加热炉温度控制系统

第1章绪论1.1综述在人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反映过程都与温度亲密有关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产状况和工艺规定下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对与否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，能够说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。

在当代化的工业生产中，电流、电压、温度、压力、流量、流速和开关量都是惯用的重要被控参数。例如：在冶金工业、化工生产、电力工程、造纸行业、机械制造和食品加工等诸多领域中，人们都需要对各类加热炉、热解决炉、反映炉和锅炉中的温度进行检测和控制。1.2加热炉温度控制系统的研究现状随着新技术的不停开发与应用，近年来单片机发展十分快速，一种以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗入到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。单片机温度控制系统是数控系统的一种简朴应用，在冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各类工业中，广泛使用于加热炉、热解决炉、反映炉等。

温度是工业对象中的一种重要的被控参数。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热办法也不同，例如煤气、天然气、油、电等;由于工艺不同，所需要的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温办法也不同;产品工艺不同，控制温度的精度也不同，因而对数据采集的精度和所采用的控制算法也不同。

传统的温度采集办法不仅费时费力，并且精度差，单片机的出现使得温度的采集和数据解决问题能够得到较好的解决。不仅如此，传统的控制方式不能满足高精度，高速度的控制规定，如温度控制表温度接触器，其重要缺点是温度波动范畴大，由于它重要通过控制接触器的通断时间比例来达成变化加热功率的目的，受仪表本身误差和交流接触器的寿命限制，通断频率很低。近几年来快速发展了多个先进的温度控制方式，如：PID控制，含糊控制，神经网络及遗传算法控制等。这些控制技术大大的提高了控制精度，不仅使控制变得简便，并且使产品的质量更加好，减少了产品的成本，提高了生产效率。随着单片微型计算机的功效不停的增强，为先进的控制算法提供的载体，许多高性能的新型机种应运而生。

国内外温度控制系统发展快速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面获得成果。现在社会上温度控制大多采用智能调节器，国产调节器分辨率和精度较低，温度控制效果不是很抱负，但价格便宜，国外调节器分辨率和精度较高，价格较贵。日本、美国、德国、瑞典等技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优秀的温度控制器及仪器仪表。并在各行业广泛应用。它们重要含有以下的特点：一是适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制；--是能够适应于受控系统数学模型难以建立的温度控制系统的控制；三是能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的温度控制系统的控制；四是温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、含糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范畴广泛；五是温控器普遍含有参数自整定功效。借助计算机软件技术，温控器含有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功效。有的还含有自学习功效，能够根据历史经验及控制对象的变化状况，自动调节有关控制参数，以确保控制效果的最优化；六是含有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。现在，国内外温度控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。1.3自动控制理论的概述随着科学技术的进步，自动控制技术在各个应用领域中的应用已日渐广泛，不仅使得生产设备或生产过程实现自动化，大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，还在人类征服大自然，改善居住条件等方面发挥了非常重要的作用。自动控制（automatic

control）是指在没有人直接参加的状况下，运用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。自动控制是相对人工控制概念而言的。指的是在没人参加的状况下，运用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。

自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。它的发展早期，是以反馈理论为基础的自动调节原理，重要用于工业控制，二战期间为了设计和制造飞机及船用自动驾驶仪，火炮定位系统，雷达跟踪系统以及其它基于反馈原理的军用设备，进一步增进并完善了自动控制理论的发展。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。到战后，已形成完整的自动控制理论体系，这就是以传递函数为基础的典型控制理论，它重要研究单输入-单输出，线形定常系统的分析和设计问题。

自动控制理论的发展历程以下：

1．40年代--60年代初

需求动力：市场竞争,资源运用，减轻劳动强度，提高产品质量，适应批量生产需要。重要特点：此阶段重要为单机自动化阶段，重要特点是:多个单机自动化加工设备出现，并不停扩大应用和向纵深方向发展。典型成果和产品：硬件数控系统的数控机床。

2．60年代中--70年代早期

需求动力：市场竞争加剧，规定产品更新快，产品质量高，并适应大中批量生产需要和减轻劳动强度。重要特点：此阶段重要以自动生产线为标志，其重要特点是：在单机自动化的基础上，多个组合机床、组合生产线出现，同时软件数控系统出现并用于机床，CAD、CAM等软件开始用于实际工程的设计和制造中，此阶段硬件加工设备适合于大中批量的生产和加工。典型成果和产品：用于钻、镗、铣等加工的自动生产线。

