串级控制系统设计及仿真
串级控制系统仿真(word文档良心出品)
串级控制系统仿真解题步骤：(1)串级控制系统的方框图：（2）单回路控制系统图：图（2）为采用单回路控制时的Simulink图，其中，PID C1为单回路PID控制器，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
在PID参数设置中，经过不断的试验，当输入比例系数为260，积分系数为0，微分系数为140时，系统阶跃响应达到比较满意的效果，系统阶跃响应如下图：采用这套PID参数时，二次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下。
系统的输出响应如下图：采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下：系统的输出响应如下从综合以上各图可以看出，采用单回路控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次扰动，二次扰动的抑制效果不是很好。
图（1）是采用串级控制时的情况，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；PID C1为主控制器，采用PD控制，PID C2为副控制器，采用PID控制；Go2为副对象，Go1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；scope为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
经过不断试验，当PID C1为主控制器输入比例系数为550，积分系数为0，微分系数为80时；当PID C2为主控制器输入比例系数为3，积分系数为0，微分系数为0时；系统阶跃响应达到比较满意的效果，系统阶跃响应如下图所示：采用这套PID参数时，二次扰动作用下，置输入为0，系统的框图如下:系统的输出响应如下图:采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统的框图如下:系统的输出响应如下图:从表中可以看出系统的动态过程改善更为明显，可见对二次扰动的最大动态偏差可以减小约6倍，对一次扰动的最大动态偏差也可以减小约2.4倍，系统的调节时间提高了2.5倍。
单回路控制系统在副扰动下的单位阶跃响应曲线如下：串级控制系统在副扰动作用下的节约响应曲线如下：通过对比两曲线可以看出，串级控制系统中因为副回路的存在，当副扰动作用时，副控制器会立即动作，削弱干扰的影响，使被副回路抑制过的干扰再进入主回路，对主回路的影响。
串级控制系统在电机控制中的仿真研究
ｒｇ ｌｔｒＰＤ ｅｕａｏ． ｅｓｐ ｒｏｉ ｃ ｓａ ｅｃｎｒｌｙｔｍ ｉｒ ｅｔｄｉ ｅｃｎｒｌ ｍｏｏ ｅ ｕａｏ Ｉ ｒｇ ｌｔｒＴ ｅｉｒｔ ｏ ａｃｄ ｏ ｔ ｓｅ ｆ ｃ ｔ ｏ ｔ ， ｈ ｕ ｙｆ ｏｓ ｓｅ ｅ ｎ ｈ ｌ ｏｏ ｆ ｔｒ ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｍｏ ｏ ， ｉ ｇ ｅ ｌ ｏ ｏ ｔ ｌ ｙ ｔ ｍ； ｅ ｉ ｓｃ ｎ ｒ ｌ ｙ ｔ ｍ，ｓｍｕ ａ ｉ ｎ ｒ ｇ ｌ ｔ ｒ ｖ ｒ ｈ ｏ ｙ ｗｏ ｄ ： ｔ ｒ ｓ ｎ ｌ —ｏ ｐ ｃ ｎ ｒ ｓ ｅ ｓ ｒ ｅ ｏ ｔｏ ｓ ｅ ＂ ｉ ｌ ｔ ； ｅ ｕ ａ ｏ ；ｏ ｅ ｓ ｏ ｔ ＂ ｏ ｓ ｓ ｏ
中图分 类号 ：Ｔ ２ ３ Ｍ３ Ｐ ７ ：Ｔ
文献 标识 码 ：Ａ
Ｔｈ ｉ ｕ ａ ｉ ｎ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ａ ｃ ｄ ｎ ｒ ｌ ｙ ｔ ｍ ｎ ｔ ｅ Ｓ ｍ ｌ ｔｏ ｓ ａ ｃ ｆＣ ｓ ａ ｅ Ｃｏ ｔ ｏ ｓ ｅ ｉ ｈｅ Ｓ
Ｃｏ ｒ ｌｏ ｏ ｏｒ ｎｔ ｏ ｆＭ ｔ
Ｌｉ ， Ｗ ｌｕ Ｘ ｉ ｏ ｅ ， Ｚｈ ｎ ｉ ｉ ｇ ， ａ ｇ Ｊｎｇ ｕ Ｄｉ ｉ ａ ｌｉ ａ ｇ Ｈａ ｙ ｎ Ｗ ｎ ｉ
