實(shí)驗(yàn)二串級(jí)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

1、 自動(dòng)化093 戴鵬 實(shí)驗(yàn)二 串級(jí)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、投運(yùn)和參數(shù)整定 及控制質(zhì)量研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、加深理解串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理及特點(diǎn)。2、掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和組成。3、學(xué)習(xí)相關(guān)的組態(tài)軟件4、初步掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)調(diào)整方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1、A3000FS現(xiàn)場(chǎng)總線型過程控制現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng) 4套2、A3000CS上位控制系統(tǒng) 4套三、實(shí)驗(yàn)要求1、 根據(jù)工藝要求和工況條件，設(shè)計(jì)出合理可行的串級(jí)控制系統(tǒng)。（1）要求及條件工藝要求：下水箱液位控制在某一高度上。對(duì)下水箱液位產(chǎn)生影響的擾動(dòng)量：若干變量。（2）控制方案 主被控變量c1(t)、副被控變量c2(t)及操縱變量q(t)等的選擇；主控制器和副控

2、制器控制算法的選擇及正、反作用的確定等。2、 掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定方法和系統(tǒng)投運(yùn)步驟。3、 經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，獲得最佳的控制效果，并通過干擾來驗(yàn)證。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)方案及工作原理實(shí)驗(yàn)以串級(jí)控制系統(tǒng)來控制下水箱液位，以第二支路流量為副被控變量，右邊水泵直接向下水箱注水，流量變動(dòng)的時(shí)間常數(shù)小、時(shí)延小，控制通道短，從而可加快提高響應(yīng)速度，縮短過渡過程時(shí)間，符合副回路選擇的超前，快速、反應(yīng)靈敏等要求。以下水箱為主被控對(duì)象。流量的改變需要經(jīng)過一定時(shí)間才能反應(yīng)到下水箱液位的變化，時(shí)間常數(shù)比較大（時(shí)延較大）。如圖21所示，圖21 液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好下水箱和流量串級(jí)控制系

3、統(tǒng)。將主控制器的輸出送到副控制器的外給定輸入端，而副控制器的輸出去控制執(zhí)行器。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，使第二支路的流量快速穩(wěn)定在給定值上，這時(shí)給定值應(yīng)與副反饋值相同。待流量穩(wěn)定后，通過變頻器快速改變流量，加入擾動(dòng)（即，使干擾落入串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路）。若控制器的各參數(shù)設(shè)置比較理想，且擾動(dòng)量較小，經(jīng)過副回路的及時(shí)控制校正，基本不會(huì)影響下水箱的液位。如果擾動(dòng)量較大或控制器的各參數(shù)設(shè)置不理想，雖然經(jīng)過副回路的校正，還將會(huì)影響主回路的液位，此時(shí)再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而完全克服上述擾動(dòng)的影響，使液位調(diào)回到給定值上。當(dāng)用第一動(dòng)力支路把擾動(dòng)加在下水箱時(shí)（即，干擾落入串級(jí)控制系統(tǒng)的主回路），擾動(dòng)使液位發(fā)生變化，主回路產(chǎn)

4、生校正作用，克服擾動(dòng)對(duì)液位的影響。由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動(dòng)對(duì)主回路的液位影響較小。該串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如圖2-2所示。圖22 液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)原理方框圖2、液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)組態(tài) 表21 液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)連接示意測(cè)量或控制量測(cè)量或控制量標(biāo)號(hào)使用控制器端口電磁流量計(jì)FT102AI0下水箱液位LT103AI1調(diào)節(jié)閥FV101AO03、液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（1）、在A3000-FS上，打開手動(dòng)調(diào)節(jié)閥JV201、JV206，調(diào)節(jié)下水箱閘板具有一定開度，其余閥門關(guān)閉。（2）、按照表21進(jìn)行連線?；蛘甙慈缦虏僮鳎涸贏3000-CS上，將電磁流量計(jì)（FT102）連到控制器

5、AI0輸入端，下水箱液位（LT103）連到控制器AI1輸入端，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（FV101）連到控制器AO0端。（3）、在A3000-FS上，啟動(dòng)右邊水泵，給中水箱注水。（4）、首先進(jìn)行副回路比例調(diào)節(jié)，獲得值。（5）、切換至單主回路控制。斷開電磁流量計(jì)與AI0的連線，將下水箱液位連到AI0。調(diào)整主控制回路（調(diào)節(jié)P、I值即可），對(duì)主控制器或調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作量設(shè)定。（6）、關(guān)閉閥JV205，當(dāng)中水箱液位降低2cm高度，打開閥門，觀察控制曲線，等待穩(wěn)定。（7）、切換到串級(jí)控制狀態(tài)（此時(shí)最好無擾動(dòng)）：將電磁流量計(jì)連到副控制器輸入端AI0，主控制器輸出端連接到副控制器的外給定端，副控制器的輸出連接到調(diào)節(jié)閥。（8

