实验三串级调节系统
一、实验目的
1、熟悉串级调节系统的组成，结构。
2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。
3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。
二、实验原理
串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。
1、串级控制系统的结构
如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个
调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。2、串级控制系统的名词术语：
（1）、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。
（2）、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。
（3）、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。
（4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分，
其输出控制主控参数。
（5）、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。
（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。
（7）、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。
（8）、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。
（9）、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。
（10）、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。
3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点：
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，由于在系统的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，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。
（2）、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，只要扰动进入副回路，不等它影响到主参数的变化，通过副回路的及时调节，该扰动对主参数的影响就会大大地削弱或完全消除，从而提高了主参数的控制质量。
（3）、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。
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、副回路关系的调整，其设计原则为：（1）、主参数的选择和主回路的设计
串级控制系统是由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统，副回路是随动调节系统。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
1）、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，从而加快它的工作频率，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，并尽可能的多包括一些扰动。
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，为了要充分发挥上述特点，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。如本实验就是以下水箱的液位为主参数与下水箱的流量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，还必须注意主、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不明显，这是因为副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，从而明显地影响主参数。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。
副回路设计应考虑工艺上的合理性：
串级控制系统的设计，应考虑满足生产工艺要求，并注意到系统的控制作用是先影响副参数，后影响主参数的这种串联对应关系，然后再考虑其它因素。（3）、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。
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。在具体选择时，要考虑到调节阀是气开还是气关形式；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、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主、副回路都构成负反馈系统。
