关于计算机控制.docx

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关于计算机控制

计算机控制中串级控制的系统仿真

学生：

李克雷

学号：

0801400

专业：

控制力理论与控制工程

任课老师：

关守平

摘要

PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于算法简单、鲁棒性好及可靠行高，被广泛应用于过程控制和运动控制中。

采用串级控制策略,可明显减小二次干扰的影响，使系统具有较好的控制品质。

本串级控制系统运用MATLAB编程设计控制算法。

MATLAB运行结果证明了方法的有效性。

关键词：

PID；串级控制；MATLAB

目录

摘要1

1.基本概念3

2.串级控制的特点与性能分析4

3.串级控制系统主、副调节器设计原则6

4.串级控制系统的整定方法7

4.1逐步逼近法7

4.2两步整定法7

4.3一步整定法7

5.串级控制仿真9

结论11

参考文献11

1.基本概念

串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，串级计算机控制系统的典型结构如图1所示，系统中有两个PID控制器，D2（S）称为副调节器传递函数，包围D2（S）的内环称为副回路。

D1（S）称为主调节器传递函数，包围D1（S）的外环称为主回路。

控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。

串级控制的主要优点：

（1）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，加快了系统的快速性并提高了系统的品质；

（2）副回路中的参数的变化，由副回路给予控制，对被控量G1的影响大为减弱；

（3）串级控制系统中选择内环时应考虑其响应速度要比外环响应速度快得多。

图1串级控制系统的结构图

一个在闭环里面，称为内环。

在控制中起“粗调”的作用。

一个在闭环外面，称为外环。

在控制中起“细调”的作用，最终保证被控量满足控制要求。

2.串级控制的特点与性能分析

（1）副控回路具有快速性，能够有效地克服进入副控回路的二次干扰。

对图1所示的串级控制系统进行简化，得到图3所示的串级控制系统，图中GV2（S）为二次干扰通道传递函数。

图3串级控制系统简化结构图

当二次干扰经干扰通道GV2（S）进入副控回路后，首先影响副参数Y2（S），于是副控制器立即动作，力图削弱干扰对Y2（S）的影响。

显然，干扰经副控回路的抑制5后再进入主控回路，对Y（S）的影响将有较大的减弱。

按图3所示串级系统，二次干扰V2（S）至主参数Y（S）的传递函数是：

为了与一个简单控制系统相比，由图4可以得到单回路控制下干扰V2（S）至主参数Y（S）的传递函数是：

图4单回路控制系统结构图

由此可见，与单回路控制系统相比，串级控制使被控量受二次于扰的影响可以减至原来的l/100～1/10。

对于单回路控制系统，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，超出这个范围，控制质量就会下降。

（2）可以加大主控制器的增益，提高系统的工作频率。

对于串级控制系统：

内环对象：

内环控制器：

等效对象：

其中：

分别为等效对象的增益和时间常数。

比较G2（S）和G’2（S）,由于1+Kc2Kp2>1，因此

由于副回路的存在，起到改善动态特性的作用，等效对象的时间常数缩小了（1+Kc2Kp2）倍，且随副控制器比例增益的增大而减小。

（3）使串级系统的自适应能力增强。

一般Kc2Kp2>>1，对象增益Kp2随负荷变化时，对等效对象的增益K´p2的影响不大。

另一方面，串级系统中，主控回路是定值控制系统，副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。

3.串级控制系统主、副调节器设计原则

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。

主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器，积分环节是为了减少稳态误差，提高控制精度；微分环节，是为了使系统反应灵敏，动作迅速。

由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，而当副控制器的比例系数不能太大时，则应该加入积分环节，因而副调节器可采用P或PI调节器。

根据串级控制的特点，为充分的发挥串级控制的作用是系统的性能达到满意的要求，一般的说串级控制系统的实际应该遵循一下原则：

（1）系统主要的扰动应该包含在副控回路之中。

把主要扰动加到副回路中，可以在扰动影像主控被控参数之前，已经由副控制回路的调节，是扰动的影响大大削弱。

（2）副控回路应该尽量包含积分环节。

积分环节的相位角滞后是-90°，当副控制回路包含积分环节时，相角滞后将可以减少，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。

（4）主控、副控回路的采样周期一般选择T1=（3~10）T2，以避免主控制回路和副控制回路之间发生相对干扰和共振。

4.串级控制系统的整定方法

在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种：

4.1逐步逼近法

所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。

而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。

依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。

4.2两步整定法

两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。

整定的具体步骤为：

．在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：

1）曲线法来整定副回路。

记下相应的比例度δ2S和振荡周期T2S。

．将副调节器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T1S。

．根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td的数值。

．按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。

4.3一步整定法

由于两步整定法要寻求两个4：

1的衰减过程，这是一件很花时间的事。

因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。

所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。

具体的整定步骤为：

．在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。

．按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。

．改变给定值，观察被控制量的响应曲线。

根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质指标最佳。

．如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。

5.串级控制仿真

按串级控制的基本原理，采用Simulink进行编程，在阶跃方式下进行仿真，仿真程序如图5所示。

在串级控制中，主调节器采用PID控制，取P=28,KI=0.01，KD=5,副调节器采用PI控制，KP=20，KI=0.1。

外加阶跃干扰和正弦干扰信号，串级控制的阶跃响应结果如图所示。

图5、串级控制系统的Simulink仿真模型

图6、串级控制系统的主控制器的参数设置

图7、串级控制系统的副控制器的参数设置

输入MATLAB命令，对该系统进行仿真，得出系统的阶跃响应曲线。

>>[t,x,y]=sim（'controlsystem',5）;%启动仿真过程

>>plot（t,y）%绘制系统的阶跃响应曲线

经过系统仿真，得出该系统的阶跃响应曲线如图8所示。

图8、系统阶跃响应曲线

结论

通过MATLAB计算机仿真串级控制系统，得到了系统的仿真曲线，由图可知，系统响应迅速，超调小。

串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用。

采用串级控制策略,可明显减小二次干扰的影响，使系统具有较好的控制品质。

MATLAB运行结果证明了方法的有效性。

参考文献

[1]、关守平.计算机控制理论与设计.沈阳:

东北大学出版社,2007

[2]、薛定宇、陈阳泉.高等应用数学问题的MATALAB的求解，2004

[3]、赵聪颖.串级控制在常减压装置减压塔上的应用研究.2006

[4]、何克忠.计算机控制系统分析与设计.北京:

清华大学出版社,2004

[5]、王平,肖琼,陈敏娜.计算机控制系统.北京:

高等教育出版社,2004

[6]、席爱民.计算机控制系统.北京:

高等教育出版社,2004

[7]、陈桂名.应用Matlab建模与仿真北京:

科学出版社,2001

[8]、张志涌.精通MATLAB6.5.北京:

北京航空航天大学出版社,2003