLLINGISAMONGONEOFANIMPORTANTTASKSASWELLASSTEAMTURBINEANDBOILERTOENSURESAFEOPERATIONOFANIMPORTANTCONDITIONSORESEARCHOFBOILERDRUMWATERLEVELCONTROLISOFANIMPORTANTSIGNIFICANCEATPRESENT,THEBOILERDRUMWATERLEVELCONTROLOFMOSTLYCONVENTIONALPIDCONTROLMETHOD,BECAUSEITSCONTROLPARAMETERSAREFIXEDANDCANNOTBEADJUSTEDONLINE,ANDITSCONTROLISOFTENDIFFICULTTOMEETTHEREQUIREMENTSACCORDINGTOACTUALITYOFBOILERCONTROL,THISPAPERINTRODUCESDOMESTICANDINTERNATIONALRESEARCHRESULTSANDTHEPRESENTSITUATION,DESCRIBESTHEPROCESSOFBOILERANDOTHEREQUIPMENT,ANDEXPLAINSTHEPROCESSESINVOLVEDEQUIPMENTCONTROLPRINCIPLE,THEDESIGNOFTHEDRUMWATERLEVELCONTROLSYSTEMCASCADECONTROLSCHEME,ANDINTHEMATLABSOFTWARE太原科技大學設計（論文）VPLATFORMSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHELATTERADAPTIVEABILITYSTRONG,THEANTIINTERFERENCEABILITYANDBETTERROBUSTNESS,GUARANTEETHESTABILITYOFTHEWATERLEVELITSUMMARIZESTHEADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFTHISSCHEMEANDDRUMWATERLEVELCONTROLSYSTEMCONTROLPROSPECTKEYWORDSWATERLEVELTHREEIMPULSECASCADESYSTEMFEEDFORWARDCONTROL；PIDCONTROLLERMATLAB太原科技大學設計（論文）1第1章緒論11鍋爐概述鍋爐是我國工業(yè)生產(chǎn)和生活上應用面最廣、數(shù)量最多的熱力設備，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備。尤其是在現(xiàn)代化的石油化工企業(yè)里，熱力站的設立可以使工藝生產(chǎn)過程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不僅能為反應器、蒸餾塔、換熱器以及其他設備、管道保溫伴熱提供熱源，而且還可以為生產(chǎn)過程中的風機、壓縮機、泵類驅動提供動力來源。但是，由于鍋爐往往負荷變化大，啟停頻繁，依靠人工操作很難保證其安全、穩(wěn)定的在經(jīng)濟工況下長期運行，所以必須裝備自動控制設備。因而，對鍋爐設備中的自動控制系統(tǒng)進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備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用動力設備。對鍋爐生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當，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、設備，后果十分嚴重。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、溫度是鍋爐運行質量的重要指標，水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，導致重大事故。因此，必須對汽包水位進行自動調節(jié)，使水位嚴格控制在規(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，該參數(shù)的控制質量直接影響著機組運行的安全性和經(jīng)濟性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11所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。太原科技大學設計（論文）2圖11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)下降管進入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內火焰直接輻射的熱，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、空氣預熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風機送入，通過空氣預熱器，在空氣預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)過負荷設備調節(jié)閥供負荷設備使用。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)、送引風系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。其主要工藝流程如圖12所示。太原科技大學設計（論文）3圖12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空氣預熱器鍋爐的控制系統(tǒng)包括燃燒控制系統(tǒng)、送引風控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結構如圖13所示。圖13鍋爐控制系統(tǒng)總圖鍋爐是重要的動力設備，其要求是供給合格的蒸汽，使鍋爐發(fā)熱量適應負荷的需要。