第四章串級控制系統(tǒng)實驗

1、要做的實驗項目是：實驗一單容自衡水箱液位特性測試實驗實驗二單容液位定值控制系統(tǒng)實驗實驗三雙容（串聯(lián)）水箱特性的測試實驗實驗四 雙容（串聯(lián)）水箱液位定值控制系統(tǒng)實驗 實驗五 雙容（串聯(lián)）液位串級控制系統(tǒng)實驗 實驗六 前饋反饋控制系統(tǒng)實驗第四章 串級控制系統(tǒng)實驗第一節(jié)串級控制系統(tǒng)概述一、串級控制系統(tǒng)的概述圖4-1是串級控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián) 工作，其中主調(diào)節(jié)器有白己獨立的給定值r,它的輸出g作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器 的輸出ni2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)g。圖4-1串級控制系統(tǒng)方框圖r-主參數(shù)的給定值；g-被控的主參數(shù)；c2-副參數(shù)；f.（t）-作用在

2、主對象上的擾動；f2（t）-作用在副對象上的擾動。二、串級控制系統(tǒng)的特點串級控制系統(tǒng)及其副i川路對系統(tǒng)控制質(zhì)最的影響已在冇關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論 再簡單歸納一下。1. 改善了過程的動態(tài)特性；2. 能及時克服進入副回路的各種二次擾動，提高了系統(tǒng)抗擾動能力；3. 提高了系統(tǒng)的魯棒性；4. 具有一定的自適應能力。三、主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它 的控制任務是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用pt或ptd調(diào)節(jié)器。由于副冋路 是一個隨動系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準確地復現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參 數(shù)的動態(tài)性

3、能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用p或pt調(diào)節(jié)器。四、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇正如單冋路控制系統(tǒng)設計屮所述，要使一個過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負 反饋。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構(gòu) 成負反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放人系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)的放人系數(shù)極性是這樣規(guī)定的：當測量值增加，調(diào)節(jié)器輸出也增加，則調(diào)節(jié)器的 放大系數(shù)匕為負（即正作用調(diào)節(jié)器），反z, kr為止（即反作用調(diào)節(jié)器）；本裝置所用電動調(diào) 節(jié)閥的放大系數(shù)k,恒為正；當過程的輸入增大時，即調(diào)節(jié)器開大，其輸出也增大，則過程 的放大系數(shù)ko為正,反之k。為負。五、串級

4、控制系統(tǒng)的整定方法在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法冇以下三種：（一）逐步逼近法所謂逐步逼近法，就是在主回路斷開的悄況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的 整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設置在所求的數(shù)值匕使主回路閉合，按單回路整定方法 求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設在所求得的數(shù)值上，再進行整定，求取 笫二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足質(zhì)量 指標要求為止。（二）兩步整定法兩步整定法就是笫一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為：1. 在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例 度

5、置于100%,然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4： 1）曲線法來整定副回路。記下相應的 比例度6 2s和振蕩周期t2so2. 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的&2s值上，h把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié), 用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度5 is和振蕩周期t"3. 根據(jù)求取的九、5和、tzs值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計算主、副調(diào) 節(jié)器的比例度§、積分時間£和微分時間心的數(shù)值。4. 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù), 再觀察過渡過程曲線，必要時進行適當調(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達到滿意為止。（三）一步整定法

6、由于兩步整定法要尋求兩個4： 1的衰減過程，這是一件很花時間的事。因而對兩步整 定法做了簡化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù), 然后將副回路作為主回路的一個壞節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參 數(shù)。具體的整定步驟為：1. 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)心/§ 2=0. 5這一關(guān)系式，通過副 過程放大系數(shù)k°2,求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)§ 2或按經(jīng)驗選取，并將其設置在副調(diào)節(jié)器 上。2. 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。3. 改變給定值，觀察彼控制量的響應曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放

