串级控制原理与实例分析
串级pid控制原理
串级pid控制原理串级PID控制原理。
串级PID控制是一种常见的控制系统设计方法,它通过串联多个PID控制器来实现对复杂系统的精确控制。
在本文中,我们将介绍串级PID控制的原理及其应用。
首先,我们来了解一下PID控制器的基本原理。
PID控制器是一种常用的闭环控制器,它由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个部分组成。
比例部分对系统的当前误差进行响应,积分部分对系统历史误差进行积累,微分部分对系统的变化速度进行调节。
通过合理调节PID参数,可以实现对系统的稳定控制。
在一些复杂的控制系统中,单个PID控制器往往难以满足对系统的精确控制需求。
这时就需要使用串级PID控制器。
串级PID控制器由多个PID控制器串联而成,每个PID控制器负责对系统的一个特定部分进行控制,最终实现对整个系统的精确控制。
串级PID控制器的原理可以通过一个简单的例子来说明。
假设有一个水箱,我们需要控制水箱中水位的高度。
如果只使用一个PID控制器,它可能无法同时兼顾到水位的稳定性和快速响应性。
这时,我们可以使用串级PID控制器,将水箱分为两个部分,上部和下部。
上部水位由一个PID控制器进行控制,下部水位由另一个PID控制器进行控制。
这样,就可以分别调节上部和下部水位的控制效果,最终实现对整个水箱水位的精确控制。
在实际应用中,串级PID控制器可以应用于许多领域,如温度控制、压力控制、流量控制等。
通过合理设计串级PID控制器的结构和参数,可以实现对复杂系统的高精度控制。
需要注意的是,在设计串级PID控制器时,需要考虑各个PID控制器之间的协调性。
不同PID控制器之间可能存在交叉影响,需要通过合理的参数调节来避免这种影响,确保整个系统的稳定性和性能。
总之,串级PID控制器是一种有效的控制系统设计方法,它通过串联多个PID 控制器来实现对复杂系统的精确控制。
在实际应用中,需要合理设计串级PID控制器的结构和参数,以实现对系统的高精度控制。
串级控制原理及应用
课程设计报告学院电子信息学院专业控制理论与控制工程学生显班级学号132030032指导教师杜昭平二零一四年四月串级控制系统原理及应用一串级控制系统的根本概念1 串级控制系统近二十年,控制技术获得了惊人的成就,已在工业生产和科学开展中起着关键作用。
而且,控制系统已成为大量设备不可分割的重要组成局部。
控制自动化的程度已成为衡量工业企业现代化的一个重要标志。
在众多复杂的控制系统中,串级控制系统在电机控制中的应用更为普遍,串级控制系统是一个双回路系统,一个控制器的输出控制另一个控制器的设定值,这种构造称为串级控制系统。
串级控制系统实质上是把两个调节器串接起来,通过它们的协调工作,使一个被调量准确保持为设定值]1[。
通常,串级系统副环的对象惯性小,工作频率高,而主环惯性大,工作频率低。
2 串级控制系统的组成串级控制系统整个系统包括两个控制回路,主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
主要由以下元件构成:〔1〕主调节器和副调节器两个调节器〔2〕两个测量变送器〔3〕一个执行器〔4〕一个调节阀们〔5〕被控对象组成系统原理框图如图1-1所示。
图1-1 串级控制系统原理方框图〔1〕系统中的两个调节器相互串联,前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入。
这两个调节器分别叫作主调节器和副调节器,即主调节器的输出进入副调节器,作为副调节器的给定值。
〔2〕串级控制系统中有两个反应回路,并且一个回路嵌套在另一个回路之中,处于里面的回路称为回路〔副回路〕,处于外面的回路称为外回路〔主回路〕。
〔3〕串级控制系统中有两个测量反应信号,称为主参数和副参数,分别作为主、副调节器的反应输入信号。
二串级控制系统实例——火电厂主汽温度串级控制系统2.1 应用现状火电厂中,为更好的对主蒸汽温度进展控制,通常将过热器分为两段,即高温段和低温段,在之间装有一个喷水减温器,喷水减温器是一个三通容器,分别与低温段过热器、高温段过热器以及冷水〔减温水〕管道连通,蒸汽从低温段流经喷水减温器,再进入高温段。
串级控制方案
串级控制方案引言串级控制(Cascaded Control)是一种常见的控制方案,通常用于处理复杂、多变的控制系统。
串级控制方案将系统拆分为多个级别,每个级别都有独立的控制器,以实现对特定过程变量的控制。
本文将介绍串级控制方案的基本原理、设计要点,并举例说明其在实际应用中的优势。
串级控制的基本原理串级控制方案由两个或多个级别组成,每个级别都有自己的控制器,而其中一个级别的输出被作为下一个级别的输入。
多个级别的控制器协同工作,使得整个控制系统能够更准确地响应于外部变化,并提高系统的稳定性和鲁棒性。
在串级控制方案中,通常将系统的过程变量划分为两个类型:一级过程变量和二级过程变量。
一级过程变量是指直接受控制器输出影响的变量,二级过程变量是指受一级过程变量控制影响的变量。
通过将系统拆分为两个或多个级别,可以更好地应对复杂的控制任务,提高系统性能。
串级控制方案的设计要点1. 级别划分要设计一个有效的串级控制方案,首先需要进行合理的级别划分。
通常情况下,一级控制变量应该是对整个系统性能有直接影响的变量,而二级控制变量是对一级控制变量有间接影响的变量。
合理的级别划分可以提高系统的控制精度和稳定性。
2. 控制器设计每个级别都需要一个独立的控制器来实现对过程变量的控制。
控制器的设计要考虑系统的响应速度、稳定性和鲁棒性。
通常情况下,一级控制器应该具有较快的响应速度,以尽快调整一级过程变量的值;而二级控制器则应更关注系统的稳定性和抗干扰能力。
3. 控制器之间的通信和协调不同级别的控制器之间需要进行通信和协调,以实现整个系统的稳定运行。
一般可以采用PID控制器、模糊控制器或者自适应控制器等方法实现控制器之间的沟通和协调。
