实验二 串级控制系统设计性实验(自)

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1、实验二实验二 串级控制系统设计性实验串级控制系统设计性实验一、实验目的一、实验目的1、学习串级控制系统的原理。 2、了解串级控制系统的特点。 3、掌握串级控制系统的控制器参数调整和投运 4、研究串级控制系统对扰动的调节作用及克服扰动的能力。二、实验设备二、实验设备A3000-FS/FBS 现场系统，控制系统，以及上位监控计算机及组态王软件。 1、现场系统组成 A3000 现场系统（A3000-FS 和 A3000-FBS）包括三水箱，一个锅炉，一个强制 换热器，两个水泵，两个流量计，一个电动调节阀。其他还包括加热管，大水 箱。2.实验控制系统.换热 器大储水箱FT 102PT 101JV201

2、锅炉调节阀滞后管FT101上水箱中水箱下水箱电磁阀LT 101LT I02LT 103LS 101TE 102TE 105TE 103TE 10 4TE 101LS 102JV101JV204JV205JV102JV20 6 JV103JV106XV102JV207JV502JV305JV304JV104FV101JV601JV503JV105滞后管电磁阀XV101A3000 控制系统（A3000-CS）包括了传感器执行器 I/O 连接板、三个可换的 子控制系统板，第三方控制系统接口板。 整个部分设计在一个工业机柜中，开放性极强。一个前门，保证了设备防 尘、散热等需要。 内部结构设计合理，布线

3、完全按照工业要求，整齐、可靠。 系统结构如图所示。左边是机柜布置简图，右边是各个控制系统的半模拟 屏简图。控制系统结构图：三、实验内容及设计要求（写出预习报告）三、实验内容及设计要求（写出预习报告）1、1、串级控制系统设计： 根据过程控制实验室的过程控制实验装置 A3000 系统，参考实验指导书， 设计一个串级控制系统，说明设计意图。画出带控制点的工艺流程图和方框 图。 2、2、如何运行至稳态工艺点？ 3、3、串级控制系统投运： 参考资料写出投运步骤 4、4、串级控制系统整定： 写出采用整定方法，说明主副控制器的正反作用、采用的控制规律。 5、5、 、串级控制系统特性的测试： 测试内容设计 、

4、实现方法（主要考虑串级控制系统对扰动的调节作用及克 服扰动的能力。 ） （参考A3000 高级过程控制系统实验指导书 V3闭环双水箱液位串级控制系统闭环双水箱液位串级控制系统实 验）四、实验步骤四、实验步骤1、按照 A3000 装置系统示意图，根据液位串级控制系统流程图通过管路中手 动阀门的开闭状态，正确连接工艺管道连接工艺管道。 控制系统结构举例标准机柜传 感、 执 行 器 连 接 板第一控制系统第二控制系统第三控制系统常规仪表， DDC，或 PLCRS485 到以太 网网 络 接 入 设 备实验接口过程级管理级网关系统2、根据液位串级控制系统流程图及方框图在 A3000 控制系统上进行传感

5、器、 执行器与 控制器的接线接线。 3、控制系统上电，启动上位监控计算机及组态王软件， 进入组态王软件的实 验界面，点击闭环双水箱液位串级控制系统闭环双水箱液位串级控制系统的名称，进入闭环双水箱液位串级闭环双水箱液位串级 控制系统的控制系统的监控画面。观察闭环双水箱闭环双水箱液位串级控制系统的串级控制系统的监控画面，明确各参数的名称及功能， 了解监控画面实时趋势曲线中各条曲线的名称。 4、打开装置水泵的电源， 开水泵，A3000 装置开始运行。检查工艺管道连接工艺管道连接 是否正确？是否正确？运行至稳态工艺点。5、选择闭环双水箱液位串级控制系统主副控制器的控制规律闭环双水箱液位串级控制系统主副

6、控制器的控制规律6、 串级控制系统的投运串级控制系统的投运 串级控制系统的投运遵循的原则： 其一投运的顺序：一般都采用先投副环后投主环的投运顺序； 其二是投运过程必须保证无扰动切换。 串级控制系统的投运与参数整定的方法有关。两步法整定参数的系统投运 步骤如下。设置主控制器为主控制器为“内给内给” 、 “手动手动” ，设置副控制器为副控制器为“外给外给” 、 “手动手动” 。 主控制器手动输出，调整副控制器手动状态遥控输出，使装置处于要求 的工况，即使主变量慢慢在给定值附近稳定下来， 调整副控制器手动状态遥控输出，使副变量慢慢在给定值附近稳定下来， 即至副控制器偏差为零时，将副控制器切副控制器切

