上下水箱液位串级控制系统.doc

实验六 上下水箱液位串级控制

一、实验目的
1、了解复杂过程控制系统的构成。
2、掌握复杂过程控制一—串级控制方法。
3、控制要求：超调量σ＜20%，调节时间Ts≤3T，余差＜5%。
二、 实验设备及参考资料
1、PCS-B过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC控制单元、上下水箱及液位变送器、水泵1系统等）。
2、电动调节阀的操作说明书、液位变送器的调试（一般出厂之前已调试好）方法。
三、实验系统流程图：

增压泵
计算机
频
器
HT
HT
上水箱
下水箱
电动阀
1V1
V4
V5
1V10
储水箱
四、实验原理 本实验采用计算机控制,将下水箱液位控制在设定高度。串级回路是由内反馈组成的双环控制系统，属于复杂控制范畴。在计算机中设置了两个虚拟调节器作为主副调节器。将下水箱的液位信号输出作为主调节器输入，主调节器的输出作为副调节器的输入，在串级控制系统中，两个调节器任务不同，因此要选择调节器的不同调节规律进行控制，副调节器主要任务是快速动作，迅速抵制进入副回路的扰动，至于副回路的调节不要求一定是无静差。主调节器的任务是准确保持下水箱液位在设定值，因此，主调节器采用PI调节器也可考虑采用PID调节器。串级控制系统的方块原理图如图1。
下水箱
上水箱
电动阀
主调
副调

图

液位变送器

液位变送器

图1串级控制系统的方块原理图
串级控制系统的参数整定
①. 两步整定法
第一步整定副回路的副控制器；第二步整定主回路的主控制器。
a. 在系统工作状况稳定，主、副回路主控制器在纯比例作用的条件下，将副控制器的比例带δ取100％，再逐渐降低副控制器的比例带，用整定单回路的方法来整定副回路。如用4：1衰减法来整定副回路，则求出副参数在4：1衰减时的副控制器比例带δ2S和操作周期T2S。
b.使主控制比例带置于δ1S的数值上，逐渐降低主控制器的比例带δ1S，求出同样衰减比时主回路的过渡过程曲线，记录此时主控制器的比例带δ1S和操作周期T1S。
c.将上述步骤中求出的δ1S、T1S、δ2S、T2S按所用的4：1衰减曲线的整定方法，求出主、副控制器的整定参数。
d.按照“先副后主，先比例次积分后微分”的原则，将计算机得出的控制器参数置于各种控制器之上。
e.加干扰实验，观察过程参数值，直至记录曲线符合要求为止。
②一步整定法：
a. 先稳定工作状况，系统在纯比例运行条件下，按下列“一步法比例带经验值表”所列数值，将副控制器调节到适当的经验值上。

一步法比例带经验值表
副参数
比例带δ2％
放大倍数KC2
温度
20——60
5——1.7
压力
30——70
3——1.4
流量
40——80
2.5——1.25
液位
20——80
5——1.25
b.利用单回路控制系统的任意一种参数整定方法来整定主调节器参数.
c.加干扰试验,观察过渡过程曲线,根据KC1、KC2相匹配的原理,适当调整控制参数,使主参数控制精度最好。
d.如果出现振荡现象时,只要加大主\副控制器的任意一个比例带,即可消除振荡。
5.对比实验
①.观察主要扰动作用于对象时,系统的控制过程。改变由于手动阀V13的开度,使主要扰动加于副回路,即上水箱;观察控制过程及液位H2的过渡过程曲线。
②.观察次要干扰作用于主对象时,系统的控制过程。改变手动阀V7的开度,使次要干扰加于主回路,即下水箱,观察控制过程及液位H2的过渡过程曲线.由于全部扰动加于主回路,不符合串级系列的设计原则,故控制质量较差,观察这一现象。
1.常规实验报告内容
2.按衰减曲线调节器参数计算表填写表格中的数据.
衰减曲线调节器参数计算表
数据
调节器
实验数据
查表计算值
最终整定法
δS/％
Ts/min
δ/％
Ti/min
δ终/％
Ti终/min
主调节器

副调节器

3.整理并附上记录仪的下列过渡过程曲线。
①.整定副调节器时得到的4:1衰减曲线。
②.整定主调节器时得到的4:1衰减曲线。
③.主副调节器参数整定后,干扰作用于上水箱中,主变量H2的过渡过程曲线。
④.主副调节器参数整定后,干扰作用于下水箱中,主变量H2的过渡过程曲线。
4.列表比较控制质量。
串级控制系统控制质量的比较表
干扰的位置
最大偏差
过渡时间（min）
评价质量并简析原因
干扰加入上水箱

干扰加入下水箱

串级和简单控制系统控制质量的比较表
干扰位置
自控系统类型
最大偏差
过渡时间（min）
评价质量并简析原因
干扰加入
上水箱中
简单控制系统（PID）

串级控制系统

五、实验步骤
1、按附图液位串级控制实验接线图接好实验导线和通讯线。
2、将控制台背面右侧的通讯口（在电源插座旁）与上位机连接。
3、将手动阀门1V1、1V10、V4、V5打开，其余阀门全部关闭。
4、先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开DDC控制单元电源。
5、在控制板上打开水泵1、电动调节阀。
6、在信号板上打开电动调节阀输入信号、上水箱输出信号、下水箱输出信号。
7、 打开计算机上的 MCGS运行环境，选择系统管理菜单中的用户登录，登录用户。
8、选择串级控制实验的上下水箱双容串级控制实验。
9、副回路采用比例作用，Kc取实验三9（P）或10（PI）中的结果，主回路采用实验五结果，选择计算机控制方式， 观察结果 ，调整参数，直到满意效果。
10、观察计算机上的实时曲线和历史曲线。
11、待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位变化曲线。
12、再等系统稳定后，给系统加个干扰信号，观察液位变化曲线，分别记录调节参数。