串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(diǎn)14.串級控制主、副控制器的設(shè)計(jì)45.Simulink仿真66.串級控制的改進(jìn)8附錄10參考文獻(xiàn)1181.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(dòng)的影響在內(nèi)環(huán)進(jìn)行處理，而盡可能不使其波動(dòng)到外環(huán)，這就加快了系統(tǒng)的快速性并提高個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)，因此串級控制系統(tǒng)中選擇內(nèi)環(huán)時(shí)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(gè)閉環(huán)，一個(gè)在閉環(huán)里面，成為內(nèi)環(huán)、副環(huán)或副控回路，其控制器為副控制器，在控制中起“粗調(diào)”的作用；一個(gè)閉環(huán)

2、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(xì)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(diǎn)（1） 副控制回路具有快速性，能夠有效的克服進(jìn)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，其中為二次干擾通道傳遞函數(shù)。當(dāng)二次干擾經(jīng)擾動(dòng)通道進(jìn)入副控回路后，首先影響副參數(shù)，于是副控制器立即動(dòng)作，力圖削弱干擾對的影響。顯然，干擾經(jīng)副控回路的抑制后再進(jìn)主控回路，對的影響將有較大的減弱。按圖2所示的串級系統(tǒng)，二次干擾到主參數(shù)的傳遞函數(shù)是為了與一個(gè)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至

3、主參數(shù)的傳遞函數(shù)是比較（3.1）和（3.2），假定,可以看到串級系統(tǒng)中的的分母中多了一項(xiàng)，即。在主控回路的工作頻率下，這項(xiàng)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(xiàng)比（3.2）分母中的第二項(xiàng)多了一個(gè)，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)使二次干擾對主參數(shù)這一通道的動(dòng)態(tài)增益明顯減小，當(dāng)二次干擾出現(xiàn)時(shí)，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。（2） 由于副控回路起到了改善對象動(dòng)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(dòng)態(tài)特性

4、的作用，等效對象的時(shí)間常數(shù)縮小了倍，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(shí)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(qiáng)。眾所周知，生產(chǎn)過程往往包含一些非線性因素。因此，在一定的負(fù)荷下，即在確定的工作點(diǎn)情況下，按一定控制量指標(biāo)整定的控制器參數(shù)只適應(yīng)于工作點(diǎn)附近的一個(gè)小范圍。如果負(fù)荷變化過大，超過這個(gè)范圍，控制質(zhì)量就會(huì)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(fù)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

5、控制質(zhì)量。一般情況下，因此由式（3.6）可見，副控對象增益隨負(fù)荷變化時(shí)，對等效對象的增益的影響不大，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，主控回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng)，主控制器可以按操作條件或負(fù)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(gè)方面看，串級控制系統(tǒng)對負(fù)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(jì)計(jì)算機(jī)串級控制系統(tǒng)如圖4所示.圖中的、為數(shù)字控制器，、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(diǎn)，為充分發(fā)揮串級控制的作用使系統(tǒng)的性能達(dá)到滿意的要求，

6、一般來說串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循以下原則：1) 系統(tǒng)主要的擾動(dòng)應(yīng)該包含在副控制回路之中。把主要擾動(dòng)包含在副控回路中，可以在擾動(dòng)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(dòng)的影響大大減小。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，當(dāng)副控回路包含積分環(huán)節(jié)時(shí)，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(gè)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，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)律是控制規(guī)律。對于主控制器，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

7、：為了系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速，應(yīng)該加入微分控制。因此主控制器一般選用控制規(guī)律。對于副控制器，通常可以選用比例控制。當(dāng)副控制器的比例系數(shù)不能太大時(shí)，則適當(dāng)?shù)募尤敕e分控制，即采用控制規(guī)律。采用控制規(guī)律時(shí)，需要整定控制器的參數(shù)。串級控制由于主、副兩個(gè)控制器串接在一起，其中任意一個(gè)控制器的任一參數(shù)發(fā)生變換，對整個(gè)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(shí)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。（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(gè)等效對

8、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)。（3） 再次整定副控回路。此時(shí)主控、副控回路都以閉合。系統(tǒng)處于串級運(yùn)行狀態(tài)。主控制器參數(shù)置于，按單回路整定方法，求取副控制器的整定參數(shù)，至此已完成一次循環(huán)的整定。如果控制質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到要求，整定工作就此結(jié)束。主、副控制器的參數(shù)分別取為和。（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(jìn)行，直到控制效果滿意為止。5.Simulink仿真二次擾動(dòng)為有限帶寬的白噪聲，一次擾動(dòng)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：采用串級控制，外環(huán)采樣時(shí)間；內(nèi)環(huán)采樣時(shí)間:Si

9、mulink仿真，仿真圖見附錄圖2,得到輸出響應(yīng)圖如下： 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(dòng)對系統(tǒng)的影響，說明采用串級控制能夠有效的克服進(jìn)入副控回路的干擾。6.串級控制的改進(jìn)上述過程雖然很好的控制了二次擾動(dòng)對系統(tǒng)性能的影響，但是實(shí)際過程中一些擾動(dòng)并不能被副回路所包含，此時(shí)對系統(tǒng)的性能仍然有一定的影響，此時(shí)便可以使用前饋-串級控制對系統(tǒng)加以改進(jìn)。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-串級控制器的設(shè)計(jì)過程中，由于內(nèi)環(huán)響應(yīng)比外環(huán)快的多，可以認(rèn)為內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)，如此一來要想消除擾動(dòng)對系統(tǒng)的影響，前饋-串級控制器應(yīng)使得對的影響為零，此時(shí)的前饋-串級控制器可有前饋控制原理設(shè)計(jì)得： (3.9)通過（3.9）對上述串級控制系統(tǒng)加以改進(jìn)，其Simulink仿真模型結(jié)構(gòu)圖見附錄圖1，然后進(jìn)行Simulink仿真，仿真結(jié)果如下：由仿真的結(jié)果可只改進(jìn)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)參考文獻(xiàn)1 關(guān)守平. 計(jì)算機(jī)控制理論與設(shè)計(jì). 沈陽：東北大學(xué)出版社，20