（ ｖ ｌ ｒｎ ｕｉａ ａ ｄＡｓ ｏ ａ ｔ ａ Ｕｎｖ ｒｉ ， Ｓ ａ ｄ ｎ ６ ０ Ｃ ｉａ Ｎａ ａ Ａｅｏ ａ ｔ ｌ ｎ ｔ ｎ ｕｉ ｌ ｉｅｓｙ ｃ ｒ ｃ ｔ ｈ ｎ ｏ ｇ２ ４ ０ ， ｈｎ ） １
实验三、串级控制系统仿真
1 m2
0.8 m1
Object 1 Object 1
PV
Out1 1
精品PPT
1.4
1.2
1
0.8
c(t)
0.6
0.4
0.2
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
Time(Sec) 精品PPT
计算性能参数：
>> tp=spline(y,t,max(y)) >> sigma=max(y)-1= 8.92% >> ess=1-y(length(t))=0
Manual Switch1
Ground
1 SV2
PID Co n tro l l e r Controller 1
Manual Switch
0 Second disturb
PID Co n tro l l e r Controller 2
0 First disturb
Object 2 Object 2
精品PPT
3
2.5
2
0.63c()
1.5
c(t)
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0.28c()
0.5
0
0
t1 50
t2100
150
200
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300
Time(Sec)
350
400
450
500
精品PPT
③ 广义对象传函
由式（3-36）
To
3 2
(t2
t1);
(t2
To ) 10
于是，Wo'
2.716 e23.14s 83.323s 1
基于DCS技术的串级控制系统仿真
上海电力学院计算机测控系统课程设计课题：基于DCS技术的串级控制系统仿真专业：自动化班级：姓名：学号：双容水箱水箱水位串级控制系统设计一、课程设计目的1、熟悉掌握P3DCS 的分散控制系统组态的步骤和流程。
2、学会参照P3DCS 和使用说明，进行DCS 组态。
3、通过对计算机监控系统的设计、配置和实现，掌握计算机测控技术在过程控制领域的应用。
4、学会设计简单的系统组态。
二、课程设计内容采用P3DCS 系统设计完成水箱水位串级控制系统并进行参数整定和调试，包括数据库组态、SAMA 图组态、流程图组态、操作器组态，设计手动和单回路自动控制、串级自动控制等控制方案，并实现手自动无扰切换和报警，设计相应的模拟量控制和逻辑控制方案并实现，进行仿真、参数整定与系统调试。
其中上水箱水位的对象传递函数为s e s s G 321142)(-+=上水箱水位对下水箱水位传递函数为se s s G 511242.1)(-+=其它执行器和测量电路的传递函数简化为K = 1三、系统概述设计串级回路控制的目的就是在控制系统中加入副回路，从而加快系统的调节速度和增强系统的动态性能。
主副回路控制系统的PID 参数采用两步整定法，先整定副回路上水箱的PID 参数使之达到稳定，然后再整定主回路的参数使之达到稳定的状态。
并通过P3DCS 组态软件对系统的曲线进行实时监控，调出最优PID 参数。
系统的工艺流程如下图（图 1）所示：图 1 系统连接图根据水箱系统的结构，我们设置一个串级控制回路，把下水箱作为串级控制系统的主控制回路，上水箱作为串级的副控制回路。
从而得出串级控制系统的方框图如（图2）所示：图 2 系统方框图四、实验设计及步骤1、打开主程序到登陆界面。
2、登入后进入系统主界面点击系统数据库图标，进行各参数的设置与说明。
图 3 进行各参数的设置与说明3、进行sama图制作，对其中元件进行设定。
对被控对象进行定值，然后对PID参数进行设置，主回路的K1设为2，K2 为0.25，副回路的K1为 2 ；然后再进行M/A模块的设置。
关于串级控制系统的设计
厂 ＼ ＼
、