本串级控制系统是以管道为副对象，下水箱为主对象，主被控制量为下水箱的液位，副调节器选纯比例控制，正作用，自动。主调节器选用比例积分PI控制，反作用，自动。
四、调节器的参数整定及整定
串级调节系统整体上是个定值调节系统，要求主参数有较高的调节精度。但副回路是个随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主调节器输出的变化而变化。只有明确了主、副回路的作用及主、副参数的要求后，才能正确地通过参数整定改善调节系统的特性，获取最佳的调节过程。
串级调节系统主、副调节器的参数整定方法主要有下列两种：
1、两步整定法
按照串级调节系统主、副回路的情况，先整定副调节器，后整定主调节器的方法叫做两步整定法，整定过程是：
（1）在工况稳定下，主、副调节器都在纯比例作用运行的条件下，将主调节器的比例度固定在100％刻度上，逐渐减小到调节器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如4：1）过渡过程下的副调节器比例度和操作周期，分别用δ2S和T2S表示。
（2）在副调节器比例度等于δ2S的条件下，逐步减小主调节器的比例度，直至得到同样衰减比下的调节过程，记下此时主调节器的比例度δ1S，和操作周期T2S。
（3）根据上面得到的δ2S
、T2S、δ1S，T2S，计算主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间。
（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的调节器参数加到调节器上。
（5）观察调节过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。
2、一步整定法
所谓一次整定法就是根据经验先将副调节器参数一次放好，不再变动，然后按一般单回路调节系统的整定方法直接整定主调节器参数。
一步整定法的依据是：在串级调节系统中，主参数是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，对它要求比较严格。而副参数的设立主要是为了提高主参数的调节质量，对副参数本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化。因此，在整定时不必把过多的精力花在副环上。只要把副调节器的参数置于一定数值后，集中精力整定主环，使主参数达到规定的质量指标就行了。虽然按照经验一次放上的副调节器参数不一定合适，但是，这没有关系，因为副调节器的放大倍数不合适，可以通过调整主调节器的放大倍数来进行补偿，结果仍然可以使主参数呈现4：1衰减振荡过程。
一次整定法的整定步骤如下：
（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，把副调节器比例度调到某一适当的数值。
（2）利用简单调节系统任一种参数整定方法整定主调节器的参数。
（3）如果出现“共振”现象，可加大主调节器或减小副调节器的整定参数值，一般即能消除。
3、串级调节系统的投运
选用不同类型的仪表组成的串级系统，投运方法也有所不同，但是所遵守的原则基本上都是相同的：其一是投运的顺序，一般都采用先到后主，即先投副环后投主环的投运方法；其二投运过程必须保证无扰动切换。
三、实验内容
1、按图3-1接成液位与流量的串级控制系统。
2、观察液位和流量的变化情况，并做记录
3、绘出简单的液位与流量的串级控制系统的草图，表明信号的流向。
4、自行设计液位与液位的串级控制系统的方框图，并利用所提供的实验装
置连接系统。
四、问题与分析
1、简述串级调节系统的特点？
2、如图聚合釜温度控制系统中，试问：
（1）画出系统的方块图。
（2）如果聚合釜的温度不允许过高，否则易发生事故，确定调节阀的气开、气关型？及主、副调节器的正、反作用？
（3）如果冷却水的温度是经常波动的，该怎样改进系统？
★★★★★ 矩阵级联系统图一、系统框图
CAN总线 二、功能概述： 1、多级控制能力：上级站点可控制本地及下级矩阵对应的功能，包括：系统编程、音视频切换、调用预置点、摄像机云台镜头和辅助开关控 制、布撤防等。 2、多级报警功能：实现远程站点之间报警信号的传送与联动，报警信号既可以在本地站点响应，也可以通过数据线传送到上级系统实现报警 联动和响应。 3、每个独立的站点都是一套完整的CCTV系统，可连接多个视频输入、多个视频输出和多个控制点及本地的控制键盘。 4、具有密码、加密的密码保存，多级控制级别/报警确认级别/布撤防级别等保护。 5、具有紧急情况远程工作站操作人注销功能。 6、各种系统控制、报警事件应具有记录及共享功能。 7、多种报警模式，报警触发后自动调用本地或远程现场图像。 8、支持宏操作，使远程控制更加方便，更体现出多级控制功能的强大优势。 9、站点之间的视频连接可分为单向、双向和混合式连接，站点之间至少需要连接一条视频电缆，用户可以增加或减少视频连接的数量。？ 10、通过设置远程摄像机联切表，简化多级控制的操作步骤。 含协议转换功能，以实现天财矩阵系统与其他品牌的矩阵系统之间相互控制，组成庞大的视频控制网络和报警通讯网络。（以支持老系统的扩容）豆丁致力于构建全球领先的文档发布与销售平台，面向世界范围提供便捷、安全、专业、有效的文档营销服务。包括中国、日本、韩国、北美、欧洲等在内的豆丁全球分站，将面向全球各地的文档拥有者和代理商提供服务，帮助他们把文档发行到世界的每一个角落。豆丁正在全球各地建立便捷、安全、高效的支付与兑换渠道，为每一位用户提供优质的文档交易和账务服务。 11、
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
第3章串级调节系统