7、大系數(shù)和副調(diào)節(jié)器放大 系數(shù)k?的匹配原理，適當調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標最佳。4. 如果出現(xiàn)較人的振蕩現(xiàn)象，只要加人主調(diào)節(jié)器的比例度§或增人積分時間常數(shù) 即可得到改善。第二節(jié) 水箱液位串級控制系統(tǒng)一、實驗目的1. 通過實驗了解水箱液位串級控制系統(tǒng)組成原理。2. 掌握水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運方法。3. 了解階躍擾動分別作用于副對彖和主對彖時對系統(tǒng)主控制量的影響。4. 掌握液位串級控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實現(xiàn)過程。二、實驗設備1. 實驗對象及控制屏、sa-11掛件一個、sa-12掛件兩個、計算機一臺、萬用表一個；2. rs485/232轉(zhuǎn)換器一個、通訊線一根；

8、3. sa-22掛件一個、sa-23掛件一個。三、實驗原理本實驗為水箱液位的串級控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個回路組成。主控回路中的調(diào) 節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對彖為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié) 器稱副調(diào)節(jié)器，控制對彖為中水箱，又稱副對彖，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié) 器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個隨動控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的輸出直接驅(qū) 動電動調(diào)節(jié)閥，從而達到控制下水箱液位的fi的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作川 下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應為pt或ptd控制。由于副控回路的輸出要求能快速、 準確地復現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動

9、態(tài)性能和余差無特姝的要求，因而 副調(diào)節(jié)器可采川p調(diào)節(jié)器。本實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖4-2所示。電wr-tr一 .!flll:沖2- - ip q訂電三rhl土f!->eq2 |甌.罰輯；孑|4屯"；r卜*二糸紬lt*門i儲水編(a)位受送3訃（b）圖4-2水箱液位串級控制系統(tǒng)（小結(jié)構(gòu)圖 （b）方框圖四、實驗內(nèi)容與步驟本實驗選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被控對彖（也吋選擇上水箱和中水箱）。實驗z前 先將儲水箱小貯足水量，然后將閥門fit、fl-7全開，將屮水箱出水閥門f1-10開至適當 開度（40%90%）、卜水箱出水閥門f1-11開至適當開度（30%80%要求閥f1-10稍人于閥

10、 f1-11）,具余閥門均關(guān)閉。智能儀表控制2、卜送!節(jié)儀捽1«a相電綠輸岀0000 "°mlsv_ohb_1. 將兩個sa-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)rs-485 m訊口上，將 控制屏右側(cè)rs-485通訊線通過rs-485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機串口 c0m1,并按照下面的 控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。將lt3下水箱變送器輸出“15v”對應接至智能調(diào)節(jié)儀i的 “,2”兩端;將lt2中水箱變送器輸出“0.2iv”對應接至智能調(diào)節(jié)儀ii的“3, 2”兩 端。圖4-3猶能儀表控制“水箱液位串級控制”實驗接線圖2. 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開

11、24v開關(guān)電源，給液位變送器上電，按下啟 動按鈕，合上單相i、單相iii空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥及智能儀表1上電。3. 參數(shù)設置智能儀表 i 參數(shù)設置:sn二33、dip二 1、dll二0、dih二50、opl二0、oph二 100、cf二0、addr=l, 智能調(diào)節(jié)儀ii參數(shù)設置:sn二32、dip二 1、dll二0、dih二50、opl二0、oph二 100、cf二8、add2, 智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)設置請參考智能調(diào)節(jié)儀使用手冊。4. 打開上位機纟fl態(tài)王組態(tài)環(huán)境，選擇“thj-3智能儀表控制工程”，點擊“view”按鈕 進入組態(tài)王運行環(huán)境，在主菜單屮點擊“實驗九、水箱液位串級控制系統(tǒng)”，進入實驗

12、監(jiān)控 界面。5. 將主控儀表設置為“手動”，并將輸出值設置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀 表實現(xiàn)。6. 合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當增加/減少主調(diào)節(jié)器的輸出量, 使下水箱的液位平衡于設定值，門中水箱液位也穩(wěn)定于某一值（此值一般為35cm,以免 超調(diào)過大，水箱斷流或溢流）。7. 按本章第一節(jié)中任一種整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)進行調(diào)節(jié)器 設定。8. 待液位穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下 幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設定值的人小，使其有一個正（或負）階躍增量的變化；（2）打開閥門f2-1、f2-4 （或f2-5）,

