第六章 提高控制品质的控制系统

1、 影响炉出口温度的因影响炉出口温度的因 素很多，主要有：被素很多，主要有：被 加热物料的流量和初加热物料的流量和初 温温f f1 1(t)(t)；燃烧压力的；燃烧压力的 波动、流量的变化、波动、流量的变化、 燃料热值的变化燃料热值的变化f f2 2(t)(t)； 烟囱抽力变化烟囱抽力变化f f3 3(t)(t)等等 等等 TCTT TCTT 被加热物料被加热物料 被加热物料被加热物料 燃料燃料 燃料燃料 (a) (b) 1串级控制系统结构串级控制系统结构 为满足生产工艺要求，可以为满足生产工艺要求，可以炉出口温度炉出口温度为主为主 被控数，取被控数，取炉膛温度为中间辅助变量炉膛温度为中间辅助变

2、量(它能它能 较早地反映扰动的影响，使调节器及时动作，较早地反映扰动的影响，使调节器及时动作， 而不影响被控参数的稳定值而不影响被控参数的稳定值)。一种可能的。一种可能的 结构就是所谓结构就是所谓串级控制系统串级控制系统，如图，如图62所示。所示。 T2CT2T T1CT1T 燃料燃料 被加热物料被加热物料 图图63中，两只调节器串联起来工作，中，两只调节器串联起来工作，炉出口温度调节器炉出口温度调节器T1的输的输 出作为炉膛温度调节器出作为炉膛温度调节器T2的给定值的给定值，这样的系统就称为串级控制，这样的系统就称为串级控制 系统，其方框图由图系统，其方框图由图63所示。所示。 X1(s)

3、Z1(s) W1(s)W2(s)Wv(s) X2(s) W02(s)W01(s) Wm2(s) Wm1(s) Y1(s) F3(s)F2(s)F1(s) Y2(s) Z2(s) 2 2串级控制系统名词术语串级控制系统名词术语 主被控参数主被控参数y1：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数，在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数， 如上例中的炉出口温度。如上例中的炉出口温度。 副被控参数副被控参数y2：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引 入的中间辅助变量，如上例中的炉膛温度。入的中间辅助变量，如上例中的炉膛温度。 主被控过程主被控过程：由主参数表征

4、其特性的生产过程，主回路所包含：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含 的过程，是整个过程的一部分，图的过程，是整个过程的一部分，图63中用中用W01(s)表示，其输入表示，其输入 为副被控参数，输出为主被控参数。图中的管壁和被加热物料为为副被控参数，输出为主被控参数。图中的管壁和被加热物料为 主被控过程。主被控过程。 副被控过程：副被控过程：由副被控参数由副被控参数(炉膛温度炉膛温度)为输出的生产过程，副为输出的生产过程，副 回路所包含的过程是整个过程的另一部分，图回路所包含的过程是整个过程的另一部分，图63中用中用W02(s)表表 示，其输入为控制参数。示，其输入为控制参数。 主调节器

5、：主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节 器，其输出作为副调节器的给定值，图器，其输出作为副调节器的给定值，图63中用中用W (s)表示。 表示。 副调节器：副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作 的调节器，其输出直接控制调节器动作。图的调节器，其输出直接控制调节器动作。图64中用中用W2(s)表示。表示。 副回路：副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器由副调节器、副被控过程、副测量变送器(图图63中用中用 Wm2(s)表示表示)等组成的闭合回路。等组成的闭合回路。 主

6、回路：主回路：由主调节器由主调节器W1(s)、副回路、主被控过程及主测量变送、副回路、主被控过程及主测量变送 器器(图图63中用中用Wm1(s)表示表示)等组成的闭合回路。等组成的闭合回路。 一次扰动：一次扰动：作用在主被控过程上的、而不包括在副回路范围内作用在主被控过程上的、而不包括在副回路范围内 的扰动。如图的扰动。如图62中的被加热物料流量及初温变化，图中的被加热物料流量及初温变化，图63中用中用 F1(s)表示。表示。 二次扰动：二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰 动。如图动。如图62中燃料压力、流量、热值变化以及烟囱抽力

7、变化等，中燃料压力、流量、热值变化以及烟囱抽力变化等， 图图63中用中用F2(s)、F3(s)表示。表示。 3 3串级控制系统的工作过程串级控制系统的工作过程 当生产过程处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃当生产过程处在稳定工况时，被加热物料的流量和温度不变，燃 料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度料的流量与热值不变，烟囱抽力也不变，炉出口温度和炉膛温度 均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定的开度，此时炉出口温度 稳定在给定值上。稳定在给定值上。 当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统使开始了其控制过程。当扰动破

8、坏了平衡工况时，串级控制系统使开始了其控制过程。 须根据不同扰动，分情况讨论。须根据不同扰动，分情况讨论。 下面列举了三种情况：下面列举了三种情况： （1）二次扰动来自燃料压力，热值）二次扰动来自燃料压力，热值F2(s)和烟囱抽力和烟囱抽力 F3(s)。 （2）一次扰动来自被加热物料的流量和初温一次扰动来自被加热物料的流量和初温F1(s)。 （3 3）一次扰动和二次扰动同时存在：如果一、二次扰动）一次扰动和二次扰动同时存在：如果一、二次扰动 的作用使主、副被控参数同时增大或同时减小时，主、副的作用使主、副被控参数同时增大或同时减小时，主、副 调节器对调节阀的控制方向是一致的。调节器对调节阀的控