通过合理的控制器间通信和协调策略,可以使系统达到更好的控制效果。
串级控制方案的优势串级控制方案相对于传统的单级控制方案有以下优势: 1. 提高系统的鲁棒性:通过引入多级控制,可以更好地应对外界扰动和变化,提高系统的鲁棒性。
教学课件:第八章-DeltaV-串级控制
• 引言 • deltav系统概述 • 串级控制原理 • deltav串级控制系统设计 • deltav串级控制系统的应用实例 • deltav串级控制系统的优势与挑战 • 结论
01
引言
主题简介
01
串级控制
串级控制是一种先进的控制系统架构,通过将多个控制器串联在一起,
环境条件,同时保障家庭安全,降低能源消耗。
应用实例三:机器人控制系统
要点一
总结词
要点二
详细描述
deltav串级控制系统在机器人控制领域中具有广泛的应用 前景,能够提高机器人的运动性能和自主性。
机器人在执行任务时需要精确、快速的控制,以确保其稳 定性和安全性。deltav串级控制系统通过将主控制器和子 控制器进行串联,实现对机器人各个关节的精确控制。这 种控制方式能够提高机器人的运动性能和自主性,使其在 复杂环境中更好地完成任务。同时,deltav串级控制系统 还能够降低机器人的能耗,延长其使用寿命。
应用实例二:智能家居系统
总结词
deltav串级控制系统在智能家居领域中发挥着重要作用,为家庭提供舒适、安全和节能 的生活环境。
详细描述
智能家居系统需要实现对家庭环境的实时监测和控制,以满足家庭成员的生活需求。 deltav串级控制系统能够将家庭中的各种设备进行有机串联,实现集中控制和智能化管 理。通过主控制器和子控制器的协同工作,能够为家庭提供舒适的温度、湿度、光照等
实践操作与案例分析
学习者应通过实践操作和案例分析,加深对DeltaV串级控制系统的理解和应用能力。可 以通过实验室或实际工业现场的实践操作,了解系统的实际运行情况和常见问题的解决方 法。
关注DeltaV串级控制系统的最新发展
串级控制和前馈-串级控制的控制原理
串级控制和前馈-串级控制的控制原理
一、串级控制原理
串级控制是一种常用的控制方法,主要用于处理具有较大时滞或时间常数、大容量滞后特性的被控对象,例如温度、液位等。
串级控制系统主要由两个控制器串联在一起组成,分为主控制器和副控制器。
主控制器主要对被控对象进行初步控制,其输出作为副控制器的给定值,副控制器则对主控制器输出进行进一步调整。
串级控制的原理是针对被控对象的精确控制需求,将一个控制系统分成两个或多个控制回路,其中每个回路都针对被控对象的一个特定参数进行控制。
通过这种分级控制的方式,可以提高系统的控制精度和抗干扰能力。
在串级控制中,副控制器对主控制器的输出进行修正,以减小主控制器对副控制量的影响,从而提高了系统的控制精度。
同时,由于副控制器的引入,使得系统对被控对象的参数变化具有更好的适应性。
二、前馈-串级控制原理
前馈-串级控制是一种结合了前馈控制和串级控制的复合控制系统。
前馈控制是指通过测量并补偿干扰因素对被控变量的影响,从而实现对被控对象的精确控制。
在复合控制系统中,前馈控制器和串级控制器协同工作,以实现对被控对象的更精确、更快速的控制。
前馈-串级控制的原理是将前馈控制器和串级控制器通过适当的方式结合起来,以达到更好的控制效果。
通常,前馈控制器用于补偿主要干扰因素的影响,而串级控制器则用于对被控对象的精确调整。
这种复合控制系统能够提高系统的响应速度、减小超调和降低误差,从而更好地满足实际控制需求。
在实际应用中,前馈-串级控制系统需要根据被控对象的特性、干扰因素以及对控制精度的要求等因素进行合理的设计和配置。
串级控制系统资料课件
串级控制系统具有较好的抗干扰能力和对负荷变化的适应性 ,能够提高系统的控制品质和降低对控制参数的敏感性。
串级控制系统基本组成
01
02
03
控制器
是系统的核心部分,负责 接收输入信号并输出控制 信号。
内回路
由控制器、测量变送器和 执行机构组成,负责将控 制器的输出信号转换为实 际的控制动作。
外回路
串级控制系统资料课件
目录
• 串级控制系统概述 • 串级控制系统的设计 • 串级控制系统的应用 • 串级控制系统的优化 • 串级控制系统的案例分析 • 串级控制系统的未来发展与挑战
01
串级控制系统概述
定义与特点
定义
串级控制系统是一种常用的工业控制系统,由两个或更多控 制器串联组成,每个控制器控制一个内回路,内回路的输出 作为下一级控制器的给定值,形成多级控制回路。
内回路的输出值作为 下一级控制器的给定 值,下一级控制器根 据给定值和实际测量 值的偏差计算出控制 信号,调整内回路的 执行机构;
通过多级控制回路的 协同作用,最终实现 系统输出值与目标值 的接近。
02
串级控制系统的设计
设计原则与步骤
01
确定系统结构
根据工艺要求和控制目标,确定 串级控制系统的主控制器和从控 制器。
算法优化
并行计算
利用多核处理器或分布式计算资源,加速控制算法的计算 过程,提高系统的实时性。
01
参数优化
通过智能优化算法,对控制算法的参数 进行优化,以获得更好的控制效果。
02
03
近似算法
在保证控制精度的前提下,采用近似 算法降低计算复杂度,提高系统的响 应速度。
系统结构优化
模块化设计
串级控制系统课件
用于控制钢水温度、成分等参 数,实现高效、低耗的冶炼过
程。
02
串级控制系统的设计与实现
控制器设计
01
控制器类型选择
根据被控对象的特性,选择合适 的控制器类型,如PID控制器、 模糊控制器等。
02
控制器参数整定
03
控制器结构调整
根据系统性能要求,对控制器参 数进行整定,以获得良好的控制 效果。
升系统的决策能力。
人工智能技术
03
利用机器学习和深度学习技术,实现自适应学习和智能决策,
提高系统的自主性和智能化程度。
系统集成与优化
系统集成
将多个子系统进行集成,实现信息共享和协同工作,提高系统的 整体性能和效率。
系统优化