第一章 串级调节系统 §3-1 概述 一、 单回路反馈调节系统的特点 1、 调节过程 显然，调节器()a W s 动作明显迟后于x 的变化，即不能及时消除干扰对被调量的影响，造成y 变化较大。 2、()a W s 的整定 ()a W s 是根据对象()o W s 来整定的，而热工对象一般是惯性大，阶次高，为保证系统稳定，()a W s 的动作必须缓慢，造成调节过程太长。 二、改进途径 从上述分析可看出，造成这种缺陷的原因有两个： 1）()o W s 可控性差(如惯性大) 2）系统结构不为最佳 针对上述原因，加以改进： 1） 对于外扰，设法设计一个装置()F W s 以及时消除因扰动而产生的 1() W s ()a W s ()o W s ()F W s r e μ + _ + + y 1x
偏差y V 11()()()0() ()() F o F o y W s x W s W s x W s W s W s =+=∴=- V 2） 尽量取得一些比被调量提前反映扰动的辅助信号，那么调节器就能提前动作，有效的限制被调量的动态偏差。 3） 若能改善调节作用下对象的动态特性，则无疑会改善调节变量。 根据这些改进思想，电厂热工过程自动调节中常用到串级调节系统，采用导前微分信号的系统，前馈-反馈调节系统和多变量调节系统等。 §3-2 串级调节系统 一、 串级调节系统的结构 1、 实例 A 单回路调节系统 只有在1θ变化后，PI 才会动作，因而减温水阀才动作。由于过热器惯性大，1θ动态偏差大 2 PI 1 PI 执行器 2r θ1 r θ2 θ蒸汽口 μ 1 θ
在会议Conf2中，添加的“设备类型”为“上级会场”，“标识”为会议Conf1的 接入号，即“075510182”。 步骤4录制多点会议。 1.在首页上选择“会议 > 会议列表”。 2.选择“Conf1”，在会控操作中选择“更多 > 直播与录制” 系统显示如图7-8所示页面，表示已经成功开始录制。 图7-8直播与录制 单击开始直播或录制，或者单击暂停直播或录制。 ----结束 7.3 多SMC2.0互联组网 通过部署多SMC2.0互联组网，既可以实现视讯业务区域化集中管理，也可以实现视频 会议跨区域灵活调度。 7.3.1 场景描述 部署多套SMC2.0时，可灵活配置不同SMC2.0之间的互联关系，组成不同的互联结构。 随着视讯业务的不断发展，设备部署呈现总体分散，小范围集中的趋势。在这种部署 形式下，要求业务管理系统可以实现区域化集中管理、跨区域灵活调度。多SMC2.0互 联方案在单SMC2.0统一管理和调度的基础上，实现不同SMC2.0之间的对等互联， SMC2.0两两之间可灵活通信，实现跨区域会议调度。 组网图 多SMC2.0互联组网如图7-9所示。
图7-9多SMC2.0互联 组网说明 l多SMC2.0互联组网中，SMC2.0对MCU、会场进行统一管理。 l不同SMC2.0之间的对等互联，SMC2.0两两之间可灵活通信，实现跨区域会议调度。 7.3.2 数据规划 了解组网的数据规划，有助于您快速完成组网配置。 多SMC2.0互联组网的数据规划如表7-8所示。 表7-8多SMC2.0互联数据规划
7.3.3 配置过程 多SMC2.0的互联配置包括开启互联和配置互联关系。 开启互联 开启互联后，才能配置SMC2.0之间的互联关系。 步骤1以admin用户登录SMC2.0的Web页面。 步骤2选择“系统 > 配置”。 步骤3单击“互联配置”，选择“基本配置”页签，设置页面右侧的配置参数，如图7-10所示。 图7-10互联配置 开启互联时，“证书来源”建议选择“商用证书”，并上传证书，且密钥加密口令需满足密码复 杂度要求。如果没有购买商用证书，“证书来源”也可使用系统自动提供的“自签名证书”。 步骤4单击“保存”。 步骤5选择“号段管理”页签，单击“添加”。 弹出“添加号段”窗口，图7-11所示。
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。
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：
过程控制 实验报告实验名称：串级控制班级： 姓名： 学号：
实验二 串级控制系统 一、实验目的 1) 通过本实验，了解串级控制系统的基本结构以及主、副回路的性能特点。 2) 掌握串级控制系统的设计思想和主、副回路控制器的参数整定方法。 二、 实验原理 串级控制系统由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。控制器相串联，副控制器的输入由主控制器的输出设定。主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动系统，对二次扰动而言，副回路是恒值控制系统。 串级控制的主要优点可概括如下: 1) 由于副回路的存在，改善了对象的部分特性，使系统的工作频率提高，加快了调节过程。 2) 由于副回路的存在，串级控制系统对二次扰动具有较强的克服能力。 3) 串级控制系统提高了克服一次扰动的能力和回路参数变化的自适应能力。 串级控制系统副回路的设计原则： 1) 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动。在可能的情况下力求包含尽可能多的扰动。 2) 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。 3) 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。 4) 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。 5) 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。 串级控制系统常用的控制器参数整定方法有逐步逼近法、两步法、一步法等。 ? 逐步逼近法 1) 在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数； 2) 将副控制器的参数设置在所求的数值上，使串级控制系统主回路闭合，以求取主调节器的整定参数值； 3) 将主调节器参数设置在所求值上，再次整定副控制器的参数值。 4) 如控制品质未达到指标，返回2)继续。 三、实验内容 某系统的主、副对象传递函数分别为： 122 11 (),()301(101)(1)P P G s G s s s s = = +++