9、制方向是一致的。 w 结论：串级控制中副调节器具有“粗调” 的作用，主调节器具有“细调”的作用， 从而使控制品质得到进一步提高。 与单回路控制系统相比，串级控制系统用一个闭合的副回路，与单回路控制系统相比，串级控制系统用一个闭合的副回路， 代替了原来的一部分过程代替了原来的一部分过程W02(s)，把副回路写成，把副回路写成W02(s)，则串级，则串级 控制系统可简化为图控制系统可简化为图64所示的等效单回路系统所示的等效单回路系统W02(s)W01(s)为为 等效过程，由图等效过程，由图6 3可写出：可写出： )()()()(1 )()()( )( )( )( 2022 022 2 2 02

10、sWsWsWsW sWsWsW sX sY sW mv v X1(s) W1(s)W02(s)W01(s) Wm1(s) Z1(s) X2(s)Y2(s) F1(s) 设设 22 22 02 02 02 )(,)( )(, 1 )( mmvv KsWKsW KsW sT K sW 则则 2 02 02 2 02 02 2 02 1 1 1 )( mv v K sT K KK sT K KK sW 经整理后可得经整理后可得 1 )( 02 02 02 sT K sW 式中：式中： 2022 02 02 2022 022 02 1 1 mv mv v KKKK T T KKKK KKK K 将将W

11、02(s)与与W02(s)比较，可见比较，可见 02 02 02 02 TT KK 串级控制系统比单回路控制系统多一个副回路。对于进入副回串级控制系统比单回路控制系统多一个副回路。对于进入副回 路的扰动，串级控制系统比在相同条件下的单回路控制系统具路的扰动，串级控制系统比在相同条件下的单回路控制系统具 有较强的抗扰动能力。有较强的抗扰动能力。 图图65中，扰动中，扰动F2(s)作用于副回路，在扰动作用于副回路，在扰动F2(s)作用下，副回作用下，副回 路的传递函数路的传递函数 )()()()(1 )()( )( )( )( 2022 02 2 2 * 02 sWsWsWsW sWsW sF s

12、Y sW mv v X1(s) Z1(s) W1(s)W2(s)Wv(s)W02(s)W01(s) Wm1(s) Wm2(s) X2(s) F2(s) Y2(s)Y1(s) 为了便于分析问题，将图为了便于分析问题，将图65等效为图等效为图66的形式。的形式。 X1(s) Z1(s) W1(s)W2(s) F2(s) Wm1(s) W01(s) Y1(s) )( * 02 sW 在给定信号在给定信号X1(s)作用下的传递函数作用下的传递函数 )()()()()(1 )()()()( )( )( 101 * 0221 01 * 0221 1 1 sWsWsWsWsW sWsWsWsW sX sY

13、m 在扰动作用下的传递函数在扰动作用下的传递函数 )()()()()(1 )()( )( )( 101 * 0221 01 * 02 2 1 sWsWsWsWsW sWsW sF sY m 对于图对于图6-5所示的串级控制系统，其抗扰动的能力可用下式表示：所示的串级控制系统，其抗扰动的能力可用下式表示： )()( )( )( )( )( 21 2 1 1 1 sWsW sF sY sX sY 若串级控制系统中的主、副调节器均采用纯比例作用，其比例放若串级控制系统中的主、副调节器均采用纯比例作用，其比例放 大系数分别为大系数分别为K1、K2则式则式(68)可以写成可以写成 21 21 11 )(

14、)( )()( KK sFsY sXsY 串级控制系统中主、副调节器的放大系数的串级控制系统中主、副调节器的放大系数的乘积越大乘积越大，则串级控，则串级控 制系统制系统抗扰动的能力就越强抗扰动的能力就越强，因此主参数的控制质量就越高。，因此主参数的控制质量就越高。 下面用同样方法来分折在相同条件下单回路控制系统约抗扰动能力。下面用同样方法来分折在相同条件下单回路控制系统约抗扰动能力。 图图67所示为相同条件下的单回路控制系统方框。所示为相同条件下的单回路控制系统方框。 在给定信号在给定信号x(t)作用下的传送函数为作用下的传送函数为 )()()()()(1 )()()()( )( )( 010

15、2 0102 sWsWsWsWsW sWsWsWsW sX sY mv v X(s) Z(s) Wv(s)W02(s) W01(s) Wm(s) F2(s) Y(s) )( sW 在扰动在扰动f2(t)作用下的传递函数为作用下的传递函数为 )()()()()(1 )()()( )( )( 0102 0102 2 sWsWsWsWsW sWsWsW sF sY mv v 单回路控制系统的抗扰动能力为单回路控制系统的抗扰动能力为 )( )()( )()( 2 sW sFsY sXsY 设单回路控制系统采用比例调节器，其比例放大系数为设单回路控制系统采用比例调节器，其比例放大系数为K，则式，则式 （