為此，生產(chǎn)過程的各個主要工藝參數(shù)必須嚴格控制。鍋爐設備的主要控制要求如下供給蒸汽量適應負荷變化需求或保持給定負荷。鍋爐供給用汽設備的蒸汽壓力應保持在一定范圍內。汽包水位保持在一定范圍內。保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全運行。、過熱蒸汽溫度應保持在一定范圍內。爐膛負壓保持在一定范圍內。鍋爐設備是一個復雜的控制對象，主要輸入變量是鍋爐給水量、燃燒量、減溫水量、送風量和引風量等；主要輸出變量是汽包水位、蒸汽壓力、過熱蒸汽溫度、爐膛負壓、太原科技大學設計（論文）4過?？諝猓ㄑ鯕夂康龋?。系統(tǒng)輸入變量與輸出變量之間相互關聯(lián)。如果蒸汽負荷發(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，同時還會影響汽包水位、過熱蒸汽溫度、過?？諝夂蜖t膛負壓。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。所以鍋爐設備是一個多輸入、多輸出且相互關聯(lián)的控制對象。12課題來源及主要任務1課題來源在焦化廠參觀實習后，通過查閱有關文獻掌握了鍋爐工藝流程和設備的相關知識。對我國鍋爐現(xiàn)有生產(chǎn)技術有了大概了解。通過閱讀大量相關文獻，結合自己在大學期間所學的基本知識，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課題的主要任務鍋爐汽包液位是鍋爐運行質量的重要指標。水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，導致重大事故。因此，必須對汽包水位進行自動調節(jié)，使水位嚴格控制在規(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)和生活上應用面最廣、數(shù)量最多的熱力設備，汽包液位的控制質量直接影響著機組運行的安全性和經(jīng)濟性。為更好的解決因為鍋爐汽包液位所帶來的干擾滯后問題，急需研究并應用一種有效的汽包液位控制策略。太原科技大學設計（論文）5第2章過程控制基礎21工業(yè)過程控制的發(fā)展概況自本世紀30年代以來，伴隨著自動控制理論的日趨成熟，自動化技術不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就，在工業(yè)生產(chǎn)和科學發(fā)展中起著關鍵性的作用。過程控制技術是自動化技術的重要組成部分，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)結構大多是單輸入，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雜過程控制系統(tǒng)逐步應用于工業(yè)生產(chǎn)中，氣動和電動單元組合儀表也開始大量采用，同時電子技術和計算機技術開始應用于過程控制領域，實現(xiàn)了直接數(shù)字控制（DDC）和設定值控制（SPC）。之后，以最小二乘法為基礎的系統(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。同時新型的分布式控制系統(tǒng)（DCS）集計算機技術、控制技術、通訊技術、故障診斷技術和圖形顯示技術為一體，使工業(yè)自動化進入控制管理一體化的新模式?，F(xiàn)今工業(yè)自動化己進入計算機集成過程系統(tǒng)（CIPS）時代，并依托人工智能，控制理論和運籌學相結合的智能控制技術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)過程也隨之日趨復雜，而對生產(chǎn)質量經(jīng)濟效益的要求，對生產(chǎn)的安全、可靠性要求以及對生態(tài)環(huán)境保護的要求卻越來越高。不僅如此，生產(chǎn)的安全性和可靠性，生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟效益都成為衡量當今自動控制水平的重要指標。因此繼續(xù)采用常規(guī)的調節(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)字調節(jié)器過程計算機設備，正逐步取代模擬調節(jié)器，在過程控制中得到十太原科技大學設計（論文）6分廣泛的作用。在控制系統(tǒng)中引入計算機，可以充分利用計算機的運算邏輯判斷和記憶等功能完成多種控制任務和實現(xiàn)復雜控制規(guī)律。在系統(tǒng)中，由于計算機只能處理數(shù)字信號，因而給定值和反饋量要先經(jīng)過A/D轉換器將其轉換為數(shù)字量，才能輸入計算機。當計算機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）進行運算，計算結果再經(jīng)D/A轉換器，將數(shù)字信號轉換成模擬信號輸出到執(zhí)行機構，從而完成對系統(tǒng)的控制作用1。過程計算機控制系統(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過程計算機系統(tǒng)的硬件部分A由中央處理器時鐘電路內存儲器構成的計算機主機是組成計算機控制系統(tǒng)的核心部分，進行數(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)調工作。B包括各種控制開關數(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對話的聯(lián)系紐帶，操作人員可以通過操作臺向計算機輸入和修改控制參數(shù)，發(fā)出操作命令；計算機向操作人員顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)，發(fā)出報警信號。C通用外圍設備包括打印機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)。DI/O接口和I/O通道是計算機主機與外部連接的橋梁。