通过优化算法和智能技术,对系统进行性能分析和优化设计,提高 系统的稳定性和可靠性。
系统优化
根据调试结果,对系统设计进行优化,提高系统性能、降低能耗等。
03
串级控制系统的性能分析
稳定性分析
稳定性是控制系统的重要性能指标,它决定了 系统在受到扰动后能否回到原始状态的能力。
稳定性分析主要通过判断系统的极点和零点散 布来进行,极点越靠近虚轴,系统越不稳定; 零点越远离虚轴,对系统稳定性的影响越大。
主回路设计
主回路功能确定
明确主回路在系统中的作用,如保证主参数 稳定、克服主要扰动等。
主回路控制器选择
根据主回路功能要求,选择合适的主回路控 制器。
主回路参数整定
根据主回路控制效果,对主回路控制器参数 进行整定,以优化系统性能。
系统调试与优化
系统调试
在系统初步设计完成后,进行实际调试,检查系统各部分是否正常工作、控制效果是否到达预期。
串级控制基本知识与应用
课程设计报告学院电子信息学院专业控制理论与控制工程学生姓名赵显班级学号132030032指导教师杜昭平二零一四年四月串级控制系统原理及应用一串级控制系统的基本概念1 串级控制系统近二十年,控制技术获得了惊人的成就,已在工业生产和科学发展中起着关键作用。
而且,控制系统已成为大量设备不可分割的重要组成部分。
控制自动化的程度已成为衡量工业企业现代化的一个重要标志。
在众多复杂的控制系统中,串级控制系统在电机控制中的应用更为普遍,串级控制系统是一个双回路系统,一个控制器的输出控制另一个控制器的设定值,这种结构称为串级控制系统。
串级控制系统实质上是把两个调节器串接起来,通过它们的协调工作,使一个被调量准确保持为设定值]1[。
通常,串级系统副环的对象惯性小,工作频率高,而主环惯性大,工作频率低。
2 串级控制系统的组成串级控制系统整个系统包括两个控制回路,主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
主要由以下元件构成:(1)主调节器和副调节器两个调节器(2)两个测量变送器(3)一个执行器(4)一个调节阀们(5)被控对象组成系统原理框图如图1-1所示。
图1-1 串级控制系统原理方框图(1)系统中的两个调节器相互串联,前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入。
这两个调节器分别叫作主调节器和副调节器,即主调节器的输出进入副调节器,作为副调节器的给定值。
(2)串级控制系统中有两个反馈回路,并且一个回路嵌套在另一个回路之中,处于里面的回路称为内回路(副回路),处于外面的回路称为外回路(主回路)。
(3)串级控制系统中有两个测量反馈信号,称为主参数和副参数,分别作为主、副调节器的反馈输入信号。
二串级控制系统实例——火电厂主汽温度串级控制系统2.1 应用现状火电厂中,为更好的对主蒸汽温度进行控制,通常将过热器分为两段,即高温段和低温段,在之间装有一个喷水减温器,喷水减温器是一个三通容器,分别与低温段过热器、高温段过热器以及冷水(减温水)管道连通,蒸汽从低温段流经喷水减温器,再进入高温段。
串级控制系统的分析
04
副控制器 与副参数的测量变送信号的偏差信号,输出控制信号给执
行器的那个控制器。
05
主回路
(外回路)
断开副控制器的测量反馈通道后的闭合回路。
06
副回路 由副控制器、执行器、喷水控制阀、减温器和测量变送器
(内回路) 组成的回路。
12
第三部分
串级控制 系统的工 作原理
串级控制系统的工作原理
+
副控
_
为提高控制质量,在原单回路控制 系统的基础上:
增加一个控制器 过热器高温段入口处的蒸汽温度 送入副控制器的输入端
过热器 低 温段
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
减温 器
θ2
过热器 高 温段
温度测量变送器
θ1 温度测量变送器
主控制器
喷水减 温阀
副控制器 执行器
图 3-3 主汽温度串级控制系统示意图
系统快速性能提高
8
第二部分
串级控制 系统的构 成
01
主参数 起主导作用的被控参数。如:过热蒸汽温度θ1。
(主变量)
副参数 能提前反映主参数变化趋势的中间参数。如过热器高温段
02
(副变量) 入口处的蒸汽温度θ2。
03
主控制器
输入为主参数的测量反馈信号与主参数的给定值信号的偏 差,其输出作为另一个控制器给定值的那个控制器。
其给定值由主控制器的输出决定,输入为主控制器的输出
串级控制系统
任务要求
任务 要求
01 理解串级控制系统的概念 02 掌握串级控制系统的组成 03 会分析串级控制系统的内回路和外回路
2
主目录
串级控制 系统
构成
基本概念
工作原理
常用复杂控制系统之串级控制原理
先副回路, 后主回 路 情况二:干扰来自原料油方面,使炉出口温度 升高
出口温度 温度控制器输出 流量控制器设定值 。 燃料油流量为适应温度控制的需要而不断变化。
情况三:一次干扰和二次干扰同时
存在 主、副变量同向变化
主、副调节器共同作用,执行阀的开度大幅度变化, 使得炉出口温度很快恢复到设定值。
偏差大,控制质量差。
方案二:管式加热炉出口温度的间接控制(1)
流量检测 变送器
期望 流量
流量控 制器
存在的问题:
在这个方案中,炉出口温度不是被控量,当来自原料入 口温度和初始温度等干扰因素使出口温度发生变化时,此间 接控制系统无法将变化了的温度调回来;
管式加热炉出口温度的间接控制(2)
期望炉膛 温度
返回
Kc2 K 2 ( K c 2 K 2 1)
等效副对象的时间常数小于副对象本身的时间常数,意
味着控制通道的缩短,从而使控制作用更加及时,响应速度
更快。
串级控制系统的设计
一、主变量的选择
与单回路控制系统的选择原则一致,即选择直接或间接反映 生产过程的产品产量、质量、节能、环保以及安全等控制要求 的参数作为主变量。
Z1 ( s ) E1 ( s )
F1 ( s )
WV ( s )
-
X 2 (s) Wc1 ( s ) +
