串级控制系统设计

I 目目 录录 1 串级控制的基本概念 1 2 串级控制系统的原理 1 3 串级控制系统的特点 1 4 串级控制主 副控制器的设计 4 5 Simulink 仿真 6 6 串级控制的改进 8 附录 10 参考文献 11 1 1 串级控制的基本概念串级控制的基本概念 串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统 控制系统内环为副 控对象 外环为主控对象 内环的作用是将外部扰动的影响在内环 进行处理 而尽可能不使其波动到外环 这就加快了系统的快速性 并提高个系统的品质 因此串级控制系统中选择内环时应考虑其响 应速度要比外环快得多 2 串级控制系统的原理串级控制系统的原理 串级控制在结构上形成的两个闭环 一个在闭环里面 成为内 环 副环或副控回路 其控制器为副控制器 在控制中起 粗调 的作用 一个闭环在外面 成为外环 主环或主控回路 其控制器 称为主控制器 在控制中起 细调 作用 最终被控量满足控制要 求 主控制器的输出作为副控制器的给定值 而副控制器的输出则 去控制被控对象 3 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 1 副控制回路具有快速性 能够有效的克服进入副控回路的二 次干扰 图 2 为简化串级控制系统的结构图 其中 为二次干扰通道传递函数 2 SGv 当二次干扰经扰动通道进入副控回路后 首先影响副参数 2 SGv 于是副控制器立即动作 力图削弱干扰对的影响 显然 2 SY 2 SY 干扰经副控回路的抑制后再进主控回路 对的影响将有较大的 SY 减弱 按图 2 所示的串级系统 二次干扰到主参数的传递 2 SV SY 2 函数是 为了与一个简单单环控制系统相比 由图 3 可以得到单回路控制下 干扰至主参数的传递函数是 2 SV SY 比较 3 1 和 3 2 假定 可以看到串级系统中的 1 SDSD 的分母中多了一项 即 在主控回路的工作频 2 SVSY 22 SGSD 率下 这项乘积的系数一般较大 且随副控制器比例增益的增大而 增大 另外 3 1 分母中的第三项比 3 2 分母中的第二项多了 一个 一般情况下 副控制器的比例增益大于 1 因此可以说 2 SD 串级控制系统的结构使二次干扰对主参数这一通道的动态 2 SV SY 增益明显减小 当二次干扰出现时 很快被副控制器所克服 与单 回路控制系统相比 被控量受二次干扰的影响可以减小至原来的 101 1001 2 由于副控回路起到了改善对象动态特性的作用 因此可以加 大主控制器的增益提高系统的工作频率 上式表明 由于副控回路的存在 起到改善动态特性的作用 等效 对象的时间常数缩小了倍 且随副控制器比例增益的增大 22 1 cp KK 而增大 通常情况下 副控制器的比例增益可以取得较大 这样等 效的时间常数就可以减到很小的数值 从而加快了副控回路的响应 速度 提高了系统的工作频率 3 由于副控回路的存在 使系统的自适应能力增强 众所周知 生产过程往往包含一些非线性因素 因此 在一定的负 3 荷下 即在确定的工作点情况下 按一定控制量指标整定的控制器 参数只适应于工作点附近的一个小范围 如果负荷变化过大 超过 这个范围 控制质量就会下降 在单回路控制系统中若不采取其他 措施是难以解决的 在串级系统中情况就不同了 负荷变化引起副控回路内各环节 参数的变化 可以较少影响或不影响系统的控制质量 一般情况下 因此由式 3 6 可见 副控对象增益随负荷变化1 22 cp KK 2p K 时 对等效对象的增益的影响不大 因而在不改变控制器整定参 2p K 数的情况下 系统的副控回路能克服非线性因素的影响保持或接近 原有的控制质量 另一方面 串级系统中 主控回路是随动控制系 统 主控制器可以按操作条件或负荷变化相应地调整副控制器的设 定值 副回路能快速跟踪 从而保证系统的控制品质 从上述两个 方面看 