PAGEPAGEI目錄1.串級控制的基本概念 12.串級控制系統的原理 13.串級控制系統的特點 14.串級控制主、副控制器的設計 45.Simulink仿真 66.串級控制的改進 8附錄 10參考文獻 111.串級控制的基本概念串級控制系統為雙閉環或多閉環控制系統，控制系統內環為副控對象，外環為主控對象。內環的作用是將外部擾動的影響在內環進行處理，而盡可能不使其波動到外環，這就加快了系統的快速性并提高個系統的品質，因此串級控制系統中選擇內環時應考慮其響應速度要比外環快得多。2.串級控制系統的原理串級控制在結構上形成的兩個閉環，一個在閉環里面，成為內環、副環或副控回路，其控制器為副控制器，在控制中起“粗調”的作用；一個閉環在外面，成為外環、主環或主控回路，其控制器稱為主控制器，在控制中起“細調”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象。圖1為串級控制系統的結構圖。圖1串級控制系統的結構圖3.串級控制系統的特點副控制回路具有快速性，能夠有效的克服進入副控回路的二次干擾。圖2為簡化串級控制系統的結構圖，其中為二次干擾通道傳遞函數。圖2串級控制系統簡化結構圖當二次干擾經擾動通道進入副控回路后，首先影響副參數，于是副控制器立即動作，力圖削弱干擾對的影響。顯然，干擾經副控回路的抑制后再進主控回路，對的影響將有較大的減弱。按圖2所示的串級系統，二次干擾到主參數的傳遞函數是（3.1）為了與一個簡單單環控制系統相比，由圖3可以得到單回路控制下干擾至主參數的傳遞函數是（3.2）圖3單回路控制系統結構圖比較（3.1）和（3.2），假定,可以看到串級系統中的的分母中多了一項，即。在主控回路的工作頻率下，這項乘積的系數一般較大，且隨副控制器比例增益的增大而增大。另外（3.1）分母中的第三項比（3.2）分母中的第二項多了一個，一般情況下，副控制器的比例增益大于1，因此可以說，串級控制系統的結構使二次干擾對主參數這一通道的動態增益明顯減小，當二次干擾出現時，很快被副控制器所克服。與單回路控制系統相比，被控量受二次干擾的影響可以減小至原來的。（2）由于副控回路起到了改善對象動態特性的作用，因此可以加大主控制器的增益提高系統的工作頻率。如果把整個副控回路看作一個等效對象，記作(3.3)并且假設副控回路中各環節傳遞函數為;（3.4）則副控回路的等效傳遞函數為(3.5)其中（3.6）(3.7)分別是等效對象的增益和時間常數。比較和，由于這個不等式恒成立。因此有（3.8）上式表明，由于副控回路的存在，起到改善動態特性的作用，等效對象的時間常數縮小了倍，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，這樣等效的時間常數就可以減到很小的數值，從而加快了副控回路的響應速度，提高了系統的工作頻率。（3）、由于副控回路的存在，使系統的自適應能力增強。眾所周知，生產過程往往包含一些非線性因素。因此，在一定的負荷下，即在確定的工作點情況下，按一定控制量指標整定的控制器參數只適應于工作點附近的一個小范圍。如果負荷變化過大，超過這個范圍，控制質量就會下降。在單回路控制系統中若不采取其他措施是難以解決的。在串級系統中情況就不同了，負荷變化引起副控回路內各環節參數的變化，可以較少影響或不影響系統的控制質量。一般情況下，，因此由式（3.6）可見，副控對象增益隨負荷變化時，對等效對象的增益的影響不大，因而在不改變控制器整定參數的情況下，系統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量。另一方面，串級系統中，主控回路是隨動控制系統，主控制器可以按操作條件或負荷變化相應地調整副控制器的設定值，副回路能快速跟蹤，從而保證系統的控制品質。從上述兩個方面看，串級控制系統對負荷的變化有一定的自適應能力。4.串級控制主、副控制器的設計計算機串級控制系統如圖4所示.圖中的、為數字控制器，、分別為主控回路和副控回路的采樣周期。根據串級控制的特點，為充分發揮串級控制的作用使系統的性能達到滿意的要求，一般來說串級控制系統的設計遵循以下原則：系統主要的擾動應該包含在副控制回路之中。把主要擾動包含在副控回路中，可以在擾動影響主要被控參數之前，已經由副控回路的調節使擾動的影響大大減小。副控回路應盡量包含積分環節。積分環節的相角滯后是，當副控回路包含積分環節時，相角滯后將可以減小，有利于調節系統的品質。必須用一個可以測量的中間變量作為副控被控參數，或者通過觀測分析，由下游狀態推斷上游狀態的中間變量。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生相對干擾和共振。主、副控制器用的較多的控制規律是控制規律。對于主控制器，為了減小穩態誤差，提高控制精度，應該具有積分控制：為了系統反應靈敏，動作迅速，應該加入微分控制。因此主控制器一般選用控制規律。對于副控制器，通常可以選用比例控制。當副控制器的比例系數不能太大時，則適當的加入積分控制，即采用控制規律。采用控制規律時，需要整定控制器的參數。串級控制由于主、副兩個控制器串接在一起，其中任意一個控制器的任一參數發生變換，對整個系統都有影響，因此串級控制系統的整定比單回路系統復雜。下面介紹一種“逐步逼近”的整定方法：首先整定副控回路。此時斷開主控回路，按單回路系統整定方法，求取副控制器的整定參數，記為。整定主控回路。將副控制器的參數置于剛好整定的數值上，閉合主控回路，把副控回路視為主控回路的一個等效對象，仍按單回路系統整定方法求取主控制器的整定參數。再次整定副控回路。此時主控、副控回路都以閉合。系統處于串級運行狀態。主控制器參數置于，按單回路整定方法，求取副控制器的整定參數，至此已完成一次循環的整定。如果控制質量已經達到要求，整定工作就此結束。主、副控制器的參數分別取為和。如果控制過程經過一次循環還不能滿足要求，則需繼續整定下去。依上述方法循環進行，直到控制效果滿意為止。5.Simulink仿真設被控對象的傳遞函數為：其中主控對象為：副控對象為：二次擾動為有限帶寬的白噪聲，一次擾動為階躍信號。在單回路控制系統中得到的輸出響應仿真圖如下，其Simulink仿真模型結構圖見附錄圖1：采用串級控制，外環采樣時間；內環采樣時間:Simulink仿真，仿真圖見附錄圖2,得到輸出響應圖如下：由仿真結果可見由于副控回路的存在，很好的控制了二次擾動對系統的影響，說明采用串級控制能夠有效的克服進入副控回路的干擾。6.串級控制的改進上述過程雖然很好的控制了二次擾動對系統性能的影響，但是實際過程中一些擾動并不能被副回路所包含，此時對系統的性能仍然有一定的影響，此時便可以使用前饋-串級控制對系統加以改進。前饋-串級控制系統的結構圖如下：圖4前饋-串級控制系統的結構圖在前饋-串級控制器的設計過程中，由于內環響應比外環快的多，可以認為內環的傳遞函數，如此一來要想消除擾動對系統的影響，前饋-串級控制器應使得對的影響為零，此時的前饋-串級控制器可有前饋控制原理設計得：(3.9)通過（3.9）對上述串級控制系統加以改進，其Simulink仿真模型結構圖見附錄圖1，然后進行Simulink仿真，仿真結果如下：由仿真的結果可只改進后的系統的性能更好。附錄圖1單環控制系統圖2串級控制系統圖3前饋-串級控制系統參