实验二串级控制系统的构成
实验二 串级控制系统设计性实验(自09)
实验二串级控制系统设计性实验一、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。
）正确连接工艺管道。
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器、执行器与控制器的接线。
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的名称，进入闭环双水箱液位串级控制系统的监控画面。
观察闭环双水箱液位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。
检查工艺管道连接是否正确？运行至稳态工艺点。
5、选择6、①设置。
即使主变量即至副控制器偏差为零时，将 。
⑤整定(例如衰减比指标)(例如衰减比指标、余差等)。
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，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。
第14讲 串级控制系统分析
一 串级控制系统的基本概念 1 串级控制系统的基本概念串级控制系统是指控制系统中有两个相互串联的调节器，两个反馈通道分别将测量信号送入两个调节器并以此形成回路的双回路控制系统。
2 概念的理解(1) 串级控制系统中有两个调节器，这两个调节器相互串联，前一个调节器的输出作为后一个调节器的输入。
这两个调节器分别叫作主调节器和副调节器，即主调节器的输出进入副调节器，作为副调节器的给定值。
(2) 串级控制系统中有两个反馈回路，并且一个回路嵌套在另一个回路之中，处于里面的回路称为内回路（副回路），处于外面的回路称为外回路（主回路）(3) 串级控制系统中有两个测量反馈信号，称为主参数和副参数，分别作为主、副调节器的反馈输入信号。
_+ + _图3－1 串级控制系统原理方框图主 参 数副参数主调节 器副调节 器被控对象1被控对象2执行器调节阀 门测量变送器测量变送器3串级控制系统实例——汽包炉主汽温度控制系统火电厂主汽温度串级控制系统为例作用：火电厂中，为更好的对主蒸汽温度进行控制，通常将过热器分为两段，即高温段和低温段，在这两段之间装有一个喷水减温器，喷水减温器是一个三通容器，分别与低温段过热器、高温段过热器以及冷水（减温水）管道连通，蒸汽从低温段流经喷水减温器，再进入高温段。
减温水通过减温水调节阀进入喷水减温器，直接喷洒在蒸汽上，通过控制喷水减温调节阀（即喷水减温阀）的开度来调节进入喷水减温器的冷水流量，从而达到对过热器出口的主蒸汽温度进行调节的目的。
系统分析：由于过热器存在很大的惰性，也就是说，当通过调节喷水减温阀门改变进入喷水减温器的喷水流量时，要经过较长的时间，高温段过热器出口的蒸汽温度θ1才发生变化，这给控制带来很大的困难。
若用传统的单回路控制系统对高温段过热器出口的蒸汽温度θ1进行控制（如图3－2），由于过热器惰性的存在，导致控制系统的快速性能变差，控制质量不理想。
为提高控制质量，可以在原单回路系统的基础上，增加一个调节器（即副调节器）将过热器高温段入口处的蒸汽温度θ2也作为一个测量信号（副参数），送入副调节器的输入端，构成串级控制系统。
《串级控制系统》课件
5 保证系统的可靠性
采取措施确保系统的可靠性，如备份控制器、 故障检测和自动切换等。
串级控制系统的实现1Fra bibliotek软件实现
2
串级控制系统的软件实现包括控制算法
的设计、编程和调试。
3
硬件组成
串级控制系统的硬件组成包括传感器、 执行器、控制器和通信设备。
实现过程
串级控制系统的实现包括系统设计、参 数调整和系统测试等多个步骤。
串级控制系统的应用领域
化工工业
串级控制系统在化工 工业中有广泛的应用， 能够稳定控制各种化 学过程。
食品工业
食品工业中的串级控 制系统能够确保食品 生产过程的高效、稳 定和安全。
制造业
制造业中的串级控制 系统能够提高产品的 质量和生产效率，实 现精细化生产。
冶金工业
冶金工业中的串级控 制系统能够优化冶金 过程，提高冶金产品 的质量和产量。
1 改善系统稳定性
串级控制系统能够减小系统的波动幅度，提 高系统的稳定性。
2 提高系统精度和可靠性
通过串级控制系统，我们能够降低系统的误 差，提高系统的精度和可靠性。
3 减小控制器的负担
串级控制系统能够分担控制器的负荷，使其 更加高效且稳定。
4 减小设备的故障率
串级控制系统能够有效减小设备故障的概率， 提高设备的可靠性和使用寿命。
设计原则
1 正确选择控制器
根据系统需求和特点，选 择合适的控制器类型和参 数。
2 合理设置控制参数
3 统一参考信号
根据系统需求和运行状况， 合理设置控制参数，以达 到最佳控制效果。
将所有控制器的输入信号 统一为相同的参考信号， 以保证系统的稳定性和一 致性。
4 建立完善的监测系统
串级控制系统资料
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的工作过程 (1)只存在二次干扰—燃料压力波动
