北京化工大学过程控制工程串级控制系统实验报告

实验名称：串级控制实验

班级：自控

实验设备编号： 2

实验日期：年月

同组人：

年月日

实验名称：串级控制系统

实验的目的：正确认识串级控制系统，理解和熟练串级控制系统的特点和操作要求。

实验的要求：正确理解串级控制系统的特点，结合本实验装置的情况，构建一个以下水箱液位H2为主被控参数，上水箱液位H1为副被控参数，进水流量为控制手段的液位-液位串级控制系统。

实验过程的主要步骤：

1、构建串级控制系统，在软件中组态。

2、对串级控制系统进行正确的设置，确保系统的连接方式正确，正反作用正确。

3、系统启动后将调节阀CV101，CV102的开度设置在50%，80%左右。

4、待系统达到稳定，按照先副后主的顺序将串级控制系统投入自动，投运过程无扰动串级控制系统参数整定，使用一步法

1、系统流程图：

系统方框图：

串级控制系统因为具有主副两个控制回路，从传递方式来看，是串联的进行工作，主回路的输出是通过副回路起作用；按照回路闭合向来看，副回路被包括在主回路中，可以看成一个具有一定跟踪能力的控制环节，它以主回路的输出作为跟踪目标。由于副回路的存在，分担了系统中的部分容量滞后和部分干扰的镇定作用，使系统的整体放大倍数、静态控制精度、系统抗干扰能力和工作频率等指标都提高到一个新的高度。

2、为了主变量的稳定，主控制器必须具有积分作用；副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化为了能快速跟踪，一般只需采取比例式。

主副控制器的正反作用确定应遵循先副后主的原则。为了使副回路构成一个稳定的系统，副环内所有放大倍数各环节放大倍数的乘积应是负号；主控制器的正反作用也是根据主环内各个环节的乘积为负来确定，一般，主变送器为正，副回路为正，主控制器的正反作用只取决于主对象放大倍数的符号。

投运时要按照先副后主的顺序进行，先投运副回路，再投运主回路。无扰动投运的步骤：（1）、主副控制器均放于手动位置。主控制器放于内给定，副控制器放于外给定；将主副控制器正反作用开关置于正确位置；主副控制器参数放于预定数值。

（2）、用副控制器的手操器进行手操作。

（3）、当遥控使主变量接近或等于给定值而副变量也较平稳时，调节主控制器的手操旋钮，使副控制器的偏差表指示为零，这时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。由于切换前控制器的自动电流等于手动电流，自动电流信号等于手动电流信号就意味着切换时刻不会造成控制阀阀位变化，因此切换是无扰动的。

（4）、当副环切入自动后控制稳定，主变量接近或等于给定值时，调整主控制器的内给定旋钮，使主控制器偏差表指示为零。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。至此，系统则处于串级工作状态，而切换是无扰动的。

3、串级系统的参数整定：

与单回路的情况相同，串级控制系统也是在控制系统器投入自动后，通常并不能保证控

制系统开始就能很好的工作，控制质量指标可以立即达到要求，还要根据被控对象的具体情况，分别调整主、副控制器的参数，才可能使系统的动态品质和控制精度满足要求。

为了便于分析和比较，实验中大多施加的是阶跃干扰（让给定值产生一个突变并保持到这个过程结束，系统达到新的稳态，幅度要根据具体的对象特性而定）。

串级控制系统因含有主、副两个控制回路和控制器，所以应该分别整定两个控制器各自的参数。但在实际系统的参数整定工作中，为了节省时间和简化整定工作程序，更多地还是使用一步整定法，即将副控制器的参数根据经验进行粗略设定（即：根据经验，将副回路的比例度设置在一个较小的数值上，确保副回路有较高的工作频率和放大倍数，当然不可过高，以免导致系统产生过度振荡），然后对主控制器的P、I参数按照4:1衰减法进行整定，方法和步骤单回路控制系统时相同。

一步整定法：（1）、副控制器置为纯比例控制器，比例度一般在25%—50%(经验值)之间；（2）、按单回路系统整定方法直接整定主控制器参数（4:1衰减曲线法）,设定值在40—65%内加阶跃干扰信号进行测试；

（3）、加入积分作用，形成PI控制，并进行测试、调整，直至得到满意的PI控制下的近似4:1衰减过程。

实验结果（包括所有的有效的实验数据曲线）：

从7000s后的曲线

对实验结果的分析讨论：由图可知，当对主回路的设定值向上调整时，由于副回路控制的动态性能好（纯比例控制器），响应速度块，上液位的变化较为迅速，经过一段时间，下液位达到设定值，效果明显。

在测试串级控制系统的抗干扰能力时，在副回路加入干扰，发现经过串级系统的调节，主回路的被控变量测量值受干扰的影响很小，变化不大，这足以说明串级控制系统在抗干扰方面的优势。

结论：串级控制系统中，由于副回路作为一个“助手”存在，它分担了系统中部分容量滞后和部分干扰的镇定工作，使系统的整体放大倍数、静态控制精度、抗干扰能力和工作频率等指标都提高到一个新的高度，实验效果要优于单回路控制系统。