实验3 液位流量串级控制实验
一、实验目的
通过实验掌握串级控制系统的基本概念，掌握串级控制系统的组成结构，即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。
通过实验掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计，掌握串级控制主、副控制回路的选择。掌握串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。
二、实验设备
过程控制实验系统，计算机
三、实验原理
单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。
1、串级控制系统的结构
串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。
2、串级控制系统的名词术语
主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。
副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。
主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。
副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。
主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。
副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。
副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。
主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。
当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分为三种情况：
(1)在副对象上的扰动
副对象加上扰动后，副调节就立即发出校正信号，控制执行对象(工程上一般是调节阀的开度，而本实验装置中是泵电机的转速)动作，以克服扰动对主被控参数的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响被控量，如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响被控量；此时再有主回路的进一步调节，从而使被控量回到平衡时的值。
(2)主对象上的扰动
主对象加上扰动后，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对被控量的影响比单回路系统时要小。
(3)一次扰动和二次扰动同时存在
如果一、二次扰动的作用使主，副被控参数同时增大或减少时，主、副调节器对调节阀(或泵电机转速)的控制方向一致的，即大幅度关小或开大阀门(或大幅度地使泵电机加速或减速)，加强控制作用，使主被控量很快地回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减少，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。
3、串级控制系统的特点
综上分析可知，串级控制系统副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使控制品质得到进一步提高。
串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：
(1)改善了过程的动态特性
串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路。它的容量滞后减少了，过程的动态特性得到改善，使系统的响应加快，控制更为及时。
(2)提高了系统工作频率
串级系统由于存在一个副回路，改善了过程特性，等效过程的时间常数减小了，从而提高了系统的工作频率，使振荡周期缩短，改善了系统的控制质量。
(3)具有较强的抗扰动能力
在串级控制系统中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则系统的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制系统由于存在副回路，只要扰动由副回路引入，不等它影响到主参数，副回路立即进行调节，这样，该扰动对主参数的影响就会大大地减小，从而提高了主参数控制质量，所以说串级控制系统具有较强抗扰动能力。
(4)具有一定的自适应能力
串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统，主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。
正确合理地设计一个串级控制系统是要其能充分发挥如上所述系统的各种特点。在系统设计时应包括主、副回路的设计，主、副调节器控制规律的选择及正、反作用方式的确定。
4、主、副回路的设计
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的考虑。下面介绍设计原则。
(1)主参数的选择和主回路的设计
串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。
(2)副参数的选择和副回路的设计
副参数的选择
副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而加快需要的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。总之，为了充分发挥副回路的超前、快速作用，在扰动影响主参数之前就加以克服，必须设法选择一个可测的、反映灵敏的参数作为副参数。
副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要扰动，并尽可能多地包括一些扰动。
由上所述，串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设计时，要充分发挥这一特点，把生产过程中的主要扰动(并可能多的把其它一些扰动)包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。如此次实验就是以下水箱的水位为主参数与上水箱的水位为副参数的串级控制系统。
在选择副参数进行副回路设计时，必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。
如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果较明显。但是，副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，并将明显地影响参数。如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，
