【正文】 串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步法和一步法。 100 由于串級控制系統(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)是快動作以迅速抵消落在副回路中的二次干擾，一般選 P控制器。 99 串級控制系統(tǒng)比簡單控制系統(tǒng)有四大優(yōu)點(diǎn)，即①減小了對象的時間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加及時，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)時間；③提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，尤其是對二次干擾，具有超前控制的作用；④對負(fù)荷或操作條件的改變具有一定的自適應(yīng)能力。 圖 619 串級系統(tǒng)對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) 串級控制系統(tǒng)，是一種具有兩個閉合回路的復(fù)雜控制系統(tǒng)，它采用兩個控制器串聯(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。 96 由以上可知，利用 NCD Outport模塊所得串級控制系統(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。 94 95 2）串級控制系統(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 )(]。 92 11()(3 0 1 )( 3 1 )pGsss??? 2 21()( 1 0 1 )( 1 )pGsss??? 利用 MATLAB對串級控制系統(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控制系統(tǒng)，假設(shè)主、副對象傳遞函數(shù)分別為 ； 試采用串級控制設(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。 (1) 將主、副控制器的切換開關(guān)部置于手動位置，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； (3) 調(diào)整副控制器手動輸出至偏差為零時，將副控制器切換到“自動”位置； (4) 調(diào)整主控制器的手動輸出至偏差為零時，將主控制器切入“自動”。 91 這里以 DDZIII型儀表組成的串級控制系統(tǒng)的投運(yùn)方法為例，介紹其投運(yùn)順序。 ① 其一是投運(yùn)順序，串級控制系統(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。 90 串級控制系統(tǒng)的投運(yùn) 為了保證串級控制系統(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)備工作與簡單控制系統(tǒng)相同， 這里不再重述。 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 。 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。這說 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 。Kc2=Ks（常數(shù)）， 如表 62所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以說明這一點(diǎn)。 87 一步整定法是在工程實(shí)踐中被發(fā)現(xiàn)的。 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) 。 86 一步整定法 兩步整定法雖然比逐步逼近法簡便得多，但仍然要分兩步進(jìn)行整定，要尋求兩個 4： 1的衰減振蕩過程,因而仍比較麻煩。 ? (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 。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) ， 這時得到副調(diào)節(jié)器的衰減率 ?=0． 75時比例帶 ?2s和副參數(shù)振蕩周期 T2s。另外， 工業(yè)生產(chǎn)中，工藝上對主變量的控制要求較高，而對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)。 83 兩步整定法 當(dāng)串級控制系統(tǒng)中主、副對象的時間常數(shù)相差較大，主副回路的動態(tài)聯(lián)系不緊密時，可采用 兩步法進(jìn)行整定。 這種方法往往費(fèi)時較多 ， 尤其是副控制器也采用 PI控制作用時 。 ? (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 。至此已完成一個循環(huán)的整定 。 ? (3)再次整定副環(huán) ? 注意此時副回路 、 主回路都已閉合 。 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。 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。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 。 下面介紹串級控制系統(tǒng)的幾種整定方法。 由于兩個控制器完成任務(wù)的側(cè)重點(diǎn)不同，對控制品質(zhì)的要求也不同。 