Z 2 (s)
E2 (s)
+
Wc 2 ( s )
-
+
Y (s) W02 ( s ) 2 +
+
W01 ( s )
Y1 ( s )
Wm 2 ( s )
Wm1 ( s )
输出对于输入的传递函数:
串级控制系统基础
串级控制系统基础串级控制系统-----两只调节器串联起来工作,其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
例:加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统1. 基本概念即组成结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器,前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定,后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器,它所检测和控制的变量称主变量(主被控参数),即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器,它所检测和控制的变量称副变量(副被控参数),是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路,主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动:作用在主被控过程上的,而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动:作用在副被控过程上的,即包括在副回路范围内的扰动。
2. 串级控制系统的工作过程当扰动发生时,破坏了稳定状态,调节器进行工作。
根据扰动施加点的位置不同,分种情况进行分析:* 1)扰动作用于副回路* 2)扰动作用于主过程* 3)扰动同时作用于副回路和主过程分析可以看到:在串级控制系统中,由于引入了一个副回路,不仅能及早克服进入副回路的扰动,而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用,主调节器具有“细调”的作用,从而使其控制品质得到进一步提高。
3. 系统特点及分析* 改善了过程的动态特性,提高了系统控制质量。
* 能迅速克服进入副回路的二次扰动。
* 提高了系统的工作频率。
* 对负荷变化的适应性较强4. 工程应用场合* 应用于容量滞后较大的过程* 应用于纯时延较大的过程* 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程* 应用于参数互相关联的过程* 应用于非线性过程5. 系统设计* 主参数的选择和主回路的设计* 副参数的选择和副回路的设计* 控制系统控制参数的选择* 串级控制系统主、副调节器控制规律的选择* 串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定串级控制是一种复杂控制系统,它根据系统结构命名,是由两个或以上的控制器(主环、副环、次副环……)串联连接组成,一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值,每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象。
串级控制系统ppt课件
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统(无抗积分饱和措施) (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
+
KC +
-
+
d(t)
v
广义
+ +
对象
y(t)
1 TI s +1
讨论:正常情况为标准的PI控制算法;而当出现超限 时,自动切除积分作用。
串级回
路的等 R1
效系统
+ -
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
+ +
y2
1
+ +
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
+
D2
D1
u
1
+ +
y2
1
+ +
Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
-
副回路对主对象开环特性 的影响举例
串级控制
(4) 如果 [GT2 (s)]2 的参数值与第(1)步得到的 [GT2 (s)]1 的参数
值基本相同,那么整定就告完成。
信息科学与工程学院
5 串级控制
二. 两步整定法
当副回路受到阶跃扰动时,在较短时间内副回
路控制过程就告结束;在此期间,主回路基本上不 参加动作。可断开主回路,按单回路系统的整定方法 整定副控制器 GT2 (s) 的参数。 2.再整定主控制器 1.先整定副控制器
5 串级控制
5 串级控制
本章学习内容
5.1 5.2 5.3 串级控制系统的基本原理和结构 串级控制系统的分析 串级控制系统的设计
5.4
串级控制系统应用举例
信息科学与工程学院
5 串级控制
5.1 串级控制系统的基本原理和结构
电厂锅炉过热汽温控制系统 被 控 量:主汽温θ 控制手段:喷水减温
导前信号
1
5 串级控制
主调 副调 导前区 惰性区
副回路(内回路):粗调 副参数(副变量): θ
2
主回路(外回路):细调 主参数(主变量): θ
1
副(导前区)对象
副控制(调节)器
主(惰性区)对象
主控制(调节)器
信息科学与工程学院
5 串级控制 5.2 串级控制系统的分析 5.2.1串级控制系统的特点
(1)串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克 F(s) 服能力。
使控制作用更加及时。
信息科学与工程学院