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
串级控制系统的原理及设计中应注意的问题 摘要：介绍了串级控制系统的基本原理，性能和设计中应注意的几个问题。 关键词：内环；外环；增益；时间常数；对象；共振现象；积分饱和现象。 1、概述 1.1串级控制系统介绍 单回路控制系统只用一个调节器,调节器只有一个输入信号,即只有一个闭环,在大多数情况下，这种简单系统能够满足工艺生产的要求。但是也有一些另外的情况,譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制,而工艺对调节质量的要求又很高;或者对调节对象的控制任务要求特殊,则单回路控制系统就无能为力了。另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,为此,需要在单回路的基础上,采取其他措施,组成复杂控制系统。串级控制是改善调节过程的一种极为有效的方法,并且在实际中得到了广泛的应用。我厂的生产过程自动控制系统中，串级控制系统是应用最为广泛的复杂控制系统。 1.2 （简单控制系统） 图1.1是精馏塔底部示意图,在再沸器中,用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽,然后在塔釜中与下降物料流进行传质传热。为了保证生产过程顺利进行,需要把提馏段温度t保持恒定。为此，在蒸汽管路上装一个调节阀，用它来控制加热蒸汽流量。从调节阀动作到温度t发生变化，需要相继通过很多热容积。实践证明，加热蒸汽压力的波动对温度t的影响很大。此外，还有来自液相加料方面的各种扰动，包括他的流量、温度和组分等，它们通过提馏段的传质传热过程，以及再沸器中的传热条件（塔釜温度、再沸器液面等），最后也影响到温度t。当加热蒸汽压力较大时，如果采用图1.1所示的简单控制系统，调节质量一般都不能满足生产要求。如果采用一个附加的蒸汽压力控制系统，把蒸汽压力的干扰克服在入塔前，这样也提高了温度调节的品质，但这样就需要增加一只调节阀并增加了蒸汽管路的压力损失，在经济上很不合理。 比较好的方法是采用串级控制，如图1.2所示。
本技术特别涉及一种微服务架构下实现级联授权的系统及方法。该微服务架构下实现级联授权的系统，包括微服务应用，元数据管理中心和授权鉴权中心，各微服务应用均内置适配器Adapter。所述微服务应用通过内置的适配器Adapter连接到元数据管理中心和授权鉴权中心。该微服务架构下实现级联授权的系统及方法，解决了微服务架构下一次请求需要跨多个微服务应用时的权限问题，授权时不再需要用户知晓操作的依赖关系，也不需要对各操作进行逐个授权，极大的提升了用户体验，降低了用户使用和操作难度。 权利要求书 1.一种微服务架构下实现级联授权的系统，其特征在于：包括微服务应用，元数据管理中心和授权鉴权中心，各微服务应用均内置适配器Adapter；所述微服务应用通过内置的适配器Adapter连接到元数据管理中心和授权鉴权中心。 2.根据权利要求1所述的微服务架构下实现级联授权的系统，其特征在于：所述微服务应用中内置的适配器Adapter负责请求拦截，并与授权鉴权中心交互，验证请求者是否拥有所请求资源的权限。
3.根据权利要求1所述的微服务架构下实现级联授权的系统，其特征在于：所述元数据管理中心负责管理维护整个系统下，所有微服务应用的权限元数据信息，包括服务定义、资源类型定义、操作定义以及操作之间的依赖关系。 4.根据权利要求3所述的微服务架构下实现级联授权的系统，其特征在于：所述元数据管理中心保存有整个系统所有操作之间的依赖关系，当用户有某个操作的操作权限时，则认为该用户同时具有该操作依赖的其他操作的操作权限。 5.根据权利要求4所述的微服务架构下实现级联授权的系统，其特征在于：创建云主机依赖于创建网络，创建云主机还依赖于挂载云硬盘；当用户有创建云主机的操作权限时，授权鉴权中心同时认为该用户具有创建网络和挂载云硬盘的操作权限。 6.根据权利要求1或2所述的微服务架构下实现级联授权的系统，其特征在于：所述授权鉴权中心负责为用户分配权限，以及验证用户是否拥有指定资源的操作权限。 7.一种根据权利要求1～6所述的微服务架构下实现级联授权的系统的实现方法，其特征在于：当微服务应用内置的适配器Adapter拦截到用户操作请求时，将请求者信息、请求的操作信息发送给授权鉴权中心进行权限验证；如果用户没有权限，则进一步去元数据管理中心查询依赖于当前操作的其他操作，然后进一步将请求者信息和依赖当前操作的其他操作信息发送给授权鉴权中心进行权限验证；如果有权限，则认为有权限，如果仍然没有权限，则进一步根据操作依赖关系进行权限验证，直至依赖关系结束。 8.根据权利要求7所述的微服务架构下实现级联授权的系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步，用户向微服务应用发出用户操作请求，所述用户操作请求携带用户凭证； 第二步，适配器Adapter拦截并解析用户操作请求，获取用户凭证信息和请求的操作信息； 第三步，适配器Adapter将解析获取的用户凭证信息和请求的操作信息发送到授权鉴权中心，检查用户是否有所请求的操作的操作权限；
