解决非线性问题的串级控制系统

通常被控对象的特性都具有一定的非线性，当负荷发生变化时，会引起系统平衡点的移动，使被控对象的特性发生变化。若采用单回路控制系统，当负荷发生变化时，已整定好的控制器参数将不再是最佳值，系统的控制品质必然下降。如图5-56所示为具有饱和特性的非线性系统在最佳控制器参数下的阶跃响应曲线。在控制器参数不变的情况下，被控对象参数发生变化时系统的阶跃响应曲线如图5-57所示。被控对象结构发生变化时系统的阶跃响应曲线如图5-58所示。由此看到具有非线性特性的单回路系统被控对象的特性发生变化时，原来工作较好的控制系统可能控制效果下降甚至完全不能工作。

图5-55 串级控制系统的输出响应曲线

a）系统的跟踪输出响应 b）一次干扰作用输出响应 c）二次干扰作用输出响应 d）一、二次干扰同时作用输出响应

有效办法是采用串级控制，串级控制系统对负荷变化具有一定的自适应能力，将具有较大非线性的部分对象包括在副回路中。在系统运行过程中，负荷的变化引起副对象的特性发生改变，只要主被控对象是线性的，整个系统的控制品质基本保持不变。为此，将上述具有饱和非线性的单回路系统构成串级控制系统如图5-59所示，系统在最佳控制器参数下的阶跃响应曲线如图5-60所示。在控制器参数不变的情况下，被控对象参数发生变化时系统的阶跃响应曲线如图5-61所示，被控对象结构发生变化时系统的阶跃响应曲线如图5-62所示。

图5-56 具有饱和特性的单回路控制系统阶跃响应曲线

图5-57 被控对象参数发生变化时系统的阶跃响应曲线

图5-58 被控对象结构发生变化时系统的阶跃响应曲线(www.xing528.com)

图5-59 串级控制系统Simulink仿真图

图5-60 串级控制系统的阶跃响应曲线

图5-61 被控对象参数发生变化时串级系统的阶跃响应曲线

图5-62 被控对象结构发生变化时串级系统的阶跃响应曲线

从单回路控制系统和串级控制系统对照分析，串级控制系统对被控对象具有一定的自适应能力。将具有非线性的部分对象包括在副回路中，整个系统的控制品质基本不受被控对象特性变化的影响。