串級(jí)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(duì)串級(jí)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(duì)連續(xù)槽反應(yīng)器溫度串級(jí)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(jí)控制的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵字 串級(jí)控制；PID；Matlab

1. 引言

20世紀(jì)以來，自動(dòng)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(dòng)化已經(jīng)進(jìn)入信息化時(shí)代，而其中的過程控制是最重要的一部分。工業(yè)生產(chǎn)對(duì)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(jí)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(jí)控制系統(tǒng)基本原理

串級(jí)系統(tǒng)與簡單系統(tǒng)相比較有一個(gè)顯著的特點(diǎn)，即其在結(jié)構(gòu)上形成兩個(gè)閉環(huán)。里面的閉環(huán)對(duì)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(duì)象、測(cè)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(jí)控制系統(tǒng)。

串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 工業(yè)生產(chǎn)串級(jí)控制

在工業(yè)生產(chǎn)中，物料的反應(yīng)會(huì)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(shí)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(jí)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(jí)控制，去掉副控制器——調(diào)節(jié)閥以及副檢測(cè)變送器——溫度測(cè)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(cè)的干擾，此時(shí)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(jí)控制來消除干擾的話副控制器會(huì)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(shí)為了簡化系統(tǒng)，主、副被控對(duì)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(jí)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(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 受到二次干擾后，串級(jí)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(jí)控制可以是調(diào)節(jié)時(shí)間大大減小，并且可以有效的消除二次干擾，與此同時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量也在大大的改善。

5. 結(jié)束語

串級(jí)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(shí)滿足穩(wěn)、準(zhǔn)、快三個(gè)方面的要求，而串級(jí)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