双容水箱PID液位控制综合系统的仿真.doc

双容水箱液位PID控制算法仿真研究摘要因为单回路控制系统已不能克服液位控制中部分问题，如：大时延、非线性、容量滞后等。所以本设计针对这些问题设计串级控制，对单回路控制系统无法控制问题进行处理，同时比较单回路控制系统和串级控制系统不一样之处。此次毕业设计课题是多容水箱PID液位控制系统仿真。在设计中，关键针对双容水箱进行了研究和仿真。本文关键内容包含：对水箱特征确定和试验曲线分析，经过试验法建立了液位控制系统水箱数学模型，设计出了串级控制系统，针对所选液位控制系统选择适宜PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位串级控制系统，调整器采取PID控制系统。经过仿真比较了单回路液位控制系统和串级控制系统控制不一样之处，和参数整定及各个参数控制性能比较，对所得到仿真曲线进行分析，总结了参数改变对系统性能影响。关键词：MATLAB；PID控制；串级控制；液位系统仿真More let water tank PID level control system simulationAbstractBecause single loop control system has not overcome some of the liquid level control issues, such as: big time delay, non-linear process, capacity lag and so on. So this design is proposed to solve these problems, the cascade control for single loop control system cant control problems were solved, meanwhile compared single loop control system and cascade control system differences. The graduation design topic is based on the MATLAB PID level control system simulation. In the design, I mainly responsible is double let water tank simulation. The main content of this article include: software MATLAB, the introduction and application of the simulation of use in Simulink problems that should be paid attention to. Grasp the basic ideas of PID control to be familiar with PID algorithm, PID parameters setting method. Water tank with the experimental curves to determine the characteristics, through the test method analysis level control system was established mathematical model, the water tank designed cascade control system for the selected level control; choose the appropriate control system PID algorithm. MATLAB/Simulink establishes level cascade control system, the regulator using fuzzy PID control system. Through the comparative simulation single loop level control system and a cascade