串級控制系統(tǒng)設(shè)計匯總

1、目錄1. 串級控制的基本概念 12. 串級控制系統(tǒng)的原理 13. 串級控制系統(tǒng)的特點 14. 串級控制主、副控制器的設(shè)計 35.Simulink 仿真 56. 串級控制的改進 6附錄 7參考文獻 71. 串級控制的基本概念串級控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)或多閉環(huán)控制系統(tǒng)， 控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)為副控 對象， 外環(huán)為主控對象。 內(nèi)環(huán)的作用是將外部擾動的影響在內(nèi)環(huán)進行 處理，而盡可能不使其波動到外環(huán)， 這就加快了系統(tǒng)的快速性并提高 個系統(tǒng)的品質(zhì)， 因此串級控制系統(tǒng)中選擇內(nèi)環(huán)時應(yīng)考慮其響應(yīng)速度要 比外環(huán)快得多。2. 串級控制系統(tǒng)的原理串級控制在結(jié)構(gòu)上形成的兩個閉環(huán)， 一個在閉環(huán)里面， 成為內(nèi)環(huán)、 副環(huán)或副控回路， 其控

2、制器為副控制器， 在控制中起 “粗調(diào)”的作用； 一個閉環(huán)在外面，成為外環(huán)、主環(huán)或主控回路，其控制器稱為主控制 器，在控制中起“細調(diào)”作用，最終被控量滿足控制要求。主控制器 的輸出作為副控制器的給定值，而副控制器的輸出則去控制被控對 象。3. 串級控制系統(tǒng)的特點（ 1） 副控制回路具有快速性， 能夠有效的克服進入副控回路的二次 干擾。圖 2 為簡化串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，其中Gv2（ S）為二次干擾通道傳遞函數(shù)。當二次干擾經(jīng)擾動通道Gv2（S）進入副控回路后，首先影響副參數(shù)丫2（S），于是副控制器立即動作，力圖削弱干擾對 Y2（S）的影響。顯然, 干擾經(jīng)副控回路的抑制后再進主控回路，對Y（s）的影

3、響將有較大的減 弱。按圖2所示的串級系統(tǒng)，二次干擾V2（S）到主參數(shù)Y（S）的傳遞函數(shù) 為了與一個簡單單環(huán)控制系統(tǒng)相比，由圖3可以得到單回路控制下干擾V2（S）至主參數(shù)Y（S）的傳遞函數(shù)是比較（3.1 ）和（3.2 ），假定D（S） = Di（S）,可以看到串級系統(tǒng)中的 Y（S） V2（S）的分母中多了一項，即D2（S）G2（S）。在主控回路的工作頻率 下，這項乘積的系數(shù)一般較大，且隨副控制器比例增益的增大而增大。另外（3.1）分母中的第三項比（3.2）分母中的第二項多了一個D2（S）， 一般情況下，副控制器的比例增益大于1,因此可以說，串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使二次干擾V2（S）對主參數(shù)Y（S）這

4、一通道的動態(tài)增益明顯減 小，當二次干擾出現(xiàn)時，很快被副控制器所克服。與單回路控制系統(tǒng) 相比，被控量受二次干擾的影響可以減小至原來的1 1001 10。（2） 由于副控回路起到了改善對象動態(tài)特性的作用，因此可以加大 主控制器的增益提高系統(tǒng)的工作頻率。）上式表明，由于副控回路的存在，起到改善動態(tài)特性的作用，等效對 象的時間常數(shù)縮小了 1 Kp2Kc2倍，且隨副控制器比例增益的增大而增 大。通常情況下，副控制器的比例增益可以取得較大， 這樣等效的時 間常數(shù)就可以減到很小的數(shù)值，從而加快了副控回路的響應(yīng)速度， 提 高了系統(tǒng)的工作頻率。（3）、由于副控回路的存在，使系統(tǒng)的自適應(yīng)能力增強。眾所周知，生產(chǎn)過

5、程往往包含一些非線性因素。因此，在一定的負荷下，即在確定的工作點情況下，按一定控制量指標整定的控制器參數(shù) 只適應(yīng)于工作點附近的一個小范圍。如果負荷變化過大，超過這個范 圍，控制質(zhì)量就會下降。在單回路控制系統(tǒng)中若不采取其他措施是難 以解決的。在串級系統(tǒng)中情況就不同了，負荷變化引起副控回路內(nèi)各環(huán)節(jié)參 數(shù)的變化，可以較少影響或不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。一般情況下， Kp2Kc2 1，因此由式(3.6)可見，副控對象增益Kp2隨負荷變化時， 對等效對象的增益Kp2的影響不大，因而在不改變控制器整定參數(shù)的 情況下，系統(tǒng)的副控回路能克服非線性因素的影響保持或接近原有的 控制質(zhì)量。另一方面，串級系統(tǒng)中，主控回路