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)（標準電信號）變換成二進制代碼傳送給計算機；同時將計算機輸出的數(shù)字控制量變換為控制操作執(zhí)行機構的模擬信號，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。2過程計算機系統(tǒng)的軟件部分A系統(tǒng)軟件由計算機及過程控制系統(tǒng)的制造廠商提供，用來管理計算機本身資源，方便用戶使用計算機。B應用程序由用戶根據(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。22控制策略的介紹221反饋控制太原科技大學設計（論文）7目前，最基本也是應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)行機構組成，如圖21所示。實現(xiàn)對被控變量的定值或跟蹤控制。圖21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（PID）15。比例（P）調節(jié)在P調節(jié)中，控制器的輸出信號U與偏差信號E成比例，即21CK式中，稱為比例增益視情況可設置為正或負。CK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22MIN/|10AXEU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)一的標準信號，此時23MAXINMAXINEU則有24100PUK這表明，比例度與控制器比例增益的倒數(shù)成正比。當采用無量綱形式（如采用C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C小的偏差就能激勵控制器產(chǎn)生100的開度變化，相應的比例增益就大。K太原科技大學設計（論文）8比例控制的特點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，當輸出達到上限或者下限，控制器就飽和了。比例控制器增益調整的基本矛盾穩(wěn)定程度與控制精度的矛盾。增加能使控制精度提CK高，但穩(wěn)定程度變差。參數(shù)的整定，就是對這兩項指標在作權衡。CK純比例控制器有一個缺點就是當設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。比例調節(jié)的顯著特點就是有差調節(jié)。如果采用比例調節(jié)，則在負荷擾動下的調節(jié)過程結束后，被調量不可能與設定值準確相等，它們之間一定有余（殘）差。因為根據(jù)比例調節(jié)的特點，只有控制器的輸入有變化，即被調量和設定值之間有偏差,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節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。比例積分PI控制積分控制1積分控制的調節(jié)規(guī)律在I調節(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250UTSED式中稱為積分速度，可視情況取正值或負值。01/IST2積分控制的特點太原科技大學設計（論文）9消除余差穩(wěn)定作用比P調節(jié)差。其調節(jié)過程的進行總比采用P調節(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調節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度成正比。0S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22。圖22積分速度對于控制過程的影響PI控制1比例積分的調節(jié)規(guī)律為2601UTIEDT式中為比例帶，可視情況取正值或負值；TI為積分時間。TI愈小，積分部分所占的比重愈大。2PI控制的特點PI調節(jié)就是綜合P、I兩種調節(jié)的優(yōu)點，利用P調節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調節(jié)消除殘差。應當指出，PI調節(jié)引入積分動作帶來消除系統(tǒng)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加大。所以PI調節(jié)是在稍微犧牲控制系統(tǒng)的動態(tài)品質以換取較好的穩(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、調節(jié)過程加快、振蕩頻率升高。太原科技大學設計（論文）10圖23積分時間對控制過程的影響比例微分控制1PD控制器的動作規(guī)律是27D1UETT式中，為比例帶，可視情況取正值或負值；TD為微分時間。PD控制器有導前作用，其導前時間即是微分時間TD。2比例微分控制的特點PD調節(jié)也是有差調節(jié)，與P調節(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)定性的作用。因微分調節(jié)動作總是力圖抑制被調量的振蕩。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控制難以達到生產(chǎn)要求就要考慮采用更先進的控制方法。比例積分微分控制規(guī)律為2801UTTEDITE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。太原科技大學設計（論文）11圖24各種控制規(guī)律的響應過程1比例控制；2積分控制；3PI控制；4PD控制；5PID控制當偏差階躍出現(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，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適應性強，可以廣泛應用于化工、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，即其控制品質對被控對象特性的變化不大敏感。