5 串级控制 (3)提高系统的工作频率,改善了系统控制 质量。
将整个副回路看成是一个等效对象 G02 (s) 等效对象的时间常数缩小了,而且随着副调节 器比例增益的增大而减小 , 从而加快了副回路的响 应速度,提高了系统的工作频率。(证明)
内回路电流环外回路速度环串级控制原理
内回路电流环外回路速度环串级控制原理下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成,希望大家下载以后,能够帮助大家解决实际的问题。
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串级控制系统的原理及设计
串级控制系统的原理及设计中应注意的问题摘要:介绍了串级控制系统的基本原理,性能和设计中应注意的几个问题。
关键词:内环;外环;增益;时间常数;对象;共振现象;积分饱和现象。
1、概述1.1串级控制系统介绍单回路控制系统只用一个调节器,调节器只有一个输入信号,即只有一个闭环,在大多数情况下,这种简单系统能够满足工艺生产的要求。
但是也有一些另外的情况,譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制,而工艺对调节质量的要求又很高;或者对调节对象的控制任务要求特殊,则单回路控制系统就无能为力了。
另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,为此,需要在单回路的基础上,采取其他措施,组成复杂控制系统。
串级控制是改善调节过程的一种极为有效的方法,并且在实际中得到了广泛的应用。
我厂的生产过程自动控制系统中,串级控制系统是应用最为广泛的复杂控制系统。
1.2(简单控制系统)图1.1是精馏塔底部示意图,在再沸器中,用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽,然后在塔釜中与下降物料流进行传质传热。
为了保证生产过程顺利进行,需要把提馏段温度t保持恒定。
为此,在蒸汽管路上装一个调节阀,用它来控制加热蒸汽流量。
从调节阀动作到温度t发生变化,需要相继通过很多热容积。
实践证明,加热蒸汽压力的波动对温度t的影响很大。
此外,还有来自液相加料方面的各种扰动,包括他的流量、温度和组分等,它们通过提馏段的传质传热过程,以及再沸器中的传热条件(塔釜温度、再沸器液面等),最后也影响到温度t。
当加热蒸汽压力较大时,如果采用图1.1所示的简单控制系统,调节质量一般都不能满足生产要求。
如果采用一个附加的蒸汽压力控制系统,把蒸汽压力的干扰克服在入塔前,这样也提高了温度调节的品质,但这样就需要增加一只调节阀并增加了蒸汽管路的压力损失,在经济上很不合理。
比较好的方法是采用串级控制,如图1.2所示。
串级pid控制原理
串级pid控制原理串级PID控制原理。
串级PID控制是一种常见的控制策略,它通过串联多个PID控制器来实现对系统的更精确控制。
在工业自动化和过程控制中,串级PID控制被广泛应用于温度、压力、流量等控制系统中。
本文将介绍串级PID控制的原理及其应用。
首先,我们来了解一下PID控制器的基本原理。
PID控制器是由比例(P)、积分(I)和微分(D)三个部分组成的控制器。
比例部分根据偏差大小来调节输出,积分部分根据偏差的积累来调节输出,微分部分则根据偏差变化的速度来调节输出。
PID控制器通过这三个部分的组合,可以实现对系统的稳定控制。
在一些复杂的控制系统中,单个PID控制器往往无法满足对系统的精确控制要求。
这时就需要采用串级PID控制策略。
串级PID 控制器由两个或多个PID控制器串联而成,每个PID控制器负责控制系统的一部分。
通常情况下,第一个PID控制器(外环)控制系统的慢动态响应,第二个PID控制器(内环)控制系统的快动态响应。
串级PID控制的原理在于,外环PID控制器输出的控制量作为内环PID控制器的设定值,内环PID控制器根据这个设定值来调节系统的控制量。
这样,外环PID控制器负责对系统的整体调节,内环PID控制器则负责对系统的细节调节,从而实现对系统更为精确的控制。
串级PID控制在实际应用中有着广泛的应用。
以温度控制系统为例,外环PID控制器可以根据设定温度来调节加热器的输出,内环PID控制器则可以根据加热器的输出来调节冷却器的输出,从而实现对温度的精确控制。
类似地,串级PID控制还可以应用于压力、流量等控制系统中,通过外环和内环的协同作用,实现对系统更为精确的控制。
总之,串级PID控制是一种高级的控制策略,它通过串联多个PID控制器来实现对系统的更精确控制。
在工业自动化和过程控制中,串级PID控制被广泛应用,并取得了良好的控制效果。
希望本文对串级PID控制的原理及其应用有所帮助,谢谢阅读!。
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自动化学报AGTA AUTOMATICA SINICA1999年 第25卷 第2期 Vol.25 No.2 1999磁浮列车悬浮系统的串级控制1)李云钢 常文森摘 要 为了消除磁浮列车的轨道共振,必须设计鲁棒性较强的悬浮控制系统.将悬浮控制系统分解为电流环和悬浮子控制系统两个串行、解耦的子系统来考虑,并应用H∞控制理论设计了电流环控制器,用时域法设计了悬浮子系统的控制器,给出了所设计的控制器在一个单转向架磁浮列车上的悬浮试验结果.