[科普中国]-分级控制

原理

分级控制的基本思想是在不同的误差范围内采用不同的控制器，以达到在不同条件下的不同控制，使控制系统达到理想的效果。

以高压气动两级分级减压控制系统为例，根据高压气动两级控制分级减压系统原理，可以获得高压气动分级减压控制系统结构框图如图1：

图1

其中一级控制器、一级开关控制阀和一级减压容器构成一级减压单元；二级控制器、二级开关控制阀和二级减压容器构成二级减压单元；两个减压单元的控制模型是分别建立的，两个减压单元是靠二级控制阀输出的流量如：反馈联系起来，并组合为一个控制系统1。

控制类型按控制反馈时间结构的不同，控制可以分为三类：

后馈控制后馈控制是过去导向的，控制作用发生于行动之后，属于一种亡羊补牢的控制。这类控制时管理者在获得信息时行为结果已成事实，需要对其作出评价并决定是否采取行动以改正或调整未来可能出现的同类行动。如对超速驾驶车辆的司机给予罚款，就是一种后馈控制。

后馈控制是一种传统的并且是最常用的控制类型，控制时间滞后是其重要特征，控制目的在于为下一循环的工作积累经验。

前馈控制前馈控制是未来导向的，控制作用发生在行动之前，故又称未来定向控制。它是在实际工作开始之前，管理者作出某种预测，对预期出现的偏差，预先采取各种防范措施，期望组织未来的活动保持在允许限度内的一种控制类型。如对司机进行有关交通法规和违章操作后果的教育就是一种想利用持续性计划预先控制驾驶行为的企图。

即时控制即时控制是同期导向的，控制作用发生于行动之时。从维持组织的动态平衡的观点来看，即时控制比等结果产生后进行行为调整的后馈控制更令人满意，当微小的偏差发生时即时加以调整，比稍后时间改正较大的偏差来得容易。因此，即时控制对在组织继续运行时把各种活动过程维持在期望限度之内是十分重要的。

分级控制系统特点分级控制系统综合了集中控制和分散控制的优点，其控制指令由上往下越来越详细，反馈信息由下往上传越来越精练，各层次的监控机构有隶属关系，它们职责分明，分工明确。主要特点为以下下两点：

**1、**各子系统都具有各自独立的控制能力和控制条件，从而有可能对子系统的管理实施独自的处理。

**2、**整个管理系统分为若干层次，上一层次的控制机构对下一层次各子系统的活动，进行指导性、导向性的间接控制。

应用分级控制系统的典型应用是在压力控制系统中的应用，以下为两个实例。

集气管压力分级控制系统集气管压力系统是一个多耦合、非线性、时变性、扰动幅值大的多变量系统，所以采用通常的控制方法很难达到预期的控制效果。采用传统PID和模糊控制以及前馈补偿相结合的分级控制方法，以实现集气管压力的平稳调节。其控制的基本思想是在不同的误差范围内采用不同的控制器，当误差绝对值大于等于预先确定的临界E时，系统工作于模糊控制方式；当误差的绝对值小于E时，系统切换到PID控制方式2。原理图如下：

图2

高压气动容积减压分级控制系统高压气动系统容积减压与节流减压的区别是：节流减压后的压力气体直接进入气动执行元件，是一个瞬变过程，因此没有能量补充和恢复过程，系统损失掉的能量必然导致系统效率的降低；容积减压后的压力气体能够短时间储存于膨胀器中，有与外界环境发生能量交换的时间条件,系统吸收环境热量,使膨胀器内的压力气体的能量得到部分恢复。为了使容积减压能量补偿效果更好,提出分级控制容积减压的概念,简称分级减压。分级减压是期望在每一级减压中能够得到能量补偿,使系统输出有效能尽可能增多。

高压气动两级控制分级减压系统的原理如图3所示。

图3

其中第一个高压大流量气动开关阀与第一个减压容器构成一级减压控制单元；第二个高压大流量气动开关阀与第二个减压容器构成二级减压控制单元。每个容积减压控制单元中还分别包括两个过程的交替：减压容器充气与放气同时进行的过程，减压容器没有充气、只有放气的过程。两个容积减压控制单元可以先分别建模，然后组合为系统模型。高压气动两级控制容积减压系统中，高压气动开关阀的开关周期主要由二级减压控制的负载耗气量和压力来决定，耗气量越大，开关阀的工作频率越高；一级减压的设定压力只要高于二级减压设定压力的临界输入压力值，就能得到稳定的控制压力输出1。