3．70年代中期--至今

需求动力：市场环境的变化，使多品种、中小批量生产中普遍性问题愈发严重，规定自动化技术向其广度和深度发展，使其各有关技术高度综合，发挥整体最佳效能。自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。重要特点：自70年代早期美国学者初次提出CIM概念至今，自动化领域已发生了巨大变化，其重要特点是：CIM已作为一种哲理、一种办法逐步为人们所接受；CIM也是一种实现集成的对应技术，把分散独立的单元自动化技术集成为一种优化的整体。所谓哲理，就是公司应根据需求来分析并克服现存的“瓶颈”，从而实现不停提高实力、竞争力的思想方略；而作为实现集成的对应技术，普通认为是:数据获取、分派、共享；网络和通信；车间层设备控制器；计算机硬、软件的规范、原则等。同时，并行工程作为一种经营哲理和工作模式自80年代末期开始应用和活跃于自动化技术领域，并将进一步增进单元自动化技术的集成。典型成果和产品：CIMS工厂，柔性制造系统(FMS)。

随着当代应用数学新成果的推出和电子计算机的应用，为适应自动控制、宇航技术的发展，自动控制理论跨入了一种新阶段——当代控制理论。重要研究含有高性能，高精度的多变量多参数的最优控制问题，重要采用的办法是以状态为基础的状态空间法。现在，自动控制理论还在继续发展，正向以控制论，信息论，仿生学为基础的智能控制理论进一步。

为了实现多个复杂的控制任务，首先要将被控制对象和控制装置按照一定的方式连接起来，构成一种有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是规定严格加以控制的物理量，它能够规定保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术科学，是分析和设计自动控制系统的理论的基础。而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它能够采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。

在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不停修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。

第2章加热炉温度控制系统工艺流程2.1生产工艺介绍加热炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反映、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不停扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。

加热炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多个类型和称呼，工艺流程多个多样，惯用的加热炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等构成。

本加热炉环节中，燃料与空气按照一定比例送入加热炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给物料。物料被加热后，温度达成生产规定后，进入下一种工艺环节。加热炉设备重要工艺流程图如图2-1所示。图2-1加热炉工艺流程图2.2

控制规定

加热炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应热量，同时要使加热炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制规定，加热炉设备将有重要的控制规定：

加热炉燃烧系统的控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应物料负荷的需要，确保燃烧的经济型和加热炉的安全运行，使物料温度与燃料流量相适应，保持物料出口温度在一定范畴内。

第3章加热炉总体设计3.1概述3.1.1系统控制方案随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、含糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。

本加热炉温度控制系统较为简朴，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。采用PID调节器构成的PID自动控制系统调节炉温。PID调节器的比例调节,

可产生强大的稳定作用;

积分调节可消除静差;

微分调节可加速过滤过程,

克服因积分作用而引发的滞后。控制系统通过温度检测元件不停的读取物料出口温度，通过温度变送器转换后接入调节器，调节器将给定温度与测得的温度进行比较得出偏差值，然后经PID算法给出输出信号，执行器接受调节器发来的信号后，根据信号调节阀门开度，进而控制燃料流量，变化物料出口温度，实现对物料出口温度的控制。

本加热炉温度控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制规定。在运行过程中，当物料出口温度受干扰影响变化时，温度检测元件测得的模拟信号也会发生对应的变化，该信号通过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比较，得出对应偏差信号，经PID算法计算后输出，通过执行器调节燃料流量，不停重复以上过程，直至物料出口温度靠近给定，处在允许范畴内，且达成稳定。由此消除干扰的影响，实现温度的控制规定。3.1.2系统构造和控制流程图根据控制规定和控制方案设计的加热炉温控制系统构造如图3-1所示,