16、6-12）可写成为）可写成为 2 )()( )()( K sFsY sXsY 同理，单回路控制系统调节器的比例放大系数越大，则系统抗扰同理，单回路控制系统调节器的比例放大系数越大，则系统抗扰 动能力越强，质量控制质量越高。动能力越强，质量控制质量越高。 比较式比较式(69)与式与式(613)，在一般情况下，有，在一般情况下，有 21 KKK 串级控制系统的特征方程为串级控制系统的特征方程为 0)()( )( )( )(1 101 2 2 1 sWsW sX sY sW m 假设假设 1111 01 01 01 )(;)(; 1)( )( mm KsWKsW sT K sW 副回路的传递函数同前

17、，将以上各传递函数代入式副回路的传递函数同前，将以上各传递函数代入式(6-15)可得可得 0 11 1 1 01 01 02 02 1 m K sT K sT K K 经整理后为经整理后为 0 1 0201 101 021 0201 02012 TT KKKK s TT TT s m 令令 0201 101 0212 0 0201 0201 0 1 2 TT KKKK TT TT m 则串级控制系统的特征方程式可写成如下的标准形式则串级控制系统的特征方程式可写成如下的标准形式 02 2 00 2 ss 式中：式中：串级控制系统的衰减系数；串级控制系统的衰减系数； 串级控制系统的自然频率。串级控

18、制系统的自然频率。 式式(618)的根为的根为 0 2 0 2 0 2 0 2 0 2 , 1 1 2 442 s 从反馈的控制理论可知，串级控制系统特征方程式从反馈的控制理论可知，串级控制系统特征方程式根的虚部根的虚部，即，即 为串级控制系统的工作频率为串级控制系统的工作频率 0201 0201 2 2 0 2 1 1 TT TT 串 单回路控制系统在相同条件下的工作频率可用同样的方法求得，单回路控制系统在相同条件下的工作频率可用同样的方法求得， 有式有式(6-10)可得单回路控制系统的特征方程式为可得单回路控制系统的特征方程式为 1 +W(s)WV(s)W02(s)W01(s)Wm(s)

19、= 0 将系统各环节的传递函数代入上式，即得将系统各环节的传递函数代入上式，即得 0 11 1 01 01 02 02 mv K sT K sT K KK 经整理后，可得经整理后，可得 0 1 0201 0102 0201 0201 2 TT KKKKK s TT TT s mv 令令 0201 0102 2 0 0201 0201 0 1 2 TT KKKKK TT TT mv 则单回路控制系统的特征方程式可写成如下标准形式：则单回路控制系统的特征方程式可写成如下标准形式： s2 + 20s +02 = 0 式中：式中：单回路控制系统的衰减系数；单回路控制系统的衰减系数； 0单回路控制系统的

20、工作频率。单回路控制系统的工作频率。 同理可得该系统的工作频率为同理可得该系统的工作频率为 0201 0201 2 2 0 2 1 1 TT TT 单 如果串级控制系统和单回路控制系统衰减系数相同，如果串级控制系统和单回路控制系统衰减系数相同，即即=，则，则 02 01 02 01 0201 0201 0201 0201 1 1 T T T T TT TT TT TT 单 串 单串 02 01 02 01 T T T T 若以若以串 串/单单为纵坐标， 为纵坐标，(1+K2KVK02Km)为横坐标作图，由为横坐标作图，由 图图68可知，当主、副过程的特性一定，即可知，当主、副过程的特性一定，即

21、T01/T02比值一定时，比值一定时， 副调节器的比例放大系数副调节器的比例放大系数K2越大，串级控制系统的工作频率就越大，串级控制系统的工作频率就 越高；当副调节器的比例放大系数越高；当副调节器的比例放大系数K2一定时，随着一定时，随着T01/T02比值比值 的增大，串级控制系统的工作频率也随之增大。的增大，串级控制系统的工作频率也随之增大。串级控制系统串级控制系统 工作频率的提高，可以使振荡周期缩短，从而改善了系统的控工作频率的提高，可以使振荡周期缩短，从而改善了系统的控 制质量。制质量。 串级控制系统扰动作用于主回路时，系统的工作频率仍然串级控制系统扰动作用于主回路时，系统的工作频率仍然

22、 可以堤高可以堤高。 1 2345678910 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 1.0 0.5 0.2 1+K2KvK02Km 串单 / T01/T02=10 4对负荷变化的适应性较强对负荷变化的适应性较强 串级控制系统，就其主回路来看是一个定值系统，副回路则为一串级控制系统，就其主回路来看是一个定值系统，副回路则为一 个随动系统。个随动系统。主调节器能按照负荷和操作条件的变化不断改变副主调节器能按照负荷和操作条件的变化不断改变副 调节器的给定值，使副调节器的给定值适应负荷和操作条件的变调节器的给定值，使副调节器的给定值适应负荷和操作条件的变 化，即具有一定的自适应能力。化，即具

23、有一定的自适应能力。 串级控制系统的副回路可以看作一个等效过程的一部分，其等效串级控制系统的副回路可以看作一个等效过程的一部分，其等效 放大系数为放大系数为 2022 022 02 1 mv v KKKK KKK K 当负荷和操作条件变化时，将会引起过程特性当负荷和操作条件变化时，将会引起过程特性K02的变化。但是，的变化。但是， 在一般情况下，在一般情况下， K2KVK02Km21，因此从上式来看，因此从上式来看，K02的变化的变化 对于等效过程放大系数对于等效过程放大系数K02的影响是很小的。的影响是很小的。 与单回路控制系统相比，串级控制系统有许多特点，与单回路控制系统相比，串级控制系统

