温度控制系统的建模与综合设计毕业设计（论文） .doc

华中科技大学文华学院毕业设计（论文）华中科技大学文华学院毕业设计(论文)题目：温度控制系统的建模与综合设计学生姓名： 学号： 学部（系）： 专业年级： 指导教师： 职称或学位： 目录摘 要4Abstract51 绪论71.1课题的目的及研究意义71.2国内外研究及发展趋势71.3几种常见的控制方法81.3.1 PID控制81.3.2串级控制91.3.3智能控制101.3.4自适应控制101.4 本文的主要研究内容及预期目标112 被控对象的数学模型及控制策略122.1被控对象的数学模型122.2 PID控制的基本理论122.3 PID控制器的参数整定的方法132.3.1衰减曲线法142.3.2临界比例带法142.3.3动态参数法152.3.4经验法172.3.5四种工程整定方法的比较172.4 串级控制系统的设计182.4.1 主、副回路的设计原则182.4.2主、副调节器的选型192.4.3主、副回路的匹配203 系统的仿真研究223.1仿真环境及工具箱223.2 MATLAB的主要功能223.3 Simulink仿真环境233.4 PID控制243.4.1单回路控制时系统仿真243.4.2串级控制时系统仿真263.4.3单回路与串级控制时系统仿真对比28结束语30主要参考文献31致谢32温度控制系统的建模与综合设计摘 要温度是工业控制的主要被控参数之一，如在冶金、机械、食品、化工、印染、石油加工等工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等，可是由于温度自身的一些特点，如惯性大，滞后现象严重，难以建立精确的数学模型等，给控制过程带来了难题。本文研究合适的控制方案对温度进行控制，技术要求是调节时间短，超调量为零且稳态误差在士1内。本文中主要以PID算法为主要研究对象。PID控制器的一个特别的优势是两个PID 控制器可以一同被使用以产生更好的动态特性。这被称作串联PID控制。在串级控制，有二个PID控制器控制另一个参数值。一个PID控制器担任外环控制器，例如易流动物体或者速度控制主要物质参数。另一控制器担任内环控制器，读取外环控制器的输出，通常控制改变更迅速的参数。数学上可以证明，通过使用串联的PID 控制器，控制器的工作频率被增加，目标的时间常数被降低。最后针对已建立的温度控制系统利用不同的控制策略进行了实验研究。利用Matlab对不同的控制算法进行了仿真实验，通过对实验数据的研究和分析表明本文中所使用的串级控制系统的合理性和有效性。关键词: PID控制器 串级控制 Matlab仿真Temperature control system of modeling and integrated designAbstractTemperature is one of the main parameters controlled in the industrial process control, for example in the metallurgy industry, machinery industry, food industry, chemical industry, print industry and the petroleum-processing industry etc., various kinds of heaters and reactors are extensively used. But it is very difficult to control temperature well because of some characteristics of the temperature itself. For example temperature's inertia is great, it's time-lag is serious and it is difficult to establish accurate mathematical model of the object. This paper is to study an adapt control method to control the temperature of the electric oven, the technology demand of control method is: the regulating time must be short, the over shoot must be zero and steady-state error must be in 士1. The PID control arithmetic is the main research object in this thesis.One distinctive advantage of PID controllers is that two PID controllers can be used together to yield better dynamic performance. This is called cascaded PID control. In cascade control there are two PIDs arranged with one PID controlling the set point of another. A PID controller acts as outer loop controller, which controls the primary physical parameter, such as fluid level or velocity. The other controller acts as inner loop controller, which reads the output of outer loop controller as set point, usually controlling a more rapid changing parameter, flow rate or acceleration. It can be mathematically proved that the working frequency of the controller is increased and the time constant of the object is reduced by using cascaded PID controller. Finally, according