20113324郭少杰_串级控制系统仿真实验
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过程控制系统设计 仿真实验报告
实验名源自文库：
串级控制系统仿真实验
姓 学 班
名： 号： 级：
郭少杰 20113324 2011033
一、实验目的
1、掌握串级控制系统的组成和原理 2、掌握串级控制系统两步法PID参数整定过程。 3、理解掌握串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。
二、实验步骤
1、两步法整定串级控制系统的参数 （1）搭建该系统的仿真模型，如图 2-1 所示。
无扰动的静差：0.0819 二类扰动D2的静差：0.0887 一类扰动D2的静差： 0 由图2-9可知，当有干扰D2进入副回路中时，系统可以很快地抑制干扰，而干扰 D1略差。
图2-10
对二类扰动D2不同增益时对比
图2-11 对二类扰动D2不同增益时对比2 由图2-11可知，串级系统对于二类扰动D2具有较强的抑制能力。
4、由图 2-17 可知，对于二类扰动，串级控制系统的控制效果好于简单控制。 5、由图 2-19 可知，对于一类扰动，串级控制系统的控制效果好于简单控制。
五、思考题
1、说明两步法整定串级控制系统的具体步骤。 答：①将主副控制器都设置为比例控制器，按单回路系统的稳定边界法整定副回 路，调节副回路控制器参数。 ②保持副控制器参数不变，用稳定边界法来整定主回路，得到 Pm 和 Tm，调节主 控制器参数。 ③先副回路， 后主回路， 做一些扰动试验， 观察过渡过程曲线， 做适当参数调整， 直到控制品质最佳为止。 2、说明串级控制系统在对象动态特性和克服扰动能力上较单回路控制系统的优 点。 答：串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部分广义对象，与另一部分对象 串联，相较于简单控制系统，改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量， 并 且串级控制系统对于二类扰动具有较强的抑制能力， 能迅速克服进入副回路的二 次扰动。 3、串级控制系统如何选择合理的副参数。 答：①在选择副参数时，必须把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰 包含在副回路中。 ②选择副参数，进行副回路的设计时，应使主、副对象的时间常数适当匹配。 ③方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性 4. 你认为在实际生产过程中何种场合下需要采用串级控制系统，如何设计。 答：容量滞后较大、纯时延较大、扰动变化激烈而且幅度大、参数互相关联、 非 线性过程。 设计： ①确定生产过程要求控制的工艺参数 ②设计主、副回路，选择合适的控制规律以及主、副调节器的作用方式。 ③整定调节器的参数
图 2-1 simulink 模型
（2）先用稳定边界法对副调节器进行整定，求出 K c 2 ；然后对主调节器整定， 求出主调节器的参数 K c1 、 Ti 。 （3）根据公式计算出副控制器（P 控制器）和主控制器（PI 控制器）的各参数。 （4）设置好参数后对主控制器参数进行调整，得到理想曲线。 2、一类扰动和二类扰动对串级控制系统的影响 （1）串级控制系统的主回路和副回路都采用单纯比例调节，根据一的实验步骤 整定各参数。 （2）将一类扰动 D1 和二类扰动 D2 分别加入已经整定好参数的串级控制系统中， 求出一类扰动 D1 和二类扰动 D2 在单位阶跃时主被控量的静差。 三、一类扰动和二类扰动对简单控制系统的影响 （1）调节器的比例增益 K c =5.4，搭建仿真模型。 （2） 将一类扰动 D1 和二类扰动 D2 分别加入到简单控制系统中， 求出一类扰动二 类扰动 D2 和二类扰动 D2 在单位阶跃时的静差。
图2-18
简单控制和串级一类扰动D1分析图
图2-19
简单控制和串级一类扰动D1分析图2
串级无扰动（紫）、串级D1扰动（红）、简单控制无扰动（蓝）、简单控制D1扰动（黄）
由图2-17与图2-19可知，对于二类扰动D2，串级系统能有效地抑制，对于一类扰 动D1，串级系统不能抑制扰动。而简单控制系统，不能抑制一类和二类扰动。
图2-12
对一类扰动D1不同增益时对比
图2-13 对一类扰动D1不同增益时对比2 由图2-13可知，串级系统对于一类扰动D1明显弱于二类扰动D2。
（3）若采用简单控制系统，已得调节器的比例增益 K c 5.4 ，再分别求出二类扰动 D2 和一 类扰动 D1 在单位阶跃时的静差，且与（2）比较分析。
六、心得体会