该系统重要由调节对象(加热炉)、检测元件(测温仪表)、变送器、调节器和执行器等5个部分构成,

构成单回路负反馈温度系统。

其中显示屏是可选接次要器件，故用虚线表达；θ为物料出口温度，Qg为燃料流量。箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，通过一系列器件和运算后，由执行器变化燃料流量，进而实现温度控制。Qg为燃料流量，θ为物料出口温度，加热炉作为控制对象。图3-1加热炉温度控制系统构造图图3-2加热炉温度控制系统整体控制流程图3.2设计规定已知加热炉传递函数为：3.1调节阀传递函数为：3.2温度检测变送单元传递函数为：3.3规定：针对加热炉温度系统设计单回路控制方案画出控制系统方框图及实施方案图；设计PID调节器，实现对加热炉温度的无余差控制，设计涉及PID调节规律的选择，及PID参数的整定，规定写出整定的根据（选择何种整定办法，P、I、D各参数整定的根据如何）；采用MATLAB对单回路控制系统进行仿真，仿真分三种状况：无干扰状况；总进料量有扰动状况，且扰动为在系统单位阶跃给定下投运10s后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声，进料量扰动通道的传递函数为；燃气阀前压力有扰动状况，且扰动为在系统单位阶跃给定下投运15s后施加的均值为0、方差为0.02的白噪声。规定对仿真成果进行评述。针对总进料量为重要扰动且不可控的状况设计前馈-反馈控制方案画出控制系统方框图及实施方案图，并对方案予以简要阐明；设进料量扰动通道的传递函数为，试设计对应的控制器（涉及控制规律及控制参数的拟定）；采用MATLAB对前馈-反馈控制系统在有、无进料量扰动状况下的动态过程进行仿真，并对仿真成果进行评述。针对燃料气阀前压力为重要扰动且不可控的状况设计串级控制方案画出控制系统方框图及实施方案图，并对方案予以简要阐明；设燃气流量检测变送环节的传递函数为，试设计对应的控制器（涉及控制规律及控制参数的拟定）；采用MATLAB对串级控制系统在有、无燃气阀前压力扰动状况下的动态过程进行仿真，并对仿真成果进行评述。3.3工作原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其构造简朴、稳定性好、工作可靠、调节方便而成为工业控制的重要技术之一。当被控对象的构造和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的

其它技术难以采用时，系统控制器的构造和参数必须依靠经验和现场调试来拟定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全理解一种系统和被控对象，或

不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，运用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制公式以下u(t)=Kp*e(t)+Ki∑e(t)+Kd[e(t)–e(t-1)]+u0比例（P）控制比例控制是一种最简朴的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-stateerror）。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一种自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（SystemwithSteady-stateError）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，能够使系统在进入稳态后无稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其因素是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，含有克制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使克制误差的作用的变化“超前”，即在误差靠近零时，克制误差的作用就应当是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而现在需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，含有比例+微分的控制器，就能够提前使克制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。因此对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性拟定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的办法诸多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它重要是

根据系统的数学模型，通过理论计算拟定控制器参数。这种办法所得到的计算数据未必能够直接用，还必须通过工程实际进行调节和修改。二是工程整定办法，它主

要依赖工程经验，直接在控制系统的实验中进行，且办法简朴、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定办法，重要有临界比例法、反映

曲线法和衰减法。三种办法各有其特点，其共同点都是通过实验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种办法所得到的控制器参数，都需

要在实际运行中进行最后调节与完善。现在普通采用的是临界比例法。运用该办法进行PID控制器参数的整定环节以下：(1)首先预选择一种足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。3.4PID算法介绍3.4.1概述PID调节是Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）三者的缩写，是持续系统中技术最成熟、行之有效、应用最广泛的一种调节方式。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算成果用以输出控制。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制规定，可灵活地变化PID的构造，取其中的一部分环节构成控制规律，如比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节等。尽管凭着单片微机的优势，计算机数字控制系统取代了模拟控制系统，但是，在长久生产实践中，模拟PID控制算法所积累的经验并未被人们遗忘，而是被广泛地应用到计算机控制系统中来，形成一种新型PID控制方式，称之为数字PID控制。3.4.2PID算法的数字化PID算法的数字化，其实质就是将持续形式的PID微分方程式转化为离散形式的PID差分方程。在模拟系统中，PID算法的体现式为：3.4式中，u(t)-调节器的输出信号；e(t)-调节器的偏差信号，等于给定值与测量值之差；

Kp-调节器的比例系数；Ti-调节器的积分时间；Td-调节器的微分时间。

控制点现在包含三种比较简朴的PID控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。这三种PID算法即使简朴，但各有特点，基本上能满足普通控制的大多数规定。