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。
双容水箱液位串级控制系统课程设计 1. 设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务 图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 1 图1 双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求 1） 已知上下水箱的传递函数分别为： 111()2()()51p H s G s U s s ?==?+，22221()()1()()()201 p H s H s G s Q s H s s ??===??+。 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述； 3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。 4.设计任务分析
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性： 111()2()()51 p H s G s U s s ?==?+（上水箱传递函数）； 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ??= ==??+（下水箱传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声 为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下： 可发现，在无干扰情况下，整定主控制器的PID 参数，整定好参数后，分别改变P 、I 、D 参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两
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?
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)
实验三串级调节系统 一、实验目的 1、熟悉串级调节系统的组成，结构。 2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。 3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。 二、实验原理 串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。 1、串级控制系统的结构 如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个 调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。2、串级控制系统的名词术语： （1）、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。 （2）、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。 （3）、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。 （4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分， 其输出控制主控参数。 （5）、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。
（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。 （7）、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。 （8）、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。 （9）、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。 （10）、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。 3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点： 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，由于在系统的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，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。 （2）、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，只要扰动进入副回路，不等它影响到主参数的变化，通过副回路的及时调节，该扰动对主参数的影响就会大大地削弱或完全消除，从而提高了主参数的控制质量。 （3）、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。 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、副回路关系的调整，其设计原则为：（1）、主参数的选择和主回路的设计 串级控制系统是由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统，副回路是随动调节系统。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 1）、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