串级控制系统就是两个控制器进行 串联 连接 ， 把主控制器 当作 主要 部分 ， 确保 主变量稳 定为 目标 ， 两个 控制器保 持统一 ， 相互协 作。 特别是在二次干扰中 ， 副控制器就会做一个 大致调节 ， 然后让 主 控制器做一个深入微调。 所 以控制 品质一定要 比普 遍控 制体 系高一 些 。两个控制器都会选取“ 反” 工作形式 。 图 １仿 真 图 利用和单 回路掌控体 系中各个性 能标 准进行 对 比， 证 明了串级 控制 系统在响应速度 、 稳定度 、 抗扰性 等多个方面都优 于单 回路控 调节 Ｐ Ｉ Ｄ参数 ， 做一个反复实验 ， 一直到这个掌控质量达到要求 。 ３ ． １ 经验整定参数表 制系统。 ２ 研 究与 开 发 ２ ． １主 、 副 变 量 的 选 择 通常情况 下 ， 科学有效的 串级控制体 系 ， 当干扰 由副回路流入 时， 最大偏差会不断削减到单 回路控 制体系 １ ／ １ ０～１ ／ １ ０ ０ ， 就算是从 主 回路进去 ， 其也能够迅速削减 到 １ ／ ３ ～１ ， ５ ， 不过 ， 假 如串级控制体 副 回路 中依照流量做一 个调控 ， 比例度要尽 可能大 ， 积分 时间 系在规划时不够科学 ， 那么其优势就无法 获得有效展现 。 主变量选取原则和单回路 控制 系统中选 取标准是统一 ， 就是选 要尽可能小。 取直接或 者间接展示生 产中商品产值 、 品质 、 环保等掌控 目标的参 根据以上原则及整定时所得参数 ，取副 回路 Ｋ ｐ ＝ ６ ０ ， Ｋ 。 ＝ １ ２ ０ ； 观 曲线振荡剧烈 ， 调节时间过长 ， 说明Ｋ 。 过大， Ｋ 。 较小。 数 当作主变量 。因为串级控制体 系中副 回路 有着 超前 功能 ， 使得工 察输出曲线 ， 重新调整 Ｋ … Ｋ 大小。 经过反复试验 ， 确定副 回路调节器 的参数 艺过程 比较稳定 ， 因此 ， 在一定程度 上允许 主变量有一 定的滞 后 ， 这 ＝ ７０， Ｋ￣ ＝９ ０。 样就给直接展示掌控 目标的参数带来 了一些空间 。 因此主变量选取 Ｋｐ 主 回路按温度控制整定。温度系统就是 因为其拥有测量变送和 原则就是 ： 在 条件可 以准许 的状况 下 ， 尽可 能选 取一些可 以直接展 示掌控 目标 的参数 当作是主变量 ， 无法操作时还能够选取和控制 目 热传递滞 后 ， 因此就 比较慢 。 比例度大概在 ２ ０到 ６ Ｏ之间 ， 主要还是 一般积分时间较 大。微 标有着一些应对联系的间接参数 当作主变量 ； 因此所选取主变量一 受到温度改变范畴 与控制阀外在尺度影 响。 分 时间一般 都是积分 时 间 １ ， ４ 。主 回路 预设初 值为 Ｋ ｐ ＝ ４ ０ ， Ｋ ｉ ＝ １ ０ ， 定是有着很快 的反应度 ； 还要整合到工艺中合理性与可行性 。 此次设 计 中是专门就精馏塔提馏段 温度 做一个 掌控 ， 综合各方 Ｋ ｄ ＝ ２ ０ 。 观察输 出曲线 ， 发现 曲线不稳定 。 按照Ｐ Ｉ Ｄ控制规律进一步 最后 明确主 回路调节器数值 Ｋ ． ＝ ３ ５ ， Ｋ 。 ＝ ７ ， Ｋ ￣ ＝ ２ ８ 。仿 面原 因及 以上主变量选择原则 ，以提馏 段温度为主变量最为合 适。 调整各项参数 ， 既能直接反映控制 目的的参数 ， 又有足够的灵 敏度 ， 而且容易实现 。 真 曲线如图 １ 。 由仿 真图可 以看 出 ， 响应 曲线呈 ４ ： １ 衰减震 荡 ， 其 中过渡 时间 ２ ． ２主 、 副控制器的选择 凡是 串级 控制系统 的场合 ， 对象特性 总有较大 的滞后 ， 本次设 要 比十秒小。基本达到预期效果。 计也不例外 ， 因此 主控制器采用三作用 Ｐ Ｉ Ｄ控制器是必要 的。 ３ 串级 控 制 技 术 的 发展 前 景 随着工业 的发展 ， 新工艺形成 ， 生产 中也不断变得强大起来 ， 对 副 回路就是随动 回路 ， 是可 以有一些余差 。副 回路不需要积分 作用 。这样可 以将副 回路的开环静态增益调整得较大 ， 以提 高克服 商 品品质需求也是在不 断提升 ， 简单 掌控体 系已经无法符合工艺需 过程掌控有着很强惯性 、 滞后 时间也 比较久等特征 。 串级控制体 扰动得能力 。但 由于本次设计 的副变量是蒸 汽流量 ， 所 以副 回路为 求 。 流量控制系统 ， 这种 系统开环增益都 比较小 ， 若不 加积分 ， 会产生很 系 就 可 以 有效 处 理 这 类 问题 。 一 个具 体 的 串级 控 制 方案 ，由于 选 择 具体 实施方法也不一样 ， 要根据具体情况 和条件 大余差 。 