24、有许多特点， 但所用的仪表也多，整定参数也比较麻烦，因此系但所用的仪表也多，整定参数也比较麻烦，因此系 统设计时的统设计时的主导思想主导思想：如果用单回路控制系统能够：如果用单回路控制系统能够 满足要求，就不要用串级控制等复杂控制系统。另满足要求，就不要用串级控制等复杂控制系统。另 外，串级控制系统在有的场合应用效果显著，而另外，串级控制系统在有的场合应用效果显著，而另 外一些场合效果不一定理想。外一些场合效果不一定理想。 下面列举应用串级控制系统的一些场合。下面列举应用串级控制系统的一些场合。 1应用于应用于容量滞后较大容量滞后较大的过程的过程 当过程的容量滞后较大时，若采用单回路控制，则当

25、过程的容量滞后较大时，若采用单回路控制，则系统系统 的过渡过程时间长、超调量大的过渡过程时间长、超调量大，控制质量往往不能满足生产，控制质量往往不能满足生产 要求，若采用串级控制系统，则根据对其特点的分析表明，要求，若采用串级控制系统，则根据对其特点的分析表明， 可以选择一个可以选择一个时延较小的副参数时延较小的副参数，构成一个副回路，使等效，构成一个副回路，使等效 过程的时间常数减小，以提高系统的工作频率，加快反应速过程的时间常数减小，以提高系统的工作频率，加快反应速 度，得到较好的控制质量。度，得到较好的控制质量。 一个夹套式聚合釜，氯乙稀在釜中进行聚合反应，一个夹套式聚合釜，氯乙稀在釜中

26、进行聚合反应， 生产聚氯乙稀并放出热量。为了保证产品质量，要求反应生产聚氯乙稀并放出热量。为了保证产品质量，要求反应 温度控制温度控制510.3，为此采用调节夹套中流动的冷却水量，为此采用调节夹套中流动的冷却水量 来控制反应温度。来控制反应温度。 T2TT2C T1TT1C 氯乙烯氯乙烯 水水 冷却水冷却水 出料出料 为了改善过程特性，提高系统的工作频率，选择夹套温度为为了改善过程特性，提高系统的工作频率，选择夹套温度为 副参数，构成以温度为主参数，夹套水为副参数的串级控制副参数，构成以温度为主参数，夹套水为副参数的串级控制 系统。系统。 T2C T2T T1C T1T 纸浆纸浆 水水 蒸汽蒸

27、汽 混合器混合器 立筛立筛圆筛圆筛 铜网铜网 网前箱网前箱 纸浆用泵从贮槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至纸浆用泵从贮槽送至混合器，在混合器内用蒸汽加热至72左左 右，经过立筛、圆筛除去杂质后到网前箱，再经铜网脱水。工右，经过立筛、圆筛除去杂质后到网前箱，再经铜网脱水。工 艺要求网前箱温度保持在艺要求网前箱温度保持在61左右，允许偏差不得超左右，允许偏差不得超1。 用单回路控制系统，由于从混合器到网前箱纯时延达用单回路控制系统，由于从混合器到网前箱纯时延达90s。为了克。为了克 服这个服这个90s的纯时延，选择的纯时延，选择混合器出口温度为副参数混合器出口温度为副参数，网前箱出口网前箱出口

28、温度为主参数温度为主参数，构成串级控制系统，由副回路实现对主扰动的控，构成串级控制系统，由副回路实现对主扰动的控 制。这时，当纸浆流量波动制。这时，当纸浆流量波动35kg/min时，最大偏差没有超过时，最大偏差没有超过1， 过渡过程时间为过渡过程时间为200s，完全满足工艺要求。，完全满足工艺要求。 化纤厂纺丝胶液压力控制，它的工艺流程简图如图化纤厂纺丝胶液压力控制，它的工艺流程简图如图611所示。所示。 由于胶液粘度较大，从计量泵至过滤器前的距离很长，纯时延由于胶液粘度较大，从计量泵至过滤器前的距离很长，纯时延 时间按长，单回路控制系统不能满足工艺要求。为了提高控制时间按长，单回路控制系统不

29、能满足工艺要求。为了提高控制 质量，可以在计量泵与换热器之间靠近计量泵出口的某个地方，质量，可以在计量泵与换热器之间靠近计量泵出口的某个地方， 选择一个测压点作为副参数，构成一个压力与压力的串级控制选择一个测压点作为副参数，构成一个压力与压力的串级控制 系统。如图系统。如图611所示。所示。从而稳定了过滤前的胶液压力，以满足从而稳定了过滤前的胶液压力，以满足 工业要求。工业要求。 P2C P2T P1C P1T 计量泵计量泵 胶液胶液 水水 冷却器冷却器 冷却水冷却水 过滤过滤 冶金生产过程中沸腾焙烧炉的炉温控制也常用串级控制系统。冶金生产过程中沸腾焙烧炉的炉温控制也常用串级控制系统。 图图6