它不利于生产的正常进行。串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题。原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。在工程上，应根据具体过程的实际情况与控制要求来定。若设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要扰动的话，则副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即可，若设置串级控制系统，是由于副回路过程时间常数过大，为了改善过程特性，则副过程时间常数可以适当取大一些。但是，副过程的时间常数均不宜过大和过小。
(3)副回路设计应考虑工艺上的合理性：
过程控制系统是为工业生产服务的，设计串级控制系统，应考虑和满足生产工艺要求，注意系统的控制参数必定是先影响副参数，再去影响主参数的这种串联对应关系，然后再考虑其它因素。
副回路的设计还应考虑经济性的原则。
(4)串级控制系统参数的选择
对控制参数的选择，一般可考虑：
?1)、选择可控性良好的参数作为控制参数。
?2)、所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的系数，并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要扰动进行有效控制并提高控制质量。
?3)、所选控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。
5、主、副调节器控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。
主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。一般不引入积分控制规律。因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控制规律，因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。
6、主、副调节器正、反作用方式的选择
为了满足生产工艺的要求，确保串级控制系统正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确选择。根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主、副调节器的正、反作用方式。
在单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须为负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使整个控制系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
7、串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定
为了满足生产工艺指标的要求，为了确保串级控制系统的正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确的选择。在具体选择时，是在调节阀气开、气关型式已经选定的基础上进行的。首先根据工艺生产安全等原则选择调节器的气开、气关形式；然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正、反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主调节器的正、反作用方式。
如在单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系统系数极性乘积必须为正值。各环节放大系数极性的正负是这样规定的：对于调节器的K C，当测量值增加，调节器的输出也增加，则KC为负(即正作用调节器)；反之，K C为正(即反作用调节器)。调节器为气开，则K V为正，气关则K V为负。过程放大系数极性是：当过程的输入增大时，即调节阀开大，其输出也增大，则K O为正；反之K0为负。串级控制系统由于增加了副回路，对于进入副回路的干扰有较强的克服能力。
定性来看，串级控制系统的副回路是一个随动控制系统，而主回路是一个定值系统。当主对象时间常数较大时，可认为1：1的比例环节，从而使副回路中原来应属于主对象的那部分环节的影响消除，它使系统的振荡频率提高，加快了系统的响应，改善了控制品质。
串级控制系统由于副环具有快速抗干扰功能，对于进入副环的干扰具有很强的抑制作用。因此，对于同样大小的干扰作用于主、副环，对主变量的影响是不
同的。作用于副环的干扰，由于受到副环的抑制作用，结果对于主变量的影响就比较小；而作用于主环的干扰，由于此时副环的快速抗干扰能力未能得到发挥，因此干扰对主变量的影响就比较大。
四、实验要求
1、使用simulink建立如下图所示仿真模型，调节PID参数使系统控制效果达到最好。
2、利用过程控制实验系统搭建液位流量串级控制系统，并调整主副回路参数使控制效果达到最好。步骤如下：
（1）如下图所示连线
（2）打开计算机组态王软件的工程管理器，选中“串级实验”，点击运行，进入串级实验界面。
（3）点击“自动/手动”按钮，使系统在自动状态，点击“PID设定按钮”，调出PID设定界面。
PID设定1框图是副回路流量参数，PID设定2框图是主回路液位参数。
（4）投入参数，观察液位和流量的曲线，调整参数观察计算机控制的效果。待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位的变化曲线。
（5）再等系统稳定后，给系统下水箱加干扰信号，观察下水箱液位变化的曲线。
五、实验记录
1、记录仿真中调节的主副回路参数及响应曲线。
2、记录实际过程对象液位流量串级控制的主副回路参数及响应曲线。
过程控制系统 课程设计 题目: 基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计 院系名称:电气工程学院 专业班级:自动化1105 学生姓名:金星宇 学号:201123910807 指导教师:马利冯肖亮 设计地点: 31520 设计时间: 2014.7 设计成绩:指导教师: 本栏由指导教师根据大纲要求审核后,填报成绩并签名。 工业过程控制课程设计任务书之 学生姓名金星宇专业班级自动化1105 学号201123910807 题目基于组态软件的液位—流量串级控制系统设计