4按PID控制進行工作的自動控制器早已商品化。5因此，PID控制器適應性較強，技術比較成熟，應用也非常廣泛。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報誤差信號的未來變化趨勢。理想的微分控制作用如式（29）所示。（29）0UDETTTU式中，是微分時間。當誤差是常數(shù)時，即，微分控制器的輸出就等于初始值。DT0U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210所示。1UCDISKTS（210）太原科技大學設計（論文）12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（211）所示。（211）1GDTSA式中，通常取。A1620微分作用通過提供超前作用使得被控過程趨于穩(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。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0DET后是不起作用的3。在自動控制的發(fā)展過程中，PID調節(jié)是歷史最悠久的、控制性能最強的基本調節(jié)方式。PID調節(jié)原理簡單、易于整定、使用方便；PID調節(jié)可用于補償系統(tǒng)使之達到大多數(shù)品質指標的要求。直到目前為止，PID調節(jié)仍然是應用最廣泛的基本控制方式。在PID調節(jié)作用下，對誤差信號分別進行了比例、積分、微分運算，三個作用分量之ET和作為控制信號輸出給被控對象。PID調節(jié)器的微分方程數(shù)學模型如式（212）所示。（212）01UTIPDIETTKETT其中PID調節(jié)器的輸出信號UT放大倍數(shù)PK積分時間常數(shù)IT微分時間常數(shù)D設定值與測量值的偏差信號ET太原科技大學設計（論文）13式中,其中是系統(tǒng)的設定信號，是被控量的測量值。式212ETRCTRTCT也常寫成213的形式。（213）0UIPDETTKETTK式中為比例增益，為積分增益，為微分增益。PKID數(shù)字PID控制由于計算機技術的發(fā)展，數(shù)字PID控制器的應用也越來越廣泛，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PID控制算法和增量式PID控制算法。由于計算機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，需要進行離散化處理。設采樣周期為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（214）。2140UKEKPITDEEKT為了書寫方便，將簡化表示為，即省去采樣周期，如式（215）所示。EKT2150U1KDPITEEKE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)；PKITD采樣周期；采樣序號，K0，1，2，；K第K次采樣時刻的計算機輸出值；UT第K次采樣時刻輸入的偏差值；E第K一1次采樣時刻輸入的偏差值。1由于控制器的輸出直接去控制執(zhí)行機構如閥門，的值和執(zhí)行機構的位置UKUK如閥門開度是一一對應的，所以通常式214或215稱為位置式PID控制算法。這太原科技大學設計（論文）14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，計算時要對值進行累加，計算機運算的工作量大。而且，因為計算機的輸出對應的是執(zhí)行機構EK的實際位置，如計算機出現(xiàn)故障，的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構的位置的大幅度UK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215式根據(jù)遞推得式（216）。21610U112KDPJITKKEEKE用式215減去216得式（217）。217U1212DPITKEKEKEK上式稱為增量式PID控制算法。可以看出，由于一般計算機控制系統(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TPKID控制增量。采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量對應的是本次執(zhí)行機構位置UT如閥門開度的增量。對應閥門實際位置的控制量，可通過式（217）計算出來。218U1KK增量式控制雖然只是在算法上作了一點改進，但卻帶來了不少優(yōu)點1由于計算機輸出增量，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，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，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，所以較UT容易通過加權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計法和實驗確定法。用理論設計法確定PID控制器參數(shù)的前提是被控對象要有準確的數(shù)學模型，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實際運行，觀測系統(tǒng)對典型輸入的響應，根據(jù)各控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，反復調節(jié)試湊，直到滿意為止，從而確定PID參數(shù)。太原科技大學設計（論文）15采用試湊法重要的一點是要熟悉各控制參數(shù)對系統(tǒng)響應的影響。增大比例系數(shù),一般將加快系統(tǒng)的響應速度，如果是有差系統(tǒng)，則有利于減少KP凈差。