又 因为流量副 回路构成得等效环节 比主对象的动态滞后要 的仪器类 型不同 ， 小得多 ， 副控制器增加 积分作用也不太影 响主 回路性能 。因此这个 而定 。 如 电动或气动 ， 电动 Ｉ 型， Ⅱ型 ， 或Ⅲ型。 通常而言 ， 主控制器 中给定值就是 这些工艺设定 ， 其就是一个 固定数值 ， 所以， 其就是一 设计所获得副控制器是使用 比例和积分这个方式 。 个定值掌控体 系。而副控制体系 中给定值是主控制器给定 ， 其户因 ２ ． ３串级控制 系统 Ｐ Ｉ Ｄ参数整定 Ｐ Ｉ Ｄ最合适 参数通 常会包含 Ｋ ｃ 、 ｒ ｒ ｉ 等一 些 比较 常见 的掌控参 为主控制改变而有所改变 ， 所以， 副回路 就是一个随动体系。 本文 以串级控制系统为研究对象 ， 着重探讨 了系统参数 的取值 数， 精准迅速 选取 Ｐ Ｉ Ｄ 中最合适参数是有关 Ｐ Ｉ Ｄ控制器是不是合理 副对象 的控制器的设 计。采用 串级控制对纯滞后进行控制有 的重要步骤 ， 怎样 在具体生产里获得这些最优参数 呢？现行 的方法 和主 ， 有 有很 多种 ， 就是 因为蒸馏塔会 全天候持续生产这 个特征 ， 使用 当场 比较理想的效果 。串级控制通过副控制器对副控制对象的作用 ， 效提升 了系统 中反应速度与掌控精确度 。 经验整合法去实现一个 比较好的掌控成果 。 参 考 文 献 现场经验整定法是工作人员在具体运作 中， 就各类掌控规模对 １ １ 方康玲 ． 过 程控 制系统『 Ｍ１ ． 武汉 ： 武汉理工大学出版社， ２ ０ １ ２ ． 掌控 品质 的影响 的定性探究归纳出一些有效 、 合理并获得普遍运用 『 ２ ］ 邵惠鹤 ． 工业过程 高级控制【 Ｍ】 ． 上海 ： 上海交通 大学出版社， １ ９ ９ ７ ． 的一个方式 。 在整个过程中 ， 我们始终要把 Ｐ Ｉ Ｄ维持在先 比例 ， 然后 『 积分 ， 最后在进行微分 这个 处理办法 ， 在探 究 Ｐ Ｖ改变 情况时 ， 不 断 『 ３ １ 金 以慧 ． 过 程控 制『 Ｍ 】 ． 北京 ： 清 华 大 学 出版 社 ， ２ ０ ０ ６ ．
串级控制系统设计及仿真
目录1.串级控制的基本概念 (1)2.串级控制系统的原理 (1)3.串级控制系统的特点 (1)4.串级控制主、副控制器的设计 (4)5.Simulink仿真 (6)6.串级控制的改进 (8)附录 (10)参考文献 (11)1.串级控制的基本概念串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，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个系统的品质，因此串级控制系统中选择内环时应考虑其响应速度要比外环快得多。
2.串级控制系统的原理串级控制在结构上形成的两个闭环，一个在闭环里面，成为内环、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；一个闭环在外面，成为外环、主环或主控回路，其控制器称为主控制器，在控制中起“细调”作用，最终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。
图1为串级控制系统的结构图。
图1 串级控制系统的结构图 3.串级控制系统的特点（1） 副控制回路具有快速性，能够有效的克服进入副控回路的二次干扰。
图2为简化串级控制系统的结构图，其中)(2S G v 为二次干扰通道传递函数。
图2 串级控制系统简化结构图当二次干扰经扰动通道)(2S G v 进入副控回路后，首先影响副参数)(2S Y ，于是副控制器立即动作，力图削弱干扰对)(2S Y 的影响。
显然，干扰经副控回路的抑制后再进主控回路，对)(S Y 的影响将有较大的减弱。
按图2所示的串级系统，二次干扰)(2S V 到主参数)(S Y 的传递函数是)()()()()()(1)()()()(221122122S G S D S G S D S G S D S G S G S V S Y v ++= （3.1） 为了与一个简单单环控制系统相比，由图3可以得到单回路控制下干扰)(2S V 至主参数)(S Y 的传递函数是)()()(1)()()()(21122S G S G S D S G S G S V S Y v += （3.2）图3 单回路控制系统结构图比较（3.1）和（3.2），假定)()(1S D S D =,可以看到串级系统中的)()(2S V S Y 的分母中多了一项，即)()(22S G S D 。