课题性质课题来源自拟题目 指导教师马利冯肖亮 主要内容 通过某种组态软件,结合实验室已有设备,按照定值系统的控制要求,根据较快较稳的性能要求,采用双闭环控制结构和PID控制规律,设计一个具有较美观组态画面和较完善组态控制程序的液位—流量串级过程控制系统。 任务要求1. 根据液位-流量串级过程控制系统的具体对象和控制要求,独立设计控制方案,正确选用过程仪表。 2. 根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要,正确选用过程模块。 3. 根据与计算机串行通讯的需要,正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。 4. 运用组态软件,正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 5. 提交包括上述内容的课程设计报告。 主要参考资料[1] 组态王软件及其说明文件 [2] 邵裕森.过程控制工程.北京:机械工业出版社2000 [3] 过程控制教材 [4] 辅导资料 审查意见 指导教师签字:
年月日 摘要 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对控制系统的控制品质提出了越来越高的要求。在这种情况下,简单的单回路控制系统已经难以满足一些复杂的控制要求,因此就提出了串级控制方案。串级控制具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有很多单回路控制系统所没有的优点。因此,串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好,而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现,所以,串级控制是一种易于实现且效果又极好的控制方法。 。 关键词:控制系统单回路串级控制 目录 1引言 (1 2 系统结构设计 (1 2.1控制方案 (1 2.2 控制规律 (2 3 过程控制仪表的选择 (2 3.1 液位传感器 (2 3.2 电磁流量传感器电磁流量转换器 (3 3.3 电动调节阀 (3 3.4 变频器 (4
习题六 1．什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答：串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值，副控制器的输出去操纵控制阀，以实现对变量的定值控制。 2．串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为： (1)在系统结构上，它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统； (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响； (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3．串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是：． (1)主、副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化； (2)通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰； (3)在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近； (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生 4．为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统，而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量，使之等于给定值，而
主变量就是主回路的输出，所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量，副回路的给定值是主控制器的输出，所以在串级控制系统中，副变量不是要求不变的，而是要求随主控制器的输出变化而变化，因此是一个随动控制系统。5．怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。 6．如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用? 答副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为—个负反馈系统的原则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。 从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见，在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作用方向。
实验四 加热炉温度串级控制系统 （实验地点：程控实验室，崇实楼407） 一、实验目的 1、熟悉串级控制系统的结构与特点。 2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。 3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。 二、实验设备 1、MATLAB 软件， 2、PC 机 三、实验原理 工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。 图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图 图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为 主对象：;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象：2 1802)1)(110()(++=-s s e s G s 主控制器的传递函数为PI 或PID ，副控制器的传递函数为P 。对PI 控制器有 221111)(),/(, 1 11)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=???? ? ?+= 采用串级控制设计主、副PID 控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。 四、实验过程 串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。 1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 （图4-2） 在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下：)(01s G 为主被控对象，)(02s G 为副被控对象，Step 为系统的输入，c 为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可以用示波器观察输出波形。PID1为主控制器，双击PID 控制器可设置参数：（PID 模块在
