Simulink仿真：双重控制系统的优化

对图6-63所示的蒸气减压双重控制系统，原理框图如图6-64所示，其等效框图如图6-65所示。

图中，G₀₁（s）是响应快的广义对象传递函数，假设G₀₁（s）＝5/（s+1）（3s+1）；G₀₂（s）是响应慢的广义对象传递函数，假设G₀₂（s）＝5/（s+1）（3s+1）（60s+1）（120s+1）；G_c1（s）是主控制器的传递函数，为消除余差，且加速对象的响应，选择为PID控制器。若按常规PID参数整定有K_P＝0.89、T_I＝1.5、T_D＝0.375，对应的阶跃响应曲线如图6-66a所示。将比例值适当增大些，积分作用快些，最优参数整定为K_P＝1.3、T_I＝2、T_D＝0.3，对应的阶跃响应曲线如图6-66b所示，系统的超调量小于21％，调节时间小于5s。

图6-65 双重控制系统的等效框图

图6-66 主控制回路的阶跃响应

图6-67 副控制回路的阶跃响应

G_c2（s）是副控制器的传递函数，副控制器对系统起缓慢调节作用，选择为PI控制器，常规PI控制器参数为K_P＝0.8、T_I＝375，对应阶跃响应曲线如图6-67a所示。比例值小些，积分作用慢些，最优参数整定为K_P＝0.4、T_I＝500，对应的阶跃响应曲线如图6-67b所示，系统的超调量小于5％，调节时间大约为500s。

双重控制系统的Simulink仿真框图如图6-68所示。

图6-68 双重控制系统的Simulink仿真框图

系统在设定值为1200时，系统的响应曲线如图6-69所示，依次为主控制器输出、副控制器输出和系统输出。

图6-69 系统的响应曲线

若在系统的主被控对象端施加100％的干扰信号，系统的仿真框图及响应曲线如图6-70所示，依次为主控制器输出、副控制器输出、系统输出和扰动信号。

从图6-69和图6-70可以看到，双重控制系统既能迅速消除偏差，又能得到较好的静态特性。并且在干扰出现时，主控制器迅速消除偏差，副控制器使输出又恢复到原来的设定值。

图6-70 干扰作用下系统的响应曲线(www.xing528.com)

a）仿真框图 b）干扰作用下响应曲线

图6-71 喷雾干燥过程的双重控制系统

在食品加工、化工等行业常采用喷雾干燥的方法干燥产品，喷雾干燥过程如图6-71所示。浆料从喷头喷淋下来，与热风接触换热，进料被干燥并从干燥塔底部排出，干燥的程度由出口温度来控制。为了获得高精度的温度控制同时又尽可能地节省蒸气的消耗，喷雾干燥过程采用双重控制。

V₁是进料量控制阀，它受前工序来料的影响，一般是不能控制的；V₂是旁路冷风量控制阀，它具有快速响应特性，但经济性较差；V₃是蒸气流量控制阀，它具有工艺合理的优点，但动态特性变化缓慢。综合各自的优点及缺点，选择旁路风量和蒸气流量两个操纵变量，构成双重控制系统。当干燥塔温度偏离要求值较大时，先采用改变旁路风量，使温度快速回到设定值，同时作为VPC的测量信号，逐渐改变蒸气流量，以保证系统的稳态性能。

假设旁路风量的广义对象传递函数为G₀₁（s）＝3e^-3s/（6s+1）（3s+1），蒸气流量的广义对象传递函数为G₀₂（s）＝5e^-15s/（60s+1）2（120s+1）。作为主控制的风量控制器，为消除余差，且加速对象的响应，选择为PID控制器。为达到快速响应目的，比例值可适当大些，积分作用快些，最优参数整定为K_P＝0.88、T_I＝18、T_D＝2.12，对应的阶跃响应曲线如图6-72所示，系统的超调量小于20％，调节时间小于35s。

图6-72 风量控制回路的阶跃响应

蒸气流量控制器作为副控制器，为消除稳态误差，采用PI控制。为使副控制器对系统起缓慢调节作用，则比例值小些，积分作用慢些，最优参数整定为K_P＝0.28、T_I＝900，系统的阶跃响应曲线如图6-73所示，系统的超调量小于10％，调节时间小于780s。

图6-73 蒸气流量控制回路的阶跃响应

双重控制系统的Simulink仿真框图如图6-74所示。

图6-74 双重控制系统的Simulink仿真框图

系统在设定值为1，并在输出端施加50％的随机干扰信号时，响应曲线如图6-75所示，依次为主控制器输出、副控制器输出、系统输出和随机扰动信号。

图6-75 双重控制系统的响应曲线

在双重控制系统中，先用主控制器的调节作用，将主被控变量尽快恢复到设定值，保证系统有良好的动态特性。在偏差减小的同时，又充分发挥副控制器的作用，从根本上消除偏差，使副被控变量恢复到给定值，使系统具有较好的静态性能。双重控制较好地解决了动静态矛盾，达到了操作优化的目标。