78 從整體上看， 串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求主變量有較高的控制精度，其控制品質(zhì)的要求與簡單定值控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)要求相同 ；但一般而言， 串級控制系統(tǒng)的副回路是為了提高主回路的控制品質(zhì)而引入的一個隨動控制系統(tǒng)，因此，對副回路沒有嚴(yán)格的控制品質(zhì)要求， 只要求副變量能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤主控制的輸出變化 ，作為隨動控制系統(tǒng)考慮。 但參數(shù)整定的 實(shí)質(zhì)都是相同的 ， 這就是通過改變控制器的參數(shù)來改善控制系統(tǒng)的靜 、 動態(tài)特性 ， 從而獲得最佳的控制過程 。 77 串級控制系統(tǒng)的整定 ? 串級控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有主 、 副控制器相互關(guān)聯(lián) ， 兩個控制器的參數(shù)都需要進(jìn)行整定 。此時主控制器失去積分作用，在穩(wěn)態(tài)時有 2 1 1 2cr K e y??22( ) ( )Y s R s?76 顯然， r2不會因副回路偏差的長期存在而發(fā)生積分飽和。在動態(tài)過程中，主控制器的輸出為 75 2 1 1 211( ) ( ) ( )1c IR s K E s Y sTs???在系統(tǒng)工作正常時， Y2(s)應(yīng)不斷跟蹤 R2(s),即有 Y2(s)=R2(s)，此時主控制器的輸出可以寫成 2 1 111( ) 1 ( )cIR s K E sTs???? ????從上式可以看出，主控制器實(shí)現(xiàn)比例積分動作。 74 ? 圖 611所示為根據(jù)副回路的偏差來防止主調(diào)節(jié)器積分飽和的方案。 如果由于任何原因副調(diào)節(jié)器不能對主調(diào)節(jié)器的輸出變化做出響應(yīng)，主調(diào)節(jié)器將會出現(xiàn)積分飽和 。 73 ? 但是如果主、副調(diào)節(jié)器均具有積分作用，就存在兩個調(diào)節(jié)器輸出分別達(dá)到極限值的可能，此時，積分飽和的情況顯然比單回路系統(tǒng)要嚴(yán)重得多。這一現(xiàn)象將造成系統(tǒng)控制品質(zhì)下降甚至失控。這一點(diǎn)在實(shí)施中要特別注意。兩種控制方式切換時，要注意主控制器的正、反作用方式是否需要改變。即當(dāng)主對象為正作用時，主控制器選反作用；而當(dāng)主對象為負(fù)作用時，主控制器選正作用。因此，整個副回路可看成為一個增益為正的環(huán)節(jié)。 69 (2) 主控制器正、反作用的選擇 串級控制系統(tǒng)中，主控制器作用方式的選擇 完全由工藝情況確定 ，而與調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式及副控制器的作用方式完全無關(guān)，即 只需根據(jù)主對象的特性，選擇與其作用方向相反的主控制器就行了 。這時可不考慮主控制器的作用方式，只是將主控制器的輸出作為副控制器的設(shè)定值即可。 67 (1) 副控制器正、反作用的選擇 串級控制系統(tǒng)中， 副控制器作用方式的選擇 ，是根據(jù)工藝安全等要求，在選定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)形式后， 按照使副回路構(gòu)成副反饋系統(tǒng)的原則來確定的。 如主、副環(huán)的頻率相差很大，也可以考慮采用 PI調(diào)節(jié)器 。而副變量則是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量，一般無嚴(yán)格的指標(biāo)要求，即副變量并不要求無差， 所以一般都選 P調(diào)節(jié)器 ，也可以采用 PD調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而效果并不很大。 65 ? 從結(jié)構(gòu)上看，副回路既是隨動控制系統(tǒng)又是定值控制系統(tǒng) 。凡是需要采用串級調(diào)節(jié)的場合，工藝上對控制品質(zhì)的要求總是很高的， 不允許被控變量存在偏差 ，因此，主調(diào)節(jié)器都必須具有積分作用，一般都采用 PI調(diào)節(jié)器。 64 ? 從串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上看，主回路時一個定值控制系統(tǒng)。 63 主副控制器的選擇 主副控制器的選擇內(nèi)容包括 主、副控制器控制規(guī)律的選擇 ， 控制器正、反作用的選擇 以及 控制器積分飽和的預(yù)防 。 如果串級控制系統(tǒng)的目的是由于對象時間常數(shù)過大和滯后嚴(yán)重，希望利用副回路可以改善對象特性，那么副環(huán)時間常數(shù)可以取得適當(dāng)大一些。故，對于副回路， 則有 ，則上式可以改寫為 0. 21 6? ?r?d?22rd???11221 23dd????或同理，從主回路看，副回路的輸出對主回路也相當(dāng)于一個持續(xù)作用的頻率為 的干擾，為了避免主回路進(jìn)入共振區(qū)，同理可得以下條件 22111 23dd????或2d?60 考慮到副回路通常是快速回路，其工作頻率總是高于主回路的工作頻率 ，為了保證主、副回路進(jìn)入共振區(qū)，從式 618和式 619可以得到的條件是 213dd???為確保串級控制系統(tǒng)不