摘要 随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。 本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量控制是内环，液位控制是外环。 系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。 关键词：PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机
目录 1 过程控制系统简介 (1) 1.1 过程控制介绍 (1) 1.2 串级控制系统的组成 (1) 1.2.1 硬件介绍 (1) 1.3 电源控制台 (3) 1.4 总线控制柜 (3) 1.5 软件介绍 (4) 1.6 系统总貌图 (4) 2 串级控制系统简介 (5) 2.1 液位串级控制系统介绍 (5) 2.2 串级控制系统的概述 (5) 2.3 串级控制系统的工作过程 (5) 2.4 系统特点及分析 (6) 2.5 串级控制系统的整定方法 (6) 2.6 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 (7) 2.7 PID控制工作原理 (7) 3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (9) 3.1 实验设备 (9) 3.2 液位-流量串级控制系统的结构框图 (9) 3.3 系统工作原理 (9) 3.4 控制系统流程图 (10) 3.5 实验过程 (11) 3.6 实验结果分析 (13)
实验3 液位流量串级控制实验 一、实验目的 通过实验掌握串级控制系统的基本概念，掌握串级控制系统的组成结构，即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。 通过实验掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计，掌握串级控制主、副控制回路的选择。掌握串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。 二、实验设备 过程控制实验系统，计算机 三、实验原理 单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。 1、串级控制系统的结构 串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。 2、串级控制系统的名词术语 主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。 副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。 主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。 副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。
主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。 副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。 副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。 主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。 一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。 二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。 当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。根据不同扰动，分为三种情况： (1)在副对象上的扰动 副对象加上扰动后，副调节就立即发出校正信号，控制执行对象(工程上一般是调节阀的开度，而本实验装置中是泵电机的转速)动作，以克服扰动对主被控参数的影响。如果扰动量不大，经过副回路的及时控制一般不影响被控量，如果扰动的幅值较大，虽然经过副回路的及时校正，但还将影响被控量；此时再有主回路的进一步调节，从而使被控量回到平衡时的值。 (2)主对象上的扰动 主对象加上扰动后，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对被控量的影响比单回路系统时要小。 (3)一次扰动和二次扰动同时存在 如果一、二次扰动的作用使主，副被控参数同时增大或减少时，主、副调节器对调节阀(或泵电机转速)的控制方向一致的，即大幅度关小或开大阀门(或大幅度地使泵电机加速或减速)，加强控制作用，使主被控量很快地回到给定值上。如果一、二次扰动的作用使主、副被控参数一个增大，另一个减少，此时主、副调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动即满足控制要求。 3、串级控制系统的特点
基于组态软件的串级液位流量控制系统 1概述 1.1本课程设计课题研究的意义 随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法。 本课程设计课题讨论了一个简单的液位流量串级控制系统的设计方法及步骤。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个测控参数，因此本课程设计课题具有较大的现实意义。 1.2 设计的目的 通过课程设计，加深对所学传感器技术、自动控制原理、转换技术以及过程控制的基本原理等基本原理、基本知识的理解和应用，掌握串级控制系统的设计步骤和方法，掌握工程整定参数方法，培养运用组态软件和计算机设计过程控制系统的实际能力，培养创新意识，增强动手能力，为今后工作打下一定的理论和实践基础。 1.3 设计要求 （1）根据液位-流量串级过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。 （2）根据液位-流量串级过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。 （3）根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。（4）运用组态软件，正确设计液位-流量串级过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 2 系统控制方案 2.1 控制系统在实际应用中的重要意义
学院 过程控制系统实验报告书 实验名称串级控制系统整定 专业自动化专业 班级 指导教师 姓名 学号 实验日期