13、用變頻器支路以較小頻率給中水箱（或下水箱） 打水（干擾作用在主對彖或副對彖）；（3）將“閥fl-5、f1-13”開至適當開度（改變負載）;（4）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥f1-4 （電磁閥上電）開至適當開度。以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5%15%,干擾過大可能造成水箱中水溢出或 系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱液位 穩(wěn)定至新的設定值（后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設定值），記錄此時的智能儀表的設定值、 輸岀值和儀表參數(shù)，下水箱液位的響應過程曲線將如圖4-4所示。u圖4-4下水箱液位階躍響應曲線9. 適量改變主、副控調(diào)節(jié)儀的ptd參數(shù)，重復步驟8,用計算機

14、記錄不同參數(shù)時系統(tǒng) 的響應曲線。五、實驗報告要求1. 畫出水箱液位串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。2. 川實驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，并寫出整定過程。3. 根據(jù)擾動分別作川于主、副對彖時系統(tǒng)輸出的響應曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作川 下的靜、動態(tài)性能。4. 分析主、副調(diào)節(jié)器釆用不同p1d參數(shù)時對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。6.綜合分析兩種控制方案的實驗效果。六、思考題1. 試述串級控制系統(tǒng)為什么對主擾動（二次擾動）具有很強的抗擾能力？如果副對彖 的時間常數(shù)與主對彖的時間常數(shù)大小接近時，二次擾動對主控制量的影響是否仍很小，為什 么？2. 當一次擾動作用于主對彖時，試問由于副回路的存在，系統(tǒng)的動態(tài)性能比單回路系 統(tǒng)

15、的動態(tài)性能有何改進？3. 串級控制系統(tǒng)投運前需要作好那些準備工作？主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方向如何確 定？4. 為什么木實驗屮的副調(diào)節(jié)器為比例（p）調(diào)節(jié)器？5. 改變副調(diào)節(jié)器的比例度，對串級控制系統(tǒng)的動態(tài)和抗擾動性能有何影響，試從理論 上給予說明。6. 評述串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量高的原因？第六章前饋-反饋控制系統(tǒng)實驗反饋控制是按照被控參數(shù)與給定值z差進行控制的。它的特點是，調(diào)節(jié)器必須在被控參 數(shù)出現(xiàn)偏差后才能對它進行調(diào)節(jié)，補償十擾對被控參數(shù)的影響?；谶^程控制系統(tǒng)總具有滯 后特性，因而從干擾的產(chǎn)生到被控參數(shù)的變化，需要一定長的時間后，才能使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生對 它進行調(diào)節(jié)作用，從而對干擾

16、產(chǎn)生的影響得不到及時地抑止。為了解決這個問題，提出一種 與反饋控制在原理上完全不同的控制方法。由于這種方法是一種開環(huán)控制，因而它只對干擾 進行及時地補償，而不會影響控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。即當擾動產(chǎn)生，補償器立即根據(jù)擾動的 性質(zhì)和人小，改變執(zhí)行器的輸入信號，從而消除干擾對被控量的影響。由于這種控制是在擾 動發(fā)生的瞬時，而不是在被控制量發(fā)生變化后進行的，故稱其為前饋控制或擾動補償。前饋一反饋控制系統(tǒng)屮的主要擾動由前饋部分進行補償，這種擾動能測定，其它所有擾 動對被控制量所產(chǎn)生的影響均由負反饋系統(tǒng)來消除。這樣就能使系統(tǒng)的動態(tài)課差人人減小， 從而提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。第一節(jié)下水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng)一、

17、實驗目的1. 通過本實驗進一步了解液位前饋-反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理。2. 掌握前饋補償器的設計與調(diào)試方法。3. 掌握前饋-反饋控制系統(tǒng)參數(shù)的整定與投運方法。二、實驗設備1. 實驗對象及控制屏、sa-11掛件一個、sa-12掛件兩個、sa-14掛件一個、計算機一 臺、萬用表一個：2. rs485/232轉(zhuǎn)換器一個、通訊線一根；3. sa-44掛件一個、pc/ppi通訊電纜一根。三、實驗原理本實驗的被控制量為下水箱的液位h,主擾動量為變頻器支路的流量。本實驗要求下水 箱液位穩(wěn)定到給定值，將液位傳感器lt3檢測到的下水箱液位信號作為反饋信號，在與給定 量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，