关键词 磁浮列车,串级,电流环,H∞控制.CASCADE CONTROL OF AN EMS MAGLEV VEHICLE'SLEVITATION CONTROL SYSTEMLI Yungang CHANG Wensen(Depart. of Automatic Control, Changsha Institute of Technology, Changsha 410073) Abstract To eliminate guideway resonance vibration in an EMS maglev vehicle system, a robust levitation controller should be designed. This paper divides a maglev control system into two serial-connected de-coupled sub-systems:current loop sub-system and levitation subsystem. H∞control theory is applied to the design of current loop controller while the time-domain method is applied to the design of the levitation controller. Testing results of the designed controllers for a whole size single bogie EMS maglev vehicle is given.Key words EMS maglev vehicle, cascade control, current loop, H∞ control.1 引言 常导吸力型磁浮列车的悬浮控制技术已相当成熟,特别是在结构上采用磁轮或模块等控制概念,十分巧妙地实现了多个电磁铁的悬浮控制之间的解耦,以致于由多个电磁铁共同悬浮的磁浮列车特性,主要取决于单个电磁铁(简称单铁)的控制特性.因此单铁控制系统的设计就变得十分关键了.如何使单铁控制系统有较满意的特性及较好的鲁棒性,至今仍是磁浮列车控制界比较关心的热点.特别是在我国这一工作还刚刚起步,这个问题的顺利解决将会十分有力地促进磁浮列车技术在我国的发展. 目前进行单铁的悬浮控制系统设计主要采用状态反馈法[1].用这种方法,电磁铁的电流作为状态变量之一引入系统,和悬浮间隙以及电磁铁的加速度信号等一起起作用;因此,电流信号和其它信号之间会产生耦合,对电流的控制也不灵活、不方便.对电流信号的处理还有另一种方法,就是首先通过强电流反馈改善电磁铁的响应时间,然后采用频域法设计悬浮控制器;采用这种方法时,电流反馈的强度不易选择,较小时达不到应有的效果,较大时系统又会产生自激振荡.应用于磁浮列车,上述方法设计出来的悬浮控制器对参数的精度要求高,不便于优化,悬浮系统的稳定裕度小,磁浮列车和轨道之间容易出现共振. 针对单铁悬浮控制系统,提出串级设计的思想,将它分解为电流环和悬浮子系统两个子系统来考虑.电流环是悬浮子系统的执行环节,其设计要求是输出电流在一定的频率范围内尽快跟踪悬浮控制器的输出电压,从而保证在设计悬浮控制器时,电流环可以看作一个比例环节,这样,便于设计鲁棒性很强的悬浮控制器.本文采用H∞理论设计电流环控制器,采用经典控制理论的时域方法设计悬浮控制器,实现由8个电磁铁共同悬浮的全尺寸单转向架磁浮列车的悬浮,并对系统的性能进行测试.2 单铁悬浮模型及串级设计方案 设计悬浮系统时考虑图1所示的单铁悬浮模型.有关的符号如下:图1 单铁悬浮模型 μ0为真空中的磁导率;g为重力加速度;m为悬浮体质量;A为有效磁极面积;N 为电磁铁线圈匝数;R0为电磁铁线圈电阻;u为控制电压;I为电磁铁线圈中的电流;F m为电磁铁提供的电磁力;F d为干扰力;δ为电磁铁和轨道之间的间隙. 忽略导磁体的磁阻,可以得到悬浮电磁铁的电压-电流方程(1) 不考虑轨道的不规则性、轨道形变以及轨道的振动,则悬浮体的位移和悬浮间隙是一致的,根据牛顿第二定律,可得悬浮体的动力学方程为(2)其中电磁力与悬浮间隙以及电磁铁线圈中的电流的关系为(3) 通常情况下,可以将方程(1—3)或者它们线性化之后的结果作为模型,进行悬浮控制器的设计.本文提出的串级设计方案是:从方程(1)出发设计电流环控制器,使得控制之后的闭环系统在一定的频带内可以简化为(4)并从方程(2—4)出发,设计悬浮控制器.3 H∞电流环设计与分析 考察方程(1),记则被控对象可以表示为P(s)都是变化的.假设R的变化范围为0.4—1.0Ω,L(t)的变化范围为0.1—0.5H,分析表明,对象P(s)可由如下的不确定性模型描述(5a,5b)(5c,5d) 选择图2所示的控制器C1(s),C2(s),并选择性能权为(6)图2 电流环控制系统其中a是待定参数,T1的选择与悬浮系统的频带有关.悬浮系统的能耗当控制系统的频带时达到最小[2],设计时取δ0=0.010m,可得ω0≈44.3.闭环电流环在此频带内应近似为比例环节,因此应取1/T1>10ω0.本文取T1=0.001. 根据H∞控制器的设计算法可得,使问题可解的a的最大值为0.782,而当a=0.782时,可得模型匹配问题的容许解Q(s)以及相应的控制器为(7)(8a,8b)其中式(7)中的τ=∞,取τ足够大即可. 将所得到的控制器C1(s)和C2(s)作用于系统P(s),并让R(t),L(t)取不同的值,可以得到闭环系统的频率特性如图3所示.从图3可以看出,R(t),L(t)在±20%的摄动范围内,电流环闭环系统的频带为1 000左右(角频率);频带内的跟踪衰减小于3dB,并在一定的频率范围内具有较好的线性度.图3 电流环控制系统的频率特性注 0:标称对象R=R0,L=L01:R=0.8R0,L=0.8L0 2:R=0.8R0,L=1.2L03:R=1.2R0,L=0.8L0 4:R=1.2R0,L=1.2L04 悬浮控制器的设计和实验结果 根据式(3)可得,在额定悬浮点δ0稳定悬浮时的电流记Δδ=δ-δ0,ΔI=I-I0,Δu=u-u0.考虑到方程(4),有(9) 将式(3)在(δ0,I0)处进行Taylor展开,取一次近似,得(10)其中, 将式(9),(10)代入式(2),并注意到得(11) 选取控制器为(12)那么闭环系统为(13) 根据式(13)可知,闭环系统的特征频率ωn和阻尼ξ满足(14a)(14b) 由式(14)可知,引进加速度反馈相当于减小了ωn,即压缩了系统的频带,从而可以提高系统的抗干扰能力.