【文章內(nèi)容簡介】 。主被控參數(shù)的信號送往主控制器，而副被控參數(shù)的信號被送往副控制器作為測量，這樣就構(gòu)成了兩個閉合回路，即主回路（外環(huán)）和副回路（內(nèi)環(huán)）。流量對象設(shè)定值控制閥流 量控制器干擾測量變送溫 度控制器溫度對象干擾測量變送串級控制系統(tǒng)的工作過程[5]，就是指在擾動作用下，引起主、副變量偏離設(shè)定值，由主、副調(diào)節(jié)器通過控制作用克服擾動，使系統(tǒng)恢復(fù)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的過渡過程。 加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖 串級控制系統(tǒng)的特點1） 改善了對象特征，起了超前控制的作用2） 改善了對象動態(tài)特性，提高了工作頻率3） 提高了控制器總放大倍數(shù)，增強了抗干擾能力4） 具有一定的自適應(yīng)能力，適應(yīng)負荷和操作條件的變化 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計原則：1） 在選擇副參數(shù)時，必須把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中。2） 選擇副參數(shù)，進行副回路的設(shè)計時，應(yīng)使主、副對象的時間常數(shù)適當(dāng)匹配。3） 方案應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟性。串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合1）被控對象的控制通道純滯后時間較長，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)時，可采用串級控制系統(tǒng)。2）對象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)時，可采用串級控制系統(tǒng)。3）控制系統(tǒng)內(nèi)存在變化激烈且幅值很大的干擾。4）被控對象具有較大的非線性，而負荷變化又較大。5 、串級控制系統(tǒng)應(yīng)用中的問題（1） 主、副控制器控制規(guī)律的選擇串級控制系統(tǒng)中主、副控制器的控制規(guī)律選擇都應(yīng)按照工藝要求來進行。主控制器一般選用PID控制規(guī)律，副控制器一般可選P控制規(guī)律。（2） 主、副控制器正、反作用方式的確定。副控制器作用方式的確定，與簡單控制系統(tǒng)相同。主控制器的作用方向只與工藝條件有關(guān)。（3） 串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定1） 在主回路閉合的情況下，主、副控制器都為純比例作用，并將主控制器的比例度置于100%，用4：1衰減曲線法整定副控制器，求取副回路4：1衰減過程的副控制器比例度(δ2p)以及操作周期(T2P)。2）將副控制器的比例度置于所求的數(shù)值δ2p上，把副回路作為主回路的一個環(huán)節(jié)，用同樣的方法整定主控制器，求取主回路4：1衰減過程的δ1p和T1P。3）根據(jù)求得的(δ1p)和(T1P)、(δ2p)和(T2P)數(shù)值，按經(jīng)驗公式求出主、副控制器的比例度、積分時間和微分時間。4）按先副后主、先比例后積分再微分的程序，設(shè)置主、副控制器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當(dāng)調(diào)整，直到系統(tǒng)質(zhì)量達到最佳為止。在生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要兩種或兩種以上的物料以一定的比例進行混合或參加化學(xué)反應(yīng)。在需要保持比例關(guān)系的兩種物料中，往往其中一種物料處于主導(dǎo)地位，稱為主物料或主動量F1，而另一種物料隨主物料的變化呈比例的變化，稱為從物料或從動量F2。例如在稀硝酸生產(chǎn)中，空氣是隨氨的多少而變化的，因此氨為主動量F1，空氣為從動量F2。常用的比值控制方案：1F1CF2CF1F單閉環(huán)比值控制 單閉環(huán)比值控制這類比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點是兩種物料流量之比較為精確，實施比較方便，所以得到廣泛的應(yīng)用。雙閉環(huán)比值控制為了既能實現(xiàn)兩流量的比值恒定，又能使進入系統(tǒng)的總流量F1＋F２不變，因此在單閉環(huán)比值控制的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)。這類比值控制系統(tǒng)的優(yōu)點是在主流量受到干擾作用開始到重新穩(wěn)定在設(shè)定值這段時間內(nèi)發(fā)揮作用，比較安全。變比值控制系統(tǒng)要求兩種物料流量的比值隨第三參數(shù)的需要而變化。 前饋控制系統(tǒng)前饋控制系統(tǒng)的基本概念前饋控制是一種按干擾進行控制的開環(huán)控制方法，其基本原理是測取進入過程的干擾，并按其信號產(chǎn)生合適的控制作用去改變操控變量，使受控量維持在設(shè)定值上。當(dāng)干擾出現(xiàn)以后，被控變量還未變化時，前饋控制器（也稱前饋補償裝置）就根據(jù)干擾的幅值和變化趨勢對操縱變量進行控制，來補償干擾對被控變量的影響，所以相對于反饋控制，前饋控制是比較及時的。前饋控制系統(tǒng)的幾種結(jié)構(gòu)形式1） 靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)前饋控制器的輸出信號是按干擾大小隨時間變化的，它是干擾量和時間的函數(shù)。而當(dāng)干擾通道和控制通道動態(tài)特性相同時，便可以不考慮時間函數(shù)，只按靜態(tài)關(guān)系確定前饋控制作用。靜態(tài)前饋是前饋控制中的一種特殊形式。2） 動態(tài)前饋控制系統(tǒng)靜態(tài)前饋控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，在一定程度上可改善過程品質(zhì)，但在擾動作用下控制過程的動態(tài)偏差依然存在。對于擾動變化頻繁和動態(tài)精度要求比較高的生產(chǎn)過程，對象兩個通道動態(tài)特性又不相等時，靜態(tài)前饋往往不能滿足工藝上的要求，這時應(yīng)采用動態(tài)前饋方案。