串级控制的主要优点可概括如下： 1．将干扰加到副回路中，由副回路控制对其进行抑制； 2．副回路中参数的变化，由副回路给予控制，对被控量G1 的影响大为减弱； 3．副回路的惯性由副回路给予调节，因此提高了整个系统 的响应速度；
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例1 设副对象特性为 G2 (s) 1/(T02 s 1) ，主对象特性为
第四章 MATLAB与过程控制系统仿真
第一节 过程控制的基本概念
一、过程控制的发展状况：
第一阶段:(20世纪50年代以前) 对系统进行分析的基本方法为根轨迹法和频率法。 第二阶段:(20世纪60年代后) 自动控制的工具产生了直接数字控制DDC和监督计算机 控制SCC。 第三阶段:(20世纪70年代以后) 产生了集散控制系统DCS。 20世纪80年代以后，自动化的实现工具由DCS系统发展 到了现场总线控制系统FCS。
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2．单闭环比值控制系统 单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物 料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。
单闭环比值控制系统的四种工作情况： （1）当在系统处于稳定工作状态时，主、副物料流量的比值恒定。 （2）当主物料流量不变，副物料流量受到扰动变化时，可通过副流量的闭合回路调整副物料 流量使之恢复到原设定值，保证主、副物料流量比值一定。 （3）当主物料流量受到扰动变化，而副物料不变时，则按预先设置好的比值使比值器输出成 比例变化，即改变给定值，根据给定值的变化，发出控制命令，以改变调节阀的开度，使副 流量跟随主流量而变化，从而保证原设定的比值不变。 （4）当主、副物料流量同时受到扰动变化时，调节器在调整副物料流量使之维持原设定值的 同时，系统又根据主物料流量产生新的给定值，改变调节阀的开度，使主、副物料流量在新 的流量数值的基础上，保持原设定值的比值关系不变。 总之, 单闭环比值控制系统虽然能保持主、副物料流量比值不变，但是无法控制主物料 的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。该控制系统能保证主、副物料的 流量比值不变，同时，系统结构简单，因此在工业生产过程自动化中应用较广。 MATLAB与系统仿真
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二、过程控制的组成
1—锅筒
2—省煤器
锅炉水位控制原理图 3—过热器 4—给水阀门
5—蒸汽阀门 MATLAB与系统仿真
要实现水位控制需要以下装置:
1.测量水位变化的传感器或变送器
2.能将水位测量值和水位设定值进行比较并进行控制 运算的控制器 3.设定水位的定值器(可能包括在控制器内) 4.执行控制命令的执行器 5.调节给水量的控制阀 这些装置和被控对象锅炉本身组成了一个控制系统。
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五、控制器的参数整定
1、过渡过程参数整定 2、经验法
3、稳定边界法
4、衰减曲线法
5、响应曲线法
6、衰减频率特性法
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第三节
复杂控制系统仿真
D2(s)
一、串级控制系统仿真
R1(s) _ Gc1(s) R2(s) u1 _ Gc2(s) PID2 PID1 G2(s) Y2(s) G1(s) Y1(s)
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单回路控制系统 1—液位变送器 2—液位控制器
3—执行器
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单回路液位控制系统
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二、控制器的选择 1、比例控制器的选择
2、比例、积分控制器的选择
3、比例、积分、微分控制器的选择
三、控制器的正反作用选择
控制器有正作用和反作用两种，当被控过程的输入量 增加（或减小）时，其输出量（被控参数）也增加 （或减少），这就称被控过程为正作用，反之则称为 反作用。 控制器的正反作用的选择应该在根据工艺要求对控制 阀、气关作用确定之后再行确定。
串级控制系统框图
计算顺序：先主回路（PID1），后副回路（PID2）。 控制方式：异步采样控制—主回路的采样周期T1是副回路采 样周期T2的整数倍。 同步采样控制—主、副回路采样周期相同。这时， 应根据副回路选择采样周期，因为副回路的受控对象的响应 速度较快。
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串级控制系统的结构特点： 1．由两个或两个以上的控制器串联而成，一个控制器的输c 出是另一个控制器的设定。 2．由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和 一个执行器组成。 3．主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回 路是随动系统。
串级控制的阶跃响应
常规PID控制的阶跃响应
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二、比值控制系统仿真
2.1 比值控制系统基础知识 2.1.1 比值控制系统特点
在过程控制中，把用于实现两种（或多种）物料按一定 比例关系进行关联控制的系统，称为比值控制系统。
主物料，也称为主动量: 在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料。 从物料，也称为从动量: 另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料。
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2.1.2 比值控制系统的类型 根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要 求不同，实际采用的比值控制方案也不同。 比值控制系统分为：1. 开环比值控制系统； 2. 单闭环比值控制系统； 3. 双闭环比值控制系统等；
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1．开环比值控制系统 1）当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比 值关系。 2）当主动量受到干扰而发生变化时，系统通过比值器 及设定值按比例去改变控制阀的开度，调节从动量使之与 主动量仍保持原有的比例关系。 3）当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动 时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节， 也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保 持不变，系统对此无能为力。 开环比值控制是理解比例控制工作机理的基础，在实 际工程上很少应用。
T01 T02 10 ，采样时间为2s，外加干扰信号 G1 (s) 1/(T01s 1) ，
为sin(50t)。
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主调节器采用PI控制，k p 50, ki 5 ，副调节器采用P控制， k p 200 ，外加干扰信号为sin(50t)。
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过程控制系统原理框图
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三、生产对过程控制的要求和指标
1、生产对过程控制的要求 1.安全性 2.经济性 3.稳定性 2、过程控制系统的品质指标 (1)衰减比 (2)动态偏差 (3)调整时间Tc (4)静态偏差
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第二节
单回路控制系统
一、单回路控制系统的组成 单回路控制系统又称简单控制系统，它是只有一个检测 元件或变送器、一个控制器、一个执行器连同被控制对象 对一个被控参数进行控制的反馈闭环控制系统。