串级控制系统仿真实验-推荐下载
三、实验记录
（稳定边界法对副调节器进行整定）图1
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术通关，1系电过，力管根保线据护敷生高设产中技工资术艺料0不高试仅中卷可资配以料置解试技决卷术吊要是顶求指层，机配对组置电在不气进规设行范备继高进电中行保资空护料载高试与中卷带资问负料题荷试2下卷2，高总而中体且资配可料置保试时障卷，各调需类控要管试在路验最习；大题对限到设度位备内。进来在行确管调保路整机敷使组设其高过在中程正资1常料中工试，况卷要下安加与全强过，看度并22工且22作尽22下可22都能22可地护以缩1关正小于常故管工障路作高高；中中对资资于料料继试试电卷卷保破连护坏接进范管行围口整，处核或理对者高定对中值某资，些料审异试核常卷与高弯校中扁对资度图料固纸试定，卷盒编工位写况置复进.杂行保设自护备动层与处防装理腐置，跨高尤接中其地资要线料避弯试免曲卷错半调误径试高标方中高案资等，料，编试要5写、卷求重电保技要气护术设设装交备备置底4高调、动。中试电作管资高气，线料中课并敷3试资件且、设卷料中拒管技试试调绝路术验卷试动敷中方技作设包案术，技含以来术线及避槽系免、统不管启必架动要等方高多案中项；资方对料式整试，套卷为启突解动然决过停高程机中中。语高因文中此电资，气料电课试力件卷高中电中管气资壁设料薄备试、进卷接行保口调护不试装严工置等作调问并试题且技，进术合行，理过要利关求用运电管行力线高保敷中护设资装技料置术试做。卷到线技准缆术确敷指灵设导活原。。则对对：于于在调差分试动线过保盒程护处中装，高置当中高不资中同料资电试料压卷试回技卷路术调交问试叉题技时，术，作是应为指采调发用试电金人机属员一隔，变板需压进要器行在组隔事在开前发处掌生理握内；图部同纸故一资障线料时槽、，内设需，备要强制进电造行回厂外路家部须出电同具源时高高切中中断资资习料料题试试电卷卷源试切，验除线报从缆告而敷与采设相用完关高毕技中，术资要资料进料试行，卷检并主查且要和了保检解护测现装处场置理设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
过程控制：串级控制系统仿真
实验四 串级控制实验内容：SIMULINK 建模仿真 学生信息：自动化XXX 提交日期：20XX 年5月28日 报告内容： 串级控制一、实验目的1． 通过比较单回路控制系统与串级控制系统，进一步加深对串级控制的认识； 2． 掌握串级控制的参数整定方法。
二、实验设备1． 计算机1台2． MATLAB 7.X 软件1套。
三、实验步骤已知某串级控制系统的主副对象的传递函数G o1，G o2分别为：211,1001101o G s s ==++，121()101o o G s s =+，副回路干扰通道的传递函数为：221()201d G s s s =++。
1．用Simulink 画出串级控制系统的方框图及相同控制对象下的单回路控制系统方框图。
○1单回路控制系统方框图如下其中，PID C1为单回路PID 调节器，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r 为系统输入，取阶跃信号；y 为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
○2串级控制系统方框图如下其中，PID C1为主调节器，采用PD调节，PID C2为副调节器，采用P调节；q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；y为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
2．选用PID调节器，整定调节器的参数，并绘制相应的单位阶跃响应曲线。
进行调节器的参数整定，当输入比例系数为260，积分系数为0，微分系数为140时，系统阶跃响应达到比较满意的效果，记录系统阶跃响应图。