to the temperature control system has been established by using different control strategies of the experiment. Use of Matlab different control algorithm, the simulation experiment through experiment data research and analysis show that the use of the cascade control system is reasonable and effective. Key words：PID controller Cascade control Matlab Stimulation1 绪论1.1课题的目的及研究意义温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。自然界中任何物理、化学过都紧密的与温度相联系。在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。温度控制系统广泛应用于社会生活的各个领域。温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制1。 PID线性控温法这种控温方法是基于经典控制理论中的PID调节器控制原理，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点被广泛应用工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。由于PID节器模型中考虑了系统的误差、误差变化及误差积累三个因素，因此，其控制性能大大地优越于定值开关控温。其具体控制电路可以采用模拟电路或计算机软件方法来实现PID调节功能。前者称为模拟PID控制器，后者称为数字PID控制器。其中数字PID控制器的参数可以在现场实现在线整定，因此具有较大的灵活性，可以得到较好的控制效果。采用这种方法实现的温度控制器，其控制品质的好坏主要取决于三个PID参数（比例值、积分值、微分值）。只要PID参数选取的正确，对于一个确定的受控系统来说，其控制精度是比较令人满意的。1.2国内外研究及发展趋势 近年来，国内外对温度控制调节器进行了广泛、深入的研究，特别是随着计算机技术的发展，温度控制器的研究取得巨大的进展，形成了一批商品化的温度调节器，如：智能化 PID、模糊控制、自适应控制等，其性能、控制效果好，可广泛应用于温度控制系统及企业相关设备的改造。 国外温度控制系统的发展情况 自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，都生产出了一批商品化的、性能优异的温度控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点：1）适应于大惯性、大滞后等复杂温度控制系统的控制。2）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。3）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。4）这些温度控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论及计算机技术，运用先进的算法，适应的范围广泛。5）温控器普遍具有参数自整定功能。借助计算机软件技术，温控器具有对控制对象控制参数及特性进行自动整定的功能。有的还具有自学习功能，它能够根据历史经验及控制对象的变化情况，自动调整相关控制参数，以保证控制效果的最优化。6）温度控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国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。 国内温度控制系统的发展概况,温度控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的温度控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比仍然有着较大的差距。目前，我国在这方面总体技术水平处于 20 世纪 80年代中后期水平，成熟产品主要以“点位”控制及常规的 PID 控制器为主，它只能适应一般温度系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并在仪表控制参数的自整定方面，国外已有较多的成熟产品，但由于国外技术保密及我国开发工作的滞后，还没有开发出性能可靠的自整定软件。控制参数大多靠人工经验及现场调试来确定。这些差距，是我们必须努力克服的。随着我国经济的发展及加入世贸，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，并通过合资、技术合作等方式，组建了一批合资、合作及独资企业，使我国温度等仪表工业得到迅速的发展2。1.3几种常见的控制方法1.3.1 PID控制PID控制策略是最早发展起来的控制策略之一，现今使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断的推出，由于PID控制具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整定，P、I、D控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制器在工业控制中仍然得到广泛的应用，许多工业控制器仍然采用PID控制器。 PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制器着数字化、智能化控制器的方向发展。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，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。1.3.2串级控制串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成3一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动、1串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：1）扰动作用于副回路2）扰动作用于主过程3）扰动同时作用于副回路和主过程分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。