实验二 串级控制系统设计性实验(自09).doc

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
换热器

大储水箱
FT
102
PT
101
JV201
锅炉
调节阀
滞后管
FT
101
上水箱
中水箱
下水箱
电磁阀

LT
101
LT
I02
LT
103
LS
101
TE
102
TE

105
TE
103
TE
104
TE
101
LS
102
JV101
JV204
JV205
JV102
JV206
JV103
JV106
XV102
JV207
JV502
JV305
JV304
JV104
FV101
JV601
JV503
JV105
滞后管
电磁阀
XV101
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。

2.实验控制系统.
A3000控制系统（A3000-CS）包括了传感器执行器I/O连接板、三个可换的子控制系统板，第三方控制系统接口板。
整个部分设计在一个工业机柜中，开放性极强。一个前门，保证了设备防尘、散热等需要。
内部结构设计合理，布线完全按照工业要求，整齐、可靠。
系统结构如图所示。左边是机柜布置简图，右边是各个控制系统的半模拟屏简图。

控制系统结构图：
控制系统结构举例
标准机柜
传感、执行器连接板
第一控制系统
第二控制系统
第三控制系统
常规仪表，DDC，或PLC
RS485到以太网
网络接入设备
实验接口
过程级
管理级
网关系统

三、实验内容及设计要求（写出预习报告）
1、 1、串级控制系统设计：
根据过程控制实验室的过程控制实验装置A3000 系统，参考实验指导书，设计一个串级控制系统，说明设计意图。画出带控制点的工艺流程图和方框图。
2、 2、如何运行至稳态工艺点？
3、 3、串级控制系统投运：
参考资料写出投运步骤
4、 4、串级控制系统整定：
写出采用整定方法，说明主副控制器的正反作用、采用的控制规律。
5、 5、、串级控制系统特性的测试：
测试内容设计 、实现方法（主要考虑串级控制系统对扰动的调节作用及克服扰动的能力。）
（参考《A3000高级过程控制系统实验指导书V3》闭环双水箱液位串级控制系统实验）

四、实验步骤
1、按照A3000装置系统示意图，根据液位串级控制系统流程图通过管路中手动阀门的开闭状态，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。
LIC
101
图6-1-1 液位串级控制实验
水泵
LT
102
下水箱V104
中水箱V103
LT
103
LIC
102
第一个动力支路引入干扰
给定值
输出值
输入值
给定值

5、选择闭环双水箱液位串级控制系统主副控制器的控制规律

6、 串级控制系统的投运
串级控制系统的投运遵循的原则：
其一投运的顺序：一般都采用先投副环后投主环的投运顺序；
其二是投运过程必须保证无扰动切换。
串级控制系统的投运与参数整定的方法有关。两步法整定参数的系统投运步骤如下。
①设置主控制器为“内给”、“手动”，设置副控制器为“外给”、“手动”。
②主控制器手动输出，调整副控制器手动状态遥控输出，使装置处于要求的工况，即使主变量慢慢在给定值附近稳定下来，
③调整副控制器手动状态遥控输出，使副变量慢慢在给定值附近稳定下来，即至副控制器偏差为零时，将副控制器切“自动”
④调整主控制器手动输出至主控制器偏差为零时，将主控制器切“自动”。
⑤整定副控制器参数（参数整定方法见第7项），使副被控变量的响应满足所需性能指标(例如衰减比指标)。整定主控制器参数．使主被控变量的响应满足所需性能指标(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。这种方法实施的前提是基于主、副对象的动态特性相差比较悬殊，主、副回路的工作频率大不相同，主回路的操作周期远远大于副回路的操作周期，它们之间的动态联系很小。另一方面一般对副参数的质量指标没有严格要求，只要保证主参数的控制质量。二步法整定步骤如下：
⑴ 在主回路闭合的情况下，主、副控制器都为纯比例作用，并将主控制器的比例度置于100%，用4：1衰减曲线法（见下参考资料）整定副控制器，求取副回路4：1衰减过程的副控制器比例度(δ2p)以及操作周期(T2P)。
⑵ 将副控制器的比例度置于所求的数值δ2p上，把副回路作为主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器，求取主回路4：1衰减过程的δ1p和T1P。
⑶ 根据求得的(δ1p)和(T1P)、(δ2p)和(T2P)数值，按经验公式求出主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。
⑷ 按先副后主、先比例后积分再微分的程序，设置主、副控制器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。

参考资料： 衰减曲线法是通过使系统响应产生衰减振荡曲线，测出衰减振荡曲线的特征参数来计算系统的PID参数。具体方法如下：在闭环负反馈回路系统中，将控制器调为纯比例P作用（将Ti调为无穷大∞位置，Td放在0位置上）。将比例度P放在最大位置上，用改变给定值（用阶跃信号）方式，使调节器得到一个阶跃的偏差信号，观察系统响应曲线的衰减比，然后从大到小调节比例度，直到系统响应曲线的衰减比为4：1，记下此时的比例度δs，衰减周期Ts　,然后根据表（4：1衰减曲线法控制器参数计算公式）计算PID参数。
控制作用
比例度δs/%
积分时间Ti/分钟
微分时间Td/分钟
P
δs

PD
1.2δs
0.5Ts

PID
0.8δs
0.3 Ts
0.1Ts
4:1衰减曲线法控制器参数计算公式

用4：1整定法在现实工作中，有时仍嫌系统振荡太强，也可以按10：1衰减比来整定，按照4：1的方法，可同样得到比例度δs′ 和系统最上升时间T，按照如下：（10：1衰减曲线法控制器参数计算公式）表，计算出PID参数。
控制作用
比例度δs′/%
积分时间Ti/分钟
微分时间Td/分钟
P
δs′

PD
1.2δs′
2T

PID
0.8δs′
1.2T
0.4T
10：1衰减曲线法控制器参数计算公式
在实际工作中，采用衰减曲线法整定控制器参数应该注意点：
① 加干扰阶跃信号不拟过大，要根据工艺过程容许波动情况而定，一般考虑5%～10%为宜。
② 应该在工艺过程工况相对稳定下，进行整定。否则测出的衰减振荡曲线的特征参数不会准确。

③ 4：1衰减曲线法整定参数是比较普遍采用的方法，一般情况下的各种过程参数控制系统都采用，但对于哪些过程系统变化快、干扰频繁发生的系统不宜采用此方法。

8、研究串级控制系统对扰动的调节作用及克服扰动的能力。
串级控制系统投入自动运行，待系统稳定后加入一次扰动，观察一次扰动对主、副参数的影响，记录实验的响应曲线，等待系统稳定后再加入二次扰动，观察二次扰动对主、副参数的影响，记录实验的响应曲线，进行对比及分析。
9、（选作） MATLAB 仿真：PID控制器+串级主副对象动态数学模型，形成串级控制系统，获得PID控制器参数值

五、实验报告
内容包括实验目的、要求，实验原理线路图、实验简要步骤、实验结果（包括实验数据曲线）以及对实验结果的分析（利用控制原理所学内容），得出的结论实验。