【正文】 善過程特性。 串級控制系統(tǒng)的特點(1) 改善了過程的動態(tài)特性；(2) 能及時克服進入副回路的各種二次擾動，提高了系統(tǒng)抗擾動能力；(3) 提高了系統(tǒng)的魯棒性；(4) 具有一定的自適應(yīng)能力。 這 里 主 要 解 決 串 級 控 制 系 統(tǒng)中 兩 個 回 路 的 協(xié) 調(diào) 工 作 問 題 。 由 于 副 回 路 是 隨 動 系 統(tǒng) ， 對 包 含 在 其 中 的 二 次 擾 動 具 有 很 強 的 抑 制 能 力和 自 適 應(yīng) 能 力 ， 二 次 擾 動 通 過 主 、 副 回 路 的 調(diào) 節(jié) 對 主 被 控 量 的 影 響 很 小 ， 因 此在 選 擇 副 回 路 時 應(yīng) 盡 可 能 把 被 控 過 程 中 變 化 劇 烈 、 頻 繁 、 幅 度 大 的 主 要 擾 動包 括 在 副 回 路 中 ， 此 外 要 盡 可 能 包 含 較 多 的 擾 動 。 (1) 在 設(shè) 計 中 要 將 主 要 擾 動 包 括 在 副 回 路 中 。 (3) 副 被 控 過 程 的 滯 后 不 能 太 大 ， 以 保 持 副 回 路 的 快 速 相 應(yīng) 特 性 。 (5) 在 需 要 以 流 量 實 現(xiàn) 精 確 跟 蹤 時 ， 可 選 流 量 為 副 被 控 量 。 、副回路的匹配 (1)主 、 副 回 路 中 包 含 的 擾 動 數(shù) 量 、 時 間 常 數(shù) 的 匹 配 設(shè) 計 中 考 慮 使 二 次 回 路 中 應(yīng) 盡 可 能 包 含 較 多 的 擾 動 ， 同 時 也 要 注 意 主 、 副回 路 擾 動 數(shù) 量 的 匹 配 問 題 。 如果 所 有 的 擾 動 都 包 括 在 副 回 路 中 ， 主 調(diào) 節(jié) 器 也 就 失 去 了 控 制 作 用 。 比 值 過高 ， 即 副 回 路 的 時 間 常 數(shù) 較 主 回 路 的 時 間 常 數(shù) 小 得 太 多 ， 副 回 路 反 應(yīng) 靈 敏 ， 控制 作 用 快 ， 但 副 回 路 中 包 含 的 擾 動 數(shù) 量 過 少 ， 對 于 改 善 系 統(tǒng) 的 控 制 性 能 不 利 ；北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設(shè)計與仿真7比 值 過 低 ， 副 回 路 的 時 間 常 數(shù) 接 近 主 回 路 的 時 間 常 數(shù) ， 甚 至 大 于 主 回 路 的 時間 常 數(shù) ， 副 回 路 雖 然 對 改 善 被 控 過 程 的 動 態(tài) 特 性 有 益 ， 但 是 副 回 路 的 控 制 作用 缺 乏 快 速 性 ， 不 能 及 時 有 效 地 克 服 擾 動 對 被 控 量 的 影 響 。 (2)主 、 副 調(diào) 節(jié) 器 的 控 制 規(guī) 律 的 匹 配 、 選 擇 在 串 級 控 制 系 統(tǒng) 中 ， 主 、 副 調(diào) 節(jié) 器 的 作 用 是 不 同 的 。 系 統(tǒng) 對 二 個 回 路 的 要 求 有 所 不 同 。 如 果 引 入 I 控 制 ， 會 延 長 控 制 過 程 ， 減 弱 副 回 路 的 快 速 控 制 作 用 ； 也 沒 有 必 要 引 入 D 控制 ， 因 為 副 回 路 采 用 P 控 制 已 經(jīng) 起 到 了 快 速 控 制 作 用 ， 引 入 D 控 制 會 使 調(diào) 節(jié)閥 的 動 作 過 大 ， 不 利 于 整 個 系 統(tǒng) 的 控 制 。 串 級 控 制 系 統(tǒng)有 兩 個 回 路 ， 主 、 副 調(diào) 節(jié) 器 作 用 方 式 的 確 定 原 則 是 要 保 證 兩 個 回 路 均 為 負 反 饋 。 副 調(diào) 節(jié) 器 作 用 方 式 的 確 定 ： 首 先 確 定 調(diào) 節(jié) 閥 ， 出 于 生 產(chǎn) 工 藝 安 全 考 慮 ， 流 量 調(diào) 節(jié) 閥 應(yīng) 選 用 氣 開 式 ，這 樣 保 證 當(dāng) 系 統(tǒng) 出 現(xiàn) 故 障 使 調(diào) 節(jié) 閥 損 壞 而 處 于 全 關(guān) 狀 態(tài) ， 防 止 液 體 溢 出 ， 確保 設(shè) 備 安 全 ， 調(diào) 節(jié) 閥 的 0 。 最 后 確 定 副 調(diào) 節(jié) 器 ， 為 保 證 副 回2路 是 負 反 饋 ， 各 環(huán) 節(jié) 放 大 系 數(shù) (即 增 益 )乘 積 必 須 為 正 ， 所 以 副 調(diào) 節(jié) 器 0 2， 副 調(diào) 節(jié) 器 作 用 方 式 為 反 作 用 方 式 。為保證主回路為負反饋，各環(huán)節(jié)放1K大系數(shù)乘積必須為正，所以主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù) 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為1反作用方式； 故主調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器均選用反作用調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差） ，故一般宜采用 PI或 PID 調(diào)節(jié)器。 