燃料压力升高 燃料的流量增大 燃烧室温度2升高
副控制器接受的测量值增大 副温度检测变送器
D2
θ1r
主控制器
副控制器 调节阀 燃烧室 θ2 隔焰板
6.1 串级控制系统的基本概念
串级控制系统的术语
①主、副回路 ✓在外面的闭合回路称为主回路(主环)， ✓在里面的闭合回路称为副回路(副环)。 ②主、副控制器 ✓处于主回路中的控制器称为主控制器； ✓于副回路中的控制器称为副控制器。 ③主、副变量 ✓主回路的被控变量称为主被控变量，也称为主变量或主参数； ✓副回路的被控变量称为副被控变量，也称为副变量或副参数
第6章 串级控制系统
了解串级控制系统的概念与特点； 掌握串级控制系统的方框图表示法； 结合控制原理，掌握串级系统的分析方法； 了解串级控制系统的设计原则； 掌握串级控制系统的参数整定方法; 了解串级控制系统的抗积分饱和措施。
6.1 串级控制系统的基本概念
简单控制系统（单回路系统）：
R(s)
—
Gc(s)
(S)
K C2 K V K O2
1 + KC2KVKO2KM2
KO2 '
1＋（1＋K
TO2 C2K V K
m2K
O2
)
S
1+ TO2 'S
6.2 串级控制系统的分析
由于在任何情况下：
1＋KC2KVKO2Km2>1
TO2’<TO2
等效对象的时间常数缩小了，加快了副环的响应 速度，提高了系统的工作频率。
2 串级控制系统
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TC1
TC2
T2
T1
冷却剂
进料
气开阀
出料
T2 TC2 GV 正作用
T1 TC1 TC2给定 反作用
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2.1.3 串级系统设计和工程应用
Tp1Tp2
2 0单
Tp1 Tp2 T p1T p 2
20串 1 (Tp1 Tp2 ) (Tp1 Tp2 ) Tp1Tp2 1 20单 1 (Tp1 Tp2 ) (Tp1 Tp2 ) Tp1Tp2
c串 c单
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R(s) 1 Gc (s)Gv (s)Gp2 (s)Gp1 (s)Gm (s)
对应的闭环特征 方程
1 Gc1 (s)Gv (s)G p2 (s)G p1 (s)K m1 (s) 0
s 2 Tp1 Tp2 s 1 Kc1Kv K p2 K p1Km1 0
Tp1Tp2
1
K
mห้องสมุดไป่ตู้
2
K
' P
2
Y2 (s)
KC 2 KV KP2
R2 (s) TPS 1 KC2KV KP2Km2
KC2KV KP2 1 KC2KV KP2Km2 TP 1 KC2KV KP2Km2 S 1
TP' 2
G'
p2
(s)
T
K 'p2 'p2s 1
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串级控制系统在副环进入的扰动作用下，控制
串级控制系统整理整理
串级控制系统整理手册一、串级控制系统概述串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，主要由两个或多个控制环组成，每个控制环都负责调节一个特定的过程变量。
这种系统具有结构紧凑、响应速度快、控制精度高等优点，广泛应用于各类工业生产过程中。
二、串级控制系统的组成1. 主控制环：主控制环负责监控整个过程的主要变量，通常与系统的输出直接相关。
主控制器根据主控制环的偏差，调整副控制器的设定值，以实现系统整体的控制目标。
2. 副控制环：副控制环位于主控制环内部，负责调节过程中的辅助变量。
副控制器根据副控制环的偏差，调整执行机构的输出，以影响主控制环的变量。
3. 执行机构：执行机构是串级控制系统的执行者，负责根据控制器的指令调整过程变量。
常见的执行机构有电机、阀门、变频器等。
4. 被控对象：被控对象是串级控制系统的作用对象，包括各种生产过程中的设备、工艺和参数。
三、串级控制系统的特点1. 快速响应：串级控制系统通过多个控制环的协同作用，能够迅速响应过程变化，提高系统的动态性能。
2. 高精度：串级控制系统可以实现对外部干扰的有效抑制，提高控制精度，确保产品质量。
3. 灵活性：串级控制系统可根据实际生产需求，调整控制参数，适应不同工况。
4. 易于维护：串级控制系统结构清晰，便于故障排查和日常维护。
四、串级控制系统的设计要点1. 确定控制目标：明确串级控制系统的主、副控制环控制目标，确保系统稳定运行。
2. 选择合适的控制器：根据被控对象的特性，选择合适的控制器类型和参数。
3. 优化控制参数：通过调整控制器参数，使串级控制系统达到最佳控制效果。
4. 考虑系统抗干扰能力：在设计过程中，充分考虑外部干扰因素，提高系统的抗干扰能力。
5. 系统调试与优化：在系统投运后，根据实际运行情况，不断调整和优化控制参数，确保系统稳定、高效运行。
五、串级控制系统的实施步骤1. 系统分析与建模：深入了解生产工艺，对被控对象进行详细分析，建立准确的数学模型，为控制器设计提供依据。
串级控制系统资料课件