control system control differences, and parameter setting and various parameters control performance comparison, application gets PID control algorithm is analyzed for simulation curve, summarizes the parameters on the system performance impact.Keywords: MATLAB；PID control; Cascade control; Level system simulation目录1 绪论11. 1 问题提出及研究意义11.1.1 水箱控制系统研究意义11.2 PID控制算法研究现实状况21.3 PID控制应用和发展21.4 此次设计关键工作32 MATLAB仿真概述42.1 过程控制系统MATLAB计算和仿真42.1.1 控制系统计算机仿真42.2 控制系统MATLAB计算和仿真43 PID控制介绍及其整定方法73.1 PID控制介绍73.1.1 PID控制原理73.2 PID控制算法83.2.1 位置型算法93.2.2 增量型算法93.3 PID 调整各个步骤及其调整过程103.3.1 百分比控制和其调整过程103.3.2 百分比积分调整113.3.3 百分比积分微分调整123.4 串级控制123.5 串级控制系统设计143.5.1 主回路设计143.5.2 副回路设计143.5.3 主、副回路匹配153.6 串级控制系统工业应用163.6.1 用于克服被控过程较大容量滞后163.7 PID控制特点163.8 PID参数整定方法173.8.1 传统整定方法174 双容液位控制系统建模194. 1 过程建模方法194.1.1 机理法194.1.2 测试法194.1.3 阶跃响应法204 .2 分析多容过程数学建模214.2.1 一阶单容上水箱特征214.2.2 二阶双容下水箱对象特征235 双容液位控制系统仿真255. 1 被控对象仿真模型255.2 单回路控制系统仿真255. 3 串级控制系统仿真305.3.1 当副环采取PID调整时32结论37致谢38参考文件391 绪论1. 1 问题提出及研究意义大多数情况下，单回路控制系统能够满足工艺生产基础要求。不过在有些情况下，比如有些被控过程动态特征决定了它极难控制，又比如有些工艺过程对控制质量要求很高，此时单回路控制系统就满足不了要求，需要开发和利用新控制系统，以深入提升控制量。对于过程控制系统装置，双级水箱液位控制比单级水箱液位控制困难，会碰到很多问题，滞后时间比较长，对于环境改变多少会受一定影响，如想要好控制效果就要引入新控制系统，利用单回路控制系统来控制是不能达成控制精度和要求。串级控制系统、前馈赔偿控制、大时延预估控制等一类较为复杂控制系统就是适应上述要求而产生。1.1.1 水箱控制系统研究意义伴随工业生产飞速发展，大家对生产过程自动化控制水平、工业产品和服务产品质量要求也越来越高。每一个优异、实用控制算法和监测算法出现全部对工业生产含有主动有效推进作用。然而，目前学术研究结果和实际生产应用技术水平并不是同时，通常情况下实际生产中大规模应用算法要比理论方面研究滞后几年，甚至有时候这种滞后相差几十年。这是现在控制领域所面临最大问题，究其根源关键在于理论研究尚缺乏实际背景支持，一旦应用于现场就会碰到多种多样实际问题，制约了其应用。所以，在现在尚不含有在试验室中实现真实工业过程条件今天，开发经济实用且含有经典对象特征试验装置无疑是一条探索将理论结果快速转换为实际应用技术捷径。多容器步骤系统是含有纯滞后非线性组合系统，是过程控制中一个经典控制对象，在实际生产中有着很广泛应用背景。用经典控制方法和常规仪表控制这类过程时，常因系统多输入多输出关系和系统内部关联络而使系统组成十分复杂，会显著地降低控制系统调整品质，在耦合严重情况时会使各个系统均无法投入运行。水箱液位控制系统是模拟多容器步骤系统多输入多输出、大拖延、非线性、藕合系统，它液位控制算法研究对实际工程应用有着很关键意义。工业生产过程控制中被控对象往往是多输入多输出系统，回路之间存在着耦合现象。