串级控制系统整定 一、实验目的 (1)掌握动态模型的创建方法.。 (2)掌握串级控制系统整定方法。 (3)了解控制系统的特点。 （4）了解串联控制系统的特点。 二、实验器材 计算机一台，MATLAB软件 三、实验原理 .串级控制系统：就是由两个调节器串联在一起，控制一个执 行阀，实现定值控制的控制系统。 .串级控制系统的通用方框图： .串级控制系统特点：（1）改善了被控过程的动态特性。 （2）提高了系统的工作频率。 （3）具有较强的抗扰动能力。 （4）具有一定的自适应能力。 .两步整定法
（1）工况稳定时，闭合主回路，主、副调节器都在纯比例作用的条件下，主调节器的比例度置于100%，用单回路控制系统的衰减曲线法整定，求取副调节器的比例度s δ和操作周期s T 。 （2）将副调节器的比例度置于所求得的数值上，把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主调节器的比例度和操作周期。 四、实验步骤 （1）启动计算机，运行MATLAB 应用程序。 （2）在MATLAB 命令窗口输入Smulink,启动Simulink 。 （3）在Simulink 库浏览窗口中，单击工具栏中的新建窗口快捷按钮或在Simulink 库窗口中选择菜单命令File New Modeel,打开一个标题为“Untitled ”的空白模型编辑窗口。 （4）设被控对象的传递函数为： 24 21 (110)(120)s s ?++，要求被调量始 终维持在设定值。设计一个串级控制系统，并且要求控制系统的衰减率为75%，静态误差为零。用MATLAB 创建仿真模型。 （5）按两步整定法整定调节器参数。 （6）按步骤（5）的结果设置调节器参数，启动仿真，通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。 （7）施加内扰，观测系统运行情况。 . 衰减曲线法整定参数计算表：
目录 1 过程控制系统简介 (2) 1.1 系统组成 (2) 1.2 电源控制台 (3) 1.3 总线控制柜 (3) 2 实验原理 (4) 2.1 单容水箱设备工作原理 (4) 2.2 双容水箱设备工作原理 (7) 2.3 系统工作原理 (9) 2.4 控制系统流程图 (9) 3实验结果分析 (11) 3.1 实验过程 (11) 3.2实验分析 (12) 3.2.1单容水箱实验结果分析 . (12) 3.2.2双容水箱实验结果分析 . (14) 3.2.3单容双容水箱比较 . (16) 3.3实验结论 (17) 总结 . (18) 参考文献 (19)
1 过程控制系统简介 1.1 系统组成 本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V 交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、PA 电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V 变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。 1、被控对象 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，防止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。 管道：整个系统管道采用敷塑不锈钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。 2、检测装置 压力传感器、变送器：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的压力传感器和工业用的扩散硅压力变送器，扩散硅压力变送器含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。 流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。本装置采用两套流量传感器、变送器分别对变频支路及盘管出口支路的流量进行测量，调节阀支路的流量检测采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯接口的检测和变送一体的电磁式流量计。 3、执行机构 调节阀：采用SIEMENS 带PROFIBUS-PA 通讯协议的电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便等优点。
第六节水箱液位串级控制实验 一、实验目的 1. 熟悉串级控制系统的结构与特点 2. 掌握串级控制系统的投运与参数的整定方法 3. 研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响 二、实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机、上位机MCGS组态软件、RS232-485转换器1只、串口线1根 3. 万用表1只 三、实验原理 图6-1 液位串级控制系统的结构图 图6-2 液位串级控制系统的方框图 本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。
每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。 本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。图6-1为实验系统的结构图，图6-2为相应控制系统的方框图。 四、实验容与步骤 1.按图6-1要求，完成实验系统的接线。 2.接通总电源和相关仪表的电源。 3.打开阀F1-1、F1-2、F1-7、F1-10、F1-11，且使阀F1-10的开度略大于F1-11。 4.按经验数据预先设置好副调节器的比例度。 5.调节主调节器的比例度，使系统的输出响应出现4：1的衰减度，记下此时的比例度δS和周期TS。据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。 6.手动操作主调节器的输出，以控制电动调节阀支路给中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。
