串级控制系统的设计与应用

宋伟伟 梁春芳

摘要 本文针对串级控制系统的原理、设计与应用进行了详细的介绍和分析，并针对连续槽反应器温度串级控制一例进行说明和Matlab仿真实验，根据两种不同的仿真波形分析得出串级控制的优点。

关键字 串级控制；PID；Matlab

1. 引言

20世纪以来，自动化技术在工业生产和科学发展中的地位不断提升。目前，工业自动化已经进入信息化时代，而其中的过程控制是最重要的一部分。工业生产对过程控制的最终要求即安全性、经济性、和稳定性。在过程控制中串级控制是改善控制最为有效的办法，也因此被广泛的应用。

2. 串级控制系统基本原理

串级系统与简单系统相比较有一个显著的特点，即其在结构上形成两个闭环。里面的闭环对系统参数起着粗调的作用，我们称之为副回路，而外面的闭环在系统控制中起着细调的作用，以保证被控量满足工业生产的要求，我们称其为主回路。无论主回路还是副回路都有各自的被控对象、测量变送原件和控制器。其各自之间的连接构成了一般的串级控制系统。

串级控制系统的副回路对二次干扰可以快速的消除，大大提高了控制的稳定性和快速性，而且还有一定的自适应能力，可以有效的克服干扰的影响。

3. 串级控制系统设计与应用

3.1 工业生产串级控制

在工业生产中，物料的反应会伴随着温度的产生，因此为了保证反应能按照我们期待的继续，保证产品的质量我们必须严格的控制反应的温度。我们通常采用调节阀来控制冷却水的流量来控制反应器中反应物料的温度。工业生产同时也受各种不确定或确定的温度，物料等干扰的影响，因此我们必须快速有效的解决干扰产生的影响，而解决干扰最有效的办法就是运用串级控制。

3.2 连续槽反应器温度控制

现在我们假设不运用串级控制，去掉副控制器——调节阀以及副检测变送器——温度测量，构成了外围的单回路。如果冷却水方面发生干扰，比如水温突然升高或者流量突然增加或减少等不可预测的干扰，此时必须经过夹套，槽壁和反应槽才能控制反应温度升高或降低。但是如果按照串级控制来消除干扰的话副控制器会快速并且有效地在副回路内消除二次干扰。

3.3 主、副控制器的选择

PID调节即比例、积分、微分调节，比例是将反应系统的偏差按比例来放大，积分可以用来消除系统的稳态误差，而微分主要存在于大惯性组件或带有滞后组件系统中用来消除振荡的。在这里我们主控制器和幅控制器均采用PID调节，同时为了简化系统，主、副被控对象以及主、幅环的反馈传函均用一阶惯性环节代替。

4. Matlab 仿真与结果分析

使用matlab软件的simulink软件仿真，分别仿真出串级控制和单回路控制的仿真圖。并比较二者在受到二次干扰后的输出波形。

串级控制系统结构图 受到二次干扰后，串级控制系统的输出波形

单回路系统结构图 受到二次干扰后，单回路控制系统的输出波形

由上图我们我可看出引入串级控制可以是调节时间大大减小，并且可以有效的消除二次干扰，与此同时系统的超调量也在大大的改善。

5. 结束语

串级控制在工业生产中的应用起着不可或缺的作用，工业过程中我们常常要求控制系统可以同时满足稳、准、快三个方面的要求，而串级控制刚好可以有效地达到我们所需的要求。

6. 参 考 文 献

[1]《过程控制系统》 黄德先、王京春、金以慧编著 清华大学出版社2011-05