沈阳理工大学课程设计论文
图2.3 系统逻辑结构图
这是一个串级控制系统，有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度；具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。
2.3 串级控制系统
2.3.1 串级控制系统概述
图2.4是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图2.4 串级控制系统方框图
R-主参数的给定值；
8
沈阳理工大学课程设计论文
C1-被控的主参数 ； C2-副参数；
f1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。 2.3.2 串级控制系统的优点
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有： 1、副回路的干扰抑制作用
发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正； 2、主回路响应速度的改善
副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的响应速度； 3、鲁棒性的增强
串级系统对副对象及调节阀特性的变化具有较好的鲁棒性； 4、副回路控制的作用
副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。 2.3.3 串级控制系统的适用场合
与单回路回馈控制系统比较，串级控制系统有许多优点。如串级控制系统能改善对象的动态特性、提高系统的控制质量；能迅速克服进入副回路的二次扰动；能提高系统的工作频率以及对负荷变化的适应性较强等等。串级控制方案主要适用场合如下：
1．应用于容量滞后较大的对象当对象的容量滞后较大时。若采用串级控制，使等效对象的时间常数减小，以提高系统的工作效率，加快反应速度，可以得到较好的控制质量。
2．应用于纯滞后较大的对象当对象纯滞后较大，有时可以用串级控制系统来改善系统的控制质量
3．应用于扰动变化激烈而且幅度大的对象串级控制系统的副回路对于进入其中的扰动具有较强的校正能力。
9
沈阳理工大学课程设计论文
4．应用于参数互相关联的对象在有些生产过程中，有时两个互相关联的参数需要利用同一个介质进行控制。
鉴于串级控制方式所具有的这一优势，本设计最终采用串级控制方式来控制水箱液位。
2.4 控制规律
2.4.1 控制规律选择
本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。 2.4.2 PID控制调节规律
典型的PID控制结构如图2.5所示：
图2.5 PID控制结构图
2.4.3 PID控制的原理和特点
工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简
10
沈阳理工大学课程设计论文
称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
（1）比例（P）控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
（2）积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
11
沈阳理工大学课程设计论文
2.4.4 比例控制及其调节过程
在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。
比例调节规律及其特点
比例调节作用，一般用字母P来表示。如果用一个数学式来表示比例调节作用，可写成：
?u?Kp?e (2.1) 式中 ?u——调节器的输出变化值；
?e——调节器的输入，即偏差；
K p——比例调节器的放大倍数。
放大倍数KP是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。
比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。 2.4.5 比例积分调节
对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。
因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，其作用特性可用下式表示： ?uPI??uP??uI?11(?e?PTI??ed)t （2.2） 这里，表示PI调节作用的参数有两个：比例度P和积分时间TI。而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。
由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调节（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡
12