【文章內(nèi)容簡介】 ，它給定值與主變量的偏差,它的輸出作為副控制器的給定值。副控制器 即圖中，它接受的是主控制器的輸出值與副變量的偏差,它的輸出控制閥門。副回路 屬于串級控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，由測量變送器、副控制器、控制閥、副對象組成的一個回路。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),則串級系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個單回路，稱這個單回路為主回路。強調(diào)一下，主回路并不是指將副變量測量變送環(huán)節(jié)前或后斷開后形成的單回路。 串級控制系統(tǒng)的基本原理在這里，為了研究一下串級控制系統(tǒng)的基本原理，選擇串級過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，對其進行詳細分析。串級過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如下圖32所示。圖32 串級過熱汽溫控制系統(tǒng)串級過熱汽溫控制系統(tǒng)中，以減溫器的噴水作為控制手段，根據(jù)在減溫水量的WB 擾動時，因為減溫器距離過熱器出口較遠，主蒸汽溫度有較大容積的延遲。若采用單回路控制主氣溫將無法取得滿意的控制品質(zhì)。為此再取一個對減溫水量變化反應(yīng)快的中間溫度信號作為導前信號，就完全可以構(gòu)成以為副參數(shù)、為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中有主、副兩個調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器PI2接受減溫器出口溫度信號和主調(diào)節(jié)器的輸出信號，當有某種擾動使氣溫比提早反應(yīng)，那么由于PI2的提前動作，擾動引起的波動很快消除，從而使主氣溫基本不受影響。另外，PI2的給定值受主調(diào)節(jié)器PI1的影響，PI1根據(jù)改變的給定值，從而保證負荷擾動時，仍能保持滿足要求。副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行機構(gòu)KZ位移從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門的開度。主調(diào)節(jié)器PI1用于維持主蒸汽溫度，使其等于給定值。由圖32可知，主調(diào)節(jié)器PI1，其輸入偏差信號為，輸出信號為,副調(diào)節(jié)器PI2接受導前汽溫信號和主調(diào)節(jié)器PI1的輸出信號，輸出為。當過熱汽溫升高時，增加，主調(diào)節(jié)器輸出減小，副調(diào)節(jié)器輸出增加，減水量增加，過熱汽溫下降。在主、副調(diào)節(jié)器都具有PI控制規(guī)律下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，主、副調(diào)節(jié)器的輸入偏差均為零，即=；= 由此認為主調(diào)節(jié)器的輸出是導前汽溫的給定值。為了便于分析，給出了主汽溫串級控制系統(tǒng)原理方框圖，如圖33所示。從圖33可以看出，串級控制系統(tǒng)與簡單控制系統(tǒng)有一個明顯的區(qū)別，即串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)。一個閉環(huán)在里面稱為內(nèi)回路或副回路，副回路由對象的導前區(qū)(s) ,導前氣溫變送器，副調(diào)節(jié)器(s),執(zhí)行器 和減溫調(diào)節(jié)閥組成。內(nèi)回路的任務(wù)是盡快消除減溫水量的自發(fā)擾動和其他進入內(nèi)回路的各種擾動，對過熱氣溫的穩(wěn)定起粗調(diào)的作用，副調(diào)節(jié)器一般選用P或PD調(diào)節(jié)器以實現(xiàn)副回路的快速跟隨作用；一個在閉環(huán)在外面稱為外回路或主回路。主回路由對象的惰性區(qū)（s）,主氣溫變送器，主調(diào)節(jié)器(s)，以及副回路組成。主回路的任務(wù)是保持過熱氣溫等于給定值，所以主調(diào)節(jié)器可采用PI或PID調(diào)節(jié)器。串級控制系統(tǒng)能改善控制品質(zhì)，主要是有一個能快速動作的內(nèi)回路存在。