串级控制系统具有较好的抗干扰能力和对负荷变化的适应性 ，能够提高系统的控制品质和降低对控制参数的敏感性。
串级控制系统基本组成
01
02
03
控制器
是系统的核心部分，负责 接收输入信号并输出控制 信号。
内回路
由控制器、测量变送器和 执行机构组成，负责将控 制器的输出信号转换为实 际的控制动作。
外回路
串级控制系统资料课件
目录
• 串级控制系统概述 • 串级控制系统的设计 • 串级控制系统的应用 • 串级控制系统的优化 • 串级控制系统的案例分析 • 串级控制系统的未来发展与挑战
01
串级控制系统概述
定义与特点
定义
串级控制系统是一种常用的工业控制系统，由两个或更多控 制器串联组成，每个控制器控制一个内回路，内回路的输出 作为下一级控制器的给定值，形成多级控制回路。
内回路的输出值作为 下一级控制器的给定 值，下一级控制器根 据给定值和实际测量 值的偏差计算出控制 信号，调整内回路的 执行机构；
通过多级控制回路的 协同作用，最终实现 系统输出值与目标值 的接近。
02
串级控制系统的设计
设计原则与步骤
01
确定系统结构
根据工艺要求和控制目标，确定 串级控制系统的主控制器和从控 制器。
算法优化
并行计算
利用多核处理器或分布式计算资源，加速控制算法的计算 过程，提高系统的实时性。
01
参数优化
通过智能优化算法，对控制算法的参数 进行优化，以获得更好的控制效果。
02
03
近似算法
在保证控制精度的前提下，采用近似 算法降低计算复杂度，提高系统的响 应速度。
系统结构优化
模块化设计
串级控制系统基础
串级控制系统基础串级控制系统-----两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
例：加热炉出口温度与炉膛温度串级控制系统1. 基本概念即组成结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
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的，即包括在副回路范围内的扰动。
2. 串级控制系统的工作过程当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。
根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：* 1）扰动作用于副回路* 2）扰动作用于主过程* 3）扰动同时作用于副回路和主过程分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
3. 系统特点及分析* 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。
* 能迅速克服进入副回路的二次扰动。
* 提高了系统的工作频率。
* 对负荷变化的适应性较强4. 工程应用场合* 应用于容量滞后较大的过程* 应用于纯时延较大的过程* 应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程* 应用于参数互相关联的过程* 应用于非线性过程5. 系统设计* 主参数的选择和主回路的设计* 副参数的选择和副回路的设计* 控制系统控制参数的选择* 串级控制系统主、副调节器控制规律的选择* 串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定串级控制是一种复杂控制系统，它根据系统结构命名，是由两个或以上的控制器（主环、副环、次副环……）串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象。
第2章 串级控制系统
第二章串级控制系统2.1概述一、串级控制系统的基本原理及结构举例：串级控制系统方案(温度---流量)串级控制系统：用两台控制器相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的输入。
方框图标准形式如下：二、常用名词： 主被控变量（主参数、主变量）Y1(S)副被控变量（副参数、副变量）Y2(S)主控制器G c1(S)副控制器G c2(S)主回路（主环）副回路（副环）三、串级控制系统的工作过程分析温度---流量串级控制系统设：控制阀为气开，温度和流量两控制器选为反作用1）、干扰作用于副环（副控制器起“粗调”，主控制器起“细调”）2）、干扰作用于主环（蒸汽量随温度控制的要求随时改变）3）、干扰同时主环和副环a.作用方向相同b.作用方向相反1）干扰作用于副环 蒸汽压力↑→FT↑→FC↓(反作用)→FV↓(气开阀) →FT↓FT的变化对精馏塔塔釜温度的影响就很小，并且可由温度控制器进行微调。
2）干扰作用于主环 干扰使得T↓←F↓由于有主副两个控制器相串联，系统总的放大倍数将增大，工作频率提高克服干扰的大大增大。
3）干扰同时同时主环和副环a.作用方向相同干扰同时使TT↑→TC↓)FV↓↓F↓↓b.作用方向相反干扰作用使TT↑→TC↓(反作用)→FC↓FC↑(反作用)FV变化很小蒸汽流量F变化不大2.2 串级控制系统的实施选择实施方案时，需考虑的问题：1）、所选用的仪表信号必须匹配。