30、12是现场使用的锌精矿沸腾焙烧过程。要求排料口温度保是现场使用的锌精矿沸腾焙烧过程。要求排料口温度保 持在一定范围。持在一定范围。 改变加料量来控制焙烧温度。改变加料量来控制焙烧温度。 GT TC TT GC 圆盘给料机圆盘给料机 电动执行器电动执行器 皮带皮带 电子秤电子秤 传感器传感器 沸腾炉沸腾炉 排料口排料口 串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的校正能力。串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的校正能力。 将变化激烈而且幅度大的扰动包括在副回路中。将变化激烈而且幅度大的扰动包括在副回路中。 某厂精馏塔塔釜温度控制。当采用单回路控制系统时，调节某厂精馏塔塔釜温度控制。

31、当采用单回路控制系统时，调节 器的比例放大系数为器的比例放大系数为1.31.3，最大偏差为，最大偏差为1010，不能满足工艺要求。，不能满足工艺要求。 当采用图当采用图6 61313所示的串级控制系统时，副调节器的比例放所示的串级控制系统时，副调节器的比例放 大系数为大系数为5 5。因为副回路的作用，对于。因为副回路的作用，对于40%40%的扰动具有较强的克服的扰动具有较强的克服 能力，最大偏差没有超过能力，最大偏差没有超过1.51.5，满足了工艺要求。，满足了工艺要求。 TTTC FC FT 精馏塔精馏塔 进料进料 塔釜产品塔釜产品 再沸器再沸器 给定给定 蒸汽蒸汽 在有些生产过程中，有时两

32、个互相关联的参数需要利用同一介在有些生产过程中，有时两个互相关联的参数需要利用同一介 质进行控制。对于这样的过程可以采用串级控制系统。分清互质进行控制。对于这样的过程可以采用串级控制系统。分清互 相关联参数的主次，组成串级控制，以满足工艺上的要求。相关联参数的主次，组成串级控制，以满足工艺上的要求。 炼油厂常压塔塔顶出口温度和一线温度的控制炼油厂常压塔塔顶出口温度和一线温度的控制 ，两者均通过，两者均通过 塔顶的回流量开控制。塔顶的回流量开控制。 若采用单回路控制系统，则不能满足工艺要求。为此，可采用若采用单回路控制系统，则不能满足工艺要求。为此，可采用 串级控制系统。如图串级控制系统。如图6

33、15所示。实践证明，采用串级控制系统，所示。实践证明，采用串级控制系统， 塔顶温度最大偏差不超过塔顶温度最大偏差不超过1，一线温度最大偏差为，一线温度最大偏差为1.3， 满足了生产要求。满足了生产要求。 T2T T2CT1C 常压塔常压塔 塔顶产品塔顶产品 “气关气关” 回流回流 抽提抽提 塔塔 T1T 在过程控制中，过程特性一般都是非线性的。在过程控制中，过程特性一般都是非线性的。如果采用串级如果采用串级 控制系统，它能适应负荷和操作条件的变化，自动调整副调节器控制系统，它能适应负荷和操作条件的变化，自动调整副调节器 的给定值，从而改变调节阀的位置，使系统运行在新的工作点。的给定值，从而改变

34、调节阀的位置，使系统运行在新的工作点。 当然，这样会使副回路的衰减率有所变化，但是对整个系统的稳当然，这样会使副回路的衰减率有所变化，但是对整个系统的稳 定性影响是很小的。定性影响是很小的。 醋酸装置的乙炔合成反应器，其中部温度是生产过程中的重醋酸装置的乙炔合成反应器，其中部温度是生产过程中的重 要参数，为了保证合成气质量，工艺要求对它进行严格控制。如要参数，为了保证合成气质量，工艺要求对它进行严格控制。如 图图6-16所示。所示。 实践证明，系统的衰减率基本保持不变，主参数保持平稳，达到实践证明，系统的衰减率基本保持不变，主参数保持平稳，达到 生产工艺要求。生产工艺要求。 副参数副参数 副调

35、节器输出副调节器输出 T1C T2T 反应气体反应气体 合成反应器合成反应器 T1TT2C 换热器换热器 醋酸和乙醋酸和乙 炔混合气炔混合气 串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系 统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路 控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密 切相关并可直接测量的工艺参数，均可选作主参数。切相关并可直接测量的工艺参数，均可选作主参数。 (1)副参数的选择：副

36、参数的选择应使副回路的时间常数小，时延副参数的选择：副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延 小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而 加快系统的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善加快系统的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善 系统的控制品质。系统的控制品质。 (2)副回路必须包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要副回路必须包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要 扰动，并尽可能多地包括一些扰动。副回路的范围大小，取决于扰动，并尽可能多地包括一些扰动。副回路的范围大小，取决于 整个过程的特性

37、及各种扰动影响的情况，一般应使回路的频率比整个过程的特性及各种扰动影响的情况，一般应使回路的频率比 主回路高得多。主回路高得多。 (3)应使主、副过程的时间常数适当匹配应使主、副过程的时间常数适当匹配 在前面分析串级控制系统的工作频率，即：在前面分析串级控制系统的工作频率，即： 0201 0201 2 2 1 TT TT 串 用同样方法可得单回路控制系统的工作频率为用同样方法可得单回路控制系统的工作频率为 0201 0201 2 2 1 TT TT 单 如通过调节器参数整定使串级控制系统与单回路控制系统具有相如通过调节器参数整定使串级控制系统与单回路控制系统具有相 同的衰减系数，即同的衰减系数