2.系统特点及分析1）改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。2）能迅速克服进入副回路的二次扰动3）提高了系统的工作频率。4)对负荷变化的适应性较强1.3.3智能控制随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。另外，被控工业过程日益复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。没有精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。而智能控制器的设计却不依赖过程的数学模型，因而对于复杂的工业液位过程往往可以取得很好的控制效果4。 常用的智能控制方法有以下几种：模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制。这些智能控制方法各有千秋，但也都不同程度的存在问题。同时，又有研究表明将它们相互交叉结合或与传统的控制方法结合会产生更好的效果。它们中有些已经在石化、钢铁、冶金、食品等行业中取得了成功。今后，需要进一步对智能控制的基础理论进行研究，以建立统一的智能控制系统的设计方法。1.3.4自适应控制自适应控制系统主要是针对不确定性被控过程，寻找最优的控制方法或控制器结构和参数。对于具有不确定的被控过程，由于常规控制方法固定的控制器参数无法适应不断变化的过程特性，因而难以满足控制精度的要求，在这种情况下，就出现了可调控制器。控制器参数的自动调整最早出现在1940年，但是当时的自适应控制仅仅局限于控制器具有按照过程特性的变化调整自身参数的能力。直到20世纪70年代，随着控制理论及计算机技术的发展，自适应控制才得到了进一步的完善。自适应控制的研究对象是具有不确定性的系统，这里所指的“不确定性”是指被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的。这种不确定性主要表现在：由于现代工业装置及过程的复杂性，使得系统数学模型与实际系统间总是存在着差别，所得到的数学模型都是近似的；系统本身结构和参数未知或时变；外部环境对过程的影响不可避免，作用在系统上的扰动往往是随机的，且不可测量；控制对象的特性随时间或工作环境改变而变化，且很难预知其变化规律。对于具有较强不确定性的被控系统，如何设计一个满意的控制器，就是自适应控制所要研究的问题。参照在日常主活中生物能够通过自觉调整自身参数改变自己的习性，以适应新的环境特性，从而提出了自适应控制器的设想。自适应控制器应能够及时修正自己的特性以适应对象和扰动的动态特性变化，使整个控制系统始终获得满意的性能。因此，自适应控制方法就是依靠不断采集的控制过程信息，确定被控对象的当前实际工作状态，根据一定的性能准则，产生合适的自适应控制规律，从而实时地调整控制器结构或参数，使系统始终自动地工作在最优或次最优的运行状态下。自适应控制是现代控制的重要组成都分，它同一般反馈控制相比具有如下特点：(1) 一般反馈控制主要适用于确定性对象或可以预知的对象，而自适应控制主要研究具有不确定性的对象或难以确知的对象。(2) 一般反馈控制具有较强的抗干扰能力，能够消除状态扰动所引起的系统误差；而自适应控制由于具有辨识对象和在线修改参数的能力，因而不仅能消除状态扰动引起的系统误差，而且还能消除系统结构扰动引起的系统误差。(3) 一般反馈控制系统的设计必须依赖系统特性的数学模型及其环境变化状况，而自适应控制系统设计则对数学模型的依赖很小，仅需要较少的验前知识，但自适应控制的实现往往更多地依靠计算机技术。(4) 自适应控制是较为复杂的反馈控制，它在一般反馈控制的基础上增加了自适应控制环节或系统参数辨识器，另外还附加了一个可调系统。目前，自适应控制已经广泛应用于许多领域。例如：机器人操作，飞机、导弹、飞船及火箭的控制，工业过程，生物工程等等，并逐渐渗透到经济管理、交通、通信等各个领域。随着对控制系统要求的不断提高和计算机技术的不断发展，自适应控制理论和技术也将得到不断的更新与完善，且其应用前景会十分广阔。1.4 本文的主要研究内容及预期目标基于以上所述目前国内外的温控方法的各自特点，以及温度这一物理参数变化缓慢，大惯性和大滞后的特点，本文通过参考数据推测出一个传递函数表达式作为被控对象，选择纯PID控制控制方案，运用Matlab软件对他们的控制性能进行仿真实验，并分析实验结果，得出一个合理的方案，是温度控制既能满足性能指标的要求又比较经济。2 被控对象的数学模型及控制策略2.1被控对象的数学模型数学模型通常是描述物理系统的运动规律、特性和输入与输出关系的一个或一组方程式，它表示了一个过程的输入变量(通常是控制作用和扰动作用)、状态变量与输出变量(通常是被控变量)之间的数学关系。数学模型的类型很多，按表达的规律是否包含时间因素，数学模型可以分为静态数学模型和动态数学模型两大类。在生产过程中，由于热传导问题的复杂性，一般的加热设备都具有非线性、和不对称性等特点。加热体的结构、容量的大小、测温元件及其安装的位置等都影响着传热的大小。它不是一个单一的问题，而是一个系统性的问题。工业中绝大多数的加热设备都是升温时用强迫加热，而温度下降过程靠自然冷却。因此，温度特性是不对称的:升温时响应快，而降温时响应慢。在过程控制中，通常情况下把电加热设备的动态特性看成是一个线性系统，用两个惯性环节和震荡环节来表示 (2-1)或者 （2-2）这种近似处理在许多情况下是可行的。2.2 PID控制的基本理论一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图2-1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图2-1 常规PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差 将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为 (2-3)写成传递函数形式为 (2-4)式中 比例系数； 积分时间常数； 微分时间常数；从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下：1.比例环节用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。