2）、所选用的副控制器必需具有外给定输入接口。
3）、在选择实施方案，应考虑是否增加一只切换开关，作“串级”与“主控”的切换之用。
4）、实施方案应力求实用，少花钱多办事。
5）、实施方案应便于操作。
一、用电动Ⅲ型仪表构成串级控制方案串级控制一般方案：精馏塔塔釜温度与加热蒸汽流量的串级控制系统的组成能实现主控—变送器 安全栅热电偶控制阀在串级与主控切换过程中，必须考虑去控制阀的控制信号方向的一致性，也就是组成的控制系统必须是负反馈控制系统，这就是串级与主控直接切换的条件。
串级控制系统ppt课件
单回路系统的积分饱和现象举例
单回路PID控制系统（无抗积分饱和措施） (参见模型…/CascadePID/SinglePidwithInteSatur.mdl)
单回路系统的防积分饱和
ysp(t) e(s)
＋
KC ＋
－
＋
d(t)
v
广义
＋ ＋
对象
y(t)
1 TI s +1
讨论：正常情况为标准的PI控制算法；而当出现超限 时，自动切除积分作用。
串级回
路的等 R1
效系统
＋ －
D2
0.2 5s +1
s +1
D1
u Kc
0.8
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
s +1
20s + 1
y1
原单
R1
回路
＋
D2
D1
u
1
＋ ＋
y2
1
＋ ＋
Kc
5s +1
20s + 1
y1
系统
－
副回路对主对象开环特性 的影响举例
串级控制系统整定实验报告
串级控制系统整定实验报告本次实验旨在掌握串级控制系统的整定方法，实验采用了PI控制器对串级控制系统进行整定，并对实验结果进行分析。
一、实验原理1. 串级控制系统的构成串级控制系统由两个控制器组成，上位控制器和下位控制器。
它们之间通过某种方式相互联系，实现对被控制对象的控制。
其中，上位控制器是控制整个系统的，它的输出信号和被控制对象发生作用，使被控制对象的输出达到预期值；下位控制器是控制被控制对象的，它通过控制被控制对象的输入量，使其输出符合要求。
2. PI控制器PI控制器是一种比较常见的控制器，在控制对象存在较大惯性时，应用比较广泛。
它就是对比例控制器和积分控制器的组合，可以使输出更快速地接近目标值，并且具有谷值现象消失的优点。
PI控制器的传递函数为：Gc(s) = Kp + Ki/s其中，Kp是比例增益，Ki是积分增益，s是惯性环节。
3. 整定方法常用的PI控制器整定方法有经验法和试验法两种。
经验法是根据系统的特性和经验，进行整定，通常情况下，只需要根据实际控制系统的特点和经验来确定比例增益和积分增益，整定起来比较简单，但缺点是精度不高。
试验法是通过不断试验调整比例增益和积分增益，让系统的响应满足某种条件，从而获得最优的控制效果。
试验法整定起来比较繁琐，但是精度高，能够获得最优的控制效果。
二、实验过程1. 实验装置及原理图本次实验的串级控制系统如下图所示：其中，上位控制器采用了PI控制器，下位控制器采用了P控制器。
被控对象为有机硅喷淋塔，输出为有机硅的质量含量。
2. 实验步骤（1）按照上图将实验装置连接，打开实验软件。
（2）设置实验参数，并开始实验。
（3）通过试验方法进行PI控制器的参数整定，在试验过程中，不断调整比例增益和积分增益，使得系统的稳态误差尽可能小。
（4）根据实验结果进行分析。
三、实验结果分析经过试验，得到的PI控制器参数为：比例增益Kp=0.01，积分增益Ki=0.0001。
工业生产过程控制2 串级控制系统
f1
GPT(s) (+) T(s)
设定： f1 →T↓ 动作过程： 副回路：依据主回路控制要求动作（随动控制）。
副 主 ： e 1 u 1 P T T
GmT ( )
GC 1 ( )
G
( )
G PT ( )
c. 干扰同时进入主、副回路
R1(s) e1 GCT(s) (-) u1 e2 GCP(s) (+) u2 GV(s) (-) GmP(s) (+) GmT(s) (+) q
f2
GPP(s) (+) P(s)
f1
GPT(s) (+) T(s)
Z1(s)
Z2(s)
设：同向干扰， f1 → T↓; f2 → P↓ → T↓
动作过程：
G PT ( )
GmT ( )
GC 1 ( )
e 2 z 2 u1
G
( )
b. 干扰进入主回路
R1(s) e1 GCT(s) (-) Z1(s) Z2(s) u1 e2 GCP(s) (+) u2 GV(s) (-) GmP(s) (+) GmT(s) (+) 串级控制系统方框图 q GPP(s) (+) P(s)
b. 构成单元环节
TC TT
D2(s) D1(s) GPT(s) Y1(s) R1(s) R2(s) GCT(s) Z1(s) Z2(s) GCP(s) GV(s) GPP(s) Y2(s)
PC
PT
GmP(s)
GmT(s)
串级控制系统方框图
温度-压力串级控制
被控对象 主：反映主被控变量与副被控变量的通道关系特性，生产中 所控制的由主变量表征其特性的工艺设备。 如例中的精馏塔釜
串级控制系统课件
精选ppt
18