但加速度信号本身也会带来干扰,因此,K A不宜太大.本文取 本文的电磁铁参数为N=320, A=0.84×0.028m2;设计时,悬浮质量的取值介于空载和满载之间,取m=500kg.将参数代入式(14),可得悬浮控制器为 本文采用4套悬浮控制器和电流环组成的串行控制系统,对由8个电磁铁支撑的全尺寸单转向架磁浮列车实施悬浮控制.实验表明,该转向架在空载3 500kg至满载6 500kg 的范围内,都能在静态条件下稳定悬浮以及在轨道上低速运行,克服了磁浮列车中极其容易出现的轨道共振现象.测试表明,静态稳定悬浮时,悬浮间隙的波动小于±0.01×10-3m.图4给出了实测的静态稳定悬浮条件下间隙信号的频谱.分析和测试表明,图4中的几个尖峰频率点分别是:1.8Hz是系统中积分器的特征频率;4.8Hz是悬浮系统的特征频率;17Hz是磁转向架中二次减震系统的固有频率;53Hz是电流环的特征频率.可见,电流环的特征频率和悬浮系统的特征频率相差10倍以上,达到了设计要求.图4 磁转向架静态悬浮条件下间隙信号的频谱5 结论 本文提出的磁浮列车悬浮控制系统的串行设计方案大大降低了悬浮控制系统的设计和调试难度.应用H∞控制理论设计的电流环,很好地补偿了电磁铁的电感引起的大延迟,使串行设计方案得以实现.实验结果表明,系统的稳定裕度大,鲁棒稳定性强.1)国家科技攻关计划资助项目作者简介:李云钢 29岁,博士.现为国防科技大学讲师.研究方向为磁悬浮列车控制理论. 常文森 64岁,现为国防科技大学教授、博士生导师.研究领域为磁悬浮列车控制理论及机器人技术.作者单位:长沙工学院自动控制系 长沙 410073参考文献1 Sinha P K. Electromagnetic suspension: dynamics and control. ,London, United Kingdom:Peter Peregrinus ltd.,1987, 53—572 Gottzein, Brock K H, Schneider E, Pfefferl J. Control aspects of a tracked magnetic levitation high speed test vehicle. Automatica 1977,13(3):205—223收稿日期 1996-10-11收修改稿日期 1998-01-09磁浮列车悬浮系统的串级控制作者:李云钢, 常文森, LI Yungang, CHANG Wensen作者单位:长沙工学院自动控制系,长沙,410073刊名:自动化学报英文刊名:ACTA AUTOMATICA SINICA年,卷(期):1999,25(2)被引用次数:69次1.Sinha P K Electromagnetic suspension: dynamics and control 19872.Gottzein;Brock K H;Schneider E;Pfefferl J Control aspects of a tracked magnetic levitation high speed test vehicle[外文期刊] 1977(03)1.徐俊起.吴小东一种基于数字信号处理器和现场可编程门阵列的磁悬浮控制器[期刊论文]-电机与控制应用 2010(7)2.姜斌.李杰模糊控制在单磁铁悬浮系统中的运用[期刊论文]-兵工自动化 2008(7)3.刘恒坤.常文森磁悬浮列车的双环控制[期刊论文]-控制工程 2007(2)4.李云钢.柯朝雄.程虎磁浮列车悬浮控制器的电流环分析与优化设计[期刊论文]-国防科技大学学报 2006(1)5.佘龙华.邹东升.李剑锋基于TMS320F2812的磁浮列车控制器设计[期刊论文]-电力机车与城轨车辆 2005(5)6.刘涛.张卫东.顾诞英一类开环不稳定串级控制系统的解析设计[期刊论文]-控制与决策 2004(8)7.张耿.李杰低速磁浮列车竖曲线电磁力计算[期刊论文]-中国电机工程学报 2012(3)8.龙鑫林.佘龙华.翁干飞EMS和PEMS磁浮系统斩波器研究[期刊论文]-电力机车与城轨车辆 2011(1)9.郑永斌.李杰.刘德生EMS型磁浮列车模块的基于逆系统的解耦控制[期刊论文]-微计算机信息 2008(10)10.张志洲.李晓龙.龙志强基于状态观测器的磁悬浮列车传感器故障容错方法[期刊论文]-机车电传动 2008(4)11.苏学荣.何凌云.常文森磁悬浮系统的两种非线性自抗扰控制方法对比研究[期刊论文]-电力机车与城轨车辆 2008(1)12.朱付景.李杰不同方式获得的速度对悬浮系统的影响分析[期刊论文]-控制工程 2008(6)13.王洪坡.李杰.张锟速度时滞反馈控制下磁浮系统的稳定性与Hopf分岔[期刊论文]-自动化学报 2007(8)14.佘龙华.卢晓慧.施晓红基于变量梯度法的磁悬浮控制系统的状态稳定性[期刊论文]-控制理论与应用 2007(4)15.朱付景.李杰基于单电磁铁的悬浮系统自适应控制研究[期刊论文]-计算技术与自动化 2007(4)16.杨祚唐.陈慧星.李云钢电磁永磁混合悬浮的零功率控制[期刊论文]-兵工自动化 2007(3)17.时瑾.魏庆朝.招阳弹性轨道上二自由度磁浮车辆动力学仿真研究[期刊论文]-系统仿真学报 2007(3)18.梅竹.李杰.洪华杰磁悬浮控制系统动态特性研究[期刊论文]-计算机仿真 2007(8)19.佘龙华多极串联悬浮电磁铁的动态控制模型研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2005(7)20.王广雄.袁欣.何朕不稳定对象的PID控制[期刊论文]-控制与决策 2002(5)21.龙鑫林.佘龙华.常文森电磁永磁混合型EMS磁悬浮非线性控制算法研究[期刊论文]-铁道学报 2011(9)22.龙鑫林.郝阿明.