6、）、正確設(shè)置PID控制器：副控制器：純比例（P）控制，反作用，自動(dòng)，KC2（副回路的開環(huán)增益）較大。主控制器：比例積分（PI）控制，反作用，自動(dòng)，KC1 KC2（KC1主回路開環(huán)增益）。（9）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，類同于單回路控制系統(tǒng)那樣，對(duì)系統(tǒng)加擾動(dòng)信號(hào)，擾動(dòng)的大小與單回路時(shí)相同。（10）、通過反復(fù)對(duì)副控制器和主控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較滿意的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的控制精度。4、液位流量串級(jí)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖：5、 控制系統(tǒng)的投運(yùn)及運(yùn)行經(jīng)過多次P、I 值嘗試后發(fā)現(xiàn)當(dāng) 主控制器的P=10、I=50、D=0，副控制器的P=15、I=200、D=0.運(yùn)行后可得比較理想的系統(tǒng)曲線，如下圖所示：結(jié)果分析：根

7、據(jù)PID控制的特性調(diào)節(jié)參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到較滿意的狀態(tài)。加階躍信號(hào)后觀察系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，由曲線和響應(yīng)數(shù)據(jù)得延遲時(shí)間Td=5s,峰值時(shí)間Tp=40s,調(diào)節(jié)時(shí)間Ts=70s,超調(diào)量為5%(最大峰值52.5cm)。通過增加比例系數(shù)克服擾動(dòng)，但比例系數(shù)的加大會(huì)使上升速度加快，曲線變陡，造成調(diào)節(jié)閥動(dòng)作幅度的加大，引起被調(diào)量的來回波動(dòng)。因?yàn)樵谡{(diào)節(jié)參數(shù)中加大了積分的作用，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，使得超調(diào)量加大，但對(duì)消除余差有較好效果。在計(jì)算機(jī)中改變PID參數(shù)后，調(diào)節(jié)閥不能很快動(dòng)作，特別是在上升到接近階躍輸入設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)閥輸出值減少過慢，使液位超過設(shè)定值后仍在上升會(huì)造成超調(diào)增大。且調(diào)節(jié)閥本身存在死區(qū)，使得調(diào)節(jié)時(shí)間

8、加長，系統(tǒng)不易穩(wěn)定。但是通過PID參數(shù)整定，使系統(tǒng)獲得較滿意的曲線圖，最后可從曲線圖中看出，系統(tǒng)的檢測(cè)值與設(shè)定值一致，無偏差。通過改變系統(tǒng)設(shè)定值給系統(tǒng)增加一個(gè)干擾，以判斷該系統(tǒng)的抗干擾能力。此時(shí)為了使系統(tǒng)盡快達(dá)到穩(wěn)定并且保證系統(tǒng)性能，給主控制器一個(gè)微分值10。通過實(shí)時(shí)曲線可以觀察出系統(tǒng)響應(yīng)較快，過渡時(shí)間較短，很快達(dá)到穩(wěn)定，且最終的余差為0.由此可知該P(yáng)ID控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置較為合理，控制品質(zhì)較為良好。六、思考問題1、 串級(jí)控制系統(tǒng)有哪些主要特點(diǎn)？什么情況下可考慮設(shè)計(jì)串級(jí)控制？答：串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，由兩個(gè)串級(jí)工作的控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)； 系統(tǒng)的目的在于通過設(shè)置副變量以

9、提高主變量的控制品質(zhì)； 由于副回路的純?cè)冢瑢?duì)于副回路的干擾有超前控制的作用，從而減少了干擾對(duì)主變量的影響； 系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷改變時(shí)一定的自適應(yīng)能力。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)于對(duì)象的滯后和時(shí)間常數(shù)很大，干擾作用強(qiáng)而頻繁，負(fù)荷變化大，對(duì)于控制質(zhì)量要求較高的場(chǎng)所可以使用串級(jí)控制系統(tǒng)。2、 制定串級(jí)控制系統(tǒng)方案時(shí)應(yīng)該注意哪幾個(gè)方面的問題？答：副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證串級(jí)控制系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在，其又取決于副參數(shù)的選擇，一般要遵循一下原則：1，副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通路短，反應(yīng)靈敏。 2.副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾。調(diào)節(jié)通道短與盡可能多的納入干擾這兩者間純?cè)诘拿?，?yīng)在設(shè)計(jì)中加以協(xié)調(diào)。3,設(shè)計(jì)中應(yīng)防止積分器飽和的想象3.串級(jí)控制系統(tǒng)中主、副控制器的正反作用如何選擇？答：副控制器的作用方向與副對(duì)象的特征、控制閥的氣開、氣關(guān)型式有關(guān)，其選擇方法是使副回路成為一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)原則來確定。主控制器的作用方向的選擇可按下述方法進(jìn)行：主副變量在增加（或減少）時(shí)，如果控制閥的作用方向是一致的，則主控制器應(yīng)選擇“反”作用；反之，則應(yīng)選“正”作用。7、 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 通過本次綜合實(shí)驗(yàn)，我將書本上學(xué)過的知識(shí)（自動(dòng)控制原理、過程控