过程控制之液位流量串级控制系统 1.1控制系统在实际应用中的重要意义 单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式，它只用一个调节器，调节器也只有一个输入信号，从系统方框图看，只有一个闭环。在大多数情况下，这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求。但在复杂的控制系统中，则需在单回路的基础上，采取其它措施，组成复杂控制系统，而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。 液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数T 一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统则可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。 1.2 系统结构设计 过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次为流量回路控制，即为闭环控制系统，结构组成如下图1.1所示。 图1.1液位单回路控制系统框图 当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB 返回信号，是否还需要放水到下水箱。其过程控制系统图如图1.2所示。 1.3控图 单容 所Qi 为口流加以控 扰。被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程： ()1i o dH Q Q dt F =-（1.1）
其中 i Q k μμ=（1.2） o Q = 1.3） F 为水箱的横截面积；k μ是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k 是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k 可视为常数。 液位对象的传递函数: ()( )i H s Q s =2.1 控制规律的比较与选择 2.1.1 常见控制规律的类型及优缺点比较 PID 控制的各种常见的控制规律如下： 一、比例调节（P 调节） 在P 调节中，调节器的输出信号()u t 与偏差信号()e t 成比例，即 ()()C u t K e t =（2.1） 式中Kc 称为比例增益（视情况可设置为正或负）,()u t 为调节器的输出，是对调节器起始值()0u 的增量，()0u 的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。 在过程控制中习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系： ()()1 u t e t δ=（2.2） 其中δ称为比例带。 比例调节的显著特点就是有差调节。 比例调节的余差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。此时，如果余差过大，则需通过其它的途径解决。 δ很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调节时间也很长。减小δ就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。δ具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小δ系统就不稳定了。 二、积分调节（I 调节）的特点 在I 调节中，调节器的输出信号的变化速度du (t)/d t 与偏差信号e 成正比，即： ()()I du t K e t dt =（2.3） 或 ()()0t I u t K e t dt =?（2.4） 式中K I 称为积分速度，可视情况取正值或负值。上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。 I 调节的特点是无差调节，与P 调节的有差调节形成鲜明对比。式（2.3）表明，只有当被调量偏差e
实验四下水箱液位和进口流量串级控制实验 一、实验目的 1、学习闭环串级控制的原理。 2、了解闭环串级控制的特点。 3、掌握闭环串级控制的设计。 4、初步掌握闭环串级控制器参数调整。 二、实验设备 A3000-FBS现场系统，百特控制系统。 三、实验要求 1、设计串级控制器。 2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。 四、实验内容与步骤 1、在现场系统A3000-FBS，将回路2手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。 2、在控制系统A3000-CS上，将百特内给定仪表4~20mA输出端连到百特外给定仪表4~20mA外给定端，百特外给定仪表4~20mA输出端连到调节阀输入端，下水箱液位输出端连到百特内给定仪表4~20mA输入端，支路2流量计输出端连到百特外给定仪表4~20mA输入端。 3、打开A3000-CS电源，百特仪表通电。打开A3000-FBS电源，调节阀通电。 4、启动计算机组态王软件，运行百特仪表组态程序，登陆进入下水箱液位和进口流量串级控制试验。首先进行副回路比例调节。主回路设为手动，副回路设为自动。SP设为60%，主回路调节器输出设为40%，I为1800，调节P值，使调节阀控制量输出即PV1输出平衡。获得P值。 5、在A3000-FBS上，启动右边水泵2#开关，给下水箱注水。 6、切换至单主回路控制即把手动改为自动，调节主回路的P、I值待系统稳定后，对系统加扰动信号。通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统
具有较满意的动态响应和较高的控制精度。画下最终的曲线。 7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。关闭全部电源设备，拆下实验连接线。 六、实验结果提交 1、画出液位流量串级控制实验系统的框图和最终获得的满意响应曲线，以 及最佳串级控制参数。 2、阐述实现液位流量串级控制的原理。
上水箱液位与进水流量串级控制系统 摘要 随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。 本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量控制是内环，液位控制是外环。 系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。 关键词：PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机
目录 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (1) 摘要 (1) 1.过程控制系统简介 (4) 1.1过程控制介绍 (4) 1.2 串级控制系统的组成 (4) 1.2.1 硬件介绍 (4) 1.2 电源控制台 (6) 1.3 总线控制柜 (6) 1.4 软件介绍 (7) 1．6系统总貌图 (7) 2．串级控制系统简介 (8) 2.1液位串级控制系统介绍 (8) 2.2 串级控制系统的概述 (8) 2.3串级控制系统的工作过程 (8) 2.4 系统特点及分析 (9) 2.5 串级控制系统的整定方法 (9) 2.6主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 (10) 2.7 PID控制工作原理 (10) 3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (11) 3.1 实验设备： (11) 3.2 液位-流量串级控制系统的结构框图 (11) 3.3 系统工作原理 (11) 3.4 控制系统流程图 (12) 3.5 实验过程 (13) 3.6 实验结果分析 (15) 3.6.1 整定过程分析 (15) 3.6.2 扰动下的响应分析 (16) 3.6.3 主、副调节器采用不同调节器时对系统动态性能的影响 (16) 3.6.4 主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响 (19)