采用这套PID参数时，二次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下，记录系统的输出响应图。
采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下，记录系统的输出响应图。
综合以上各图可以看出采用单回路控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次和二次扰动的抑制效果不是很好。
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图2
电流环的建立
图中的 ASR 也采用 PI 调节器，于是双闭环直流调速控制系统原理图如下图：
3~
L
Ui
* Un
ASR
U i* Un
ACR
U ct
M
n
图3
双闭环直流调速控制系统原理图
TG
速度调节器 ASR 的基本功能：在起动期间或者输入给定信号幅值过大时产 生饱和，在其他期间不应产生饱和（其他场合除外）。ASR 的饱和隔绝了外环 对内环的干扰，使系统在起动期间表现为仅有一个电流环的特点，达到了在起 动期间恒流起动的目的。电流调节器 ACR 的功能：在图 3 所示情况下的任何时 间内都不能产生饱和（其他场合除外）。 参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以得到双 闭环系统的动态结构图，如图 4 所示。
电流反馈系数：
U im 10 0.0095 V/A I dm 1050
选取电流反馈滤波时间常数：
Tfi 0.002
选取转速最大给定值：
* U nm 10V
* U nm 10 0.01 V /(r. min1 ) nnom 1000
得到转速反馈系数：
取转速反馈滤波时间常数：
五、总结 通过本次课程设计作业的完成，我加深对串级控制系统的认识和理解，以 及简单系统模型的建立方法，复习巩固了以前所学习的知识，同时进一步学习 掌握了 Matlab 中 Simulink 组件在自动控制领域建模仿真的方法，为以后的学 习工作打下一定基础。本次作业的完成尚有不足，最后得到的波形中，在电动 机本应恒流升速的过程中，不知哪处做得不对，恒流没能实现，电流呈现下降 趋势，希望关老师能够帮助指正，在此提前表示感谢。同时，也非常感谢关老 师在一学期中，放弃周日与家人团聚的美好时光，来到学校对我们传道授业， 十分敬佩您的敬业精神。祝关老师身体健康、家庭和美、工作顺利。
三、系统参数的计算与整定 (1) 系统参数计算。 固有参数包括如下内容。 电势常数：
Ce
U nom I nom Ra 220 700 0.05 0.185 V /(r m im1 ) nnom 1000
Ce 0.185 0.18kg .mA 1.03 1.03
转矩常数：
图1
电流环的建立
图中电流调节器 ACR 一般采用 PI 调节器，因为 PI 调节器动态 GAIN 增益小， 容易稳定；静态增益大，容易满足生产工艺的稳态指标要求。在 ACR 后面将信 号传输给晶闸管之前装有一个可调限幅器。这样电流环的基本原理搭建完成。 为了满足起动结束后的要求，应该引入转速负反馈。根据多环组合定理，因为 转速的延迟时间要比电流的延迟时间长，所以转速反馈建在电流环外面，因为 电流出现的时间早于转速。电流环的建立如下图：
WASR K n
ns 1 ns
根据典型 II 系统设计可以得到
n 5T
n
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
5 0.0174 0.087 s
T n 2T i T fn 2 0.0037 0.01 0.0174 s
Kn h 1 CeTm 6 0.0095 0.185 0.8 60.6 2h R T n 2 5 0.01 0.08 0.0174
I dL ( S ) _
0.08 0.8s
1 0.185
n(s)
0.01 0.01s 1
图5 (2) 系统设计 1)
系统动态结构图
电流调节器设计
电流调节器采用 PI 调节器，电流环主要作用是限制电流，因此一般将电流环校 正为典型 I 系统 s 1 WACR K i i is