串級控制系統(tǒng)的整定方法在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種： 逐步逼近法在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，然后使主回路閉合，仍按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。依此類推，逐步逼近，直至滿足動態(tài)品質(zhì)指標(biāo)要求為止。整定的具體步驟為： (1) 在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于 100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如 4：1）曲線法來整定副回路。2d2T(2) 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的 值上，且把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度 和振蕩周期 。1Td(4) 按 “先副后主” ， “先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設(shè)計與仿真9到滿意為止。具體的整定步驟為：(1) 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù) / ＝ 這一關(guān)系式，02Kd通過副回路的放大系數(shù) ，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù) 或按經(jīng)驗選取，02K并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。(3) 改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。(4) 如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度 δ 或增大積分時間常數(shù) ，即可得到改善。 利 用 串 級 控 制 系 統(tǒng) 存 在 二 次 回 路 而 改 善 過 程 動 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 過 程 的 影 響 ， 加 快 響 應(yīng) 速 度 。 被 控 過 程 中 存 在 純 滯 后 會 嚴 重 影 響 控 制 系 統(tǒng) 的 動 態(tài) 特 性 ， 使 控 制 系 統(tǒng) 不能 滿 足 生 產(chǎn) 工 藝 的 要 求 。 改 善 控 制 系 統(tǒng) 的 控 制 質(zhì) 量 。 只 要 在設(shè) 計 時 把 變 化 劇 烈 幅 度 大 的 擾 動 包 含 在 副 回 路 中 ， 即 可 以 大 大 削 弱 其 對 主 被控 量 的 影 響 。 這 會 導(dǎo) 致 當(dāng) 負載 變 化 時 整 個 系 統(tǒng) 的 特 性 發(fā) 生 變 化 ， 影 響 控 制 系 統(tǒng) 的 動 態(tài) 特 性 。北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設(shè)計與仿真11第 3 章 液位和流量的檢測轉(zhuǎn)換元件在工程上，流量是指單位時間內(nèi)通過管道某一截面的物料數(shù)量，其常用的計量單位有以下三種：1）體積流量 Q 單位時間內(nèi)通過某一截面的物料體積，用立方米每小時（m 3/h）,升每小時（l/h）等單位表示。3）質(zhì)量流量 M 單位時間內(nèi)通過某一截面的物料的質(zhì)量，可用公斤每小時（Kg/h）表示。? 流量計的種類繁多，各適合于不同的工作場合。容積式流量計可以計量各種液體和氣體的累積流量，由于這種流量計可以精密測量體積量，所以其類型包括從小型的家用煤氣表到大容積的石油和天然氣計量儀表，廣泛地用作管理和貿(mào)易的手段。它的測量主體為具有固定標(biāo)準(zhǔn)容積的測量室，測量室由流量計內(nèi)部的運動部件與殼體構(gòu)成。假定測量室的固定容積為 V，某一時間間隔內(nèi)經(jīng)過流量計排出北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設(shè)計與仿真12流體的固定容積數(shù)為，則被測流體的體積總量 Q 可知。計數(shù)器通過傳動機構(gòu)測出運動部件的轉(zhuǎn)數(shù)，n 即可知，從而給出通過流量計的流體總量。容積式流量計的運動部件有往復(fù)運動和旋轉(zhuǎn)運動兩種形式。旋轉(zhuǎn)運動式有旋轉(zhuǎn)活塞式流量計、橢圓齒輪流量計、腰輪流量計等。下面主要介紹齒輪流量計：橢圓齒輪流量計的測量本體由一對相互嚙合的橢圓齒輪和儀表殼體構(gòu)成，其工作原理如下圖所示。在轉(zhuǎn)動過程中連續(xù)不斷地將充滿在齒輪與殼體之間的固定容積內(nèi)的流體一份份地排出。兩個齒輪每轉(zhuǎn)動一圈，流量計將排出 4 個半月形容積的流體。式中 n 為橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)；Vo 為半月形容積，兩個半月形容積相等且恒定。也可以通過電磁轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈動信號，由對脈動信號的計數(shù)就可以反映出總流量的大小。