【正文】 快速控制作用，引入 D 控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。 (2)主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇 在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。如果所有的擾動(dòng)都包括在副回路中，主調(diào)節(jié)器也就失去了控制作用。 (5)在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時(shí)，可選流量為副被控量。 (1)在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個(gè)回路的協(xié)調(diào)工作問題。 系統(tǒng)特點(diǎn)及分析 (1)改善了過程的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。二次擾動(dòng)：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng) 【 1】 。 前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制 指標(biāo)；后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。因此工業(yè)上許多被控對象的整體或局部都可以抽象成雙容水箱的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的代表性，有較強(qiáng)的工業(yè)背景，對雙容水箱數(shù)學(xué) 模型的建立是非常有意義的。雙容水箱雖然結(jié)構(gòu)簡單，但卻是最基本的過程空竹系統(tǒng)。所以人們對控制系統(tǒng)的控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高。目 錄 前 言 ............................................................... 1 第一章 串級控制系統(tǒng)及仿真概述 ...................................... 2 串級控制系統(tǒng)簡介 ............................................ 2 基本概念及組成結(jié)構(gòu) ..................................... 2 串級控制系統(tǒng)的工作過程 ................................. 2 系統(tǒng)特點(diǎn)及分析 ......................................... 3 工程應(yīng)用場合 ........................................... 3 系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................... 3 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .......................................... 3 主回路的設(shè)計(jì) ........................................... 3 副回路的設(shè)計(jì) ........................................... 4 主、副回路的匹配 ....................................... 4 串級控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用 ....................................... 5 用于克服被控過程較大的容量滯后 ......................... 5 用于克服被控過程的純滯后 ............................... 6 用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng) ......................... 6 用于克服被控過程的非線性 ............................... 6 過程控制系統(tǒng)的 MATLAB 計(jì)算與仿真 ............................. 6 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真 ..................................... 6 控制系統(tǒng)的 MATLAB 計(jì)算與仿真 ............................ 7 第二章 PID 控制簡介及整定方法 ...................................... 10 PID 控制簡介 ................................................ 10 PID 參數(shù)整定方法 ........................................... 13 第三章 多容液位控制系統(tǒng)的建模 ...................................... 18 過程建模的方法 ............................................. 18 機(jī)理法 ................................................ 18 ................................................ 19 階躍響應(yīng)法 ............................................ 19 有相互影響的雙容建模 ....................................... 20 無相互影響的多容過程 ....................................... 22 第四章 多容液位控制系統(tǒng)的仿真 ...................................... 25 被控對象的仿真模型 ......................................... 25 單回路控制系統(tǒng)的仿真 ....................................... 25 串級控制系統(tǒng)的仿真 ......................................... 30 第五章 總結(jié)和展望 .................................................. 38 致謝 ............................................................... 39 參考文獻(xiàn) ........................................................... 40 附錄 ............................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。而實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對象往往具有非線性、時(shí)延的特點(diǎn)，應(yīng)用常規(guī)的控制手段難以達(dá)到理想的控制效果，研究對非線性、時(shí)延對象的先進(jìn)控制策略，提高系統(tǒng)的控制水平，具有重要的實(shí)際意義。即使在復(fù)雜、高水平的過程控制系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)仍占大多數(shù)（約占工業(yè)控制系統(tǒng)的 70%以上）。同時(shí)，雙容水箱的數(shù)學(xué)建模以及控制策略的研究對工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)的研究有指導(dǎo)意義。 整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。 串級控制系統(tǒng)的工作過程 當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。 (2)能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。 (2)將更多的擾動(dòng)包括在副回路中。 在這里要注意 (2)和 (3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動(dòng)包括在副回路中有可能導(dǎo)致副回路的滯后過大，這就會(huì)影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要兼顧 (2)和 (3)的綜合。原則上，在設(shè)計(jì)中要保證主、副回路擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)之比值在 3～10之間。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是隨動(dòng)控制。 (3)主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定 一個(gè)過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用的反饋是負(fù)反饋。利用串級控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過程動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)工作頻率，合理構(gòu)造二次回路，減小容量滯后對過程的影響，加快響應(yīng)速度。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化，影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真的過程包含如下步驟： (1)建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是指描述系統(tǒng) 的輸入、輸出變量以及內(nèi)部變量之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。 (4)進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)并輸出仿真結(jié)果 通過對仿真模型對試驗(yàn)參數(shù)的修改，進(jìn)行系統(tǒng)仿真試驗(yàn)，輸出仿真結(jié)果。差不多所有科學(xué)研究與工程技術(shù)應(yīng)用所需要的計(jì)算， MATLAB 均可完成。 (3)有好的圖形界面，用戶使用方便 MATLAB 具有有好的用戶界面與方便的幫助系統(tǒng)。 MATLAB數(shù)據(jù)的可視化非常簡單， MATLAB 還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。 針對過程控制系統(tǒng)的非線性、快時(shí)變、復(fù)雜多變量和環(huán)境擾動(dòng)等特點(diǎn)及 MATLAB 的可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)建模、仿真與分析等優(yōu)點(diǎn)，采用 MATLAB 的 Toolbox與 Simulink 仿真工具，為過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定的計(jì)算和仿真提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具，使過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定發(fā)生了革命性的變化。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于 Simulink。 Simulink 是用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。 (2)Simulink 的特點(diǎn)： 。 Embedded MATLAB 模塊在 Simulink 和嵌入式系統(tǒng)執(zhí)行中調(diào)用MATLAB 算法 。反饋理論包括三個(gè)基本要素：測量、比較和執(zhí)行。在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天，在工業(yè)過程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 結(jié)構(gòu)，而且許多高級控制都是以 PID 控制為基礎(chǔ)的。其控制規(guī)律為 001 ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( )ttp d p t did e t d e tu t K e t e t d t T K e t K e t d t KT d t d t??? ? ? ? ? ??????? 傳遞函數(shù)為： G(s)=U(s)/E(s)=Kp[1+ 1tTs +Tds]= Kp+ Kt 1s +Kds 式中 Kp為比例系數(shù)， Td為微分時(shí)間常數(shù)； Kt=Kp/Tt為積分常數(shù)， Kd=KpTd為微分系數(shù)。 e(t)=0 時(shí)，控制作用也為 0。 Kp取值過小，則會(huì)降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。若 Tt 過大，將使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 【 7】 (4)比例積分環(huán)節(jié) PI 控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 (5) 比例微分環(huán)節(jié) 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定，其原因是由于存在有較大慣性的組件（環(huán)節(jié)）或有滯后的組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落 后于誤差的變化。 (6) 比例積分微分環(huán)節(jié) PID 控制通過積分作用消除誤差，而微分控制可縮小超越量 ，加快反應(yīng)，是綜合了 PI 控制與 PD控制長處并去除其短處的控制。概括地講， PD控制的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面 : (1)原理簡單、結(jié)構(gòu)簡明、實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多實(shí)際需要的基本控制器 。具體分析，其局限性主要來自以下幾個(gè)方面 : (1)算法結(jié)構(gòu)的簡單性決定了 PID 控制比較適用于 SISO 最小相位系統(tǒng)，在處理大時(shí)滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時(shí)，需要通過 多個(gè) PID 控制器或與其他控制器的組合，才能得到較好的控制效果 。 【 8】 PID 參數(shù)整定方法 自 Ziegl