由圖32可以看出，導前氣溫信號能快速反映擾動，尤其是減溫水側(cè)的自發(fā)性擾動,只要變化，內(nèi)回路就立即動作，用副調(diào)節(jié)器(s)的輸出去控制減溫水量，使維持在一定的范圍內(nèi)，從而使過熱氣溫基本不變。當主氣溫偏離給定值時，則有主調(diào)節(jié)器(s)發(fā)出校正信號,通過副調(diào)節(jié)器及執(zhí)行機構(gòu)改變減溫水量，使主氣溫最終恢復到給定值。 圖33 串級過熱汽溫控制系統(tǒng)原理框圖 串級控制系統(tǒng)的分析與簡單控制系統(tǒng)相比，串級控制系統(tǒng)只是在結(jié)構(gòu)上增加了一個內(nèi)回路，因而，在相同的干擾作用下，其控制品質(zhì)大大高于單回路控制系統(tǒng)[12]。串級控制系統(tǒng)具有如下幾方面大的特點； 對于進入副回路的干擾具有極強的克服能力串級控制系統(tǒng)的這個特點在噴水減溫控制的例子中表現(xiàn)的很清楚。當減溫水量的自發(fā)擾動使主蒸汽的溫度改變后，如果沒有副回路，則一定要等到主蒸汽的溫度測量值發(fā)生變化后，控制器才能產(chǎn)生新的動作。而由于副回路的存在，就可以提前發(fā)現(xiàn)蒸汽溫度的變化，并及時地通過副調(diào)節(jié)器改變進水量，以便把蒸汽溫度調(diào)回來。這樣，即使是干擾對主蒸汽溫度的影響不能完全消除，也肯定比沒有副回路時要小的多。因此，主要干擾作用于副回路時，串級控制的質(zhì)量要比單回路控制好得多。 改善了控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高了工作頻率串級控制系統(tǒng)中副回路的引入，相當于將單回路控制系統(tǒng)中包括執(zhí)行器在內(nèi)的廣義對象分為兩部分，一部分有副回路代替，另一部分就是主對象?？梢园迅被芈房闯墒侵骰芈分械囊粋€環(huán)節(jié)，或者把副回路理解為一部分等效對象。此時串級控制系統(tǒng)方框圖可以簡化成圖34。從理論上可以證明，由于副回路的存在，可以使等效對象的時間常數(shù)大大減小，這樣整個系統(tǒng)中對象總的時間滯后就近似的等于主對象的時間滯后，單回路控制系統(tǒng)對象總的時間滯后要縮短，因此，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)加快，控制更加及時，減小了最大動態(tài)偏差；由于等效時間的縮短，提高了系統(tǒng)的工作頻率，縮短了振蕩周期，減少了過渡時間。圖34 串級控制系統(tǒng)的等效方框圖 對負荷和操作條件的變化具有一定的適應(yīng)能力生產(chǎn)過程往往包含一些非線性因素。隨著生產(chǎn)負荷和操作條件的改變，對象的特性就會發(fā)生變化。而控制系統(tǒng)投運時所所設(shè)定的控制器參數(shù)是在一定的負荷和操作條件下，按某種質(zhì)量指標整定得到的。因此，這些控制器的參數(shù)只適應(yīng)于較小的工作范圍內(nèi)。當負荷和操作條件變化過大，超出了這個適應(yīng)范圍，那么控制質(zhì)量就很難保證。這是單回路控制系統(tǒng)中一個難題。但是，在串級控制系統(tǒng)中情況就不同了。主控制器可以按照生產(chǎn)負荷和操作條件的變化情況相應(yīng)地調(diào)整副控制器的給定值，使系統(tǒng)運行在新的工作點上，從而保證在新的負荷和操作條件下，控制系統(tǒng)仍然具有較好的控制質(zhì)量。由于串級控制系統(tǒng)的特點和結(jié)構(gòu)，它主要適合于被控對象的測量滯后或純滯后時間較大，干擾作用強而且頻繁，或者生產(chǎn)負荷經(jīng)常大范圍波動，簡單控制系統(tǒng)無法滿足控制要求的場合。 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制器的選擇為了更好的發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的的優(yōu)點，在設(shè)計實施控制系統(tǒng)中，應(yīng)合理的設(shè)計主、副回路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。 主、副回路的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量之所以由于單回路控制系統(tǒng)，主要是因為串級控制系統(tǒng)引入了副回路。因此，要充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的作用，副回路的設(shè)計是一個關(guān)鍵的問題。選擇一個合適的副參數(shù)，對提高控制品質(zhì)有著重要的作用。 