第6章复杂控制系统
●6.1串级控制系统
●6.2前馈控制系统
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6.1串级控制系统
·6.1.1串级控制系统的组成
·1.加热炉
●加热炉是冶金、化工生产中的重要设备。图6-1所示是一个加热炉出口温度控制系统。被加热原料的出口温度是该控制系统的被控量，燃料量是该系统的操纵量，这是一个简单控制系统。如果对出口温度的稳态误差范围要求不高，这个控制方案是可行的。如果对出口温度的稳态误差范围要求很小，则简单控制系统难以控制。
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6.1串级控制系统
·系统的控制通道，控制器发出的信号送给控制阀，控制阀改变阀门开度，送入加热炉的燃料油量改变，燃料油在炉膛里燃烧，炉膛温度改变，最终使原料温度得到调整，稳定在所希望的温度附近。由于传热过程的时间常数大，等到出口温度发生偏差后再进行控制，导致偏差在较长的时间内不能被纠正，稳态误差太大，不符合工艺要求。怎样解决这个问题呢?根据反馈原理，被控量的任何偏差，都是由各种扰动引起的，如果能把这些扰动抑制住，则被控量的波动将会减小。
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6.1串级控制系统
·在控制系统中，每一个扰动到被控量之间都是一条扰动通道。对于该加热炉，主要的扰动有燃料油压力的波动、燃料热值的波动、原料入口温度的波动等。如果对每个主要扰动都用一个控制系统来克服波动，则原料的出口温度肯定能被控制得很好。但实际上，有些量的控制很不方便，而且这样做整个控制系统的投资将是很大的。实践中，使用串级控制系统，不需要增加太多的设备即可使被控量达到较高的控制精度。
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6.1串级控制系统
·2.串级控制系统中常用的术语
·主被控量：它指工艺控制指标或与工艺控制指标有直接关系，在串级
控制系统中起主导作用的被控量。如本例中的原料出口温度c?(t)。
·副被控量：它指在串级控制系统中，为了更好地稳定主被控量或因其他某些要求而引入的辅助量。如本例中的炉膛温度c?(t)
·主被控对象：大多为工业过程中所要控制的、由主被控量表征其主要特性的生产设备或过程。
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6.1串级控制系统
·副被控对象：大多为工业过程中影响主被控量的、由副被控量表征其特性的辅助生产设备或辅助过程。
·主控制器：在系统中起主导作用，按主被控量的测量值与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副控制器的给定值。
·副控制器：在系统中起辅助作用，按副被控量的测量值与主控制器的输出值的偏差进行工作的控制器，其输出直接改变控制阀的阀门开度。
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6.1串级控制系统
·主检测变送器：测量并转换主被控量的变送器。
·副检测变送器：测量并转换副被控量的变送器。
·副回路：由副检测变送器、副控制器、执行器和副被控对象构成的内层闭合回路，也称副环或内环。
·主回路：由主检测变送器、主控制器、副回路和主被控对象构成的外层闭合回路，也称主环或外环。
·一次扰动：作用于主回路的扰动，用d?(c)表示。
·二次扰动：作用于副回路的扰动，用d?(c)表示。
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6.1串级控制系统
·6.1.2串级控制系统的工作过程
·1.一次扰动作用在主回路
·一次扰动使主被控量发生变化时，主回路产生控制作用，克服一次扰动对主被控量的影响。由于副回路的存在加快了控制作用，使一次扰动对主被控量的影响比单回路控制系统时要小。
·2.二次扰动作用在副回路
·二次扰动使副被控量发生变化时，副控制器立即发出控制信号，控制阀的开度变化，克服二次扰动对副被控量的影响。如果扰动量不大，经过副回路的控制一般不会影响主被控量。如果扰动量的幅度较大，经过副回路的及时控制，仍影响主被控量，此时再由主回路进一步控制，从而完全克服上述扰动，使主被控量回到给定值。
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6.1串级控制系统
·3.一次、二次扰动同时作用于主、副回路
·如果一次、二次扰动的作用使主、副被控量同时增加或同时减小，主、副控制器对控制阀的控制方向是一致的，即控制阀开度变化幅度大，
加强控制作用，使主被控量很快回到给定值。如果一次、二次扰动的作用使主、副被控量一个增加，另一个减小，主、副控制器对控制阀的控制方向是相反的，控制阀开度只要做较小的变化就能满足控制要求。
·串级控制系统对于作用在主回路上的一次扰动和作用在副回路上的二次扰动都能有效地克服。副回路特点是先调、粗调、快调，主回路的