但比例系數(shù)過大，會加大系統(tǒng)超調，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，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，但系統(tǒng)抗干擾能力變差，IT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)進行整定，并對有關參數(shù)進行反復調試，直到系統(tǒng)響應滿意為止。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，觀測相應的響應，使系統(tǒng)的KP過度過程達到41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，系統(tǒng)響應滿意，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)的凈差不能滿足設計要求，則需加入積分部分。整定使，先將比例系數(shù)減小1020，以補償因加入積分KP作用而引起的系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。然后由大到小調節(jié)，在保持系統(tǒng)響應良好的情況下，IT使凈差得到消除。這一步可以反復進行，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，構成PID控制器。整定時由0開始逐漸增大，同時反復DT調節(jié)及，直到獲得較滿意的控制效果為止。KPIT應該指出，PID控制器的參數(shù)對控制質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。在實際應用中，只要被控對象的主要指標達到設計要求，就可選定相應的控制參數(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)對階躍輸入的響應達到臨界振蕩狀態(tài)，記下此時的比例系數(shù)（臨界比例系數(shù)）和振蕩KP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)。TP太原科技大學設計（論文）16222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入過程的干擾量（包括外界干擾和設定值變化），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定值上。反饋控制的一個突出優(yōu)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?！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。進入控制系統(tǒng)中的擾動會通過被控對象的內部聯(lián)系，使被控變量發(fā)生偏離其設定值得變化。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（219）所示。當時，F(xiàn)0T219Y0T即被控變量與擾動無關。YTFT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FTYT程中始終保持不變，即控制過程的動態(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FT的波動小于一個很小的值，如式（220）所示。YT,220YT0YT誤差不變性在工程上具有現(xiàn)實意義。對于大量工程上應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，依次進行誤差不變性系統(tǒng)的設計。這種誤差不變性系統(tǒng)由于滿足工程領域的實際要求，獲得了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。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。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)前饋系統(tǒng)就是屬于這種穩(wěn)態(tài)不變FTYT太原科技大學設計（論文）17性系統(tǒng)，工程上常將不變性與穩(wěn)態(tài)不變性結合起來應用，這樣構成的系統(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行控制的，當干擾一出現(xiàn)，前饋控制器就根據(jù)檢測到的干擾，按一定控制規(guī)律進行控制。從理論上說，當干擾發(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)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，若都設置前饋通道，勢必增加控制系統(tǒng)投資費用和維護工作量。因而一般僅選擇幾個主要干擾加前饋控制。這樣設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。因此構建的前饋控制器只能是近似的，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前饋控制應用的場合太原科技大學設計（論文）18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)又要求十分嚴格，這時可引入前饋控制來改善系統(tǒng)的質量。2當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量。當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。這時只有當對控制質量要求較高時，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，如果控制的結果無法消除被控變量的偏差，系統(tǒng)將無法做進一步的校正。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合起來應用，構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作用，大大減小了反饋控制的負擔。