如果这个干扰幅度并不大，经副回路的调节，很快 得到克服，不至于引起主变量的改变。如果这个干 扰作用比较强，尽管副回路的控制作用已大大削弱 了它对主变量的影响，但随着时间的推移，主变量 仍会受到它的影响偏离了稳态值而升高。经主温度 检测变送器后，主控制器接受到的测量信号增大。 主控制器是定值控制，而且是“反”作用，所以主 控制器的输出会减小。这就意味着副控制器的设定 值减小，从而会使得副控制器在原来的基础上变的 更小，也即阀门开度也将再关小一点，以克服干扰 对主变量的影响。
如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不 相同，也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时，副控制器 再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上 。
精选ppt
23
从串级控制系统的工作过程可以看出，两个控制器 串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目 的，两个控制器协调一致，互相配合。尤其是对于二 次干扰，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进 一步“细调”。因此控制质量必然高于简单控制系统 。
例6-1 隔焰式隧道 窑温度控制系统。 （见图6-1）。 隧道窑是对陶瓷制 品进行预热、烧成、 冷却的装置。
精选ppt
3
如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中
的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以
就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧
，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。制品在窑
道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧
串级控制系统实验
图3-1 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；
1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。
主控回路中的调节器称主
初始给定：
系统达到稳定状态打开电磁阀，产生扰动改变系统给定，即
阶跃扰动
根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能
1.实验名称、实验目的、实验设备、实验原理及内容由教师确定，实验前学生填好；
2.实验步骤、实验结果及分析由学生记录实验的过程，包括操作过程、实验结果、遇到哪些问题以及如何
解决等；
3.实验总结由学生在实验后填写，总结本次实验的收获、未解决的问题以及体会和建议等。
实验二 串级控制系统的构成
自动化093 戴鹏0902100637 实验二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。
过程控制系统串级控制系统实验
实验一串级控制系统组成实验一、概念在串级控制系统中，采用了主、副两只控制器，其中主控制器的输出作为副控制器的给定，而由副控制器的输出去控制控制阀。
本次实验采用仪表实验装置，其内容就是让学生自行连成液位与液位及液位与流量两个串级控制系统。
二、目的要求、1．熟悉实验装置(参见实验指导书)。
2．利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L1为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统。
3．利用液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，以一阶液位F l为副变量和控制变量的液位与流量串级控制系统。
三、注意事项1．本次实践只连线路，不允许接通电源。
四、思考问题1．串级控制系统中主、副控制器的内、外给定开关应如何放置?2．试分析液位与液位串级控制系统在干扰作用下的工作过程。
3．已知控制阀为气闭式，并安装在水槽的入口处，试分析液位与液位串级控制系统中主、副控制器的正、反作用应如何选?实验二串级控制系统的投运和整定一、概述串级控制系统具有主、副两只控制器，因此投运和整定要比单回路系统复杂一些。
但只要按照先副后主的步骤循序进行，并掌握住投运和整定的要领，串级控制系统的投运和整定方法也是不难掌握的。
串级控制系统的整定方法很多，本次采用的是一步整定法。
即先根据副变量的类型，按经验数据将副控制器参数一次性放好，不再改变，然后再按单回路系统的4：1衰减曲线法直接整定主控制器的参数。
本次实验要求学生利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L l为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统，并对该系统进行投运和整定实践。
