串級控制系統的設計與應用

宋偉偉 梁春芳

摘要 本文針對串級控制系統的原理、設計與應用進行了詳細的介紹和分析，并針對連續槽反應器溫度串級控制一例進行說明和Matlab仿真實驗，根據兩種不同的仿真波形分析得出串級控制的優點。

關鍵字 串級控制；PID；Matlab

1. 引言

20世紀以來，自動化技術在工業生產和科學發展中的地位不斷提升。目前，工業自動化已經進入信息化時代，而其中的過程控制是最重要的一部分。工業生產對過程控制的最終要求即安全性、經濟性、和穩定性。在過程控制中串級控制是改善控制最為有效的辦法，也因此被廣泛的應用。

2. 串級控制系統基本原理

串級系統與簡單系統相比較有一個顯著的特點，即其在結構上形成兩個閉環。里面的閉環對系統參數起著粗調的作用，我們稱之為副回路，而外面的閉環在系統控制中起著細調的作用，以保證被控量滿足工業生產的要求，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象、測量變送原件和控制器。其各自之間的連接構成了一般的串級控制系統。

串級控制系統的副回路對二次干擾可以快速的消除，大大提高了控制的穩定性和快速性，而且還有一定的自適應能力，可以有效的克服干擾的影響。

3. 串級控制系統設計與應用

3.1 工業生產串級控制

在工業生產中，物料的反應會伴隨著溫度的產生，因此為了保證反應能按照我們期待的繼續，保證產品的質量我們必須嚴格的控制反應的溫度。我們通常采用調節閥來控制冷卻水的流量來控制反應器中反應物料的溫度。工業生產同時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生的影響，而解決干擾最有效的辦法就是運用串級控制。

3.2 連續槽反應器溫度控制

現在我們假設不運用串級控制，去掉副控制器——調節閥以及副檢測變送器——溫度測量，構成了外圍的單回路。如果冷卻水方面發生干擾，比如水溫突然升高或者流量突然增加或減少等不可預測的干擾，此時必須經過夾套，槽壁和反應槽才能控制反應溫度升高或降低。但是如果按照串級控制來消除干擾的話副控制器會快速并且有效地在副回路內消除二次干擾。

3.3 主、副控制器的選擇

PID調節即比例、積分、微分調節，比例是將反應系統的偏差按比例來放大，積分可以用來消除系統的穩態誤差，而微分主要存在于大慣性組件或帶有滯后組件系統中用來消除振蕩的。在這里我們主控制器和幅控制器均采用PID調節，同時為了簡化系統，主、副被控對象以及主、幅環的反饋傳函均用一階慣性環節代替。

4. Matlab 仿真與結果分析

使用matlab軟件的simulink軟件仿真，分別仿真出串級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。

串級控制系統結構圖 受到二次干擾后，串級控制系統的輸出波形

單回路系統結構圖 受到二次干擾后，單回路控制系統的輸出波形

由上圖我們我可看出引入串級控制可以是調節時間大大減小，并且可以有效的消除二次干擾，與此同時系統的超調量也在大大的改善。

5. 結束語

串級控制在工業生產中的應用起著不可或缺的作用，工業過程中我們常常要求控制系統可以同時滿足穩、準、快三個方面的要求，而串級控制剛好可以有效地達到我們所需的要求。

6. 參 考 文 獻

[1]《過程控制系統》 黃德先、王京春、金以慧編著 清華大學出版社2011-05