Kp越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。Kp取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。2.积分环节 主要用来消除系统的稳态误差。T1越小，系统的静态误差消除越快，但过T1小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过T1大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3.微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但Td过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。2.3 PID控制器的参数整定的方法由于PID控制器的输出为系统偏差的比例、微分和积分作用后的线性组合，所以调整各个部分的线性系数就是PID控制器控制性能好坏的关键。必须针对具体被控对象对PID控制器参数进行整定。2.3.1衰减曲线法衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的，它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡(=0.75)过程时的调节器比例带及过程衰减周期，据经验公式计算出调节器的各个参数。衰减曲线法的具体步骤是：(1)置调节器的积分时间Ti，微分时间Td0，比例带为一稍大的值；将系统投入闭环运行。(2)在系统处于稳定状态后作阶跃扰动试验，观察控制过程。如果过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4:1的衰减过程。记录下4:1的衰减振荡过程曲线，按表2-1计算出调节器的各个参数。表2-1 衰减曲线法计算公式规律TiTd0.75P0PI1.20.5Ts0 (3)按计算结果设置好调节器的各个参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。与临界比例带法一样，衰减曲线法也是利用了比例作用下的调节过程。从表3-5可以发现，对于=0.75，采用比例积分调节规律时相对于采用比例调节规律引入了积分作用，因此系统的稳定性将下降，为了仍然能得到=0.75的衰减率，就需将放大1.2倍后作为比例积分调节器的比例带值。2.3.2临界比例带法 临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止。这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值，即临界比例带以及振荡周期Tk，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数。可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。临界比例带法的具体步骤是：(1)将调节器的积分时间置于最大，即Ti；置微分时间Td=0；置比例带于一个较大的值。(2)将系统投入闭环运行，待系统稳定后逐渐减小比例带，直到系统进入等幅振荡状态。一般振荡持续45个振幅即可。 (3)据记录曲线得振荡周期Tk，此状态下的调节器比例带为k，然后按表2-2计算出调节器的各个参数。表2-2 临界比例带法计算公式规律TiTdP0PI0(4)将计算好的参数值在调节器上设置好，作阶跃响应试验，观察系统的调节过程，适当修改调节器的参数，直到调节过程满意为止。2.3.3动态参数法动态参数法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动试验，根据记录下的阶跃响应曲线求取一组特征参数、(无自平衡能力对象)或、 (有自平衡能力对象)，再据经验公式计算出调节器的各个参数。 （a）有自平衡能力对象 （b）无自平衡能力对象 图2-2 动态响应曲线对于有自平衡能力对象，其阶跃响应曲线如图2-2(a)所示。过响应曲线拐点P作切线交稳态值渐近线C*()于A，交时间轴于C；过A点作时间轴垂线并交于B，则：，对无自平衡能力对象，其单位阶跃响应曲线如图2-2(b)所示。作响应曲线直线段的渐近线交时间轴于C，过直线段上任一点A作时间垂线并交于B，则，在取得对象的单位阶跃响应曲线后，通过在曲线上作图，求出对象的特征参数、或、，然后按表3-7给出的经验公式计算出调节器整定参数。表2-3 动态参数法计算公式(一)规律TiTdP0PI0生产实践表明，对象特征参数和的乘积反映了控制难易的程度；越大，对象就越不好控制，因此调节器的比例带就应取大一些，即与成正比。对于采用比例积分调节，积分作用的加入使系统的稳定性下降，因此比例带为纯比例作用时的比例带值的1.2倍。积分作用主要用于消除系统的稳态误差，并且希望在被调量波动一个周期后消除稳态误差的作用应基本结束；就是说积分时间Ti的大小应根据被调量波动周期大小来确定，而迟延时间又是影响过渡过程周期的主要因素。因此，对象的迟延时间大，则积分作用就应相对较弱，即积分时间Ti应与成正比。表2-4给出的经验公式比较粗略，它忽略了对象自平衡率对调节过程的影响，这在/T小于0.2时还是允许的。在考虑对象的自平衡率影响时，较准确的经验公式如表2所示。表2与表1的区别在于/T大于0.2以后，两表计算出的整定参数有较大的差别。然而表3-7给出的计算公式十分简单，又便于记忆，为工程技术人员广泛采用。表2-4 动态参数法计算公式（二）规律TiTdTiTdP00PI002.3.4经验法如果调节系统在运行中经常受到扰动影响，那么要得到闭环系统确切的阶跃响应曲线就很困难，因此临界比例法和衰减曲线法都不能得到满意的结果。通过长期实践，人们总结了一套参数整定的经验，称之为经验法。经验法可以说是根据经验进行参数试凑的方法，它首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过渡过程不令人满意，则修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。经验法整定参数的具体步骤是：(1)将调节器的积分时间Ti放到最大，微分时间Td置于最小，据经验设置比例带值。将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，若过渡过程有希望的衰减率(=0.750.9)则可，否则改变比例带值，重复上述试验。