事实上，位置式与增量式控制对整个闭环系统并无本质区别。增量型算法仅仅是就是办法的改善，而没有变化位置型算法的本质。3.4.3PID调节器设计对温度的控制算法,采用技术成熟的PID算法,对于时间常数比较大的系统来说,其近似于持续变化,因此用数字PID完全能够得到比较好的控制效果。简朴的比例调节器能够反映很快,但不能完全消除静差,控制不精确,为了消除比例调节器中残存的静差,在比例调节器的基础上加入积分调节器,积分器的输出值大小取决于对误差的累积成果,在差不变的状况下,积分器还在输出直到误差为零,因此加入积分调节器相称于能自动调节控制常量,消除静差,使系统趋于稳定。积分器即使能消除静差,但使系统响应速度变慢。

进一步改善调节器的办法是通过检测信号的变化率来预报误差,

并对误差的变化作出响应,

于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器,构成比例、积分、微分(

PID)调节器,微分调节器的加入将有助于减小超调,克服振荡,使系统趋于稳定,同时加紧了系统的稳定速度,缩短调节时间,从而改善了系统的动态性能,其控制规律的微分方程为:3.5用PID

控制算法实现加热炉温度控制是这样一种反馈过程:比较实际物料出口温度和设定温度得到偏差,通过对偏差的解决获得控制信号,再去调节加热炉的燃料流量,从而实现对炉温的控制,由于加热炉普通都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象,因此式中Kp、Kd和Ki的选择取决于加热炉的响应特性和实际经验。3.4.4PID算法的运用由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量。因此，在计算机控制系统中，必须首先对式进行离散化解决，用数字形式的差分方程替代持续系统的微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增量式体现。

对温度的控制算法，采用技术成熟的PID算法，对于时间常数比较大的系统来说，其近似于持续变化，因此用数字PID完全能够得到比较好的控制效果。

简朴的比例调节器能够反映很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积成果，在误差不变的状况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相称于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。积分器即使能消除静差，但使系统响应速度变慢。进一步改善调节器的办法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器，构成比例、积分、微分(PID)调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定，同时加紧了系统的稳定速度，缩短调节时间，从而改善了系统的动态性能，其控制规律为：3.6单片机是一种采样控制，它只能根据采样时刻的误差值计算控制变量，不能直接计算公式中的积分项和微分项，采用数值计算法逼近后，PID的调节规律能够通过数值公式3.7计算，如果采样获得足够小，这种逼近可相称精确，被控过程与持续过程十分靠近。我们变换上式得：3.8把△ei

=ei-ei-1,△2ei=△ei-△ei-1带人上式得：3.9式中ei=W—Yi，W为设定值，Yi为第i次实际输出值，Kp为比例系数，积分系数I=T/Ti，微分系数D=Td/T，T为采样周期，以上式来编程比较方便。

用PID控制算法实现温度控制是这样一种反馈过程：比较实际温度和设定炉温得到偏差，通过对偏差的解决获得控制信号，再去调节电加热炉的加热功率，从而实现对炉温的控制，由于电阻炉普通都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象，因此式中Kp、Kd和Ki的选择取决于电阻炉的响应特性和实际经验。

本程序先将顾客设定温度和锅炉实际温度T比较，计算出偏差ei，然后分两种状况进行计算控制变量：

1．ei不不大于等于设定的偏差e时，由于积分控制器使系统响应速度变慢，不采用积分控制器调节，直接使用PD调节，获得比较快的动态响应，计算Pd和Pp，最后得到控制量获得比较快的动态响应。

2．ei不大于设定的设定的偏差e时，正常的分别计算Pi、Pd和Pp，然后根据算法公式计算出控制变量。3.5串级控制系统加热炉工艺过程为：被加热物料流过排列炉膛四周的管道后，加热到炉工艺所规定的温度。在加热用的燃料油管道上装有一种调节阀，用以控制燃料油流量，以达成控制温度的目的。由于加热炉时间常数大，并且扰动的因素多，例如原料侧的扰动及负荷扰动；燃烧侧的扰动等，单回路反馈控制系统不能满足工艺对加热炉温度的规定。为了提高控制质量，采用串级控制系统，运用副回路的快速作用，以加热炉温度为主变量，选择滞后较小的炉膛温度为副变量，构成炉温度与炉膛温度的串级控制系统有效地提高控制质量，以满足工业生产的规定。串级控制系统的工作过程，就是指在扰动作用下，引发主、副变量偏离设定值，由主、副调节器通过控制作用克服扰动，使系统恢复到新的稳定状态的过渡过程。由加热炉温度串级控制系统构造图可绘制出其构造方框图，如图2-3所示：图3-3加热炉温度串级控制系统构造方框图

