教書育人要義傳道授業釋疑；

師生同心協力,共探過控真諦。

熟悉儀表原理,統領系統設計；

理論實踐結合，思維創新第一?！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

本章要點1）了解串級控制系統的應用背景，熟悉串級控制系統的典型結構與特點；2）掌握串級控制系統的設計方法，熟悉串級控制系統的參數整定方法；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計方法，熟悉前饋－反饋復合控制的特點及工業應用；前面介紹的控制系統的結構是單回路的。這種控制系統由于其結構簡單，系統使用的過程控制儀表較少，系統成本較低，能夠解決多數簡單被控過程的控制要求而在實際生產過程中得到了廣泛應用。對于一些生產過程比較復雜，生產工藝比較煩瑣的情況，簡單過程控制系統就無法滿足生產過程的控制需要?？茖W工作者為滿足不同生產工藝需要，研究開發了各種各樣復雜的、多回路的或者不同于PID規律的控制算法，統稱其為復雜控制系統。根據復雜控制系統的控制目的的不同，可以將復雜控制系統大體上分成兩類：一類是以提高響應曲線性能指標為目的的控制系統。開發這類控制系統的目的是提高控制系統的控制質量，改善系統過渡過程的品質。顯而易見，這類系統的發展依托于控制原理的最新成果。隨著控制理論的發展，研發出各種新型的控制系統。如串級控制系統是在雙閉環控制理論發展后產生的、前饋控制系統是在前饋控制理論出現后問世的。另一類控制系統是按照滿足特定生產工藝要求而開發出的控制系統。這類系統的出現和發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展。在控制原理教科書中一般找不到這類控制系統的理論依據。如比值控制系統、分程控制系統、選擇性控制系統等。單回路控制系統能解決工業過程自動化過程的大量參數定值控制問題。對于多數復雜控制系統，如多輸入多輸出系統、大滯后系統和擾動較大的系統等簡單控制系統就很難控制，無法滿足控制系統的控制要求。串級控制系統在改善復雜控制系統的控制指標方面具有較大的優勢。

問題：過渡過程時間長，調節不及時解決辦法：串級控制(圖6－3）圖6－2化學反應釜溫度單回路控制系統反應產生的熱量由夾套中的冷卻水帶走；為保證產品的質量，對反應溫度T1需要進行嚴格控制?？刂谱兞浚豪鋮s水流量被控變量：反應溫度控制閥：氣關閥控制規律：PID

6.1串級控系統

6.1.1串級控制系統的基本概念

一、什么是串級控制？它是怎樣提出來的？其組成結構怎樣?（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擾動分析問題：從擾動開始至調節器動作，調節滯后較大，特別對于大容量的反應槽，調節滯后更大。冷卻水入口溫度↑→夾套內冷卻水溫度T2↑→（經對流傳熱）槽壁溫度↑→反應槽溫度T1↑→（經反饋回路）冷卻水量↑對調節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比反應槽溫度T1能更快地感受到。因而可設計夾套水溫單回路控制系統TC2以盡快地克服冷卻水方面的擾動。但TC2的設定值應根據T1的控制要求作相應的變化（這一要求可用反應溫度調節器TC1來自動實現）。“串級控制”特點：兩個調節器串在一起工作，調節器T2C通過調節冷卻劑量以克服冷卻水方面的擾動；調節器T1C通過調節夾套內水溫的設定值以保證反應溫度維持在工藝所希望的某一給定值。反應器溫度串級控制框圖TC1稱為“主調節器”，TC2稱為“副調節器”。圖8-5串級控制系統組成原理及術語(1)組成原理①將原被控對象分解為兩個串聯的被控對象。②以分解后的兩個被控對象的中間變量作為副被控變量，構成一個副回路（簡單控制系統）。③將原被控變量作為主被控變量構成主回路。④主控制系統控制器的輸出信號作為副控制系統控制器的設定值，副控制系統的輸出信號作為主被控對象的輸入信號。(2)串級控制系統術語主變量：生產過程所需要控制的工藝參數，在串級控制系統中起主導作用的被控變量。副變量：串級控制系統中為了穩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設備。主對象：主變量表征其特性的生產設備或生產過程。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，執行器和主、副對象構成的外回路。也稱為外環或主環。副回路：由負變量的測量變送裝置、副控制器、執行器和副對象所構成的內回路。也稱為內環或副環。主測量值、副測量值：相應被控變量的測量值。主設定值、副設定值：主設定值是主被控變量的期望值，由主控制器內部設定。副設定值由主控制器的輸出信號提供。6.1.2串級控制系統的控制效果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：對于一個控制系統而言，評價其性能好壞的指標可以看式中的傳遞函數。對于擾動來講，其傳遞函數的值越小越好；對于控制作用來講，其傳遞函數接近于1為佳；系統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，提高了控制系統的控制質量。比值越大，系統的控制能力和抗干擾能力越強單回路系統(圖6－7）及傳遞函數控制能力和抗干擾能力綜合為：一般情況下有：結論：提高了控制質量2.能改善控制通道的動態特性，提高工作頻率（1）等效時間常數減小，響應速度加快；(分析比較圖6－5和圖6－7）響應速度加快(2)提高了系統的工作頻率串級系統的特征方程為：如式（6－11）所示，則串級控制系統的工作頻率為：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相同，則有：結論：副回路改善了動特性、提高了響應速度和工作頻率；當主、副時間常數比值一定，副調節器的比例系數越大，工作頻率越高；同樣，當比例系數一定，主、副時間常數比值越大，工作頻率也越高。其結果使振蕩周期