對(duì)目前MATLAB的串級(jí)PID控制系統(tǒng)分析

【摘要】通過(guò)與單回路系統(tǒng)的比較與串級(jí)PID控制系統(tǒng)的研究，介紹了串級(jí)控制系統(tǒng)的新特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)將MATLAB的增量式PID控制算法用于控制系統(tǒng)中，提高了串級(jí)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】串級(jí)控制系統(tǒng)；控制算法；MATLAB；PID

一、單回路系統(tǒng)的介紹

單回路控制器一種以微處理器為計(jì)算、控制核心，配以相應(yīng)軟件，在外觀及使用上類似常規(guī)模擬控制器的數(shù)字式控制儀表，又稱單回路數(shù)字控制器。單回路控制器一般可接受多個(gè)輸入信號(hào)，但只輸出一個(gè)模擬量信號(hào)，構(gòu)成單回路直接數(shù)字控制。常見(jiàn)的比值控制系統(tǒng)有單閉環(huán)比值、雙閉環(huán)比值和串級(jí)比值三種。單閉環(huán)比值控制系統(tǒng)特點(diǎn)：物料流量的比值較為精確，但當(dāng)主流量出現(xiàn)大的擾動(dòng)或負(fù)荷頻繁波動(dòng)時(shí)，副流量在調(diào)節(jié)過(guò)程中相對(duì)于控制器的給定值會(huì)出現(xiàn)比較大的偏差，不適用于需嚴(yán)格要求動(dòng)態(tài)比值的化學(xué)反應(yīng)。雙閉環(huán)比值控制系統(tǒng)特點(diǎn)：能克服單閉環(huán)的缺點(diǎn)，提降負(fù)荷比較方便。串級(jí)比值控制系統(tǒng)特點(diǎn)：比值可變化，精度高，應(yīng)用范圍廣。雖然單回路系統(tǒng)解決了工業(yè)化發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的大量數(shù)據(jù)參數(shù)的控制問(wèn)題，但隨著科學(xué)技術(shù)與世界工業(yè)化進(jìn)程的持續(xù)發(fā)展，工業(yè)中的數(shù)據(jù)參數(shù)日漸復(fù)雜且更加的龐大，單回路系統(tǒng)在處理這些數(shù)據(jù)中的不足日益顯現(xiàn)，為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，人們開(kāi)始設(shè)計(jì)出了串級(jí)控制系統(tǒng)，并在工業(yè)生產(chǎn)中取得了很大的進(jìn)展，在工業(yè)生產(chǎn)的控制進(jìn)程中得到了廣泛的使用。

二、串級(jí)控制系統(tǒng)的介紹

串級(jí)控制系統(tǒng)適用于時(shí)間長(zhǎng)度機(jī)純滯后較大的對(duì)象，是由兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，控制一個(gè)執(zhí)行閥，從而達(dá)到定值控制的目的。它具有主.副變量，主.副控制器等主要部分構(gòu)成，每一個(gè)回路都具有屬于自己對(duì)的調(diào)節(jié)器和控制對(duì)象，主回路中的調(diào)節(jié)器叫主調(diào)節(jié)器，作為系統(tǒng)的主被控變量，又稱主對(duì)象；副回路中的調(diào)節(jié)器又被稱為副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為副被控變量，又稱副對(duì)象，它的輸出值是一個(gè)輔助的控制變量。串級(jí)控制系統(tǒng)由于副回路的存在，提高了系統(tǒng)的工作頻率，減少的系統(tǒng)調(diào)節(jié)的時(shí)間，提高了系統(tǒng)的快速性。串級(jí)控制系統(tǒng)在提高系統(tǒng)的控制方面，它區(qū)別于單回路系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)有：1）：提高了系統(tǒng)控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。2）：提高了系統(tǒng)的工作頻率。3）：具有一定的抗擾動(dòng)能里，能迅速克服進(jìn)入副回路的二次干擾。4）：具有一定的自適應(yīng)能力可以減少或消除副對(duì)象的非線性。針對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)，在目前的工業(yè)化領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的使用，所以設(shè)計(jì)一條串級(jí)控制系統(tǒng)正確的發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)是很重要的，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)考慮多方面的因素，串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜，它需要在設(shè)計(jì)的時(shí)候包括進(jìn)主，副回路和主，副控制器的控制規(guī)律和參數(shù)的選擇以及正確的使用。

三、串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

串級(jí)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中應(yīng)該主要考慮副參數(shù)的選擇以及副回路的考慮，主，副控制器的運(yùn)用上

1、主變量的選擇、與單回路控制系統(tǒng)的選擇原則相同的是，串級(jí)控制系統(tǒng)也應(yīng)該選擇能夠直接或者間接的反應(yīng)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品產(chǎn)量，質(zhì)量，節(jié)能，以及安全等的控制要求的參數(shù)作為主變量。從直接或者間接的與生產(chǎn)過(guò)程密切相關(guān)并可以直接測(cè)量的工藝參數(shù)均可選擇作為主參數(shù)。而其中質(zhì)量指標(biāo)是最直接也是最有效的，所選參數(shù)必須具有靈敏度，并要復(fù)合工藝過(guò)程的合理性。