二、实验目的1．串级控制系统的投运2．串级控制系统控制器参数的整定三、实验要求1．掌握串级控制系统的投运方法。
2．掌握一步整定法整定串级控制系统控制器参数的方法。
3．要求学生根据实验的目的要求自行拟定实验步骤。
4．实验完成后一星期内每人提交一份实验报告，内容要求同前。
串级控制系统
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：12211(),()301(101)(1)P P G s G s s s s ==+++主回路有一个10s 的传输延迟，传递函数为10()s d G s e -=。
第五章-串级控制系统
二次干扰 给定
一次干扰 副参数 调节阀 副对象 主对象
主控制器
副控制器
副变送器
主变送器
1.主、副回路（外、内回路）：在外面的闭合回路称为主回路(主环)，在里面的 闭合回路称为副回路。 2.主、副控制器：处于主回路中的控制器为主控制器，根据主参数与给定值的偏差而 动作；处于副回路的控制器为副控制器，其给定值由主控制器的输出决定，根据副参 数对给定值的偏差动作。 3.主、副参数：主回路的被控参数为主参数，起主导作用；副回路的被调参数为副参 数，能提前反映主信号数值变化的中间参数。 4.主、副对象：(惰性区、导前区)主回路中的被控对象称主对象，副回路所包含的 对象为副对象。 5.主、副变送器； 一次干扰、二次干扰
式中：
K c 2 KV K 2 K 1 K c 2 KV K 2 K m2 T2 ' T2 1 K c 2 KV K 2 K m2
' 2
1 Kc 2 KV K 2 K m2 1
T2' T2
1 1 K c2 KV K 2 K m 2
表明：由于副回路的存在，起到了改善对象动态特性的作用。 等效对象的时间常数缩小到原来的
正作用调节器，即当系统的测量值减给定 值增加时，调节器的输出也增加；反作用 调节器，即当系统的测量值减给定值增加 时，调节器的输出减小； 控制对象的正特性，即当控制对象的输入 量增加时，其输出也增加；控制对象的反 特性，即当控制对象的输入量增加时，其 输出却减小；
组成控制系统各环节的极性规定
K2 G2 ( s) T2 s 1 Gc 2 ( S ) K c 2 GV ( s ) KV Gm2 ( s ) km2
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自动化093 戴鹏0902100637 实验二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
经过多次P、I 值尝试后发现当
主控制器的P=10、I=50、D=0，副控制器的P=15、I=200、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，由曲线和响应数据得延迟时间Td=5s,峰值时间Tp=40s,调节时间Ts=70s,超调量为5%(最大峰值52.5cm)。
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。
通过改变系统设定值给系统增加一个干扰，以判断该系统的抗干扰能力。
此时为了使系统尽快达到稳定并且保证系统性能，给主控制器一个微分值10。
通过实时曲线可以观察出系统响应较快，过渡时间较短，很快达到稳定，且最终的余差为0.由此可知该PID控制系统的参数设置较为合理，控制品质较为良好。
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：串级控制系统的主要特点为：
系统结构上，由两个串级工作的控制器构成的双闭环控制系统；
系统的目的在于通过设置副变量以提高主变量的控制品质；
由于副回路的纯在，对于副回路的干扰有超前控制的作用，从而减少了干扰对主变
量的影响；
系统对负荷改变时一定的自适应能力。
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：1，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。
2.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。
3,设计中应防止积分器饱和的想象
3.串级控制系统中主、副控制器的正反作用如何选择？
答：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成为一个负反馈系统原则来确定。
主控制器的作用方向的选择可按下述方法进行：主副变量在增加（或减少）时，如果控制阀的作用方向是一致的，则主控制器应选择“反”作用；反之，则应选“正”作用。
七、实验总结
通过本次综合实验，我将书本上学过的知识（自动控制原理、过程控制原理、微机控制技术等）应用于实际控制系统的组建之中，在实验室中完成了仪表过程控制系统和计算机过程控制系统的组建,实现了对双容水箱液位的串级控制。
在实际的工程实践中，我受益非浅，学习到了许多新的知识，掌握了实际操作的技能，特别是能够将书中的知识与实际设计联系起来，使对过程控制等的理解上升到一个新的台阶。