【正文】 二次擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動(dòng)通過(guò)主、副回路的調(diào)節(jié)對(duì)主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時(shí)應(yīng)盡可能把被控過(guò)程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動(dòng)包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動(dòng)。 (1)在設(shè)計(jì)中要將主要擾動(dòng)包括在副回路中。 (3)副 被控過(guò)程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。 (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。 【 2】 主、副回路的匹配 (1)主、副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量、時(shí)間常數(shù)的匹配 設(shè)計(jì)中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動(dòng)，同時(shí)也 要注意主、副回路擾動(dòng)數(shù)量的匹配問(wèn)題。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。比值過(guò)高，即副回路的時(shí)間常數(shù)較主回路的時(shí)間常數(shù)小得太多，副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動(dòng)數(shù)量過(guò)少，對(duì)于改善系統(tǒng)的控制性能不利；比值過(guò)低，副回路的時(shí)間常數(shù)接近主回路的時(shí)間常數(shù)，甚至大于主回路的時(shí)間常數(shù)，副回路雖然對(duì)改善被 控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及時(shí)有效地克服擾動(dòng)對(duì)被控量的影響。 (2)主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作用是不同的。系統(tǒng)對(duì)二個(gè)回路的要求有所不同。如果引入 I 控制，會(huì)延長(zhǎng)控制過(guò)程，減弱副回路的快速 控制作用；也沒(méi)有必要引入 D 控制，因?yàn)楦被芈凡捎? P 控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入 D 控制會(huì)使調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過(guò)大，不利于整個(gè)系統(tǒng)的控制。串級(jí)控制系統(tǒng)有兩個(gè)回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保證兩個(gè)回路均為負(fù)反饋。 【 3】 用于克服被控過(guò)程較大的容量滯后 在過(guò)程控制系統(tǒng)中，被控過(guò)程 的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時(shí)，控制要求較高，如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。在構(gòu)造二次回路時(shí)，應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小的副回路，保證快速動(dòng)作的副回路。使用串級(jí)控制系統(tǒng)，在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路，把主要擾動(dòng)包含在副 回路中，提高副回路對(duì)系統(tǒng)的控制能力，可以減小純滯后對(duì)主被控量的影響。 用于抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng) 串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于回路內(nèi)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。 用于克服被控過(guò)程的非線性 在過(guò)程控制中，一般的被控過(guò)程都存在著一定的非線性。單回路系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求，由于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是隨動(dòng)控制系 統(tǒng)，具有一定的自適應(yīng)性，在一定程度上可以補(bǔ)償非線性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響 。 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真就是以控制系統(tǒng)的模型為基礎(chǔ)，采用教學(xué)模型代替實(shí)際的控制系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)和研究的一種方法。系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立可采用解析法和試驗(yàn)法，常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型有微分方程、傳遞函數(shù)、結(jié)構(gòu)圖、狀態(tài)空間表達(dá)式。 (3)編制控制系統(tǒng)的仿真軟件 采用各種各樣的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言（ Basic、 FORTRAN、 C等語(yǔ)言）編制控制系統(tǒng)的仿真程序，或直接利用一些仿真語(yǔ)言。如果應(yīng)用 MATLAB 的 Toolbox 及 Simulink 集成環(huán)境作為仿真工具，則構(gòu)成了 MATLAB 仿真。 MATLAB 具有以下主要特點(diǎn)： (1)功能強(qiáng)大，實(shí)用范圍廣 MATLAB 除具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，它還提供了專(zhuān)業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算。 (2)語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活 MATLAB 提供的庫(kù)函數(shù)及其豐富，既有常用的基本庫(kù)函數(shù)，又有種類(lèi)齊全、功能豐富多樣的 專(zhuān)用庫(kù)函數(shù)。由于庫(kù)函數(shù)都由本領(lǐng)域的專(zhuān)家編寫(xiě)，用戶(hù)不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性。 MATLAB 的函數(shù)命令眾多，功能各異，但 MATLAB 得聯(lián)機(jī)幫助功能使用戶(hù)既可用 help 命令查詢(xún)某個(gè)函數(shù)的功能及使用，又可由 MATLAB 圖形界面下的 help 菜單來(lái)查詢(xún)，為用戶(hù)提供了學(xué)習(xí)它的便捷之路。 (4)圖形功能強(qiáng)大 MATLAB 里提供了多種圖形函數(shù)，可以繪制出豐富多彩的圖形。 (5)功能強(qiáng)大的工具箱 MATLAB 包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科性工具包：功能性工具包用來(lái)擴(kuò)充 MATLAB 的符號(hào)計(jì)算、可視化建模仿真、文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能；學(xué)科性工具包是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包、信號(hào)處理工具包、通信工具包等都屬于此類(lèi)。Simulink 是 MATLAB 最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。 Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn) Simulink 已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。 (1)Simulink 的功能： Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具， 是一種基于 MATLAB 的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型， Simulink 提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶(hù)接口 (GUI) ，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方 式，而且用戶(hù)可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。對(duì)各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號(hào)處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)， Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫(kù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測(cè)試。 Simulink 與MATLAB 緊密集成，可以直接訪問(wèn) MATLAB 大量的工具來(lái)進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化 、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號(hào)參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的定義。 ，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理 。 API用于與其他仿真程序的連接或與手寫(xiě)代碼集成 。 ，根據(jù)仿真模式來(lái)決定以解釋性的方式運(yùn)行或以編譯 C 代碼的形式來(lái)運(yùn)行模型 。 【 5】 第二章 PID 控制簡(jiǎn)介及整定方法 PID 控制簡(jiǎn)介 1. PID 控制原理 當(dāng)今的自動(dòng)控制技術(shù)絕大部分是基于反饋概念的。測(cè)量關(guān)心的是變量，并與期望值相比較，以此誤差來(lái)糾正和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的響應(yīng)。 【 6】 在過(guò)去的十幾年里， PID 控制，也就是比例積分微分控制在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用。 常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理如圖 。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 e(t)構(gòu)成偏差 e(t)=r(t)c(t) 將偏差的 比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行控制。 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下 : (1)比例環(huán)節(jié)。當(dāng)偏差。因此，比例控制是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，即有差調(diào)節(jié)。 Kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 (2)積分環(huán)節(jié)。 Tt越小 ，積分作用越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差消除越快，但 Tt 過(guò)小，在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。 (3)微分環(huán)節(jié)。但 Td 過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 PI 控制器在 與被控對(duì)象串聯(lián)時(shí)，相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于 s左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)。在實(shí)際工程中， PI 控制器通常用來(lái)改變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。