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串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

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1、目 錄1.串級(jí)控制的基本概念12.串級(jí)控制系統(tǒng)的原理13.串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)14.串級(jí)控制主、副控制器的設(shè)計(jì)45.Simulink仿真66.串級(jí)控制的改進(jìn)8附錄10參考文獻(xiàn)1181.串級(jí)控制的基本概念串級(jí)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(duì)象,外環(huán)為主控對(duì)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(jí)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(jí)控制系統(tǒng)的原理串級(jí)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(duì)象。3.串級(jí)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(jiǎn)化串級(jí)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(duì)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(duì)的影響將有較大的減弱。按圖2所示的串級(jí)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(jiǎn)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(jí)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(shuō),串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使二次干擾對(duì)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(lái)的。(2) 由于副控回路起到了改善對(duì)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(duì)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(guò)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(guò)大,超過(guò)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(jí)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(jiàn),副控對(duì)象增益隨負(fù)荷變化時(shí),對(duì)等效對(duì)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(jí)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(jí)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的變化有一定的自適應(yīng)能力。4.串級(jí)控制主、副控制器的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)串級(jí)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(jí)控制的特點(diǎn),為充分發(fā)揮串級(jí)控制的作用使系統(tǒng)的性能達(dá)到滿意的要求,

6、一般來(lái)說(shuō)串級(jí)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(cè)量的中間變量作為副控被控參數(shù),或者通過(guò)觀測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)于副控制器,通??梢赃x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(jí)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)都有影響,因此串級(jí)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(kāi)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(duì)

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(jí)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(guò)程經(jīng)過(guò)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(hào)。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(jiàn)附錄圖1:采用串級(jí)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(jiàn)附錄圖2,得到輸出響應(yīng)圖如下: 由仿真結(jié)果可見(jiàn)由于副控回路的存在,很好的控制了二次擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響,說(shuō)明采用串級(jí)控制能夠有效的克服進(jìn)入副控回路的干擾。6.串級(jí)控制的改進(jìn)上述過(guò)程雖然很好的控制了二次擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)性能的影響,但是實(shí)際過(guò)程中一些擾動(dòng)并不能被副回路所包含,此時(shí)對(duì)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(jí)控制對(duì)系統(tǒng)加以改進(jìn)。前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下:圖4 前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖在前饋-串級(jí)控制器的設(shè)計(jì)過(guò)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(lái)要想消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響,前饋-串級(jí)控制器應(yīng)使得對(duì)的影響為零,此時(shí)的前饋-串級(jí)控

10、制器可有前饋控制原理設(shè)計(jì)得: (3.9)通過(guò)(3.9)對(duì)上述串級(jí)控制系統(tǒng)加以改進(jìn),其Simulink仿真模型結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)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(jí)控制系統(tǒng)圖3 前饋-串級(jí)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(yáng):東北大學(xué)出版社,20112 劉建昌,關(guān)守平,周瑋. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng). 北京:科學(xué)出版社,20093 高金源,夏潔. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng). 北京:清華大學(xué)出版社,20074 張國(guó)范,顧樹(shù)生,王明順. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng). 北京:冶金工業(yè)出版社,20045 薛定宇. 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(第2版). 北京:清華大學(xué)出版社,2006

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