根据典型 I 系统设计可以得到
i Tl 0.025s
T i Ts T fi 0.0017 0.002 0.0037 s
Tl R 0.025 0.08 K i 1.24 2K sT i 2 0.0095 23 0.0037
2) 转速调节器设计 转速的超调与动态速降均可由抗扰指标衡量，而抗扰指标以典型 II 系统为 佳，因此转速调节器采用 PI 调节器，按典型 II 系统设计，取 h＝5。 设，转速调节器为：
T fi s 1
U i* ( s )
* Un ( s)
Ui
1 T fn s 1
Un
ASR
1 T fi s 1
ACR
U ct
ks TS s 1 _ E
1/ R Tl s 1
I dL ( S ) _
R Tm s
1 Ce
电流环
T fn s 1
图4
双闭环直流调速控制系统动态结构图
Tfn 0.01s
根据双闭环直流调速控制系统动态结构图可以得到系统的双闭环动态结构 图，如图 5。
0.0095 0.002s 1
U i* ( s)
U ( s)
* n
Ui
1 0.01s 1
Un
ASR
1 T fi s 1
ACR
U ct
23 0.0017s 1 _ E
1 / 0.08 0.025s 1
四、双闭环直流调速控制系统仿真 (1)基于数学模型的仿真，仿真模型如图 6 所示。
仿真参数选择，ode23;仿真时间 Start time 设为 0，Stop time 设为 10 (2) 各元件参数设置
图 7 阶跃信号设置
图 8 转速反馈滤波参数设置
图 9 ASR 参数设置
图 10 限幅环节参数设置
CM
Ld 2 103 电磁时间常数： Td 0.025s Rd 0.08
GD2 Rd 125 0.08 机电时间常数： Tm 0.8s 375 CmCe 375 0.18 0.182
晶闸管整流装置滞后时间常数： Ts
1 1 0.0017s 2m f 2 6 50
2009-12-8
GD 2 dn 375 dt
,又因为在整个起动期间TdL （负载转矩）不变，所以
dn
要想在整个起动期间保持 dt 不变，就应该在整个起动期间保持电磁转矩 T 不变。 考虑到 T=Cm Φ Id TdL = Cm Φ IdL ,所以，只要保证在整个起动期间电枢电流Id 等于一个适当的最大允许值不变，就能实现最短时间启动的问题。 因为在起动过程中需要保持电枢电流恒定不变，在稳定运行期间需要保持 电动机的转速恒定不变，所以需要构造电流环和转速环两个反馈环节。根据多 环组合定理，电流环在里面，转速环在外面。构造的关键是：在起动过程结束 时，实现电枢电流自动与负载电流相平衡。根据反馈定理只要引入电枢电流的 负反馈就可以解决这个问题。于是，建立电流环，如下图：
双控 0903
串级控制系统设计 及仿真
双闭环直流调速控制系统设计及仿真
李冀宁 2009-12-8
串级控制设计及仿真
一、串级控制的特点及问题的提出 串级控制系统为双闭环或多闭环控制系统，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考虑其响应速度要比外环响应速度快得多。 在实际工程中，对直流电机的控制经常遇到这样的要求：在电动机过载能 力等条件允许下，以最短的时间起动到最高速。这个命题同时提出了三个问题： 电动机起动时间最短问题，转速无超调问题，系统的输出（转速）抗干扰能力 强的问题，也就是动态速降和稳态速降都小的问题。 二、系统的构造过程 因为T − TdL =
图 11 电流反馈滤波参数设置
图 12
ACR 参数设置
图 13 晶闸管整流参数设置
图 14
电机模型参数设置
图 15 电流反馈系数参数设定
图 16 转速反馈系数参数设定
图 17 仿真算法参数设定 系统模型设置好后，运行仿真示波器中得到转速输出与电枢电流如图 18 所示。
图 18 电枢电流及转速输出
预置参数包括如下内容。 选取转速输出限幅值：Ukm = 10V,通过计算得到
晶闸管装置放大系数： K s
U d 0 1.05*U nom 1.05* 220 23 U km U km 10
启动电流：
I dm 1.5I nom 1.5 700 1050A
选取转速调节器输出限幅值：Uim = 10V，可以得到