即系统某一个输入影响到系统多个输出，或系统某一个输出受到多个系统偷入影响。有时对该多变量系统进行解耦取得满意控制效果。1.2 PID控制算法研究现实状况 液位控制就是对某一容器内液体进入量或流出量进行控制，从而使液体高度保持在所期望数值上。液位控制在钢铁、石油化工、食品灌装等行业中应用极为普及，对此进行研究有很高实用价值。现在在实际生产中应用液位控制系统，关键以传统PID控制算法为主。PID控制是以对象数学模型为基础一个控制方法。对于简单线性、时不变系统，数学模型轻易建立，采取PID控制能够取得满意控制效果。但对于复杂大型系统，其数学模型往往难以取得，经过简化、近似等手段取得数学模型不能正确地反应实际系统特征。对于类似问题，通常采取串级控制系统来消除过程中非线性步骤干扰，得到更正确地数据。1.3 PID控制应用和发展在过去几十年里，控制器在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展今天，工业过程控制中95%以上控制回路全部含有PID结构，而且很多高级控制全部是以PID控制为基础。我们今天所熟知控制器产生并发展于1915-1940年期间。尽管自1940年以来，很多优异控制方法不停推出，但PID控制器以其结构简单，对模型误差含有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化学、电力和机械等行业过程控制中。PID控制器作为最早实用化控制器已经有70多年历史，它算法简单易懂、使用中参数轻易整定，也正是因为这些优点，PID控制器现在仍然是应用最广泛工业控制器。PID发展过程，很大程度上是它参数整定方法和参数自适应方法研究过程。最早参数工程整定方法是在1942年由Ziegler和Nichols提出简称为Z-N整定公式，尽管时间已经过去半个世纪了，但至今还在工业控制中普遍应用。1953年Cohen-Coon继承和发展了整定公式，同时也提出了一个考虑被控过程时滞大小Cohen-Coon整定公式。自从Ziegler和Nichols提出参数整定方法起，有很多技术已经被用于PID控制器手动和自动整定。根据发展阶段划分，可分为常规PID参数整定方法及智能PID参数整定方法：根据被控对象个数来划分，可分为单变量PID参数整定方法及多变量PID参数整定方法，前者包含现有大多数整定方法，后者是最近研究热点及难点：按控制量组合形式来划分，可分为线性PID参数整定方法及非线性PID参数整定方法，前者用于经典调整器，后者用于由非线性跟踪-微分器和非线性组合方法生成非线性PID控制器。从现在PID参数整定方法研究和应用现实状况来看，以下多个方面将是以后一段时间研究和实践关键：（1）对于单入单出被控对象，需要研究针对不稳定对象或被控过程存在较大干扰情况下参数整定方法，使其在初始化、抗干扰和鲁棒性能方而深入增强，使用最少许过程信息及较简单操作就能很好地完成整定。（2）对于多入多出被控对象，需要研究针对含有显著耦合多变量过程多变量参数整定方法，深入完善分散继电反馈方法，尽可能降低所需先验信息量，使其易于在线整定。1.4 此次设计关键工作（1）在试验基础上推出单容、双容水箱数学模型。（2）设计PID控制器，对单容、双容水箱在Simulink上进行仿真。（3）引入串级控制技术，设计出串级控制模型，在Simulink上进行仿真。（4）比较单回路控制和串级两种控制方法优劣。2 MATLAB仿真概述2.1 过程控制系统MATLAB计算和仿真2.1.1 控制系统计算机仿真 控制系统计算机仿真是一门包含控制理论、计算数学和计算机技术综合性学科，它产生及发展差不多是和计算机发明和发展同时进行。控制系统计算机仿真就是以控制系统模型为基础，采取教学模型替换实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行试验和研究一个方法。控制系统计算机仿真过程包含以下步骤：（1）建立控制系统数学模型 系统数学模型是指描述系统输入、输出变量和内部变量之间关系数学表示式。系统数学模型建立可采取解析法和试验法，常见数学模型有微分方程、传输函数、结构图、状态空间表示式。（2）建立控制系统仿真模型依据控制系统数学模型转换成能够对系统进行仿真模型。 （3）编制控制系统仿真软件 采取多种多样计算机语言(Basic、FORTRAN、C语言等)编制控制系统仿真程序，或直接利用部分仿真语言。 （4）进行系统仿真试验并输出仿真结果 经过对仿真模型对试验参数修改，进行系统仿真试验，输出仿真结果。假如应用MATLBToolbox及Simulink集成环境作为仿真工具，则组成了MATLAB仿真4。2.2 控制系统MATLAB计算和仿真 MATLAB是矩阵试验室(Matrix laboratory)之意。MATLAB其有以下关键特点： （1）功效强大，实用范围广 MATLAB除了含有卓越数值计算能力外，它还提供了专业水平符号计算。差不多全部科学研究和工程技术应用所需要计算，PID均可完成。（2）语言简练紧凑，使用方便灵活MATLAB提供库函数及其丰富，现有常见基础库函数，又有种类齐全、功效丰富多样专用库函数。MATLAB程序书写形式利用丰富库函数避开了复杂子程序编程任务，压缩了一切无须要编程工作。因为库函数全部由各领域教授编写，用户无须担心函数可靠性。 （3）有好图形界面，用户使用方便 MATLAB含有好用户界面和方便帮助系统。MATLAB函数命令众多，各函数功效及使用又可由MATLAB图形界面下菜单来查询，为用户提供了学习它便捷之路。 MATLAB是演算纸式科学过程计算语言，使用MATLAB编程运算和人科学思绪和表示方法相吻合，如同在演算纸上运算并求运算结果，使用十分方便。 （4）图形功效强大 MATLAB里提供了多个图形函数，能够绘制出丰富多彩图形。MATLAB数据可视化很简单，MATLAB还含有较强编辑图形界面能力。（5）功效强大工具箱MATLAB包含两个部分：关键部分和多种可选工具箱。 目前流行MATLAB7.0/Simulink5.0包含拥有数自一个内部函数主包和三十多个工具包(Toolbox)。工具包又能够分为功效性工具包和学科性工具包：功效性工具包用来扩充MATLAB符号计算、可视化建模拟真、文字处理及实时控制等功效；学科性工具包是专业性比较强工具包，控制工具包、信号处理工具包、通信工具包等全部属于这类。 针对过程控制系统非线性、快时变、复杂多变量和环境扰动等特点及MATLAB可实现动态建模、仿真和分析等优点，采取MATLABToolbox和Simulink仿真工具，为过程控制系统设计和参数整定计算和仿真提供了一个强有力工具，使过程控制系统设计和整定发生了革命性改变。Simulink是MATLAB最关键组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要经过简单直观鼠标操作，就可结构出复杂系统。Simulink含有适应面广、结构和步骤清楚及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理复杂仿真和设计。同时有大量第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。（1）Simulink功效： Simulink是MATLAB中一个可视化仿真工具，是一个基于MATLAB框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析二个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理建模和仿真中。它也支持多速率系统，也就是系统中不一样部分含有不一样采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图图形用户接口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一个愈加快捷、直接明了方法，而且用户能够立即看到系统仿真结果。 Simulink是用于动态系统和嵌入式系统多领域仿真和基于模型设计工具。对多种时变系统，包含通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、实施和测试。 构架在Simulink基础之上其它产品扩展了Simulink多领域建模功效，也提供了用于设计、实施、验证和确定任务对应工具。