解決的辦法是使抑制誤差作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。因此對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。從頻域角度看， PID控制通過(guò)積分作用于系統(tǒng)的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，而微分作用于系統(tǒng)的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 控制的特點(diǎn) 事實(shí)表明，對(duì)于 PID 這樣簡(jiǎn)單的控制器，能夠適用于廣泛的工業(yè)與民用對(duì)象，并仍以很高的性?xún)r(jià)比在市場(chǎng)中占據(jù)著重要地位，充分地反映了 PID 控 制器的良好品質(zhì)。 (2)控制器適用于多種不同的對(duì)象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)魯棒性。 但從另一方面來(lái)講，控制算法的普適性也反映了 PID 控制器在控制品質(zhì)上的局限性。 (2)算法結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性同時(shí)決定了 PID 控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn) 。 (3)出于同樣的原因，決定了單一 PID 控制器無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足對(duì)假定設(shè)定值控制和伺服 /跟蹤控制的不同性能要求。 1. 傳統(tǒng)整定方法 (1)ZieglerNichols 經(jīng)驗(yàn)公式 (ZN公式法 )。此方法簡(jiǎn)單易行，但參數(shù)需要進(jìn)一步調(diào)整，一般用于手工計(jì)算和設(shè)置控制器初值。該方法需要做穩(wěn)定邊界實(shí)驗(yàn)，在閉環(huán)系統(tǒng)中控制器只用比例作用，給定值作階躍擾動(dòng)，從較大的比例帶開(kāi)始，逐漸減小，直至被控量出現(xiàn)臨界振蕩為止，記下臨界振蕩周期和臨界比例帶。由于不易使系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)定的臨界振蕩或不允許系統(tǒng)離線 進(jìn)行參數(shù)整定，臨界參數(shù)的獲取通常用 Astrom 和 Hagglund 提出的繼電反饋法。對(duì)一階慣性加純遲延的對(duì)象，時(shí)間常數(shù) T 較大時(shí)，整定費(fèi)時(shí) 。 (3)衰減曲線法。然后按照經(jīng)驗(yàn)公式確定 PID 參數(shù)。這種方法僅根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)整定控制器的參數(shù)，具有物理意義明確的優(yōu)點(diǎn)，可以以較少的試驗(yàn)工作量和簡(jiǎn)便的計(jì)算，得出控制器參數(shù)，因而在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。但運(yùn)用該方法得到的控制器參數(shù)比較粗糙，控制效果只能滿(mǎn)足一定要求，參數(shù)的優(yōu)化遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 。 1984 年，著名瑞典自動(dòng)控制學(xué)者 Astrom 提出了繼電器振蕩 PID 參數(shù)自動(dòng)整定技術(shù)，在繼電反饋下觀測(cè)被控過(guò)程的極限環(huán)振蕩，對(duì)過(guò)程施加周期性方波，根據(jù)極限環(huán)的特征確定過(guò)程的基本性質(zhì)，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算即可得出動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)學(xué)模型的有用信息 :臨界振蕩周期 Tu和臨界增益 Ku。從根本上說(shuō)，這仍然是根據(jù)過(guò)程響應(yīng)來(lái)整定參數(shù)，是傳統(tǒng)整定方法的延續(xù)，得到的結(jié)果仍然是比較粗糙的，只能滿(mǎn)足一定的性能指標(biāo)。特別是對(duì)于溫度、成分等變化緩慢的過(guò)程控制，這一現(xiàn)象更為嚴(yán)重。即： ()en ?? 時(shí)，采用 PD控制； ()en ?? 時(shí)，采用 PID 控制。實(shí)際中? 的值要選的合適，若 ? 值過(guò)大，則達(dá)不到積分分離的目的；若 ? 值過(guò)小，一旦被控量無(wú)法跳出積分分離區(qū)，只進(jìn)行 PD控制，將會(huì)出現(xiàn)殘差。 (5) 數(shù)字變 PID 控制 對(duì)于波動(dòng)范圍大、變化迅速的系統(tǒng)，普通的 PID 控制效果往往不能滿(mǎn)足控制的要求。此時(shí)如果再用以前已整定好的 PID 參數(shù)來(lái)控制此時(shí)的被調(diào)參量，控制效果肯定不理想。其基本思想為：同一 PID 控制回路提供兩套以上 P、 I、 D 參數(shù)，各套參數(shù)分別適用于不同的波動(dòng)范圍，由程序根據(jù)當(dāng)時(shí)波動(dòng)范圍自動(dòng)選擇相應(yīng)的 PID 參數(shù)。同時(shí)分段設(shè)定高值與分段設(shè)定低值的大小也應(yīng)根據(jù) PID 控制系統(tǒng)的要求而定。最優(yōu)控制理論的應(yīng)用，加上計(jì)算機(jī)的高速運(yùn)算能力，賦予了 PID參數(shù)優(yōu)化這樣的多變量最優(yōu)化問(wèn)題新的生命力， PID 控制器的最優(yōu)化整定方法是針對(duì)特定的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用諸如最速下降法等各種數(shù)值解法按照一定的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。加權(quán)二次型性能言指標(biāo)，主要用于多變量系統(tǒng)的最優(yōu)化。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，只需根據(jù)實(shí)際過(guò)程特性，帶入經(jīng)驗(yàn)公式即可計(jì)算最優(yōu) PID 參數(shù)。但運(yùn)用數(shù)值最