串级控制系统对负荷的变化有一定的自适应能力 4 串级控制主 副控制器的设计串级控制主 副控制器的设计 计算机串级控制系统如图 4 所示 图中的 为数字控制器 1 ZD 2 ZD 分别为主控回路和副控回路的采样周期 1 T 2 T 根据串级控制的特点 为充分发挥串级控制的作用使系统的性能达 到满意的要求 一般来说串级控制系统的设计遵循以下原则 1 系统主要的扰动应该包含在副控制回路之中 把主要扰动包含在 副控回路中 可以在扰动影响主要被控参数之前 已经由副控回 路的调节使扰动的影响大大减小 2 副控回路应尽量包含积分环节 积分环节的相角滞后是 当 0 90 4 副控回路包含积分环节时 相角滞后将可以减小 有利于调节系 统的品质 3 必须用一个可以测量的中间变量作为副控被控参数 或者通过观 测分析 由下游状态推断上游状态的中间变量 4 主控 副控回路的采样周期 以避免主控回路和副 21 10 3 TT 控回路之间发生相对干扰和共振 主 副控制器用的较多的控制规律是控制规律 对于主控PID 制器 为了减小稳态误差 提高控制精度 应该具有积分控制 1 ZD 为了系统反应灵敏 动作迅速 应该加入微分控制 因此主控制器 一般选用控制规律 PID 对于副控制器 通常可以选用比例控制 当副控制器的比 2 ZD 例系数不能太大时 则适当的加入积分控制 即采用控制规律 PI 采用控制规律时 需要整定控制器的参数 串级控制由于PID 主 副两个控制器串接在一起 其中任意一个控制器的任一参数发 生变换 对整个系统都有影响 因此串级控制系统的整定比单回路 系统复杂 下面介绍一种 逐步逼近 的整定方法 1 首先整定副控回路 此时断开主控回路 按单回路系统整定 方法 求取副控制器的整定参数 记为 12 ZD 2 整定主控回路 将副控制器的参数置于刚好整定的数值上 闭合主控回路 把副控回路视为主控回路的一个等效对象 仍按单回路系统整定方法求取主控制器的整定参数 11 ZD 3 再次整定副控回路 此时主控 副控回路都以闭合 系统处 5 于串级运行状态 主控制器参数置于 按单回路整定方法 11 ZD 求取副控制器的整定参数 至此已完成一次循环的整定 22 ZD 如果控制质量已经达到要求 整定工作就此结束 主 副控制器 的参数分别取为和 11 ZD 22 ZD 4 如果控制过程经过一次循环还不能满足要求 则需继续整定 下去 依上述方法循环进行 直到控制效果满意为止 5 Simulink 仿真仿真 二次扰动为有限带宽的白噪声 一次扰动为阶跃信号 在单回路控 制系统中得到的输出响应仿真图如下 其 Simulink 仿真模型结构图 见附录图 1 采用串级控制 外环采样时间 内环采样时间 sT5 0 1 sT1 0 2 Simulink 仿真 仿真图见附录图 2 得到输出响应图如下 6 由仿真结果可见由于副控回路的存在 很好的控制了二次扰动对系 统的影响 说明采用串级控制能够有效的克服进入副控回路的干扰 6 串级控制的改进串级控制的改进 上述过程虽然很好的控制了二次扰动对系统性能的影响 但是 实际过程中一些扰动并不能被副回路所包含 此时对系统的性能仍 然有一定的影响 此时便可以使用前馈 串级控制对系统加以改进 前馈 串级控制系统的结构图如下 图 4 前馈 串级控制系统的结构图 在前馈 串级控制器的设计过程中 由于内环响应比外环快的 SDf 多 可以认为内环的传递函数 如此一来要想消除扰动对系1 SG 统的影响 前馈 串级控制器应使得对的影响为零 此时的 SV SY 7 前馈 串级控制器可有前馈控制原理设计得 3 9 1 SG SG SD v f 通过 3 9 对上述串级控制系统加以改进 其 Simulink 仿真模型 结构图见附录图 1 然后进行 Simulink 仿真 仿真结果如下 由仿真的结果可只改进后的系统的性能更好 附录附录 图 1 单环控制系统 图 2 串级控制系统 图 3 前馈 串级控制系统 参考文献参考文献 1 关守平 计算