串级控制系统的构成投运和参数整定及控制质量研究

实验一串级控制系统的构成、投运和参数整定及控制质量

研究

一、实验目的

1、加深理解串级控制系统的工作原理及特点。

2、掌握串级控制系统的设计和组成。

3、学习相关的组态软件

4、初步掌握串级控制系统的控制器参数调整方法。

二、实验设备

1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统4套

2、A3000－CS上位控制系统4套

三、实验要求

1、根据工艺要求和工况条件，设计出合理可行的串级控制系统。

（1）要求及条件

工艺要求：下水箱液位控制在某一高度上。

对下水箱液位产生影响的扰动量：若干变量。

（2）控制方案

主被控变量c1(t)、副被控变量c2(t)及操纵变量q(t)等的选择；主控制器和副控制器控制算法的选择及正、反作用的确定等。

2、掌握串级控制系统的控制器参数整定方法和系统投运步骤。

3、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

1、液位流量串级控制系统方案及工作原理

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被控变量，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。

以下水箱为主被控对象。流量的改变需要经过一定时间才能反应到下水箱液位的变化，时间常数比较大（时延较大）。如图2－1所示，

图2－1 液位－流量串级控制系统

设计好下水箱和流量串级控制系统。将主控制器的输出送到副控制器的外给定输入端，而副控制器的输出去控制执行器。经反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动（即，使干扰落入串级控制系统的副回路）。若控制器的各参数设置比较理想，且扰动量较小，经过副回路的及时控制校正，基本不会影响下水箱的液位。如果扰动量较大或控制器的各参数设置不理想，虽然经过副回路的校正，还将会影响主回路的液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动的影响，使液位调回到给定值上。当用第一动力支路把扰动加在下水箱时（即，干扰落入串级控制系统的主回路），扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。该串级控制系统框图如图2-2所示。

图2－2 液位－流量串级控制系统原理方框图

2、液位流量串级控制系统组态

表2－1 液位流量串级控制系统连接示意

测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口

电磁流量计FT102 AI0

下水箱液位LT103 AI1

调节阀FV101 AO0

3、液位流量串级控制系统实验内容与步骤

（1）、在A3000-FS 上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

（2）、按照表2－1进行连线。或者按如下操作：在A3000-CS 上，将电磁流量计（FT102）连到控制器AI0输入端，下水箱液位（LT103）连到控制器AI1输入端，电动调节阀（FV101）连到控制器AO0端。

（3）、在A3000-FS 上，启动右边水泵，给中水箱注水。

（4）、首先进行副回路比例调节，获得δ值。

（5）、切换至单主回路控制。断开电磁流量计与AI0的连线，将下水箱液位连到AI0。调整主控制回路（调节P 、I 值即可），对主控制器或调节器进行工作量设定。

（6）、关闭阀JV205，当中水箱液位降低2cm 高度，打开阀门，观察控制曲线，等待稳定。

（7）、切换到串级控制状态（此时最好无扰动）：将电磁流量计连到副控制器输入端AI0，主控制器输出端连接到副控制器的外给定端，副控制器的输出连接到调节阀。

（8）、正确设置PID 控制器：

副控制器：纯比例（P ）控制，反作用，自动，K C2（副回路的开环增益）较大。

主控制器：比例积分（PI ）控制，反作用，自动，K C1〈 K C2（K C1主回路开环增益）。

（9）、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。

（10）、通过反复对副控制器和主控制器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。

4、液位流量串级控制系统的网络结构图：

5、控制系统的投运及运行

流量-液位串级控制系统的PID 参数采用一步法进行整定，根据经验，流量副环采用比例（P ）控制规律，设定%402=δ，液位主环采用衰减曲线法进行整定。经过多次P 、I 值

尝试后发现当主控制器的%101=δ、I=100、D=0运行后可得比较理想的系统曲线，如下图所示：

结果分析：根据PID 控制的特性调节参数，使系统达到较满意的状态。加阶跃信号后观察系统的动态性能。通过增加比例系数克服扰动，但比例系数的加大会使上升速度加快，曲线变陡，造成调节阀动作幅度的加大，引起被调量的来回波动。因为在调节参数中加大了积分的作用，降低了系统的稳定程度，使得超调量加大，但对消除余差有较好效果。在计算机中改变PID 参数后，调节阀不能很快动作，特别是在上升到接近阶跃输入设定值时，调节阀输出值减少过慢，使液位超过设定值后仍在上升会造成超调增大。且调节阀本身存在死区，使得调节时间加长，系统不易稳定。但是通过PID 参数整定，使系统获得较满意的曲线图，最后可从曲线图中看出，系统的检测值与设定值一致，无偏差。

六、思考问题

1、串级控制系统有哪些主要特点？什么情况下可考虑设计串级控制？

答：（1）串级控制系统的主要特点为：具有更高的工作频率；具有较强的抗干扰能力；具有一定的自适应能力。

（2）设计时对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，对于控制质量要求较高的场所可以使用串级控制系统。

2、制定串级控制系统方案时应该注意哪几个方面的问题？

答：副回路的设计质量是保证串级控制系统优势的关键所在，其又取决于副参数的选择，一般要遵循一下原则：副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通路短，反应灵敏；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰，调节通道短与尽可能多的纳入干扰这两者间纯在的矛盾，应在设计中加以协调；,设计中应防止积分器饱和的现象。

3.串级控制系统中主、副控制器的正反作用如何选择？

答：遵循先副后主的原则，副控制器的作用方向与副对象的特征、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法是使副回路各环节放大倍数符号的乘积为“负”。控制器正、反作用设置正确的副回路可将其视为一放大倍数为“正”的环节来看待，这样只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求，即可确定主控制器的正、反作用。

七、实验总结

通过本次实验，我将串级控制系统的构建、串级控制系统PID参数的整定应用于实际控制系统的组建之中，完成了流量-液位串级控制系统的组建和参数整定,实现了对流量和液位的串级控制。