佘龙华基于TMS320F28335的磁浮列车数字控制器设计[期刊论文]-电力电子技术 2010(10)23.程虎.李云钢.常文森电磁型磁浮列车的依从控制方法分析与仿真[期刊论文]-系统仿真学报 2009(15)24.磁悬浮系统的加速度计反馈控制算法[期刊论文]-控制理论与应用 2009(9)25.郝阿明.佘龙华.常文森EMS型高速磁浮列车自适应导向控制器设计[期刊论文]-控制工程 2008(2)26.邹东升.佘龙华高速磁浮列车电磁铁安装结构的动力学建模与分析[期刊论文]-铁道学报 2008(4)27.刘德生.李杰.周丹峰EMS型磁悬浮列车模块悬浮系统的模型参考自适应控制[期刊论文]-微计算机信息 2006(25)28.何凌云.佘龙华.赵春霞磁浮列车悬浮系统的双环自抗扰控制[期刊论文]-兵工自动化 2006(11)29.赵春发.翟婉明常导电磁悬浮动态特性研究[期刊论文]-西南交通大学学报 2004(4)system[期刊论文]-中南大学学报(英文版) 2013(6)31.卢晓慧.施晓红.佘龙华基于MATLAB的磁悬浮系统奇异摄动参数计算[期刊论文]-计算机仿真 2006(4)32.施晓红.佘龙华单悬浮架多控制器耦合磁悬浮系统动态特性研究[期刊论文]-机车电传动 2006(1)33.李云钢.程虎.张晓.刘恒坤基于V型轨道的电磁悬浮列车的悬浮导向技术[期刊论文]-同济大学学报(自然科学版) 2012(11)34.程虎.张晓.李云钢.杜发喜电磁永磁混合悬浮系统的控制特性分析[期刊论文]-机车电传动 2010(2)35.左元华.陈复扬.齐瑞云磁悬浮列车轨道间隙控制系统的自适应控制[期刊论文]-盐城工学院学报(自然科学版) 2009(4)36.陈慧星.李云钢.常文森电磁-永磁混合磁悬浮系统的悬浮刚度研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2008(27)37.施晓红.卢晓慧.佘龙华奇异摄动磁悬浮系统的串级PID控制稳定性研究[期刊论文]-动力学与控制学报 2007(3)38.朴明伟.梁世宽.薛世海.兆文忠高速磁浮列车主动悬浮与导向的2-DOF控制[期刊论文]-中国铁道科学 2006(4)39.孙秋明.李杰.王洪坡基于遗传算法的磁浮列车悬浮控制参数优化[期刊论文]-计算机仿真 2006(8)40.洪华杰.李杰.张锰EMS型磁浮列车系统滚动稳定性研究[期刊论文]-控制工程 2006(4)41.邓亚士.魏庆朝.时瑾高速磁浮桥上轨道梁振动特性初步研究[期刊论文]-振动工程学报 2008(3)42.张东升.梅雪松.郝晓红.姜歌东.陶涛一种磁悬浮系统的降阶方法[期刊论文]-系统仿真学报 2007(10)43.梅竹.李杰基于虚拟样机的磁悬浮列车悬浮系统建模及仿真[期刊论文]-机车电传动 2006(6)44.施晓红.佘龙华.常文森EMS磁浮列车车/轨耦合系统的分岔现象研究[期刊论文]-力学学报 2004(5)45.王海涛磁悬挂天平数字控制技术研究[学位论文]硕士 200446.欧阳文常导磁悬浮列车的悬浮驱动及其控制研究[学位论文]硕士 200247.施晓红.龙志强磁悬浮车轨耦合控制系统的非线性振动特性分析[期刊论文]-铁道学报 2009(4)48.刘德生.李杰.张锟双电磁铁悬浮系统的非线性解耦控制器设计[期刊论文]-自动化学报 2006(3)49.黄今辉.李晓龙.佘龙华高速磁浮列车搭接结构的相邻磁铁电流平衡算法[期刊论文]-铁道学报 2013(11)50.朱付景.李杰基于双位置环反馈的单电磁铁悬浮控制研究[期刊论文]-计算机仿真 2008(7)51.洪华杰.李杰磁浮系统模型中用弹簧阻尼器替代控制器的等效性分析[期刊论文]-国防科技大学学报 2005(4)52.孙秋明基于磁通反馈的悬浮控制研究[学位论文]硕士 200553.邹东升.佘龙华.张志洲.常文森容许间隙传感器温漂的磁浮系统控制律重构[期刊论文]-计算机仿真 2010(2)54.李云.龙志强磁悬浮系统网络化控制器的设计与实现[期刊论文]-系统仿真学报 2009(14)55.张鼎基于扩张状态观测器和非线性PID的数字式悬浮控制系统研究[学位论文]硕士 200556.李晓龙.张志洲.佘龙华.常文森基于卡尔曼滤波的磁浮列车悬浮控制算法研究[期刊论文]-系统仿真学报 2009(1)57.龙志强.李云.贺光磁浮列车悬浮控制系统电磁铁故障诊断技术研究[期刊论文]-控制与决策 2010(7)58.LI Jin-hui.LI Jie.Zhang Geng A practical robust nonlinear controller for maglev levitation system[期刊论文]-中南大学学报(英文版) 2013(11)59.谢卫民磁悬浮车辆—线路耦合动力学仿真模型研究[学位论文]硕士 200560.闫宇壮.李云钢.程虎电动电磁混合磁浮悬浮稳定性及技术特性分析[期刊论文]-中国电机工程学报 2007(6)61.卢晓慧基于自校正和全局渐近稳定的悬浮控制方法研究[学位论文]硕士 200562.刘挺面向线路设计的磁浮车-线耦合动力学研究[学位论文]硕士 200663.屠旭永磁浮列车悬浮系统建模及悬浮控制策略的研究[学位论文]硕士 200664.张翼基于DSP的磁浮列车悬浮控制器的研究[学位论文]硕士 200665.翟婉明.赵春发磁浮车辆/轨道系统动力学(Ⅰ)--磁/轨相互作用及稳定性[期刊论文]-机械工程学报 2005(7)66.程虎混合型EMS系统的低功耗悬浮控制技术研究[学位论文]硕士 200567.李剑锋常导高速磁浮列车搭接结构的悬浮控制技术研究[学位论文]硕士 200568.施晓红常导高速磁浮列车车轨耦合非线性动力学问题研究[学位论文]博士 200569.闫雪冬轮轨/磁浮动车组虚拟样机若干关键技术研究与应用[学位论文]博士 2005引用本文格式:李云钢.常文森.LI Yungang.CHANG Wensen磁浮列车悬浮系统的串级控制[期刊论文]-自动化学报 1999(2)。