223串級控制系統(tǒng)串級控制是在單回路PID控制的基礎上發(fā)展起來的一種控制技術。當PID控制應用于單回路控制一個被控量時，其控制結構簡單，控制參數(shù)易于整定。但是，當系統(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回路，用以控太原科技大學設計（論文）19制可能引起被控量變化的其它因素，從而有效地抑制了被控對象的時滯特性，提高了系統(tǒng)動態(tài)響應的快速性。傳統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)是在被控變量和設定值之間產(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成第二個反饋回路來克服干擾7。第二個測量點應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定值，這樣連接起來的兩個控制器稱作“串級”控制。如圖25所示。圖25串級控制系統(tǒng)的框圖主變量保持其平穩(wěn)是串級控制的主要目標。Y1副變量被控制過程中引入的中間變量。2主對象主變量副變量之間的通道特性。1PGS副對象變量之間的通道特性。2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定值。1CS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)，R2Y2則串級系統(tǒng)轉化為一個單回路，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。太原科技大學設計（論文）20兩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指標。但由于串級控制系統(tǒng)從對象中引出了一個中間變量構成了回路，因此和單回路控制系統(tǒng)相比它具有自己的特點。1副回路具有快速調節(jié)作用，能有效克服發(fā)生與副回路的干擾影響2串級系統(tǒng)對副對象和控制閥特性的變化具有較好的魯棒性副回路具有較高的增益時，副回路前向通道（這里主要是指控制閥和副對象）特性的變化不大會影響副回路等效環(huán)節(jié)的特性。這也就使得串級系統(tǒng)對控制閥和副對象特性的變化具有魯棒性。這里需要注意以下兩點主回路對副對象及控制閥的特性變化具有魯棒性，但副回路本身卻并沒有這種特性。副對象或控制閥特性的變化依然會較敏感地影響副回路的穩(wěn)定性。主回路對副回路反饋通道特性的變化沒有魯棒性。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節(jié)器、調節(jié)閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節(jié)器、副調節(jié)器、調節(jié)閥、副過程和主過程構成。當擾動發(fā)生時，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調節(jié)器進行工作。根據(jù)擾動施加點的位置不同，分情況進行分析1）擾動作用于副回路2）擾動作用于主過程3）擾動同時作用于副回路和主過程。在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調節(jié)器具有“粗調”的作用，主調節(jié)器具有“細調”的作用，從而使其控制品質得到進一步提高。分析可以看到，串級控制系統(tǒng)改善了過程的動態(tài)特性、提高了系統(tǒng)控制質量、能迅速克服進入副回路的二次擾動、提高了系統(tǒng)的工作頻率、對負荷變化的適應性較強等。其主要工程應用場合有容量滯后較大的過程、純時延較大的過程、擾動變化激烈而且幅度大的過程、參數(shù)互相關聯(lián)的過程、非線性過程等。串級控制系統(tǒng)具有以下較好的控制性能1對二次干擾有很強的克服能力。2改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作能力。3對負荷或操作條件的變化有一定自適應能力。二、串級控制系統(tǒng)設計的幾個問題太原科技大學設計（論文）211、副參數(shù)的選擇應使副環(huán)的時間常數(shù)小，調節(jié)通道短，反應靈敏。副環(huán)應包含被控對象所受到的主要干擾。2、為確保串級系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的威脅，取TD13TD2，一般TD1310TD2。3、串級系統(tǒng)控制方式有兩種一種是異步采樣控制，即主環(huán)的采樣控制周期是副環(huán)采樣控制周期的整數(shù)倍。另一種是同步采樣控制，即是主、副環(huán)的采樣控制周期相同，這時，應根據(jù)副環(huán)選擇采樣周期，因為副環(huán)的受控對象的響應速度快。4、串級控制系統(tǒng)中，主調節(jié)器和副調節(jié)器的任務不同，對于它們的選型有不同的考慮。副調節(jié)器的任務是要快動作以迅速抵消落在副環(huán)內的二次擾動，而且副參數(shù)則并不要求無差，所以一般情況選項P調節(jié)器，如主副環(huán)頻率相差很大，也可采用PI調節(jié)器。主調節(jié)器的任務是準確保持被調量符合生產(chǎn)要求。凡是需要采用串級調節(jié)的場合，工藝上對控制品質的要求總是很高的，不允許被調量存在偏差11。因此，主調節(jié)器一般采用PI調節(jié)器，如副環(huán)外面的容積數(shù)目較多，同時有主要擾動落在副環(huán)外面的話，采用PID調節(jié)器。三、串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)從主回路來看是一個定值控制系統(tǒng)，對主變量有較高的質量要求，其控制質量指標與單回路定值控制系統(tǒng)是一樣的。從副回路看，是一個隨動控制系統(tǒng)，對副變量的控制質量一般要求不高，只要能快速準確地跟隨主控制器的輸出變化就行。因此串級控制系統(tǒng)兩個回路參數(shù)的整定根據(jù)各自的作用和對主、副變量