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双容水箱液位串级控制的仿真研究 科目： 计算机控制理论与设计 姓名： 学号： 班级： 双控4班 日期： 2010-12-25 双容水箱液位串级控制的仿真研究 摘要：阐述了串级控制系统结构、组成与控制规律。与传统的单回路控制系统相比，串级控制系统增加了一个副回路，当干扰落于副回路时，其抗干扰能力比同等条件下单回路控制系统提高了。由于单回路控制系统不能更好的满足双容水箱的液位控制，现将串级控制系统应用到对双容水箱的液位控制，由SIMULINK仿真发现，串级控制系统与单回路系统相比，抗干扰能力增强，系统超调量减小，调节时间缩短，体现了串级控制的优越性。 关键词：单回路控制系统 串级控制系统 液位控制 仿真 1 引言 液位控制问题是工业生产过程中的常见问题之一。如火电厂的汽包水位控制便属于液位控制。汽包水位反映了锅炉蒸汽流量和给水量之间的平衡关系。汽包水位过高，会影响汽水分离效果，使蒸汽带液、过热器结垢，影响过热器效率。如果带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片；如果水位过低，会破坏水循环而损坏锅炉，尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至爆炸。而串级控制就应用于锅炉汽包水位的三冲量控制系统中[1]。 本文针对SUPCON CS4000实验装置上的双容水箱的液位控制问题,借助双容水箱液位控制实验装置,得到系统的液位数学模型,设计串级控制系统,并应用SIMULINK对单回路控制系统和串级控制系统进行系统仿真。由仿真结果通过分析单回路液位控制系统与串级液位控制系统的性能指标，讨论了两种液位控制系统的性能优劣，得出了串级控制系统所具有的一系列的优越性。 2 对象模型描述 双容水箱对象特性是通过在浙江中控教学仪器厂出品的CS4000型过程控制实验装置上进行阶跃响应实验来获取的。在液位串级控制系统中，把上水箱即水箱的液位作为副被控对象，其传递函数为 ， 从水箱的数学模型中分出副被控对象，剩下部分为串级控制系统主被控对象，则有 ， 。 即满足 。 3 串级控制的描述 串级控制系统为双闭环系统或多闭环控制系统，控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。内环的作用是将外部扰动的影响在内环进行处理，而尽可能不使其波动到外环，这就加快了系统的快速性并提高了系统的品质。因此串级控制系统中选择内环时应该考虑其响应速度要比外环响应速度快的多[2]。 图1是计算机串级控制系统的结构图。图中的、为数字控制器， 、分别为主控回路和副控制回路的采样周期。由结构图可以看出，串级控制在结构上形成了两个环，一个闭环在里面，称为内环、副环或副控回路，其控制器为副控制器，在控制中起“粗调”的作用；一个在闭环外面，称为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起比“细调”的作用，最终保证被控量满足控制要求。主控制器的输出作为副控制器的给定值，而副控制器的输出则去控制被控对象。这种由两个控制器串在一起控制一个执行机构的控制系统，称为串级控制系统。作用在外环的扰动称为一次扰动，作用在内环的扰动称为二次扰动。 图1 计算机串级控制系统结构图 串级控制系统的性能可归纳如下：①可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至在二次扰动对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作用加快了，对一次扰动的抑制能力也提高了。②提高系统的动态性能。由于副回路显著改善包括控制阀在内的副对象特性，减小其时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能有明显的改善。③提高系统的工作频率。由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带可以更窄，从而提高系统的工作频率。④有一定的自适应能力。 根据串级控制的特点，为充分发挥串级控制的作用使系统的性能达到满意的要求，一般来说串级控制系统的设计应遵循以下原则：①系统主要的扰动应该包含在副控回路之中。把主要扰动包含在副控回路中，可以在扰动影响主控被控参数之前，已经由副控回路的调节，使扰动影响大大消弱。②副控回路应该尽量包含积分环节。积分环节的相角是滞后是，当副控回路包含积分环节时，相角滞后将可以减少，有利于调节系统的品质。③必须用一个可以测量的中间变量作为副控被控参数，或者通过观测分析，由下游状态推断上游状态中间变量。④主控、副控回路的采样周期一般选择=(3-10)，以避免主控回路和副控回路之间发生相对干扰和共振。 主、副控制器用得较多的控制规律是控制规律。对于主控制器，为了减少稳态误差，提高控制精度，应该具有积分控制；为了使系统反应灵敏，动作迅速，应该加入微分控制。因此主控制器一般选用控制规律。对于副控制器，通常可以选用比