流量計基本誤差為177。％；范圍度為 10：1；工作溫度要低于 120℃，以防止齒輪卡死。當(dāng)被測液體的粘度北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設(shè)計與仿真13≤3010 3Pa優(yōu)點:(1)計量精度高；(2)安裝管道條件對計量精度沒有影響；(3)可用于高粘度液體的測量；(4)范圍度寬；(5)直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計總量,清晰明了,操作簡便。(節(jié)流式流量計)差壓式流量計基于在流通管道上設(shè)置流動阻力件，流體通過阻力件時將產(chǎn)生壓力差，此壓力差與流體流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系，通過測量差壓值可以求得流體流量。流體流過差壓產(chǎn)生裝置形成靜壓差，由差壓計測得差壓值，并轉(zhuǎn)換為流量信號輸出。其他型式的差壓式流量計還有靶式流量計、浮子流量計等。這種流量計是應(yīng)用 歷史最長和最成熟的差壓式流量計，至今在生產(chǎn)過程所用的流量儀表中仍占有重要地位。通過節(jié)流元件改變流體流通截面，從而在節(jié)流元件前后形成壓力差。非標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置用以解決臟污和高粘度流體的流量測量問題，尚缺乏足夠的實驗數(shù)據(jù)，故沒有標(biāo)準(zhǔn)化。其主要缺點是安裝要求嚴格；流量計前后要求較長直管段；測量范圍窄，一般范圍度為 3：1；壓力損失較大；對于較小直北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設(shè)計與仿真14徑的管道測量比較困難(D50mm)；精確度不夠高(177。2％)等。圖中的節(jié)流元件為孔板。流束在孔板前截面 1 處開始收縮，位于邊緣處的流體向中心加速，流束中央的壓力開始下降。之后流束開始擴張，流速逐漸減慢，靜壓逐漸恢復(fù)。常見的三中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流元件如下圖所示。 渦輪流量計, 渦輪流量計是以動量矩守恒原理為基礎(chǔ)設(shè)計的流量測量儀表，北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設(shè)計與仿真15是速度式流量計中的主要種類,它采用多葉片的轉(zhuǎn)子(渦輪)感受流體平均流速,從而推導(dǎo)出流量或總量。渦輪流量變送器包括渦輪、導(dǎo)流器、磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器、外殼及前置放大器等部分。導(dǎo)流器用以穩(wěn)定流體的流向和支撐葉輪。渦輪流量計的外殼由非導(dǎo)磁不銹鋼制成，用以固定和保護內(nèi)部零件，并與流體管道連接。渦輪流量計的工作原理：當(dāng)流體通過安裝有渦輪的管路時，流體的動能沖擊渦輪發(fā)生旋轉(zhuǎn)，流體的流速愈高，動能越大，渦輪轉(zhuǎn)速也就愈高。當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)動時，渦輪葉片切割置于該變送器殼體上的檢測線圈所產(chǎn)生的磁力線，使檢測線圈磁電路上的磁阻周期性變化，線圈中的磁通量也跟著發(fā)生周期性變化，檢測線圈產(chǎn)生脈沖信號，即脈沖數(shù)。這個電訊號經(jīng)前置放大器放大后，即送入電子頻率儀或渦輪流量積算指示儀，以累積和指示流量。北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設(shè)計與仿真16優(yōu)點:(1) 測量精度高,其精度可以達到 級以上，在狹小范圍內(nèi)甚至可達 %，故可作為校驗 ～ 級普通流量計的標(biāo)準(zhǔn)計量儀表；(2) 對被測信號變化的反應(yīng)快，若被測介質(zhì)為水，渦輪流量計的時間常數(shù)一般只有幾毫秒到幾十毫秒，因此特別適用于對脈動流量的測量；(3)重復(fù)性好；(4)無零點漂移,抗干擾能力好；(5)范圍度寬；(6)結(jié)構(gòu)緊湊。 液位檢測轉(zhuǎn)換元件物位包括液位和料位兩類。液位信號器是對幾個固定位置的液位進行測量，用于液位的上、下限報警等。 浮力式液位計浮力液位計是根據(jù)阿基米德原理工作的，即液體對一個物體浮力的大小，等于物體所排開液體的重量。圖 浮力液位計原理圖如圖所示為浮標(biāo)式液位計，浮標(biāo)置于被測介質(zhì)中，為了平衡浮標(biāo)的重量，北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于 MATLAB 的液位與流量串級控制設(shè)計與仿真17設(shè)有平衡錘、浮標(biāo)，指針與平衡錘用鋼絲繩連接。如果把浮標(biāo)的位移轉(zhuǎn)換為電量的變化，則可以進行液位的遠距離指示或記錄。圖 靜壓式液位計原理圖 如圖所示為用靜壓式液位計進行開口容器的液位測量。p 電容式液位計在平行板電容之間充以不同的介質(zhì)時，其電容量的大小是不同的?？衫貌迦肴萜髦械囊桓鶎?dǎo)線與容器壁作為兩個電極來測量液位，其總電容量為 …………（） ????112112CKhKh????????式中，K 是常數(shù)，與電極的尺寸、形狀有關(guān)； 是被測液體的介電系數(shù)；是氣體的介電系數(shù)； 是電極總高度。所以，測量電容量的變化就可知道液位的高低。圖