通过此次实验，我了解了串级控制系统的特点，串级系统用一个闭合的副回 路代替了原来一部分广义对象，与另一部分对象串联，相较于简单控制系统， 改 善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，并且对于二类扰动有较强的控制能 力，适用于容量滞后较大、纯时延较大、扰动变化激烈而且幅度大、参数互相关 联和非线性过程， 当单回路无法满足设计要求时，可以尝试使用串级控制系统设 计。 并且熟悉并掌握了临界振荡法调整PID参数的方法，以及matlab中simulink 的使用。
K c 2 12.125 。
图2-3
对主调节器整定模型
图2-4
K c1 21 .75 时，系统输出呈临界振荡
根 据 稳 定 边 界 法 整 定 参 数 计 算 表 ， 整 定 参 数
P 2.2 Pm 10.115 %; Ti 0.85 Tm 0.85 11 .5 9.775 。
图2-14
简单控制和串级控制无扰动simulink
图2-15 简单控制（黄）和串级控制（紫）无扰动对比图 由图2-15可知串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部分广义对象， 改善了 对象的特性。
图2-16
简单控制和串级二类扰动D2分析图
图2-17
简单控制和串级二类扰动D2分析图2
串级无扰动（紫）、串级D2扰动（红）、简单控制无扰动（蓝）、简单控制D2扰动（黄）
图2-5
整定后的系统simulink搭架图
图2-6 稳定边界法的输出 （2）如果主调也用比例作用，求二类扰动 D2 和一类扰动 D1 在单位阶跃时主被控量的静差， 并进行分析。
图2-7
主调为比例作用的simulink框图
图2-8
二类扰动D2和一类扰动D1比较图
图2-9
无扰动（紫）、二类扰动D2（黄）和一类扰动D1（蓝）输出曲线对比
三、实验记录
1、两步法整定串级控制系统的参数 （1）将副回路单独拿出如图 2-2，当副回路过渡过程出现等幅振荡时,副回路控 制器比例系数 kc 20 =24.25；
图 2-2 对副调节器整定模型与 K c 2 24 .25 时系统输出呈临界振荡
根据稳定边界法整定参数计算表，整定参数 P 2 Pm 8.247%
四、结果分析
1、由图2-9可知，串级系统对于二类扰动D2具有较强的抑制能力，而对于一类扰 动D1的控制能力明显弱于二类扰动D2。 2、由图 2-17 与 2-19 可知，对于简单控制系统，不能抑制一类和二类扰动。 3、由图 2-15 可知，串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部分广义对象， 改善了对象的特性。
实验名源自文库：
串级控制系统仿真实验
姓 学 班
名： 号： 级：
郭少杰 20113324 2011033
一、实验目的
1、掌握串级控制系统的组成和原理 2、掌握串级控制系统两步法PID参数整定过程。 3、理解掌握串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。
二、实验步骤
1、两步法整定串级控制系统的参数 （1）搭建该系统的仿真模型，如图 2-1 所示。
无扰动的静差：0.0819 二类扰动D2的静差：0.0887 一类扰动D2的静差： 0 由图2-9可知，当有干扰D2进入副回路中时，系统可以很快地抑制干扰，而干扰 D1略差。
图2-10
对二类扰动D2不同增益时对比
图2-11 对二类扰动D2不同增益时对比2 由图2-11可知，串级系统对于二类扰动D2具有较强的抑制能力。
4、由图 2-17 可知，对于二类扰动，串级控制系统的控制效果好于简单控制。 5、由图 2-19 可知，对于一类扰动，串级控制系统的控制效果好于简单控制。
五、思考题
1、说明两步法整定串级控制系统的具体步骤。 答：①将主副控制器都设置为比例控制器，按单回路系统的稳定边界法整定副回 路，调节副回路控制器参数。 ②保持副控制器参数不变，用稳定边界法来整定主回路，得到 Pm 和 Tm，调节主 控制器参数。 ③先副回路， 后主回路， 做一些扰动试验， 观察过渡过程曲线， 做适当参数调整， 直到控制品质最佳为止。 2、说明串级控制系统在对象动态特性和克服扰动能力上较单回路控制系统的优 点。 答：串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部分广义对象，与另一部分对象 串联，相较于简单控制系统，改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量， 并 且串级控制系统对于二类扰动具有较强的抑制能力， 能迅速克服进入副回路的二 次扰动。 3、串级控制系统如何选择合理的副参数。 答：①在选择副参数时，必须把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰 包含在副回路中。 ②选择副参数，进行副回路的设计时，应使主、副对象的时间常数适当匹配。 ③方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性 4. 你认为在实际生产过程中何种场合下需要采用串级控制系统，如何设计。 答：容量滞后较大、纯时延较大、扰动变化激烈而且幅度大、参数互相关联、 非 线性过程。 设计： ①确定生产过程要求控制的工艺参数 ②设计主、副回路，选择合适的控制规律以及主、副调节器的作用方式。 ③整定调节器的参数