動態(tài)前饋與靜態(tài)前饋從控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看是一樣的，只是前饋控制器的控制規(guī)律不同。動態(tài)前饋要求控制器的輸出不僅僅是干擾量的函數(shù)，而且也是時間的函數(shù)。要求前饋控制器的校正作用使被控變量的靜態(tài)和動態(tài)誤差都接近或等于零。顯然這種控制規(guī)律是由對象的兩個通道特性決定的，由于工業(yè)對象的特性千差萬別，如果按對象特性來設(shè)計前饋控制器的話，將會種類繁多，一般都比較復(fù)雜，實現(xiàn)起來比較困難。一般采用在靜態(tài)前饋的基礎(chǔ)上，加上延遲環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)，以達到干擾作用的近似補償。3） 前饋－反饋控制通過前面的分析，我們知道前饋與反饋控制的優(yōu)點和缺點總是相對應(yīng)的，若將其組合起來，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個擾動和具有對被控參數(shù)進行反饋檢測的長處，因此這種控制系統(tǒng)是適合于過程控制的較好方式。前饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用場合1. 系統(tǒng)中存在著可測但不可控的變化幅度大，且頻繁的干擾，這些干擾對被控參數(shù)影響顯著，反饋控制達不到質(zhì)量要求時。2. 當(dāng)控制系統(tǒng)的控制通道滯后時間較長，由于反饋控制不及時影響控制質(zhì)量時，可采用前饋或前饋－反饋控制系統(tǒng)。均勻控制的概念，在石油化工生產(chǎn)中，采用連續(xù)生產(chǎn)方式，各生產(chǎn)過程都與前面的生產(chǎn)過程緊密聯(lián)系。前一設(shè)備的出料往往是后一設(shè)備的進料，而后者的出料又源源不斷的輸送給其他設(shè)備做進料。于是產(chǎn)生了前后設(shè)備之間的供求矛盾和協(xié)調(diào)問題。解決前后工序供求矛盾，使液面和流量的變化互相兼顧均勻變化，這就是均勻控制系統(tǒng)的目的。 先進控制系統(tǒng)簡單控制系統(tǒng)和常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)是以經(jīng)典控制理論為指導(dǎo)的，他們的基本要素是以PID控制器為核心的基本控制回路。由于PID控制器有較好的魯棒性能，對過程模型要求不高，故對一些不太復(fù)雜的過程而言，他們是最常用的控制系統(tǒng)。20世紀(jì)后半葉，以狀態(tài)空間為標(biāo)志的現(xiàn)代控制理論取得了長足進步，過程工業(yè)也向大型化、集約化方向發(fā)展，對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。同時控制工具常規(guī)儀表也逐漸被以微處理器為核心的DCS和微型機所取代，它們具有強大的計算能力，因此，以提高控制系統(tǒng)品質(zhì)、生產(chǎn)安全和獲得最大經(jīng)濟效益為目標(biāo)的各種先進控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，這些先進控制系統(tǒng)共同的特點是需要較為精準(zhǔn)的過程數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出各種先進控制策略。它可以大大提高工業(yè)生產(chǎn)過程操作和控制的穩(wěn)定性，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，有巨大的經(jīng)濟效益。目前應(yīng)用最廣的幾種先進的控制系統(tǒng)，包括狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)、內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)、預(yù)測控制系統(tǒng)和多變量解耦控制系統(tǒng)。第三章 數(shù)字PID控制理論 PID控制算法PID是按偏差的比例、積分和微分進行控制的一種控制規(guī)律[6]。它具有原理簡單、易于實現(xiàn)、參數(shù)整定方便、結(jié)構(gòu)改變靈活、適應(yīng)性強等優(yōu)點，在連續(xù)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。在計算機進入控制領(lǐng)域后，用計算機實現(xiàn)的數(shù)字PID算法代替了模擬PID調(diào)節(jié)器，這種控制規(guī)律的應(yīng)用不但沒有受到影響，而且有了新的發(fā)展，它仍然是當(dāng)今工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種。 模擬PID調(diào)節(jié)器PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值r(t)與實際輸出值y(t)進行比較，構(gòu)成控制偏差 （31）并將其比例、積分、微分通過線性組合構(gòu)成控制量，如圖31所示，簡稱P（proportional）I（integral）D（differential）調(diào)節(jié)器。在實際應(yīng)用中，根據(jù)對象的特性和控制要求，也可靈活地改變其結(jié)構(gòu)，取其中一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。++rink +比例積分微分控制對象 模擬PID控制 數(shù)字PID控制算法 在連續(xù)時間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用得非常廣泛。其設(shè)計技術(shù)成熟，長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。 數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因為計算機程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID控制中存在的問題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法。數(shù)字PID位置型控制算法數(shù)字PID位置型控制算法為