應(yīng)將生產(chǎn)中的主要干擾納入到副回路中通常串級控制系統(tǒng)是被用來克服對象的容積遲延和慣性。在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，能夠把生產(chǎn)中變化幅度最大、最劇烈、最頻繁的干擾包括在副回路中。因此，副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏。使得干擾在影響主參數(shù)之前就得到克服，副回路的這種超前控制作用，必然使控制質(zhì)量有很大的提高。 在有可能的前提下，應(yīng)將更多的干擾納入到副回路中在生產(chǎn)中，除了主要干擾因素外，還存在許多次要干擾，或者許多系統(tǒng)的干擾較多且難分主次。由于副回路的快速抗干擾能力，因此使副回路更多的納入一些干擾的話，對控制質(zhì)量的提高是有利的。 應(yīng)使主、副回路工作頻率適當匹配由于串級控制系統(tǒng)中主、副回路是兩個相對獨立又密切相關(guān)的回路。根據(jù)串級控制系統(tǒng)中副回路的工作特性，所選的副參數(shù)應(yīng)具有一定的靈敏度、時間常數(shù)小一點，這樣有利于加快控制作用，縮短控制時間。為了避免發(fā)生串級系統(tǒng)的共振現(xiàn)象，產(chǎn)生嚴重的后果。所以主、副回路的工作頻率要適當匹配，通常主對象與副對象時間常數(shù)之比在310倍較為合適。 主、副控制器規(guī)律的選擇串級控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中應(yīng)用很廣，根據(jù)生產(chǎn)工藝對主、副變量的不同控制要求，主、副控制器也應(yīng)該選擇不同的控制規(guī)律。主變量是生產(chǎn)工藝的重要指標，對它的控制精度要求很高，而副回路的引入完全是為了保證主變量的穩(wěn)定，對它沒有嚴格的要求且允許在一定的范圍內(nèi)波動。這類串級控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中最長見。為了保證主變量的控制精度，保證在受到干擾作用后過渡過程沒有余差，主控制器至少應(yīng)選擇比例積分（PI）控制規(guī)律。如果主對象的測量滯后比較大，在必要時也可引入微分作用，即采用PID控制規(guī)律。對于副控制器，由于要求不高，一般選用P調(diào)節(jié)就能滿足要求。對主變量的控制質(zhì)量要求不高，甚至允許它在一定的范圍內(nèi)波動，但要求副變量能快速跟隨主控制器。對此，主控制器應(yīng)選P控制規(guī)律，而副控制器則應(yīng)選PI控制規(guī)律。這種串級控制系統(tǒng)主要用于被控變量的給定值需要跟隨另一個變量的調(diào)節(jié)而變動的場合，在工程上很少見。生產(chǎn)工藝對主變量的控制要求比較多，同時對副變量的控制質(zhì)量也有一定的要求。在這種情況下，為保證主變量的控制精度，主控制器需選擇比例積分控制規(guī)律；為了使副變量在干擾作用下也能達到一定的控制質(zhì)量，副控制器也應(yīng)該選擇比例積分控制規(guī)律。生產(chǎn)工藝對主變量和副變量的控制質(zhì)量要求都不十分嚴格，采用串級控制系統(tǒng)只是為了使兩個變量能相互兼顧。在這種情況下，主、副控制器均可以采用比例控制規(guī)律。但有時為了防止主變量偏離給定值太遠，主控制器也可考慮適當?shù)匾敕e分控制規(guī)律。一般情況下主控制器的任務(wù)是準確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。一般采用串級控制的生產(chǎn)過程對控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。因此主控制器必須具有積分作用，一般都采用PI控制器，如果控制對象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時有主要擾動落在副回路以外的話，就可以考慮采用PID控制器。副控制器的任務(wù)是要快速動作以迅速消除進入副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般都選P控制器，也可采用PD控制器，但這增加了系統(tǒng)的復雜性。在一般情況下，采用P控制器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，也可考慮采用PI控制器。 主、副控制器正反作用的確定在串級控制系統(tǒng)中確定主、副控制器作用方式的基本原則仍是要保證整個閉合回路為負反饋。副控制器的正反作用只與副回路的各個環(huán)節(jié)有關(guān)，而與主回路無關(guān)。