【正文】 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制。系統(tǒng)對(duì)二個(gè)回路的要求有所不同。主回路一般要求無(wú)差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取 PI 或 PID 控制規(guī)律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取 P 控制規(guī)律而不引入 I或 D 控制。如果引入 I 控制，會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程，減弱副回路的快速 控制作用；也沒(méi)有必要引入 D 控制，因?yàn)楦被芈凡捎? P 控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入 D 控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過(guò)大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。 (3)主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。確定過(guò)程是首先判定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確定主調(diào)節(jié)器的作用方式。 【 3】 用于克服被控過(guò)程較大的容量滯后 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控過(guò)程 的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時(shí)，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對(duì)過(guò)程的影響，加快響應(yīng)速度。在構(gòu)造二次回路時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小的副回路，保證快速動(dòng)作的副回路。 用于克服被控過(guò)程的純滯后 被控過(guò)程中存在純滯后會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使控制系統(tǒng)不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。使用串級(jí)控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動(dòng)包含在副 回路中，提高副回路對(duì)系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對(duì)主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。 用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng) 串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于回路內(nèi)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。只要在設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈幅度大的擾動(dòng)包含在副回路中，即可以大大削弱其對(duì)主被控量的影響。 用于克服被控過(guò)程的非線性 在過(guò)程控制中，一般的被控過(guò)程都存在著一定的非線性。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是隨動(dòng)控制系 統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補(bǔ)償非線性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響 。 過(guò)程控制系統(tǒng)的 MATLAB 計(jì)算與仿真 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門涉及控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性學(xué)科，它的產(chǎn)生及發(fā)展差不多是與計(jì)算機(jī)的發(fā)明和法陣同步進(jìn)行的。 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，采用教學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究的一種方法。 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過(guò)程包含如下步驟： (1)建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是指描述系統(tǒng) 的輸入、輸出變量以及內(nèi)部變量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立可采用解析法和試驗(yàn)法，常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型有微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、狀態(tài)空間表達(dá)式。 (2)建立控制系統(tǒng)的仿真模型 根據(jù)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行仿真的模型。 (3)編制控制系統(tǒng)的仿真軟件 采用各種各樣的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（ Basic、 FORTRAN、 C等語(yǔ)言）編制控制系統(tǒng)的仿真程序，或直接利用一些仿真語(yǔ)言。 (4)進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果 通過(guò)對(duì)仿真模型對(duì)試驗(yàn)參數(shù)的修改，進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，輸出仿真結(jié)果。如果應(yīng)用 MATLAB 的 Toolbox 及 Simulink 集成環(huán)境作為仿真工具，則構(gòu)成了 MATLAB 仿真。 【 4】 控制系統(tǒng)的 MATLAB 計(jì)算與仿真 MATLAB 是矩陣實(shí)驗(yàn)室 (Matrix laboratory)之意。 MATLAB 具有以下主要特點(diǎn)： (1)功能強(qiáng)大，實(shí)用范圍廣 MATLAB 除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算。差不多所有科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用所需要的計(jì)算， MATLAB 均可完成。 (2)語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活 MATLAB 提供的庫(kù)函數(shù)及其豐富，既有常用的基本庫(kù)函數(shù)，又有種類齊全、功能豐富多樣的 專用庫(kù)函數(shù)。 MATLAB 程序書(shū)寫(xiě)形式自由，利用豐富的庫(kù)函數(shù)避開(kāi)了復(fù)雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫(kù)函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫(xiě)，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。 (3)有好的圖形界面，用戶使用方便 MATLAB 具有有好的用戶界面與方便的幫助系統(tǒng)。 MATLAB 的函數(shù)命令眾多，功能各異，但 MATLAB 得聯(lián)機(jī)幫助功能使用戶既可用 help 命令查詢某個(gè)函數(shù)的功能及使用，又可由 MATLAB 圖形界面下的 help 菜單來(lái)查詢，為用戶提供了學(xué)習(xí)它的便捷之路。 MATLAB 是演算紙式的科學(xué)過(guò)程計(jì)算語(yǔ)言，使用 MATLAB編程運(yùn)算與人的科學(xué)思路和表達(dá)方式相吻合，猶如在演算紙上運(yùn)算并求運(yùn)算結(jié)果，使用十分方便。 (4)圖形功能強(qiáng)大 MATLAB 里提供了多種圖形函數(shù)，可以繪制出豐富多彩的圖形。 