6、是隨動控制系統(tǒng)，主控 制器可以按操作條件或負荷變化相應(yīng)地調(diào)整副控制器的設(shè)定值，副回路能快速跟蹤，從而保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。從上述兩個方面看，串級 控制系統(tǒng)對負荷的變化有一定的自適應(yīng)能力。4. 串級控制主、副控制器的設(shè)計 計算機串級控制系統(tǒng)如圖4所示.圖中的Di (Z)、D2 (Z)為數(shù)字控制器， 、T2分別為主控回路和副控回路的采樣周期。根據(jù)串級控制的特點，為充分發(fā)揮串級控制的作用使系統(tǒng)的性能達到 滿意的要求，一般來說串級控制系統(tǒng)的設(shè)計遵循以下原則：1) 系統(tǒng)主要的擾動應(yīng)該包含在副控制回路之中。把主要擾動包含在 副控回路中，可以在擾動影響主要被控參數(shù)之前，已經(jīng)由副控回 路的調(diào)節(jié)使擾動的影響大大減

7、小。2) 副控回路應(yīng)盡量包含積分環(huán)節(jié)。積分環(huán)節(jié)的相角滯后是-900，當副控回路包含積分環(huán)節(jié)時，相角滯后將可以減小，有利于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)3）必須用一個可以測量的中間變量作為副控被控參數(shù)，或者通過觀 測分析，由下游狀態(tài)推斷上游狀態(tài)的中間變量。4）主控、副控回路的采樣周期T（310）T2，以避免主控回路和副控 回路之間發(fā)生相對干擾和共振。主、副控制器用的較多的控制規(guī)律是 PID控制規(guī)律。對于主控制 器DZ）,為了減小穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度，應(yīng)該具有積分控制： 為了系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，動作迅速，應(yīng)該加入微分控制。因此主控制器一 般選用PID控制規(guī)律。對于副控制器D2（Z），通?？梢赃x用比例控制。當副控制器的

8、比 例系數(shù)不能太大時，則適當?shù)募尤敕e分控制，即采用PI控制規(guī)律。采用PID控制規(guī)律時，需要整定控制器的參數(shù)。串級控制由于主、 副兩個控制器串接在一起，其中任意一個控制器的任一參數(shù)發(fā)生變 換，對整個系統(tǒng)都有影響，因此串級控制系統(tǒng)的整定比單回路系統(tǒng)復(fù) 雜。下面介紹一種“逐步逼近”的整定方法：（1）首先整定副控回路。此時斷開主控回路，按單回路系統(tǒng)整定方 法，求取副控制器的整定參數(shù)，記為 D2（Z）i。（2） 整定主控回路。將副控制器的參數(shù)置于剛好整定的數(shù)值上，閉合主控回路，把副控回路視為主控回路的一個等效對象， 仍按 單回路系統(tǒng)整定方法求取主控制器的整定參數(shù)Di （Z）i。（3）再次整定副控回路。此

9、時主控、副控回路都以閉合。系統(tǒng)處于 串級運行狀態(tài)。主控制器參數(shù)置于 Di（Z）i，按單回路整定方法， 求取副控制器的整定參數(shù)D2（Z）2，至此已完成一次循環(huán)的整定。 如果控制質(zhì)量已經(jīng)達到要求，整定工作就此結(jié)束。主、副控制器 的參數(shù)分別取為Di （Z）i和D2（Z）2。（4）如果控制過程經(jīng)過一次循環(huán)還不能滿足要求，則需繼續(xù)整定下去。依上述方法循環(huán)進行，直到控制效果滿意為止。5.Simulink 仿真二次擾動為有限帶寬的白噪聲，一次擾動為階躍信號。在單回路控制系統(tǒng)中得到的輸出響應(yīng)仿真圖如下，其Simulink仿真模型結(jié)構(gòu)圖見附錄圖1：0.00.60.4 - 0.201020304060706090

10、100米用串級控制，外環(huán)米樣時間Ti = 0.5s;內(nèi)環(huán)米樣時間T2 -O.ls：Simulink仿真，仿真圖見附錄圖2,得到輸出響應(yīng)圖如下:T120.00.6i2a121420丄18由仿真結(jié)果可見由于副控回路的存在， 很好的控制了二次擾動對系統(tǒng)的影響，說明采用串級控制能夠有效的克服進入副控回路的干擾。6串級控制的改進上述過程雖然很好的控制了二次擾動對系統(tǒng)性能的影響， 但是實 際過程中一些擾動并不能被副回路所包含，此時對系統(tǒng)的性能仍然有 一定的影響，此時便可以使用前饋-串級控制對系統(tǒng)加以改進。前饋-串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：圖4前饋-串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖在前饋-串級控制器Df(S)的設(shè)計過程中，由于內(nèi)環(huán)響應(yīng)比外環(huán)快的多，可以認為內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù) G(S)=1，如此一來要想消除擾動對系 統(tǒng)的影響，前饋-串級控制器應(yīng)使得V(S)對Y(S)的影響為零，此時的 前饋-串級控制器可有前饋控制原理設(shè)計得：Df(S)二Gv(S)_Gi(S)(3.9)通過（3.9 ）對上述串級控制系統(tǒng)加以改進,其Simulink仿真模型結(jié)構(gòu)圖見附錄圖1,然后進行Simulink仿真，仿真結(jié)果如下:由仿真的結(jié)果可只改進后的系統(tǒng)的性能更好附錄圖1單環(huán)控制系統(tǒng)圖2串級控制系統(tǒng)圖3前饋-串級控制系統(tǒng)參考文