【正文】 下面介紹串級(jí)控制系統(tǒng)的幾種整定方法。 79 在一般情況下，既然 主、副回路的頻率相差很多，互相之間的影響不大 ，這時(shí)就可以 首先按通常整定簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方法整定副調(diào)節(jié)器。然后，在投入副調(diào)節(jié)器的情況下，再按通常方法把主調(diào)節(jié)器整定好 。 如果由于受到副參數(shù)選擇的限制，主、副回路的頻率比較接近時(shí)，它們之間的影響就比較大了。 在這種情況下，就需要在主、副回路之間反復(fù)進(jìn)行試湊，才能達(dá)到最佳的整定。 這樣的反復(fù)試湊是很麻煩的。 逐步逼近法 80 ? 逐步逼近法 ? 它是一種依次整定副回路、主回路環(huán)，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副環(huán)的最佳整定的一種方法，其步驟如下： ? (1)首先整定副環(huán) ? 此時(shí)斷開主環(huán) ， 按照單回路整定方法 ，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù) ， 得到第一次整定值 ， 記作 [Gc2]l。 81 ? (2)整定主環(huán) ? 把剛整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié) ，仍按單回路整定方法 ， 求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù) ， 記作 [Gc1]l。 ? (3)再次整定副環(huán) ? 注意此時(shí)副回路 、 主回路都已閉合 。 在主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為 [Gc1]l的條件下 ， 按單回路整定方法 ， 重新求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為 [Gc2]2。至此已完成一個(gè)循環(huán)的整定 。 82 ? (4)重新整定主環(huán) ? 同樣是在兩個(gè)回路閉合 、 副調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為[Gc2]2的情況下 ， 重新整定主調(diào)節(jié)器 ， 得到 [Gc1]2。 ? (5)如果調(diào)節(jié)過程仍未達(dá)到品質(zhì)要求 ， 按上面 ③ 、 ④步繼續(xù)進(jìn)行 ， 直到控制效果滿意為止 。 ? 一般情況下 ， 完成第 (3)步甚至只要完成第 (2)步就已滿足品質(zhì)要求 ， 無(wú)需繼續(xù)進(jìn)行 。 這種方法往往費(fèi)時(shí)較多 ， 尤其是副控制器也采用 PI控制作用時(shí) 。因此 ， 逐步逼近法在一般情況下很少使用 。 83 兩步整定法 當(dāng)串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相差較大，主副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系不緊密時(shí)，可采用 兩步法進(jìn)行整定。這種整定方法的 理論根據(jù)是 由于主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)相差很大，則主、副回路的工作頻率差別很大，當(dāng)副回路整定好后，將副回路視作主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)整定主回路時(shí)，可認(rèn)為對(duì)副回路影響很小，甚至可以忽略 。另外， 工業(yè)生產(chǎn)中，工藝上對(duì)主變量的控制要求較高，而對(duì)副變量的控制要求較低，多數(shù)情況下副變量的設(shè)置目的是為了進(jìn)一步提高主變量的控制品質(zhì)。因此，當(dāng)副控制器整定好以后，再去整定主控制器時(shí)，雖然多少會(huì)影響 84 副變量的控制品質(zhì)，但只要保證主變量的控制質(zhì)量，副變量的控制品質(zhì)差一點(diǎn)也是允許的 。兩步法的整定步驟如下： (1)先 整定副環(huán) ? 在主 、 副環(huán)均閉合 ， 主 、 副調(diào)節(jié)器都置于純比例作用條件下 ， 將主調(diào)節(jié)器的比例帶 ?放在 100?處 ， 按單回路整定法整定副環(huán) ， 這時(shí)得到副調(diào)節(jié)器的衰減率 ?=0． 75時(shí)比例帶 ?2s和副參數(shù)振蕩周期 T2s。 85 ? (2)整定主環(huán) ? 主 、 副環(huán)仍然閉合 ， 副調(diào)節(jié)器置于 ?2s值上 ， 用同樣方法整定主調(diào)節(jié)器 ， 得到主調(diào)節(jié)器在 ?＝ 0． 75下的比例帶 ?1s值和被調(diào)量的振蕩周期 T1s。 ? (3)依據(jù)上面兩次整定得到的 ?1s、 ?2s 和 T1s與 T2s， 按所選調(diào)節(jié)器的類型 ， 利用 “ 衰減曲線法 ” 的計(jì)算公式 ， 分別求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值 。 ? (4) 按照 “ 先副后主 ” 、 “ 先 P后 I再 D”的順序 ， 將計(jì)算出的參數(shù)設(shè)置在控制器上 ， 做一些擾動(dòng)實(shí)驗(yàn) ， 觀察過渡過程曲線 ， 做適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整 ， 直到符合控制要求為止 。 86 一步整定法 兩步整定法雖然比逐步逼近法簡(jiǎn)便得多，但仍然要分兩步進(jìn)行整定，要尋求兩個(gè) 4： 1的衰減振蕩過程,因而仍比較麻煩。 人們?cè)诓捎脙刹椒ㄕ▍?shù)的實(shí)踐中，對(duì)兩步法反復(fù)進(jìn)行總結(jié)、簡(jiǎn)化，從而得到了 一步整定法 。 所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副控制器的比例度，然后按照單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定主控制器的參數(shù) 。 一步法的整定準(zhǔn)確性雖然比兩步法低一些，但由于方法更簡(jiǎn)便，易于操作和掌握，因而在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。 87 一步整定法是在工程實(shí)踐中被發(fā)現(xiàn)的。 對(duì)于一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)，在純比例控制的情況下，要得到主變量的4： 1衰減振蕩過程，主、副控制器的放大系數(shù) Kc Kc2可以有好幾組搭配，它們的相互關(guān)系近似滿足Kc1Kc2=Ks（常數(shù)）， 如表 62所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以說(shuō)明這一點(diǎn)。 88 當(dāng)采用 1至 3組整定參數(shù)時(shí)，主變量均可得到 4： 1衰減振蕩過程，且過渡過程時(shí)間均在 9min左右，而 Ks一般為 。這說(shuō) 明主、副控制器的放大系數(shù)可以在一定范圍內(nèi)任意匹配，而控制效果基本相同 。 這樣就可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)， 先將副控制器的比例度確定一個(gè)數(shù)值，然后按一般單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法整定主控制器的參數(shù) 。 雖然副控制器按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的比例度不一定很合適，但可以通過調(diào)整主控制器的比例度進(jìn)行補(bǔ)償，使主變量最終得到 4： 1的衰減振蕩過程。 89 對(duì)副控制器的比例帶或放大系數(shù)的估計(jì)，可利用表 62的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行確定。 一步整定法的具體步驟： ① 由表 62選擇副控制器的比例度 ， 使副回路按純比例控制運(yùn)行 。 ②將系統(tǒng)投人申級(jí)控制狀態(tài)運(yùn)行，按單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定的方法對(duì)主控制器進(jìn)行參數(shù)整定，使主變量的控制品質(zhì)最佳。 90 串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn) 為了保證串級(jí)控制系統(tǒng)順利地投入運(yùn)行，并已能達(dá)到預(yù)期的控制效果， 必須做好投運(yùn)前的準(zhǔn)備工作，具體準(zhǔn)備工作與簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)相同， 這里不再重述。 選用不同類型的儀表組成的串級(jí)控制系統(tǒng)，投運(yùn)方法也有所不同，但是所遵循的原則基本上都是相同的。 ① 其一是投運(yùn)順序，串級(jí)控制系統(tǒng)有兩種投運(yùn)方式：一種是先投副回路后投主回路；另一種是先投主回路后投副回路。目前一般都采用 “ 先投副回路，后投主回路”的投運(yùn)順序； ② 其二是和簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的投運(yùn)要求一樣，在投運(yùn)過程中 必須保證無(wú)擾動(dòng)切換 。 91 這里以 DDZIII型儀表組成的串級(jí)控制系統(tǒng)的投運(yùn)方法為例，介紹其投運(yùn)順序。 具體投運(yùn)步驟如下所述。 (1) 將主、副控制器的切換開關(guān)部置于手動(dòng)位置，主控制器設(shè)置為“內(nèi)給（定）”，并設(shè)置好主設(shè)定值，副控制器設(shè)置為“外給（定）”，并將主、副控制器的正、反作用開關(guān)置于正確的位置； (2) 在副控制器處于軟手動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行遙控操作，使生產(chǎn)處于要求的工況，即使主變量逐步在主設(shè)定值附近穩(wěn)定下來(lái)； (3) 調(diào)整副控制器手動(dòng)輸出至偏差為零時(shí)，將副控制器切換到“自動(dòng)”位置； (4) 調(diào)整主控制器的手動(dòng)輸出至偏差為零時(shí)，將主控制器切入“自動(dòng)”。