(2)将调节器的积分时间Ti由最大调整到某一值，由于积分作用的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例带值适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。作阶跃扰动试验，观察调节过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。(3)保持积分时间不变，改变比例带，看调节过程有无改善，若有改善则继续修改比例带，如无改善则反方向修改比例带，直到满意为止。保持比例带不变修改积分时间，同样反复试凑直到满意为止。如此反复凑试，直到有一组合适的积分时间和比例带。2.3.5四种工程整定方法的比较1、衰减曲线法衰减曲线法在试验操作方法上与临界比例带法相似，比较简单，也容易掌握，没有临界比例带法的限制和缺点，故应用较为广泛。这种整定方法的缺点是，由于外界干扰作用以及试验仪器、仪表等的缺陷造成难以判断响应曲线是否达到4:1的衰减过程，因而很难获得准确的4:1的衰减过程下的比例带和周期。2、临界比例带法调节过程在边界稳定状态下，调节器的比例带较小因而动作很快，这样被调量波动的幅度一般不会太大，不少生产过程是允许的。然而，对临界比侧带较小的控制系统，试验中不小心就会使系统进入不稳定状态，甚至有些生产过程根本就不允许被调量处于等幅振荡状态；另有一些对象，如有自平衡单容对象，从理论上讲根本就得不到等幅振荡的过渡过程，即不会进入临界状态。3、动态参数法动态参数法又称响应曲线法，即在获得对象的阶跃响应曲线后，才能计算调节器整定参数，而其它三种方法均不需要知道对象的动态特性。从原理上说，这种方法即简单又省时,但会出现以下问题：(1)由于外界干扰的影响，需要进行反复多次的对象动态特性试验，以取得真实反映对象特性的试验曲线。(2)试验时需加入足够大的扰动量，才能使被调量的变化量足够大。这样，在阶跃响应曲线上求出的特征参数、才具有较高的准确性。4、经验法经验法是凭经验试凑调节器参数，这样，没有经验的人要凑出一组满意的参数就很难。即使有经验的人，反复试凑工作量也很大。该方法归纳为一句话：看曲线调参数，方法简便但工作量大。综上所述，四种工程整定参数方法各有各的优点，应根据具体的系统工艺特点，安全要求以及作用到系统地干扰情况等，选择一种合适的整定方法。然而，无论采用何种方法获得的调节器参数，在实际运行时都要进行修改才能得到满意的调节效果。因为，各种整定方法中都隐含着某不利因素，如动态参数法中，如果切线作不准，则求出的、就不准确，按表2-3和标2-4计算出、自然也不准。2.4 串级控制系统的设计为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应适当合理的设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。2.4.1 主、副回路的设计原则（1）副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。通常串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。因此，在设计串级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大的提高。（2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多的包括一些扰动。但这将与要求副回路控制通道短，反应快相矛盾，应在设计中加以协调。在具体情况下，副回路的范围应当多大，取决于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高的多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果了。（3）主、副对象的时间常数应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增大，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”。一旦发生了共振系统就失去控制，不仅使系统控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取 (2-5)式子中：Td1为主回路的振荡周期；Td2为副回路振荡周期，要满足式子（2-5）除了在副回路设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。2.4.2主、副调节器的选型 串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。 （1）副调节器的选型 副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。 （2）主调节器的选型 主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。 3、主、副回路调节器调节规律的选择原则（1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可以采用比例控制。（2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差，此时副调节器可以采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。（3）主参数要求高，副参数亦有一定要求这时主、副调节器均采用比例积分形式。2.4.3主、副回路的匹配 1)主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在310之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。2) 主、副调节器的控制规律的匹配、选择在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取P控制规律而不引入I或D控制。如果引入I控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入D控制，因为副回路采用P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。 3) 主、副调节器正反作用方式的确定 一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系统有两个回路