38、，即 ，则串级系统与单回路系统之间的工作频，则串级系统与单回路系统之间的工作频 率关系为率关系为 02 01 02 01 2022 0201 0120220201 1 )1 (1 T T T T KKKK TT TKKKKTT mv mv 单 串 根据上式，可作出根据上式，可作出串 串/单单与 与T01/T02的关系曲线如图的关系曲线如图6-17所示。所示。 0246810 2 4 6 8 10 单串 101 2022 0201 mv KKKK TT 副过程的时间常数比主过程小副过程的时间常数比主过程小 很多时，副回路反应灵敏，控很多时，副回路反应灵敏，控 制作用快，但此时副回路包含制作用快，

39、但此时副回路包含 的扰动少，对于过程特性的改的扰动少，对于过程特性的改 善也少；相反，副过程的时间善也少；相反，副过程的时间 常数大于或接近于主过程的时常数大于或接近于主过程的时 间常数时，副回路对于改善过间常数时，副回路对于改善过 程特性的效果显著，但是，副程特性的效果显著，但是，副 回路的反应迟钝，不能及时有回路的反应迟钝，不能及时有 效地克服扰动，并将影响主参效地克服扰动，并将影响主参 数。主副过程时间常数之比应数。主副过程时间常数之比应 在在3到到10范围内。范围内。 (4)副回路设计应考虑生产工艺的合理性副回路设计应考虑生产工艺的合理性 设计串级控制系统应考虑和满足生产工艺要求，所设

40、置的系统是设计串级控制系统应考虑和满足生产工艺要求，所设置的系统是 否会影响到工艺系统的正常运行。否会影响到工艺系统的正常运行。 (5)副回路设计时应同时考虑经济性原则副回路设计时应同时考虑经济性原则 对控制参数的选择，大致与单回路控制系统的设计原则相同。一般对控制参数的选择，大致与单回路控制系统的设计原则相同。一般 可考虑：可考虑： (1)选择可控性良好的参数作为控制参数。选择可控性良好的参数作为控制参数。 (2)所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数，并应保所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的放大系数，并应保 证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要扰功进行有效控制证大于主

41、要扰动通道的放大系数，以实现对主要扰功进行有效控制 并提高控制质量。并提高控制质量。 (3)所选控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间常数适当所选控制参数必须使控制通道有较高的灵敏度，即时间常数适当 小一些。小一些。 (4)选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。选择控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。 主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般 要求无余差，因此，主调节器应选要求无余差，因此，主调节器应选PI或或PID控制规律。控制规律。 副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，可以允许在一副参数的设置是为了保证

42、主参数的控制质量，可以允许在一 定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就控制规律就 所以了。所以了。 首先根据工艺生产安全等原则选择调节阀的气开、气关形首先根据工艺生产安全等原则选择调节阀的气开、气关形 式；然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正、式；然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正、 反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主调节器的反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主调节器的 正、反作用方式。正、反作用方式。 主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。例主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。

43、例P196图图62 在整定串级控制系统调节器参数时，首先必须明确主、副回路的在整定串级控制系统调节器参数时，首先必须明确主、副回路的 作用，以及主、副参数的控制要求，然后通过调节器参数整定，作用，以及主、副参数的控制要求，然后通过调节器参数整定， 才能使系统运行在最佳状态。才能使系统运行在最佳状态。 整定单回路系统调节器参数时，是根据系统特征方程中过程的动整定单回路系统调节器参数时，是根据系统特征方程中过程的动 态特性态特性W0(s)来确定调节器的比例度来确定调节器的比例度、积分时间、积分时间T1和微分时间和微分时间TD 数值的。数值的。 X1(s) Z1(s) W1(s) X2(s) W2(

44、s)W02(s)W01(s) Wm2(s) Wm1(s) Z2(s) Y1(s) Y2(s) 图图618所示，串级控制系统的特征方程式为所示，串级控制系统的特征方程式为 0)()( )()()(1 )()( )(1 101 2022 022 1 sWsW sWsWsW sWsW sW m m 整定时，可将串级系统化为等效的单回路系统，把式整定时，可将串级系统化为等效的单回路系统，把式(6-30)看作单看作单 回路系统的特征方程式。在整定主调节器回路系统的特征方程式。在整定主调节器W1(s)时，上式可表示为时，上式可表示为 0)()(1 011 sWsW 式中式中 )()()(1 )()()()

45、( )( 2022 101022 01 sWsWsW sWsWsWsW sW m m 式式(6-31)可看成是由主调节器可看成是由主调节器W1(s)与等效过程与等效过程W01(s)所组成的单回所组成的单回 路控制系统。所以，路控制系统。所以，W1(s)的比例度的比例度、积分时间、积分时间T1和微分时间和微分时间TD的的 数值，可以根据等效过程特性数值，可以根据等效过程特性W01(s)，按单回路控制系统的整定方，按单回路控制系统的整定方 法来确定。不过，在等效过程法来确定。不过，在等效过程W01(s)中，包括副调节器中，包括副调节器W2(s)。 同理，在整定副调节器同理，在整定副调节器W2(s)

46、时，图时，图6-18所示系统的特征方程式为所示系统的特征方程式为 0)()()()()()()(1 1020112022 sWsWsWsWsWsWsW mm 或或 0)()(1 022 sWsW 式中式中 )()()()()()()( 202011202 02 sWsWsWsWsWsWsW mm 在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有：在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有： 下面详细介绍一步整定法下面详细介绍一步整定法 所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然 后按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。后按单回