第4章控制器参数整定及Simulink仿真4.1串级控制系统性能分析串级系统输出曲线第一峰值出现时间明显比单回路系统更早，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强。串级系统输出曲线的调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性。

对串级控制系统和单回路控制系统阶跃响应输出曲线对比可知，串级控制系统由于增加了副控制回路，使控制系统的的抗干扰性能、动态性能、工作频率及自适应能力都得到明显改善。其性能可归纳为：1、能够明显提高系统对二次扰动的克制能力，甚至是二次干扰在对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加紧，整个系统的调节作用也加紧，对一次扰动的克制能力也得到提高。

2、提高了系统的工作频率，由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带能够更窄，从而提高了系统工作频率。

3、提高了系统的动态性能，由于副回路明显改善了涉及控制阀在内的副对象的特性，减少了时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能得到明显改善。

4、对负荷干扰或操作条件的变化有一定的自适应能力。涉及控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响明显地削弱。

但串级控制系统也存在某些局限性：只有当中间变量能够检测出来时，才可能采用串级控制系统，但许多过程在构造上是不容易以这种方式加以分割的；串级控制系统比单回路控制系统需要更多的仪表，串级控制系统的投放和整定也比单回路控制系统复杂些。在实际生产中，如果是单回路控制系统能够解决的问题，就不一定非要采用串级控制系统方案，普通当单回路控制方案质量达不到实际规定时，才考虑采用串级控制系统。4.2主副回路参数整定及Simulink仿真主控制器的选择：主被控变量是工艺操作的重要指标（温度），允许波动的范畴很小，普通规定无余差，主控制器应选PI控制规律。

副被控变量的设立是为了确保主被控变量的控制质量，提高系统的反映速度，提高控制质量，能够允许在一定范畴内变化，允许有余差，因此副控制器只要选P控制规律就能够了。

在工程实践中，串级控制系统惯用的整定办法有下列三种：逐步逼近法；两步整定法；一步整定法。逐步逼近法费时费力，在实际中极少使用。两步整定法即使比逐步逼近法简化了调试过程，但还是要做两次4：1衰减曲线法的实测。对两步整定法进行简化，在总结实践经验的基础上提出了一步整定法。为了简便起见，本设计采用一步整定法。

所谓一步整定法，就是根据经验先拟定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一种环节，按单回路反馈控制系统的整定办法整定主调节器的参数。具体的整定环节为：

（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的状况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选用，并将其设立在副调节器上。

（2）按照单回路控制系统的任一种参数整定办法来整定主调节器的参数。

（3）变化给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理，适宜调节调节器的参数，使主参数品质最佳。

（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。

对于该温度串级控制系统，在一定范畴内，主、副控制器的增益能够互相匹配。根据本设计，适宜选用Kc2=3.5（整定时能够根据具体状况再做适宜调节）。然后在副回路已经闭合的状况下按单回路控制器参数整定办法整定主控制器，本方案采用衰减曲线法整定，考虑到4：1衰减太慢，因此采用10：1衰减曲线法整定主控制器参数。

普通地取Kv=1,将X=45（学号最后三位）带入可计算出主对象的传递函数。

衰减曲线法是在闭环系统中，先把调节器设立为纯比例作用，然后把比例度由大逐步减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至10：1衰减过程为止。这时的比例度称为10：1衰减比例度，用δS表达之。相邻两波峰间的距离称为10：1衰减周期TS。根据δS和TS，运用表4-1所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。表4-1

衰减曲线法整定计算公式衰减曲线法的第一步就是获取系统的衰减曲线，采用10：1衰减曲线法。在Simulink中，如图4-1，把积分输出线断开，Kc1的值从大到小进行实验，观察示波器的输出，直到输出10：1衰减振荡曲线为止。图4-2即为系统10：1衰减曲线。图4-1串级系统Simulink模型当Kc1=7.7时，在t1=8.1时出现第一峰值，为1.15；在t2=23.8时出现第二峰值，为0.89，曲线稳定值为0.86，可计算出衰减度为（1.15-0.86）：（0.89-0.86）=10：1。因此，当Kc1=7.7时，系统出现10：1衰减振荡，且Ts=t2-t1=23.8-8.1=15.7,根据表2可知，积分时间常数Ti=2Ts=31.4。图4-2串级系统10：1衰减振荡曲线将Kc1的值设立为7.7，1/Ti的值设立为1