這樣就完成了串級(jí)控制系統(tǒng)的整個(gè)投運(yùn)工作，而且投運(yùn)過程是無(wú)擾動(dòng)的。 92 11()(3 0 1 )( 3 1 )pGsss??? 2 21()( 1 0 1 )( 1 )pGsss??? 利用 MATLAB對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真 例 61 某隧道窯系統(tǒng)，構(gòu)成以燒成溫度為主變量，燃燒室溫度為副變量的串級(jí)控制系統(tǒng)，假設(shè)主、副對(duì)象傳遞函數(shù)分別為 ； 試采用串級(jí)控制設(shè)計(jì)主、副 PID控制器的參數(shù)，給出整定后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性曲線，并與等效的單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行比較。 93 解 1）單回路控制系統(tǒng) (1) 利用 NCD Outport模塊，首先建立如圖 612所示的單回路 PID控制系統(tǒng)的 Simulink結(jié)構(gòu)圖。 94 95 2）串級(jí)控制系統(tǒng) (1) 設(shè)定控制系統(tǒng)所用主、副控制器的傳遞函數(shù)分別為： 221111 )(]。111[)(ccdicc KsGsTsTKsG ?????(2) 利用 NCD Outport模塊，建立如圖 615所示的串級(jí)控制系統(tǒng)的 Simulink結(jié)構(gòu)圖。 96 由以上可知，利用 NCD Outport模塊所得串級(jí)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程和性能指標(biāo)明顯比單回路控制系統(tǒng)好。 97 例 62 針對(duì)例 61整定好的隧道窯串級(jí)控制系統(tǒng)，試分析串級(jí)控制系統(tǒng)與等效單回路控制系統(tǒng)的抗干擾能力。 圖 619 串級(jí)系統(tǒng)對(duì)副回路的抗干擾特性曲線 圖 621 單回路控制系統(tǒng)的抗干擾特性曲線 98 本章小結(jié) 串級(jí)控制系統(tǒng)，是一種具有兩個(gè)閉合回路的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它采用兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值，由副控制器的輸出去操縱調(diào)節(jié)閥。以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為目的，尤其是對(duì)于二次干擾，副控制器首先進(jìn)行“粗調(diào)”，主控制器再進(jìn)一步“細(xì)調(diào)”。 99 串級(jí)控制系統(tǒng)比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)有四大優(yōu)點(diǎn)，即①減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加及時(shí)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；②提高了系統(tǒng)的工作頻率，在衰減比相同的條件下，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間；③提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，尤其是對(duì)二次干擾，具有超前控制的作用；④對(duì)負(fù)荷或操作條件的改變具有一定的自適應(yīng)能力。 設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，副變量的選擇條件為：①應(yīng)將主要的和更多的干擾包括在副回路之中；②應(yīng)使副回路時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，一般副回路的工作頻率應(yīng)為主回路的 310倍；③應(yīng)保證生產(chǎn)工藝的合理性、實(shí)現(xiàn)的可能性和投入產(chǎn)出的經(jīng)濟(jì)性。 100 由于串級(jí)控制系統(tǒng)中，主控變量不允許存在偏差，因此主控制器都必須有積分作用，一般采用 PI控制器或 PID控制器；副控制器的任務(wù)是快動(dòng)作以迅速抵消落在副回路中的二次干擾，一般選 P控制器。 副控制器正、反作用選擇的判別式為： （副控制器 ?） （調(diào)節(jié)閥 ?） （副對(duì)象 ?） =（ ） 主控制正、反作用選擇的判別式為： （主控制器 ?） (主對(duì)象 ?） =（ ） 在串級(jí)控制系統(tǒng)中必須采取抗積分飽和措施。 串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步法和一步法。