根據(jù)各個環(huán)節(jié)規(guī)定符號“乘積為負”的判別準則，選擇串級控制系統(tǒng)副控制器的符號。具體的判別式為： （副控制器）（執(zhí)行器）（副對象）（副變送器）=（—）主控制器的正反作用只與主對象有關(guān)，而與副回路無關(guān)，在主回路中有主控制器、副回路、主對象、主變送器四個環(huán)節(jié)。其中變送器環(huán)節(jié)一般情況下都是取“+”號，可以不考慮。由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的最終控制結(jié)果總是要使副變量跟隨主控制器的輸出而變化，當副回路的輸入增加時，副回路的輸出也要增加，由此可見副回路也是一個“+”環(huán)節(jié)。這樣主控制器的正反作用就只取決于主對象的符號了。為了保證回路中各個環(huán)節(jié)總的符號乘積為負，當主對象的符號為“+”時，主控制器必須是“”號；當主對象的符號為“”號時，主控制器必須是“+”號，即正作用。 串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)的整定一個控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量取決于被空對象的特性、干擾的形式和大小、控制方案以及控制器參數(shù)的整定因素。一旦系統(tǒng)按照設(shè)計方案確定后，這時系統(tǒng)的控制質(zhì)量主要取決于控制器參數(shù)的設(shè)置。控制器參數(shù)的整定是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)()使控制儀表的特性和控制對象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。整定的實質(zhì)是通過調(diào)整控制器的參數(shù)使其特性與被控對象的特性相匹配，已獲得最為滿意的控制效果[13]?？刂破鲄?shù)的整定方法可分為兩大類。一類是理論計算整定方法，這類方法基于被控對象的數(shù)學模型計算控制器參數(shù)，計算復雜，所得結(jié)果的可靠性依賴于模型精度。另一類是工程整定法，它是直接在控制回路的實際運行中對控制器參數(shù)進行整定，因具有簡捷、實用和易掌握的特點，被廣泛的應(yīng)用于工程實際中。在熱工生產(chǎn)過程中，比較實用的是現(xiàn)場整定方法，即通過現(xiàn)場調(diào)試來選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。但是現(xiàn)場整定也要在正確的理論指導下才能有效進行并解決所能發(fā)現(xiàn)的問題，若事先不經(jīng)過任何理論計算和分析，盲目地實踐可能會延誤時機，甚至帶來麻煩。因此，計算還是有必要的。不過計算分析不必要求達到精確的結(jié)果，而是利用一些經(jīng)驗性圖表，先略估計調(diào)節(jié)器參數(shù)的取值范圍，從而給現(xiàn)場整定提供參考。在串級控制系統(tǒng)中，主、副控制器串聯(lián)工作，其中任一個控制器的任一參數(shù)值發(fā)生變化時，對整個串級控制系統(tǒng)都具有影響。因此，串級控制系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定工作要比單回路控制系統(tǒng)要復雜一些。單回路的工程整定法（1）臨界比例帶法對于臨界比例帶法，主要先將控制器設(shè)置成純比例作用，投入到自動系統(tǒng)中運行，并將比例帶由大到小變化，一直到出現(xiàn)等幅振蕩，記下此時的比例帶值以及振蕩周期，然后調(diào)節(jié)各個參數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，適當修改控制器參數(shù)，到滿意為止?？梢钥闯雠R界比例帶法無須知道對象的動態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行參數(shù)整定。臨界比例度法具體步驟是：1） 將控制器的積分時間置于最大值（），微分時間置為零（），置比例帶于一個較大的值。 2） 將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶，直到進入等幅振蕩狀態(tài)。記錄此時的臨界比例帶和臨界振蕩周期。3） 根據(jù)得到的振蕩周期和，然后按表31計算出控制器的整定參數(shù)、和。4）按照先比例、后積分、再微分的操作順序?qū)⒖刂破鞯膮?shù)逐一調(diào)整到整定值。然后觀察其運行曲線，若不夠理想，可進一步微調(diào)