串级控制算法的研究 一、实验目的 1．熟悉并掌握串级控制系统的结构、特点及其混合仿真研究方法。 2．熟悉并掌握串级控制系统的控制器参数整定方法。 二、实验内容 1．设计一已知三阶被控对象的串级控制系统，并完成它的混合仿真。 2．学习用逐步逼近方法整定串级控制所包含的内、外两环PI 控制器参数。 三、实验步骤 1．设计并连接模拟三阶被控对象的电路，并利用AD μC812构成的数据采集系统完成计算机控制系统的两路模拟量输入、一路模拟量输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟三阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。 2．在上位机完成内、外两环的常规数字PI 控制器的算法编程、调试。特别注意内、外两环的采样控制周期是不同的。通常外环的采样控制周期是内环的3－10倍。 3．将外环断开，先整定内环的常规数字PI 控制器参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。 4．将内环的常规数字PI 控制器参数按整定好的值固定下来，再整定外环的常规数字PI 控制器参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。 5．如果对上两步参数整定的结果不满意，可以将外环的常规数字PI 控制器参数固定下来，重新整定内环的常规数字PI 控制器参数。如果仍不能得到满意的结果，可再重复步骤4，直至满意为止。 6．对实验结果进行分析，并完成实验报告。 四、附录 1．被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成 实验系统被控对象的传递函数为201() (0.051)(21)G s s s s =?++ 它可以用图5.1所示电路来模拟
计算机串级控制系统的方框图如图5.2所示，该图中，除了虚线框内部分用电路模拟外，其余部分由上位机和数据处理系统完成。 2．常规数字PI 控制算法 常规的PI 控制律为01()[()()]t p i u t K e t e t dt T =+? 采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PI 控制算法 简记为1 ()()()]k p p i i K T u k K e k e i T ==+∑ 或者()(1)[()(1)]()u k u k P e k e k Ie k =-+--+ 这里P 、I 参数分别为p P K =，p i T I K T = 3．逐步逼近整定法的整定步骤： （1）外环断开，把内环当作一个单闭环控制系统，并按单闭环控制系统的PID 控制器参数整定方法（如实验四介绍的扩充响应曲线法），求取内环PID 控制器参数。 （2）将内环PID 控制器参数置于整定值上，闭合外环。把内环当作外环的一个等效环节，外环又成为一个单闭环控制系统，再按单闭环控制系统的PID 控制器参数整定方法（如扩充响应曲线法），求取外环PID 控制器参数。 （3）将外环PID 控制器参数置于整定值上，闭合外环。再按上述方法求取内环PID 控制器参数。至此，完成了一次逼近循环。如控制系统性能已满足要求，参数整定即告结束。否则，就回到步骤（2）。如此循环下去，逐步逼近，直到控制系统性能满足要求为止。
实验三：串级控制系统参数整定 PID 控制器由于自身具有的相对容易理解和实现的特点而被广泛应用于过程控制工业中。 在实践中，它经常被融入一个复杂的控制结构中，以达到一个更好的控制效果。在这些复杂的控制结构中，通常利 用串级控制组合来减小干扰引起的最大偏差和积分误差。容易实现的优点和潜在的大控制性能的提高导致串级控制广泛应用达数十年。它已经成为一个由工业过程控制器提供的标准应用。 串级控制系统由两个控制回路构成：一个可以快速动态消除输入干扰的内部回路，和一个可以调节输出效果的外部 回路。通常，他们是通过一个连续的方式来整定的。首先，外部回路控制器设置为手动，对内部回路进行整定。随后， 启用内部回路的整定结果，接着整定外部回路。如果控制效果不理想，应该调换整定的顺序。所以，整定串级控制系统 是一项相当笨重耗时的任务，特别是具有大时间常数和时间延迟的系统。 PID 自整定解除了手动整定控制器的烦恼，并且已经成功的应用于很多工业领域中。但是，到目前为止，却很少有关于串 级系统自整定技术的发展的文学报道。其中，Li et al 利用模糊逻辑进行串级控制器的自整定。Hang et al. 应用一个重复的延迟自动整定方法来整定串级控制系统，延迟反馈测试被验证了两次，一次在内部回路，另一次在外部回路。虽然特 殊的控制器整定已经被自动化，但整定过程的自然顺序并没有改变。Tan 提出了一个在一个实验中实行整体整定过程的方法，但是这个实验需要过程的过去的信息。而且，外部回路设计时所用的极限频率是基于未考虑内部回路控制参数改 变的初始极限频率。这篇论文提供了串级控制系统自整定的一种新方法。通过利用串级控制系统的基本性能，在外部回 路中利用一个简单的延迟反馈测试来确定内部和外部回路过程模型参数。 一个基于Pade 系数和Markov 参数，匹配PID 控制器整定方法的模型，被提出来控制整体系统效果。两个例子来说明该方法的有效性。 2.串级控制系统的基本原理 图1 串级控制组合的结构如图1，内部回路嵌套于外部回路里，外部回路的输出变量是被控对象。控制系统由两个过程 和两个控制器组成。分别为外部回路传递函数1p G ，内部回路传递函数2p G ，外部回路控制器1c G 和内部回路控制器2c G 。 串级控制系统的两个控制器都是标准的反馈控制器。通常情况下，内部回路为一个比例控制器，当内部回路过程包 含基本时间延迟时需要用到积分作用，外部过程使内部回路增益是有限的。 为了在它影响到外部回路之前减小或消除内部回路干扰 d 2，内部回路比外部回路应该有一个更快的动态响应（工业经验法则里，至少应快5倍以上）。因此，内部闭环回路的相位滞后应该比外部回路小。这个特点就是应用串级控制的基本原理。内部回路的交叉频率比外部回路高，使内部回路控制器有更高的增益，能够在没有危及系统的稳定性的情况下