2、副變量的選擇、在保證副回路的時(shí)間常數(shù)較小的前提下，使主參數(shù)納入主要的和更多的干擾，因?yàn)楦被芈钒母蓴_越多，它的通道就會(huì)越長(zhǎng)，克服干擾的靈敏度就會(huì)越低，這樣的話就會(huì)影響串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率。而且應(yīng)使主，副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配，由于串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最終還是要運(yùn)用到工業(yè)中去，所以也應(yīng)該更多的去考慮工藝上的合理性，經(jīng)濟(jì)型和可能性。

3、主副回路的設(shè)計(jì)、副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，一般對(duì)其控制品質(zhì)要求不高，對(duì)其快速性要求較高。串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路具有調(diào)節(jié)速度快，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，即副環(huán)回路對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)，主環(huán)回路對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行細(xì)調(diào)。因此，串級(jí)控制系統(tǒng)能夠迅速克服進(jìn)入副環(huán)擾動(dòng)的影響，并使系統(tǒng)余差大大減小，從而是液位快速的回到系統(tǒng)所給定要求的液位狀態(tài)。在設(shè)計(jì)副回路時(shí)要充分發(fā)揮這一特點(diǎn)，在選擇富參數(shù)進(jìn)行副回路設(shè)計(jì)時(shí)，一定要注意主，副過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)度的匹配問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是保證串級(jí)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，并且能夠保持高效的穩(wěn)定性，保證生產(chǎn)安全，增加抗干擾能力的主要保證。

四、基于MATLAB的PID串級(jí)控制系統(tǒng)

當(dāng)采用單級(jí)PID控制時(shí)，由于系統(tǒng)遲延較大，在下水箱出現(xiàn)正偏差、降負(fù)荷的初級(jí)階段，上水箱中的水位值已經(jīng)開(kāi)始下降，但下水箱中的水位繼續(xù)上升，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變差；基于上述現(xiàn)象的存在，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性呈現(xiàn)一種近似等幅振蕩狀態(tài)。因而系統(tǒng)不宜采用單級(jí)PID控制。MATLAB具有強(qiáng)大、豐富的內(nèi)置函數(shù)，以及高度靈活的可編程性，特別適合數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果的圖形化顯示，所以用MATLAB進(jìn)行PID控制能夠數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果的圖形化顯示，能夠及實(shí)時(shí)掌握控制的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。如圖中的串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖所示；

液位傳感器1和液化傳感器2分別將將檢測(cè)到的上水箱液位信號(hào)和下水箱液位信號(hào)通過(guò)單片機(jī)通訊接口傳送到計(jì)算機(jī)，使其分別與兩個(gè)PID系統(tǒng)設(shè)定值比較，以判斷有沒(méi)有偏差存在或者是計(jì)算出現(xiàn)的偏差大小。上位計(jì)算機(jī)調(diào)用MATLAB的PID算法程序，這個(gè)程序包含了兩個(gè)PID算法程序，對(duì)偏差實(shí)行PID運(yùn)算，首先對(duì)系統(tǒng)設(shè)定值與下水位液位信號(hào)進(jìn)行比較，得到的偏差作為PID1的輸入信號(hào)，PID1對(duì)該偏差進(jìn)行運(yùn)算后的輸入信號(hào)，作為上水槽液位的對(duì)象的設(shè)定值，將該設(shè)定值與上水槽液位的信號(hào)進(jìn)行比較，PID2對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)與單片機(jī)的通訊接口，輸出去控制水泵轉(zhuǎn)速，通過(guò)這來(lái)調(diào)整上水箱的進(jìn)水量，達(dá)到控制液位的目的，最終就實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位的自動(dòng)控制。

五、串級(jí)系統(tǒng)的參數(shù)整定和控制結(jié)果

串級(jí)系統(tǒng)由于是兩個(gè)調(diào)節(jié)器串聯(lián)在一起工作，各個(gè)回路之間存在影響，容易相互干擾，所以串級(jí)系統(tǒng)的參數(shù)整定比單回路系統(tǒng)復(fù)雜，而且串級(jí)控制系統(tǒng)的中待整定參數(shù)也比單回路得多。通常用到的整定方法有：兩步整定法，逐漸逼近法，以及一步整定法。兩步整定發(fā)就是在主回路以及副回路都關(guān)閉的情況下，用單回路系統(tǒng)方法各整定一次主副回路，然后按照取得的特征值查表計(jì)算，就可以取得較為滿意的主副調(diào)節(jié)參數(shù)。

六、結(jié)論

通過(guò)有關(guān)對(duì)目前MATLAB的串級(jí)PID控制系統(tǒng)的研究表明，串級(jí)PID控制系統(tǒng)是比單回路控制系統(tǒng)的精確度更高，而且它的穩(wěn)定性也更加強(qiáng)的計(jì)算系統(tǒng)，對(duì)于含有純滯后的雙容無(wú)自衡過(guò)程，采用單回路系統(tǒng)難以奏效，只有采用串級(jí)控制系統(tǒng)可以獲得比較理想的控制效果。將基于MATLAB的控制算法用于雙容無(wú)自衡的串級(jí)控制系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)的控制更加靈活方便，而且更容易實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程。