过程控制系统实验报告 姓名：黄佳鑫 班级：自动化1201 学号：1210410106
实验三：利用MATLAB/对串级控制系统进行仿真 一、实验目的 1．学会利用MATLAB/Simulink 对串级控制系统进行参数整定。 2．学会利用MA TLAB/Simulink 分析串级控制系统的抗干扰能力。 二、实验设备 安装Windows 系统和MATLAB 软件的计算机一台。 三、实验内容 构成以锅炉温度为主变量，锅炉夹套温度为副变量的串级控制系统，假设主、副对象传递函数分别为 试采用串级控制设计主、副PID 控制器的参数，并与等效的简单控制系统进行抗干扰能力的比较。 四、实验步骤 1．系统设计和参数整定 1）简单控制系统 (1) 利用NCD Outport （ 或Signal Constraint ）模块，建立如下图所示的简单控制系统的Simulink 结构图。 图一 仿真电路图 首先点击Simulation →Configuration Parameters(stop time 设置为100，其余参数采用默认值) 在MA TLAB 窗口中利用以下命令对PID 控制器的初始值进行任意设置：>>Kc=1;Ti=1;Td=1; 然后，双击Signal constraint →g oals →desired response →点击第2个选框→进行设置参数（Settling Time 为25、Rise Time 为15、% overshoot 为12,其余参数采用默认值）单机ok 。 图二 11()(301)(31)p G s s s =++22 1()(101)(1)p G s s s =++
第三章串级控制系统 简单控制系统由于结构简单，而得到广泛的应用，其数量占有所有控制系统总数的80% 以上，在绝大多数场合下已能满足生产要求。但随着科技的发展，新工艺、新设备的出现，生产过程的大型化和复杂化，必然导致对操作条件的要求更加严格，变量之间的关系更加复杂。同时，现代化生产往往对产品的质量提出更高的要求，例如甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1℃石油裂解气的生冷分离中，乙烯纯度要求达到99.99%等，此外，生产过程中的某些特殊要求，如物料配比、前后生产工序协调问题、为了安全而采取的软保护的问题、管理与控制一体化问题等，这些问题的解决都是简单控制系统所不能胜任的，因此，相应地就出现了复杂控制系统。 在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统统称为复杂控系统。复杂控制系统种类较多，按其所满足的控制要求可分为两大类：以提高系统控制质量为目的的复杂控制系统，主要有串级和前馈控制系统；满足某些特定要求的控制系统，主要有比值、均匀、分程、选择性等。 本章将重点介绍串级控制系统。串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种，它对改善控制产品有独到之处。当过程的容量之后较大，负荷或扰动变化比较剧烈、比较频繁、或是工艺对生产质量提出的要求很高，采用单控制系统不能满足要求时，可考虑采用串级控制系统。 3.1 串级控制系统概述 图3-1串级控制系统方框图
3.2 串级控制系统的特点 串级控制系统从总体来看，仍然是一个定制控制系统，因此主变量在扰动作用下的过渡过程和简单定制控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式。但是串级控制系统和简单控制系统相比，在结构上增加了一个与之相连的副回路，因此具有一系列特点。 由于副回路的存在，改善了过程的动态特性提高了系统的工作频率。 串级控制系统在结构上区别于接单控制系统的主要标志是用一个闭合的副回路代替了原来的一部分被控对象。所以，也可以把整个副回路看作是主回路的一个环节，或把副回路称为等效副对象。 由于副过程在一般情况下可以用一阶滞后环节来表示，如果副控制器采用比例作用，那么串级控制系统由于副回路的存在，改善了过程的动态特性，是。而等效副对象的时间常数减小，意味着对象的容量滞后减小，这会使系统的反应速度增加，控制更为及时。另一方面，由于等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率可获得提高。当主副对象都是一阶惯性环节，主副控制器均采用纯比例作用是，与简单控制系统相比，在相同衰减比的条件下，串级系统的工作频率要高于简单控制系统。 所以，串级控制系统由于副回路的存在，改善了被控对象的动态特性，是控制过程加快，从而有效地克服容量滞后、使整个系统的工作频率有所提高，进一步提高了控制质量，其主要优点表现在： ①能及时克服进入副回路的扰动影响，提高了系统抗扰动能力 与同等条件下的简单控制系统相比较，串级控制系统由于副回路的存在，能迅速克服进入副回路扰动的影响，从而大大提高了抗二次扰动的能力，抗一次扰动的能力也有所提高。这是因为当扰动进入副回路后，在他还未影响到主变量之前，首先由副变量检测到扰动的影响，并通过副回路的定值控制作用，及时调节操纵变量，师傅变量回复到设定值，从而是扰动对主主变量的影响减少。即副回路对扰动进行粗调，主回路对扰动进行细调。由于对进入副回路的扰动有两级控制措施，即使扰动作用影响主环，也比单回路的控制及时，因此，串级控制系统能迅速克服副回路的影响。 ②具有一定的自适应能力。 在简单控制系统中，控制器的参数是在一定的负荷、一定的操作条件下，根据该