串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

宋偉偉 梁春芳

摘要 本文針對串級控制系統(tǒng)的原理、設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析，并針對連續(xù)槽反應(yīng)器溫度串級控制一例進(jìn)行說明和Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)兩種不同的仿真波形分析得出串級控制的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵字 串級控制；PID；Matlab

1. 引言

20世紀(jì)以來，自動化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中的地位不斷提升。目前，工業(yè)自動化已經(jīng)進(jìn)入信息化時代，而其中的過程控制是最重要的一部分。工業(yè)生產(chǎn)對過程控制的最終要求即安全性、經(jīng)濟(jì)性、和穩(wěn)定性。在過程控制中串級控制是改善控制最為有效的辦法，也因此被廣泛的應(yīng)用。

2. 串級控制系統(tǒng)基本原理

串級系統(tǒng)與簡單系統(tǒng)相比較有一個顯著的特點(diǎn)，即其在結(jié)構(gòu)上形成兩個閉環(huán)。里面的閉環(huán)對系統(tǒng)參數(shù)起著粗調(diào)的作用，我們稱之為副回路，而外面的閉環(huán)在系統(tǒng)控制中起著細(xì)調(diào)的作用，以保證被控量滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求，我們稱其為主回路。無論主回路還是副回路都有各自的被控對象、測量變送原件和控制器。其各自之間的連接構(gòu)成了一般的串級控制系統(tǒng)。

串級控制系統(tǒng)的副回路對二次干擾可以快速的消除，大大提高了控制的穩(wěn)定性和快速性，而且還有一定的自適應(yīng)能力，可以有效的克服干擾的影響。

3. 串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 工業(yè)生產(chǎn)串級控制

在工業(yè)生產(chǎn)中，物料的反應(yīng)會伴隨著溫度的產(chǎn)生，因此為了保證反應(yīng)能按照我們期待的繼續(xù)，保證產(chǎn)品的質(zhì)量我們必須嚴(yán)格的控制反應(yīng)的溫度。我們通常采用調(diào)節(jié)閥來控制冷卻水的流量來控制反應(yīng)器中反應(yīng)物料的溫度。工業(yè)生產(chǎn)同時也受各種不確定或確定的溫度，物料等干擾的影響，因此我們必須快速有效的解決干擾產(chǎn)生的影響，而解決干擾最有效的辦法就是運(yùn)用串級控制。

3.2 連續(xù)槽反應(yīng)器溫度控制

現(xiàn)在我們假設(shè)不運(yùn)用串級控制，去掉副控制器——調(diào)節(jié)閥以及副檢測變送器——溫度測量，構(gòu)成了外圍的單回路。如果冷卻水方面發(fā)生干擾，比如水溫突然升高或者流量突然增加或減少等不可預(yù)測的干擾，此時必須經(jīng)過夾套，槽壁和反應(yīng)槽才能控制反應(yīng)溫度升高或降低。但是如果按照串級控制來消除干擾的話副控制器會快速并且有效地在副回路內(nèi)消除二次干擾。

3.3 主、副控制器的選擇

PID調(diào)節(jié)即比例、積分、微分調(diào)節(jié)，比例是將反應(yīng)系統(tǒng)的偏差按比例來放大，積分可以用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，而微分主要存在于大慣性組件或帶有滯后組件系統(tǒng)中用來消除振蕩的。在這里我們主控制器和幅控制器均采用PID調(diào)節(jié)，同時為了簡化系統(tǒng)，主、副被控對象以及主、幅環(huán)的反饋傳函均用一階慣性環(huán)節(jié)代替。

4. Matlab 仿真與結(jié)果分析

使用matlab軟件的simulink軟件仿真，分別仿真出串級控制和單回路控制的仿真圖。并比較二者在受到二次干擾后的輸出波形。

串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 受到二次干擾后，串級控制系統(tǒng)的輸出波形

單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 受到二次干擾后，單回路控制系統(tǒng)的輸出波形

由上圖我們我可看出引入串級控制可以是調(diào)節(jié)時間大大減小，并且可以有效的消除二次干擾，與此同時系統(tǒng)的超調(diào)量也在大大的改善。

5. 結(jié)束語

串級控制在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用起著不可或缺的作用，工業(yè)過程中我們常常要求控制系統(tǒng)可以同時滿足穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個方面的要求，而串級控制剛好可以有效地達(dá)到我們所需的要求。

6. 參 考 文 獻(xiàn)

[1]《過程控制系統(tǒng)》 黃德先、王京春、金以慧編著 清華大學(xué)出版社2011-05