串级控制系统

过 程 控 制

实验报告

实验名称： 串级控制

班级：

姓名：

学号：

实验二 串级控制系统

一、实验目的

1) 通过本实验，了解串级控制系统的基本结构以及主、副回路的性能特点。

2) 掌握串级控制系统的设计思想和主、副回路控制器的参数整定方法。

二、 实验原理

串级控制系统由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。控制器相串联，副控制器的输入由主控制器的输出设定。主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动系统，对二次扰动而言，副回路是恒值控制系统。

串级控制的主要优点可概括如下:

1) 由于副回路的存在，改善了对象的部分特性，使系统的工作频率提高，加快了调节过程。

2) 由于副回路的存在，串级控制系统对二次扰动具有较强的克服能力。

3) 串级控制系统提高了克服一次扰动的能力和回路参数变化的自适应能力。

串级控制系统副回路的设计原则：

1) 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动。在可能的情况下力求包含尽可能多的扰动。

2) 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。

3) 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。

4) 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。

5) 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。

串级控制系统常用的控制器参数整定方法有逐步逼近法、两步法、一步法等。

 逐步逼近法

1) 在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数；

2) 将副控制器的参数设置在所求的数值上，使串级控制系统主回路闭合，以求取主调节器的整定参数值；

3) 将主调节器参数设置在所求值上，再次整定副控制器的参数值。

串级控制系统的工作原理

串级控制系统是一种复杂控制系统结构，由多个单独的控制环路组成，其中每个环路都处理系统的某个方面。这些环路按照特定的顺序连接在一起，形成一个层次结构。在串级控制系统中，高层环路的输出成为低层环路的输入。

串级控制系统的工作原理如下：

1. 输入信号：系统的输入信号首先被传递给最高层的环路，也被称为主要控制环路。这个环路负责处理主要的控制任务，例如设定系统的目标值和跟踪参考信号。

2. 主控制环路：主控制环路从输入信号中提取有用的信息，计算出相应的控制命令，并将其传递给下一层的辅助控制环路。

3. 辅助控制环路：辅助控制环路通常负责系统的细节控制任务，例如补偿控制、补偿非线性特性以及抑制干扰等。它们从主控制环路接收指令，并根据需要对输入信号进行修正。

4. 信号传递：辅助控制环路将修正后的信号传递给下一层环路，这个过程可以一直继续到系统中的最后一层环路。

5. 输出信号：最后一层环路通常称为执行环路，它负责将辅助控制环路的输出转换成最终的控制信号，并将其送到执行机构或设备中实施控制。

通过这种层次分解和串联的结构，串级控制系统能够将复杂的控制任务分解为更简单的子任务，并逐级处理。每个环路都专注于处理一个特定的任务，并通过调整输入信号来改善总体的控制性能。这种架构使得串级控制系统能够更好地适应系统的复杂性和动态变化。

过 程 控 制

实验报告

实验名称： 串级控制

班级：

姓名：

学号：

实验二 串级控制系统

一、实验目的

1) 通过本实验，了解串级控制系统的基本结构以及主、副回路的性能特点。

2) 掌握串级控制系统的设计思想和主、副回路控制器的参数整定方法。

二、 实验原理

串级控制系统由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。控制器相串联，副控制器的输入由主控制器的输出设定。主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动系统，对二次扰动而言，副回路是恒值控制系统。

串级控制的主要优点可概括如下:

1) 由于副回路的存在，改善了对象的部分特性，使系统的工作频率提高，加快了调节过程。

2) 由于副回路的存在，串级控制系统对二次扰动具有较强的克服能力。

3) 串级控制系统提高了克服一次扰动的能力和回路参数变化的自适应能力。

串级控制系统副回路的设计原则：

1) 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动。在可能的情况下力求包含尽可能多的扰动。

2) 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。

3) 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。

4) 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。

5) 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。

串级控制系统常用的控制器参数整定方法有逐步逼近法、两步法、一步法等。

 逐步逼近法

1) 在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数；

2) 将副控制器的参数设置在所求的数值上，使串级控制系统主回路闭合，以求取主调节器的整定参数值；

3) 将主调节器参数设置在所求值上，再次整定副控制器的参数值。

串级控制系统仿真

解题步骤：

(1) 串级控制系统的方框图：

（2）单回路控制系统图：

图（2）为采用单回路控制时的Simulink图，其中，PID C1为单回路PID控制器，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；Go2为副对象，Go1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。

在PID参数设置中，经过不断的试验，当输入比例系数为260，积分系数为0，微分系数为140时，系统阶跃响应达到比较满意的效果，系统阶跃响应如下图：

采用这套PID参数时，二次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下。

系统的输出响应如下图：

采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下：

系统的输出响应如下

从综合以上各图可以看出，采用单回路控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次扰动，二次扰动的抑制效果不是很好。

图（1）是采用串级控制时的情况，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；PID C1为主控制器，采用PD控制，PID C2为副控制器，采用PID控制；Go2为副对象，Go1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；scope为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。

经过不断试验，当PID C1为主控制器输入比例系数为550，积分系数为0，微分系数为80时；当PID C2为主控制器输入比例系数为3，积分系数为0，微分系数为0时；系统阶跃响应达到比较满意的效果，系统阶跃响应如下图所示：

采用这套PID参数时，二次扰动作用下，置输入为0，系统的框图如下:

系统的输出响应如下图:

采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统的框图如下:

系统的输出响应如下图:

系统采用单回路控制和串级控制的对比

控制品质指标 单回路控制

Kc1=260，Tc1=140 串级控制

Kc1=550，Tc1=80，Kc2=3

衰减率 0.75 0.75