要做的实验项目是：实验一单容自衡水箱液位特性测试实验实验二单容液位定值控制系统实验实验三双容（串联）水箱特性的测试实验实验四双容（串联）水箱液位定值控制系统实验实验五双容（串联）液位串级控制系统实验实验六前 馈-反馈控制系统实验 第四章串级控制系统实验 第一节串级控制系统概述 一、串级控制系统的概述 图4-1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4-1 串级控制系统方框图 R-主参数的给定值； 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。 二、串级控制系统的特点 串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。 1．改善了过程的动态特性； 2．能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力； 3．提高了系统的鲁棒性； 4．具有一定的自适应能力。 三、主、副调节器控制规律的选择 在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。 四、主、副调节器正、反作用方式的选择 正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负
反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。 各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器输出也增加，则调节器的放大系数K c为负（即正作用调节器），反之，K c为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数K v恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K0为负。 五、串级控制系统的整定方法 在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种： （一）逐步逼近法 所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。 （二）两步整定法 两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。 整定的具体步骤为： 1．在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度δ2S和振荡周期T2S。 2．将副调节器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T1S。 3．根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度δ、积分时间T I和微分时间T d的数值。 4．按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。 （三）一步整定法 由于两步整定法要寻求两个4：1的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。 具体的整定步骤为： 1．在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。 2．按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。 3．改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质指标最佳。
课程设计说明书（2012 /2013 学年第一学期） 课程名称：工业监控系统工程设计 题目：液位和流量串级控制系统 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师： 设计周数：2周 设计成绩： 2013年1月4日
目录 1 课程设计目的 (3) 2 课程设计设备 (3) 3 课程设计原理 (3) 4 课程设计内容和步骤 (3) 4.1设备的连接和检查 (4) 4.2实验接线 (4) 4.3启动实验装置 (5) 4.4实验步骤 (6) 5 实验设计收获、体会和建议 (9) 6 参考文献 (10)
液位和流量串级控制系统 一、课程设计目的 1）、掌握串级控制系统的基本概念和组成。 2）、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。 3）、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。 二、课程设计设备 ICP-7017远程数据采集输入模块、ICP-7024远程数据采集模拟量输出模块、计算机、串口线1根。 三、课程设计原理 因为流量变化瞬速，做为副调节器调节对象，中水箱液位做为主调节器调节对象。控制框图如图所示： 四、课程设计内容和步骤 串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。 实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。 下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。如图所示，设计好下水箱和流量串级控制系统。将主调节器的输出送到副调
过程控制工程实验报告 实验名称：串级控制系统 班级： 组员：
思考题 1． 若控制阀为气闭式，试分析液位-液位串级系统中主、副控制器的正、反作用应如何选？ 主控制器选反作用， 副控制器选正作用 分析：在串级控制系统中主副控制器正、反作用的选择遵循先副后主的原则； 副回路确定与单回路相同，即各环节放大倍数乘积为负，控制阀为气闭阀即为负，变送器和水箱液位都为正，故副控制器应为正作用； 主回路中，把负回路等效为一正环节，因为液位变送器和水箱液位都为正，故主控制器应为负作用。 2. 如何才能保证串级控制系统的无扰动切换？ 先副后主：调节主控制器的输出，使其等于副回路的测量值，这时副回路的偏差为0，则副控制器的自动电流将跟踪等于手动电流，于是可将副控制器切入自动； 当副环切入自动控制稳定，主变量接近或等于设定值时，调整主控制器器的设定值，使主控制器偏差为0，此时主控制器的自动输出电流跟踪等于手动输出电流，于是可将主控制器切入自动。 3．串级系统投运整定前需要做好哪几项工作？ ①检查管路、阀门（闸板的高度），设备加电；进行控制系统信号连线，构建一个有主参数、副参数，主控制器、副控制器和控制阀的完整串级控制系统。②启动实验软件，置主、副控制器皆为手动状态；先调整副控制器的手动输出为50-60%，开启副回路动力装置；待系统达到平稳，各控制量处于中间合适位置即可。③控制系统投自动前，务必要确认控制系统闭环后一定是负反馈的，即控制作用是消弱而不是增强干扰作用的影响。根据调节回路中各环节作用关系、控制阀的开闭方向来判定、确定主、副控制器的正、反作用。 4．一步整定法的依据是什么？ 依据：在串级控制系统中一般来说，主变量时工艺的主要操作指标，直接关系产品的质量，因此对它要求比较严格。而副的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。此外对于一个具体的出串级控制系统来说，在一 Z2 (s) Z1 (s)