MATLAB數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單， MATLAB 還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。 (5)功能強(qiáng)大的工具箱 MATLAB 包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。 當(dāng)前流行的 三十多種工具包（ Toolbox）。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科性工具包：功能性工具包用來(lái)擴(kuò)充 MATLAB 的符號(hào)計(jì)算、可視化建模仿真、文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能；學(xué)科性工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包、信號(hào)處理工具包、通信工具包等都屬于此類。 針對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的非線性、快時(shí)變、復(fù)雜多變量和環(huán)境擾動(dòng)等特點(diǎn)及 MATLAB 的可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)建模、仿真與分析等優(yōu)點(diǎn)，采用 MATLAB 的 Toolbox與 Simulink 仿真工具，為過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定的計(jì)算和仿真提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，使過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定發(fā)生了革命性的變化。Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書(shū)寫(xiě)程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。 Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于 Simulink。 (1)Simulink 的功能： Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具， 是一種基于 MATLAB 的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。Simulink 可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口 (GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方 式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 Simulink 是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)， Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。 構(gòu)架在 Simulink 基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了 Simulink 多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。 Simulink 與MATLAB 緊密集成，可以直接訪問(wèn) MATLAB 大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化 、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。 (2)Simulink 的特點(diǎn)： 。 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理 。 Model Explorer 導(dǎo)航、創(chuàng)建、配置、搜索模型中的任意信號(hào)、參數(shù)、屬性，生成模型代碼 。 API用于與其他仿真程序的連接或與手寫(xiě)代碼集成 。 Embedded MATLAB 模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB 算法 。 ，根據(jù)仿真模式來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯 C 代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型 。 ，診斷設(shè)計(jì)的性能和異常行為 。 【 5】 第二章 PID 控制簡(jiǎn)介及整定方法 PID 控制簡(jiǎn)介 1. PID 控制原理 當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。反饋理論包括三個(gè)基本要素：測(cè)量、比較和執(zhí)行。測(cè)量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來(lái)糾正和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。反饋理論及其在自動(dòng)控制中應(yīng)用的關(guān)鍵是：做出正確測(cè)量與比較后 ，如何用于系統(tǒng)的糾正與調(diào)節(jié)。 【 6】 在過(guò)去的十幾年里， PID 控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過(guò)程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu)，而且許多高級(jí)控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。 常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理如圖 。這是一個(gè)典型的單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它由 PID 控制器和被控對(duì)象組成。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 e(t)構(gòu)成偏差 e(t)=r(t)c(t) 將偏差的 比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為 001 ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )ttp d p t did e t d e tu t K e t e t d t T K e t K e t d t KT d t d t??? ? ? ? ? ??????? 傳遞函數(shù)為： G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+ 1tTs +Tds]= Kp+ Kt 1s +Kds 式中 Kp為比例系數(shù)， Td為微分時(shí)間常數(shù)； Kt=Kp/Tt為積分常數(shù)， Kd=KpTd為微分系數(shù)。 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 : (1)比例環(huán)節(jié)。即時(shí)成比例 地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小偏差。當(dāng)偏差。 e(t)=0 時(shí)，控制作用也為 0。因此，比例控制是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，即有差調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)精度取決于比例系數(shù) Kp。 Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 Kp取值過(guò)小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。 (2)積分環(huán)節(jié)。能對(duì)偏差進(jìn)行記憶，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Tt。 Tt越小 ，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但 Tt 過(guò)小，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。若 Tt 過(guò)大，將使系統(tǒng)穩(wěn)