Simulink和MATLAB紧密集成，能够直接访问MATLAB大量工具来进行算法研发、仿真分析和可视化、批处理脚本创建、建模环境定制和信号参数和测试数据定义。 （2）Simulink特点： a.丰富可扩充预定义模块库。 b.交互式图形编辑器来组合和管理直观模块图 c.以设计功效层次性来分割模型，实现对复杂设计管理。 d.经过Model Explorer导航、创建、配置、搜索模型中任意信号、参数、属性，生成模型代码。e.提供API用于和其它仿真程序连接或和手写代码集成。f.使用Embedded MATLAB模块在Simulink和嵌入式系统实施中调用MATLAB算法。g.使用定步长或变步长运行仿真，依据仿真模式来决定以解释性方法运行或以编译C代码形式来运行模型。h.图形化调试器和剖析来检验仿真结果，诊疗设计性能和异常行为1。3 PID控制介绍及其整定方法3.1 PID控制介绍3.1.1 PID控制原理 当今自动控制技术绝大部分是基于反馈概念。反馈理论包含三个基础要素：测量、比较和实施。测量关心是变量，并和期望值相比较，以此误差来纠正和调整控制系统响应。反馈理论及其在自动控制中应用关键是：做出正确测量和比较后，怎样用于系统纠正和调整。 在过去十几年里，PID控制，也就是百分比积分微分控制在工业控制中得到了广泛应用。在控制理论和技术飞速发展今天，在工业过程控制中95%以上控制回路全部含有PID结构，而且很多高级控制全部是以PID控制为基础。 常规PID控制系统原理图3.1所表示。这是一个经典单位负反馈控制系统，它由PID控制器和被控对象组成。图3.1 PID控制系统原理图PID控制器是一个线性控制器，它依据给定值r(t)和实际输出值e(t)组成偏差 e(t)=r(t)-c(t)3.2 PID控制算法经典PID 模拟控制系统图3.2所表示。图中sp(t)是给定值，pv(t)为反馈量，c(t)为系统输出量，PID 控制器输入输出关系式为： （3.1）即输出=百分比项+积分项+微分项+输出初始值，Kc是PID回路增益，TI和TD分别是积分时间和微分时间常数。式中等号右边前3项分别是百分比、积分、微分部分，她们分别和误差、误差积分和微分呈正比。假如取其中一项或这两项，能够组成P、PD、或PI控制器。需要很好动态品质和较高稳态精度时，能够选择PI控制方法控制对象惯性滞后较大时，应选择PID控制方法。图3.2所表示分别为当设定值由0突变到1时，在百分比（P）作用、百分比积分（PI）作用和百分比积分微分（PID）作用下，被调量T(s)改变过分过程。能够看出百分比积分微分作用效果为最好，能快速使T(s)达成设定值1。百分比积分作用则需要稍长时间。百分比作用最终达不到设定值，而有余差。M(t)e(t)PID调整器实施机构被控对象sp(t)测量元件pv(t)c(t)图3.2 模拟量闭环控制系统图3.3 P、PI、PID调整阶跃响应曲线为了方便计算机实现PID控制算式，必需把微分方程式（3.1）改写成差分，作以下近似，即 （3.2） （3.3）其中T为控制周期，n为控制周期序号（n=0，1，2），e(n-1)和e(n)分别为第(n-1)和第n控制周期所得偏差。将式（3.2）和（3.3）代入式（3.1）中可得差分方程 （3.4）其中M(n)为第n时刻控制量。假如控制周期T和被控对象时间常数TD比较是相对小，那么这种近似合理，并和连续控制十分靠近。3.2.1 位置型算法系统中电动调整阀调整动作是连续，任何输出控制量M全部对应于调整阀位置。由式（3.4）可知，数字PID控制器输出控制量M(n)也和阀门位置对应，所以式（3.4）即是位置型算式。数字PID控制器输出控制量M(n)送给D/A转换器，她首先将M(n)保留起来，再把M(n)转换成模拟量（420mADC）,然后作用于实施机构，直到下一个控制时刻到来为止，所以D/A转换器含有零阶保持器功效。因为计算机实现位置型算式不够方便，这是因为要累加偏差e(j)，不仅要占用较多存放单元，而且不便于编程，为此改善式（3.4）。3.2.2 增量型算法第(n-1)时刻控制量M(n-1),即 （3.5）将式(3.4)减式(3.5)得n时刻控制量增量为 （3.6）其中 KC：百分比增益，KI：积分系数，KD：微分系数式(3.6)中M(n)对应于第n时刻阀门位置增量，故称此式为增量型算式。