47、路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。 一步整定法的理论根据是：串级控制系统可以等价为单回路一步整定法的理论根据是：串级控制系统可以等价为单回路 反馈控制系统，其等效调节器总的放大系数反馈控制系统，其等效调节器总的放大系数KC为主调节器放大系为主调节器放大系 数数K1与副回路等效放大系数与副回路等效放大系数K02的乘积，即的乘积，即 021K KK C 对于主、副调节器均为纯比例作用时的串级控制系统，只要满足对于主、副调节器均为纯比例作用时的串级控制系统，只要满足 下式即可：下式即可： 021sC KKKK 式中：式中： Ks产生产生4：1衰减过程时的比例放大系数。衰减过程时的比例放大系

48、数。 这就是说，串级控制系统主、副调节器的放大系数，在一定范围可这就是说，串级控制系统主、副调节器的放大系数，在一定范围可 以任意匹配，只要主调节器放大系数以任意匹配，只要主调节器放大系数K1与副回路的放大系数与副回路的放大系数K02的的 乘积满足式乘积满足式(6-35)，系统就能产生，系统就能产生4：1的衰减振荡过程，即的衰减振荡过程，即K1的减的减 小可以由增大小可以由增大K02来补偿。来补偿。 K02与与K2的关系可以由图的关系可以由图6-18串级控制系统框图得出。出图中可见串级控制系统框图得出。出图中可见 )()()(1 )()( )( )( 2022 022 2 2 sWsWsW s

49、WsW sX sY m 设设 22 02 02 0222 )(, 1 )(,)( mm KsW sT K sWKsW 则式则式(6-36)可写成可写成 22 02 02 02 02 2 2 2 1 1 1 )( )( m KK sT K sT K K sX sY sT K s KKK T KKK KK m m 02 02 2022 02 2202 202 1 1 1 1 1 若若 Km2=1，则，则 022 022 02 1KK KK K 这就是副回路等效放大系数这就是副回路等效放大系数K02与副调节器放大系数与副调节器放大系数K2之间的关之间的关 系式。系式。 把把K02作为变参量，根据式作

50、为变参量，根据式(6-37)，可画出如图，可画出如图6-19所示曲线。所示曲线。 00.20.4 0.6 0.81.0 2 4 6 K02=0.1 0.20.5 1 5 K2 K02 在在0K2K020.5范围内，范围内，K2与与K02成线性关系，即成线性关系，即 k值随值随K02值的大小而异。而值的大小而异。而K2由关系式由关系式0K2K02T2时，其传递函数表现为微分特性；时，其传递函数表现为微分特性； 当当T1T2时，其传递函数表现为的时延特性，也称为反微分特性时，其传递函数表现为的时延特性，也称为反微分特性(如如 图图6-28所示所示)。 有时间因子，可以实现动态补偿有时间因子，可以实

51、现动态补偿，装置复杂。，装置复杂。 x(t) 0 t X0(t) T1T2 T1T2 Kpx0 t y(t) (3) KF(T1s+1)/(T2s+1)e-rs型前馈调节器：型前馈调节器： 这也是一种动态前馈模型。这种前馈模型的特性，实际上是比例特这也是一种动态前馈模型。这种前馈模型的特性，实际上是比例特 性、动态微分特性与纯时延特性的串联，其响应曲线如图性、动态微分特性与纯时延特性的串联，其响应曲线如图6-30所示所示 x(t) 0 x0(t) t y(t) KRX0 t 0 T1T2 T1T2 下面来讨论纯时延项下面来讨论纯时延项e-rs的实施方案。的实施方案。e-rs可用下述近似公式来表

52、示：可用下述近似公式来表示： 2 2 122 1 122 1 ss ss e s 由于工业过程具有低通滤波性质，可以略去高次项，取一阶来近似，由于工业过程具有低通滤波性质，可以略去高次项，取一阶来近似， 所以取所以取 1 2 1 2 2 1 2 1 ss s e s 令令 T 2 ，则，则 1 1 2 Ts e s x(s) 1 1 2 1 sT sT KF 1 1 TS Y(s) 图图6-31为为“KF(T1s+1)/(T2s+1) e-rs”前馈模型实施方框图。图中虚线前馈模型实施方框图。图中虚线 框的部分即用来实现框的部分即用来实现“e-rs”型特性的。型特性的。 将式将式(649)进行

53、离散化即可得适用于计算机控制的离散控制算式。进行离散化即可得适用于计算机控制的离散控制算式。 这种前馈控制算式在有些生产过程这种前馈控制算式在有些生产过程(如化工如化工)自动化中应用较广。自动化中应用较广。 设设F(t)与与uf(t)分别为前馈调节器的输入和输出，则将式分别为前馈调节器的输入和输出，则将式(6-49)用微分用微分 方程表示为方程表示为 )( )( )( )( 12 tF dt tdF TKtu dt tdu T Ff f （6-52） 当采样周期当采样周期Ts足够短时，对微分方程的导数项用如下近似差分来代足够短时，对微分方程的导数项用如下近似差分来代 替，即替，即 s ff K