图 2-1 simulink 模型
（2）先用稳定边界法对副调节器进行整定，求出 K c 2 ；然后对主调节器整定， 求出主调节器的参数 K c1 、 Ti 。 （3）根据公式计算出副控制器（P 控制器）和主控制器（PI 控制器）的各参数。 （4）设置好参数后对主控制器参数进行调整，得到理想曲线。 2、一类扰动和二类扰动对串级控制系统的影响 （1）串级控制系统的主回路和副回路都采用单纯比例调节，根据一的实验步骤 整定各参数。 （2）将一类扰动 D1 和二类扰动 D2 分别加入已经整定好参数的串级控制系统中， 求出一类扰动 D1 和二类扰动 D2 在单位阶跃时主被控量的静差。 三、一类扰动和二类扰动对简单控制系统的影响 （1）调节器的比例增益 K c =5.4，搭建仿真模型。 （2） 将一类扰动 D1 和二类扰动 D2 分别加入到简单控制系统中， 求出一类扰动二 类扰动 D2 和二类扰动 D2 在单位阶跃时的静差。
图2-18
简单控制和串级一类扰动D1分析图
图2-19
简单控制和串级一类扰动D1分析图2
串级无扰动（紫）、串级D1扰动（红）、简单控制无扰动（蓝）、简单控制D1扰动（黄）
由图2-17与图2-19可知，对于二类扰动D2，串级系统能有效地抑制，对于一类扰 动D1，串级系统不能抑制扰动。而简单控制系统，不能抑制一类和二类扰动。
图2-12
对一类扰动D1不同增益时对比
图2-13 对一类扰动D1不同增益时对比2 由图2-13可知，串级系统对于一类扰动D1明显弱于二类扰动D2。
（3）若采用简单控制系统，已得调节器的比例增益 K c 5.4 ，再分别求出二类扰动 D2 和一 类扰动 D1 在单位阶跃时的静差，且与（2）比较分析。
六、心得体会
通过此次实验，我了解了串级控制系统的特点，串级系统用一个闭合的副回 路代替了原来一部分广义对象，与另一部分对象串联，相较于简单控制系统， 改 善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，并且对于二类扰动有较强的控制能 力，适用于容量滞后较大、纯时延较大、扰动变化激烈而且幅度大、参数互相关 联和非线性过程， 当单回路无法满足设计要求时，可以尝试使用串级控制系统设 计。 并且熟悉并掌握了临界振荡法调整PID参数的方法，以及matlab中simulink 的使用。
K c 2 12.125 。
图2-3
对主调节器整定模型
图2-4
K c1 21 .75 时，系统输出呈临界振荡
根 据 稳 定 边 界 法 整 定 参 数 计 算 表 ， 整 定 参 数
P 2.2 Pm 10.115 %; Ti 0.85 Tm 0.85 11 .5 9.775 。
图2-14
简单控制和串级控制无扰动simulink
图2-15 简单控制（黄）和串级控制（紫）无扰动对比图 由图2-15可知串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部分广义对象， 改善了 对象的特性。
图2-16
简单控制和串级二类扰动D2分析图
图2-17
简单控制和串级二类扰动D2分析图2
串级无扰动（紫）、串级D2扰动（红）、简单控制无扰动（蓝）、简单控制D2扰动（黄）
图2-5
整定后的系统simulink搭架图
图2-6 稳定边界法的输出 （2）如果主调也用比例作用，求二类扰动 D2 和一类扰动 D1 在单位阶跃时主被控量的静差， 并进行分析。
图2-7
主调为比例作用的simulink框图
图2-8
二类扰动D2和一类扰动D1比较图
图2-9
无扰动（紫）、二类扰动D2（黄）和一类扰动D1（蓝）输出曲线对比
三、实验记录
1、两步法整定串级控制系统的参数 （1）将副回路单独拿出如图 2-2，当副回路过渡过程出现等幅振荡时,副回路控 制器比例系数 kc 20 =24.25；
图 2-2 对副调节器整定模型与 K c 2 24 .25 时系统输出呈临界振荡
根据稳定边界法整定参数计算表，整定参数 P 2 Pm 8.247%
四、结果分析
1、由图2-9可知，串级系统对于二类扰动D2具有较强的抑制能力，而对于一类扰 动D1的控制能力明显弱于二类扰动D2。 2、由图 2-17 与 2-19 可知，对于简单控制系统，不能抑制一类和二类扰动。 3、由图 2-15 可知，串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部分广义对象， 改善了对象的特性。