所以第n时刻实际控制量为 （3.7）其中M（n-1）为第（n-1）时刻控制量。计算M(n)和M(n)要用到第(n-1)，(n-2)时刻历史数据e(n-1),e(n-2)和M(n-1),这三个历史数据也已在前时刻存于内存放器中。采取平移法保留这些数据。采取增量型算式计算M(n)优点是：编程简单，历史数据能够递推使用，占用存放单元少，运算速度快。3.3 PID 调整各个步骤及其调整过程 水箱液位控制系统现在关键采取PID(百分比积分微分)控制方法，这种方法，对不一样控制对象要用不一样PID参数。3.3.1 百分比控制和其调整过程 百分比作用实际上是一个线性放大(缩小)功效。百分比调整显著特点是有差调整，假如采取百分比调整，则在负荷扰动下调整过程结束后，被调量不可能和设定值正确相等，它们之间一定有残差。采样偏差一旦产生，控制器立即产生正比于偏差大小控制作用，使被调量朝误差减小方向改变，其作用大小经过百分比增益度量，百分比增益大时响应速度快，稳态误差小，但会产生较大超调或产生不稳定，而Kc过小会使响应速度缓慢。调整时间加长，调整精度降低。在百分比调整中调整器输出信号u(n)和偏差信号e成百分比，百分比系数为Kc，称为百分比增益。在过程控制中习常见增益倒数表示调整器输入和输出之间百分比关系，即 （3.8）称为百分比带。含相关键物理意义。假如M直接代表调整阀开度改变量, 那么就代表使调整阀开度改变100即从全关到全开时所需要被调量改变范围。依据P调整器输入输出测试数据，很轻易确定它百分比带大小。百分比调整残差随百分比带加大而加大，从这方而考虑，大家期望尽可能减小百分比带。然而，减小百分比带就等于加大调整系统开环增益，其后果是造成系统猛烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制首要要求，百分比带设置必需确保系统含有一定稳定裕度。很大意味着调整阀动作幅度很小，所以被调量改变比较平稳，甚至没有超调，但残差很大，调整时间也很长；减小就加大了调整阀动作幅度，引发被调量往返波动，但系统仍可能是稳定，残差对应减小。有一个临界值，此时系统处于稳定边界情况，深入减小系统就不稳定了。临界值能够依据试验测定。3.3.2 百分比积分调整积分作用则是一个记忆，对误差进行累积，有利于消除静差。但积分作用假如太强，会引发较大超调或振荡，且在实际当中会常常碰到积分饱和现象在I调整中，调整器输出和偏差信号积分成正比。I调整特点是无差调整，和P调整有差调整成鲜明对比。只有当偏差e为零时，I调整器输出才会保持不变。然而和此同时，调整器输出却能够停在任何值上。这意味着被控对象在负荷扰动下调整过程后，被调量没有残差，而调整阀能够停在新负荷所要求开度上。PI调整就是综合P、I两种调整优点，利用P调整快速抵消干扰，同时利用I调整消除余差。PI调整引入积分动作带来消除系统残差同时，却降低了原有系统稳定性。为保持控制系统原来衰减率，PI调整器百分比带必需合适加大。所以PI调整是在稍微牺牲控制系统动态品质以换取很好稳态性能。在百分比带不变情况下，减小积分时间，将使系统稳定性降低、振荡加剧，调整过程加紧、振荡频率升高。3.3.3 百分比积分微分调整微分作用上要是用于产生提前控制作用，改善动态特征，减小调整时间，使系统易于稳定。以上百分比调整和积分调整全部是依据当初偏差方向和大小进行调整。不管被控对象中流入流出量之间有多大不平衡。而这个不平衡决定着以后被调量将怎样改变趋势。因为被调量改变速度(包含大小和方向)能够反应该时或稍前部分时间流入、流出量间不平衡情况，所以，假如调整器能够依据被调量改变速度来移动调整阀，而不要等被调量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调整效果将会愈加好，等于给予调整器以某种预见性，这种调整动作称为微分调整。单纯微分调整器是不能工作，这是因为实际调整器全部有一定失灵区，假如被控对象流入、流出量只相差极少以致被调量只以调整器不能觉察速度缓慢改变时，调整器并不会动作。当初间经过相当长时间后，被调量偏移却能够积累到相当大数字而得不到校正。这种情况是不被许可。所以微分调整只能起辅助调整作用，它能够和其它调整动作结合成PD和PI调整动作2。3.4 串级控制在大多数情况下，单回路控制系统能够满足工艺生产基础要求。