7、“自动自动”调整主控制器手动输出至主控制器偏差为零时，将主控制器切“自动” 。整定副控制器参数（参数整定方法见第副控制器参数（参数整定方法见第 7 项）项） ，使副被控变量的响应满足 所需性能指标(例如衰减比指标)。整定主控制器参数整定主控制器参数使主被控变量的响应满 足所需性能指标(例如衰减比指标、余差等)。LIC 101图 6-1-1 液位串级控制实验水泵LT 102下水箱 V104中水箱 V103LT 103LIC 102第一个动力支路引入干扰给定值输出值输入值给定值串级控制系统的投运宜先副后主，由于设置副环的目的是提高主被控变量 的控制品质，因此，对副控制器参数整定的结果不应作过多限制

8、，应以快速、 准确跟踪主控制器输出为整定参数的目标。当工艺过程对副被控变量也有一定 控制指标要求时(例如精确流量测量等)，可采用逐步逼近法整定参数，使副被 控变量也能够满足所需控制指标。7、串级控制系统的控制器参数整定按照设计的串级控制系统控制器的控制规律，根据串级控制系统的工程整定方法，如两步法和一步法，按照先整定副环后整主环的顺序进行控制其调节参数的整定。 调节 PID 值，记录实验的响应曲线，直到获得最佳控制效果。所谓二步法就是整定分两步进行，先整定副环，再整定主环。这种方法实施的前提是基于主、副对象的动态特性相差比较悬殊，主、副回路的工作频率大不相同，主回路的操作周期远远大于副回路的操

9、作周期，它们之间的动态联系很小。另一方面一般对副参数的质量指标没有严格要求，只要保证主参数的控制质量。二步法整定步骤如下： 在主回路闭合的情况下，主、副控制器都为纯比例作用，并将主控制器的比例度置于 100%，用 4：1 衰减曲线法（见下参考资料）整定副控制器，求取副回路 4：1 衰减过程的副控制器比例度(2p)以及操作周期(T2P)。 将副控制器的比例度置于所求的数值 2p 上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器，求取主回路 4：1 衰减过程的 1p 和T1P。 根据求得的(1p)和(T1P)、(2p)和(T2P)数值，按经验公式求出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时

10、间。 按先副后主、先比例后积分再微分的程序，设置主、副控制器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。参考资料参考资料： 衰减曲线法是通过使系统响应产生衰减振荡曲线，测出衰减振荡曲线的 特征参数来计算系统的 PID 参数。具体方法如下：在闭环负反馈回路系统中，将控制器调 为纯比例 P 作用（将 Ti调为无穷大位置，Td放在 0 位置上） 。将比例度 P 放在最大位置 上，用改变给定值（用阶跃信号）方式，使调节器得到一个阶跃的偏差信号，观察系统响 应曲线的衰减比，然后从大到小调节比例度，直到系统响应曲线的衰减比为 4：1，记下此 时的比例度 s，衰减周期 Ts ,

11、然后根据表（4：1 衰减曲线法控制器参数计算公式）计算 PID 参数。控制作用控制作用比例度 s/%积分时间 Ti/分钟微分时间 Td/分钟PsPD1.2s0.5TsPID0.8s0.3 Ts0.1Ts4:1 衰减曲线法控制器参数计算公式用 4：1 整定法在现实工作中，有时仍嫌系统振荡太强，也可以按 10：1 衰减比来整定， 按照 4：1 的方法，可同样得到比例度 s 和系统最上升时间 T，按照如下：（10：1 衰减 曲线法控制器参数计算公式）表，计算出 PID 参数。控制作用控制作用比例度 s/%积分时间 Ti/分钟微分时间 Td/分钟PsPD1.2s2TPID0.8s1.2T0.4T10：

12、1 衰减曲线法控制器参数计算公式在实际工作中，采用衰减曲线法整定控制器参数应该注意点： 加干扰阶跃信号不拟过大，要根据工艺过程容许波动情况而定，一般考虑 5%10%为宜。 应该在工艺过程工况相对稳定下，进行整定。否则测出的衰减振荡曲线的特征参 数不会准确。4：1 衰减曲线法整定参数是比较普遍采用的方法，一般情况下的各种过程参数控 制系统都采用，但对于哪些过程系统变化快、干扰频繁发生的系统不宜采用此方 法。8、研究串级控制系统对扰动的调节作用及克服扰动的能力研究串级控制系统对扰动的调节作用及克服扰动的能力。 串级控制系统投入自动运行，待系统稳定后加入一次扰动一次扰动，观察一次一次扰动 对主、副参数的影响，记录实验的响应曲线，等待系统稳定后再加入二次扰动次扰动， 观察二次次扰动对主、副参数的影响，记录实验的响应曲线，进行对比及分析。 9、 （选作） MATLAB 仿真：PID 控制器+串级主副对象动态数学模型，形成串级控制系 统，获得 PID 控制器参数值五、实验报告五、实验报告内容包括实验目的、要求，实验原理线路图、实验简要步骤、实验结果 （包括实验数据曲线）以及对实验结果的分析（利用控制原理所学内容） ，得出的结论实 验。