18、以達到控制下水箱液位的目的。而擾動 量經(jīng)過前饋補償器后直接疊加在調(diào)節(jié)器的輸出，以抵消擾動對被控對象的彩響。本實驗系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖6-1所示。圖6-1 )卜水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由圖可知，擾動f (s)得到全補償?shù)臈l件為f(s)gf (s) +f (s)ge(s)go(s)=ogf(s)=-g/($)(6-1)上式給出的條件山于受到物理實現(xiàn)條件的限制，顯然只能近似地得到滿足，即前饋控制 不能全部消除擾動對被控制量的影響，但如呆它能去掉擾動對被控制量的人部分影響，則認 為詢饋控制已起到了應有的作用。為使補償器簡單起見，g,s)用比例器來實現(xiàn)，如圖其值 按本章式(

19、6-1)來計算。四、靜態(tài)放大系數(shù)&的整定方法(一) 開環(huán)整定法開環(huán)整定法是在系統(tǒng)斷開反饋冋路的悄況下，僅采用靜態(tài)前饋作用，來克服對被控參數(shù) 影響的一種整定法。整定時，kml小到大調(diào)節(jié)，觀察而饋補償?shù)淖饔茫敝帘豢貐?shù)回到給 定值上，即直至完全補償為止。此時的靜態(tài)參數(shù)即為最佳的整定參數(shù)值k卜、實際上心值符 合下式關(guān)系,即(6-2)式中：k、k。分別為擾動通道、控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)。開環(huán)整定法適用于在系統(tǒng)中其他擾動不占主要地位的場合，不然冇較大偏差。(二) 前饋-反饋整定法kf f(s)圖6-2前饋-反饋系統(tǒng)參數(shù)整定方框圖在圖6-2所示系統(tǒng)反饋回路整定好的基礎上，先合上開關(guān)k,使系統(tǒng)為前

20、饋-反饋控制 系統(tǒng)，然后由小到大調(diào)節(jié)6值，可得到在擾動f （t）作川下如圖63所示的一系列響應曲 線，其中圖6-3 （b）所示的曲線補償效果最好。t|t|t（a）欠補償（b）補償合適（c）過補償圖6-3前饋-反饋系統(tǒng)kf的整定過程（三）利用反饋系統(tǒng)整定k值待“圖6-2”所示系統(tǒng)運行正常示，打開開關(guān)k,則系統(tǒng)成為反饋控制。1 待系統(tǒng)穩(wěn)定運行，并使被控參數(shù)等于給定值時，記錄相應的擾動量f。和調(diào)節(jié)器輸出2. 人為改變前饋擾動，使f。變?yōu)槿?，待系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)，且被控參數(shù)等于給定值時，記 錄此時調(diào)節(jié)器的輸岀值山。3. 按下式計算&值(6-3)k尸一f 廠f。四、實驗內(nèi)容與步驟木實驗選擇中水箱和下水

21、箱串聯(lián)作為彼控對彖，實驗z前先將儲水箱中貯足水量，然后 將閥門fl-l、fl-7、f2-1、f2-5全開,將閥門f1t0開至適當開度（40%80%）、f1-11開 至適當開度（30%70%閥fl-10>fl-ll）,其余閥門都關(guān)閉。（一）、智能儀表控制1. 將sa-11掛件、sa-12掛件、sa-14掛件掛到屏上,并將sa-12掛件的通訊線接頭插 入屏內(nèi)rs-485通訊口上，將控制屏右側(cè)rs-485通訊線通過rs-485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算 機串口 1,并按照下血的控制屏接線圖連接實驗系統(tǒng)。仗號入8a-118a-12節(jié)儀jew aw、豪能調(diào)節(jié)初嬸 j hx*!(r力受送a x !till lti e lt3 j r h i : n mwl；i * l_mywj!三和電加第管入、 ® u> s w. i© © ©8d 8tr日日日日02tv牙;i s.*«n/單ffim/ i j三想電源輸h 、v、w 7. ® o i圖6-4儀表控制“下水箱液位前饋-反饋控制”實驗接線圖2. 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24v開關(guān)電源，給液位變送器及渦輪