不过在有些情况下，比如有些被控过程动态特征决定了它极难控制，又比如有些工艺过程对控制质量要求很高，此时单回路控制系统就满足不了要求，需要开发和利用新控制系统，以深入提升控制量。对于过程控制系统装置，双级水箱液位控制比单级水箱液位控制困难，会碰到很多问题，滞后时间比较长，对于环境改变多少会受一定影响，如想要好控制效果就要引入新控制系统，利用单回路控制系统来控制是不能达成控制精度和要求。串级控制系统、前馈赔偿控制、大时延预估控制等一类较为复杂控制系统就是适应上述要求而产生。串级控制系统通常结构框图图3.4所表示。图3.4 通常串级控制系统框图串级控制系统和简单控制系统显著区分是，串级控制系统在结构上形成两个闭环，一个闭环在里面，称为副环（或副回路），它输出送往调整阀直接控制生产过程。串级控制只多了一个测量变送器。增加仪表并不多，而控制效果却得到了显著改善。串级控制特点及应用范围是：特点：（1）能够快速克服进入副回路干扰，抗干扰能力强，控制质量强；（2）改善过程动态特征，提升了系统工作频率；（3）对负荷和操作条件改变适应性强； 应用范围：（1）应用于容量滞后较大过程；（2）应用于纯时延较大过程； （3）应用于干扰改变猛烈而且幅度大过程；（4）应用于参数相互关联过程；（5）应用于非线性过程；串级系统和简单系统有一个显著区分，即其在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副环或副回路，在控制中起粗调作用；一个环在外面，被称为主环或主回路，用来完成细调任务，以最终确保被调量满足工艺要求。系统有两个调整器，主调整器含有自己独立设定值，它输出作为副调整器设定值，而副调整器输出信号则被送到调整阀去控制生产过程。采取串级能够大大提升调整品质。在上水箱下水箱液位串级控制系统中，用上水箱液位来控制调整阀，然后再用下水箱液位来修正上水箱给定值。控制方框图图3.5所表示。由图能够看出，上水箱扰动包含在副环内，能够减小这个扰动对系统影响。图3.5 上水箱下水箱液位控制系统框图3.5 串级控制系统设计3.5.1 主回路设计串级控制系统主回路是定值控制，其设计同单回路控制系统设计类似，设计过程能够根据简单一控制系统设计标准进行。这里关键处理串级控制系统中两个回路协调工作问题。关键包含怎样选择副被控参数、确定主、副回路标准等问题。3.5.2 副回路设计因为副回路是随动系统，对包含在其中二次扰动含有很强抑制能力和自适应能力，二次扰动经过主、副回路调整对主被控量影响很小，所以在选择副回路时应尽可能把被控过程中改变猛烈、频繁、幅度大关键扰动包含在副回路中，另外要尽可能包含较多扰动。归纳以下 （1）在设计中要将关键扰动包含在副回路中。（2）将更多扰动包含在副回路中。（3）副被控过程滞后不能太大，以保持副回路快速对应特征。（4）要将被控对象含有显著非线性或时变特征部分归于副对象。（5）在需要以流量实现正确跟踪时，可选流量为副被控量。在这里要注意（2）和（3）存在显著矛盾，将更多扰动包含在副回路中有可能造成副回路滞后过大，这就会影响到副回路快速控制作用发挥，所以，在实际系统设计中要兼顾（2）和（3）综合3。3.5.3 主、副回路匹配 （1）主、副回路中包含扰动数量、时间常数匹配设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多扰动，同时一也要注意主、副回路扰动数量匹配问题。副回路中假如包含扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不显著了，其快速控制效果就会降低。假如全部扰动全部包含在副回路中，主调整器也就失去了控制作用。标准上，在设计中要确保主、副回路扰动数量、时间常数之比值在31之间。比值过高，即副回路时间常数较主回路时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含扰动数量过少，对于改善系统控制性能不利；比值过低，副回路时间常数靠近主回路时间常数，甚至大于主回路时间常数，副回路即使对改善被控过程动态特征有益，不过副回路控制作用缺乏快速性，不能立即有效地克服扰动对被控量影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。 （2）主、副调整器控制规律匹配和选择在串级控制系统中，主、副调整器作用是不一样。主调整器是定值控制，副调整器是随动控制。系统对于多个回路要求有所不一样。主回路通常要求无差，主调整器控制规律应选择PI或PID控制规律；副回路要求起控制快速性，能够有余差，通常情况选择P控制规律而不引入I或D控制。假如引入I控制，会延长控制过程，减弱副回路快速控制作用；也没有必需引入D控制，因为副回路采取P控制已经起到了快速控制作用，引入D控制会使调整阀动作过大，不利于整个系统控制。（3）主、副调整器正反作用方法确实定 一个过程控制系统正常工作必需确保采取反馈是负反馈。串级控制系统有两个回路，主、副调整器作用方法确实定标准是要确保两个回路均为负反馈。确定过程是首先判定为确保内环是负反馈副调整器应选择那种作用方法，然后再确定主调整器作用方法4。3.6 串级控制系统工业应用3.6.1 用于克服被控过程较大容量滞后在过程控制系统中，被控过程容量滞后较大，尤其是部分被控量是温度等参数生产工艺要求控制要求较高，假如采取单回路控制系统往往不能满足生产，利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特征，提升系统工作频率，合理结构二次回路，减小容量滞后对过程影响，在结构二次回路时，应该选择一个滞后较小副回路，确保快速动作副回路。3.7 PID控制特点 事实表明，对于PID这么简单控制器，能够适适用于广泛工业和民用对象，并仍以很高性价比在市场中占据着关键地位，充足地反应了PID控制器良好品质。概括地讲，PID控制优点关键表现在以下两个方面： (1)原理简单、结构简明、实现方便，是一个能够满足大多实际需要基础控制器。 (2)控制器适适用于多个不一样对象，算法在结构上含有较强鲁棒性。确切地说，在很多情况下其控制品质对被控对象结构或参数振动不敏感。 但从其次来讲，控制算法普适性也反应了PID控制器在控制品质上不足。具体分析，其不足关键来自以下多个方面： (1)算法结构简单性决定了PID控制比较适适用于SISO最小相位系统，在处理大时滞、开环不稳定过程等难控对象时，需要经过多个PID控制器或和其它控制器组合，才能得到很好控制效果。(2)算法结构简单性同时决定了PID控制只能确定闭环系统少数关键极点；闭环特征从根本上只是基于动态特征低阶近似假定。(3)出于一样原因，决定了单一PID控制器无法同时满足对假定设定值控制和伺服/跟踪控制不一样性能要求5。3.8 PID参数整定方法自Ziegler和Nichols提出PID参数整定力一法起，伴随多种技术和理论发展PID参数整定方法越来越多。3.8.1 传统整定方法（1）Ziegler-Nichols经验公式(Z-N公式法)。该方法先求取系统开环阶跃响应曲线，依据对象纯拖延时间、时间常数和放大系数，按Ziegler-Nichols经验公式计算PID参数。此方法简单易行，但参数需要深入调整，通常见于手工计算和设置控制器初值。（2）稳定边界法(临界百分比度法)。该方法需要做稳定边界试验，在闭环系统中控制器只用百分比作用，给定值作阶跃扰动，从较大百分比带开始，逐步减小，直至被控对象现临界振荡为止，记下临界振荡周期和临界百分比带。然后根据经验公式确定PID参数。因为不易使系统发生稳定临界振荡或不许可系统离线进行参数整定，临界参数获取通常见Astrom和Hagglund提出继电反馈法。它既能确保实现稳定闭环振荡，又不需离线进行，是取得过程临界信息最简便方法之一。对一阶惯性加纯时延对象，时间常数T较大时，整定费时；对干扰多且频繁系统，要求振荡幅值足够大。（3）衰减曲线法。该方法和临界百分比度法类似，在闭环系统中控制器只用百分比作用，给定值作阶跃扰动，从较大百分比带开始，逐步减小，直至被控量出现4:1衰减过程为止，记下此时百分比带和相邻波峰之间时间。然后根据经验公式确定PID参数6。传统PID参数整定关键是部分手动整定方法，阶跃响应是其整定PID参数关键依据。这种方法仅依据系统动态响应来整定控制器参数，含有物理意义明确优点，能够以较少试验工作量和简便计算，得出控制器参数，所以在生产现场得到广泛应用。实际上，因其简单实用，在现在很多企业中，传统P