54、Tt f s ff KTt f T dkFdkF dt tdF T kuKu dt tdu s s )()1()( )() 1()( （6-53） （6-54） 将式将式(6-53)、(6-54)代入式代入式(6-52)，即得，即得 )( )()1( )( )() 1( 1 2 f s ff F f s ff dkF T dkFdkF TK ku T kuku T 经整理可得前馈控制差分算式为经整理可得前馈控制差分算式为 )()1()() 1( 12ffff dkFadkFHkuaku （6-55） 式中：式中： .1;1; 1 1 2 2 2 1 T T a T T a T T KH ss

55、F 建立离散前馈控制算式除上述方法外，还可根据被控参数的不变性建立离散前馈控制算式除上述方法外，还可根据被控参数的不变性 原则由过程扰动通道和控制通道的离散算式，综合求得。原则由过程扰动通道和控制通道的离散算式，综合求得。 (1)当系统中存在着频率高、幅值大、可测而不可控的扰动时，当系统中存在着频率高、幅值大、可测而不可控的扰动时， 反馈控制难以克服扰动对被控参数的显著影响，而工艺生产对反馈控制难以克服扰动对被控参数的显著影响，而工艺生产对 被控参数的要求又十分严格，为了改善和提高系统的控制质量，被控参数的要求又十分严格，为了改善和提高系统的控制质量， 可以引入前馈控制。可以引入前馈控制。 (

56、2)当控制系统控制通道时延较大、反馈控制又不能得到良好的当控制系统控制通道时延较大、反馈控制又不能得到良好的 控制效果时，可以选用前溃控制。控制效果时，可以选用前溃控制。 3)经济性原则。通常动态前馈的投资高于静态前馈，所以，若经济性原则。通常动态前馈的投资高于静态前馈，所以，若 静态前馈能达到工艺要求时，即选用静态前馈。静态前馈能达到工艺要求时，即选用静态前馈。 前馈控制方案设计包括确定前馈控制规律，系统稳定性及其他。前馈控制方案设计包括确定前馈控制规律，系统稳定性及其他。 (1)确定前馈控制规律确定前馈控制规律 当求得过程的数学模型后，可通过分析过程扰动通道和控制通道当求得过程的数学模型后

57、，可通过分析过程扰动通道和控制通道 数学模型的特性参数，即数学模型的特性参数，即T0与与Tf的大小和纯时延时间的大小和纯时延时间0与与f来合来合 理选择。理选择。 当当T0Tf时，可采用动态前馈时，可采用动态前馈反馈控制来改善控制品质。反馈控制来改善控制品质。 当当f0时，则前馈调节器的控制规律应修改为式时，则前馈调节器的控制规律应修改为式 (6-56)。 但当但当0f时，则前馈调节器有纯超前环节时，则前馈调节器有纯超前环节eeffs，这是做不到的。因，这是做不到的。因 此，不能采用前馈补偿。此，不能采用前馈补偿。 (2)前馈控制系统的稳定性：对任一过程控制系统，能正常运行的必前馈控制系统的稳

58、定性：对任一过程控制系统，能正常运行的必 要条件是系统必须稳定。要条件是系统必须稳定。 (3)其他：在设计一个完整工艺设备的自动控制方案时，必须考虑物其他：在设计一个完整工艺设备的自动控制方案时，必须考虑物 料、能量平衡两个重要关系。有的是直接根据物料平衡或能量平衡料、能量平衡两个重要关系。有的是直接根据物料平衡或能量平衡 关系，来设计产品质量的控制方案；有的是同时利用上述两种关系关系，来设计产品质量的控制方案；有的是同时利用上述两种关系 来设计控制方案的。对此要视具体过程而定来设计控制方案的。对此要视具体过程而定 。 在控制方案设计中，控制方案设计的一般程序为：在控制方案设计中，控制方案设计

59、的一般程序为： 在设计控制方案时，必须先熟悉生产工艺过程，充分了解工艺对在设计控制方案时，必须先熟悉生产工艺过程，充分了解工艺对 自动化设计的要求；要熟悉现场工艺设备，以便能发现问题和提出自动化设计的要求；要熟悉现场工艺设备，以便能发现问题和提出 问题；必须深入了解生产中可能出现的各种影响因素。问题；必须深入了解生产中可能出现的各种影响因素。 要对已有的自动化方案认真地进行调查研究、分析比较，据此提要对已有的自动化方案认真地进行调查研究、分析比较，据此提 出新的设计方案。出新的设计方案。 求取过程的数学模型。求取过程的数学模型。 进行仿真与模似试验。进行仿真与模似试验。 提出改进后的正式设计方

60、案。提出改进后的正式设计方案。 现场安装、试车。现场安装、试车。 在前馈在前馈反馈控制系统中，由于有反馈控制来保证被控量最终等于反馈控制系统中，由于有反馈控制来保证被控量最终等于 给定值，因此可以降低对前馈控制的要求，使前馈调节器可以选择给定值，因此可以降低对前馈控制的要求，使前馈调节器可以选择 比较简单的结构形式和动态特性；同时，由于采用前馈控制来抵销比较简单的结构形式和动态特性；同时，由于采用前馈控制来抵销 某些主要扰动，使被控参数不致出现过大的动态偏差，所以反馈控某些主要扰动，使被控参数不致出现过大的动态偏差，所以反馈控 制可以以较慢动作进行。制可以以较慢动作进行。 对于具体的整定方法，