实验四 串级控制系统
实验四 下水箱液位和进口流量串级控制实验
实验四下水箱液位和进口流量串级控制实验一、实验目的1、学习闭环串级控制的原理。
2、了解闭环串级控制的特点。
3、掌握闭环串级控制的设计。
4、初步掌握闭环串级控制器参数调整。
二、实验设备A3000-FBS现场系统，百特控制系统。
三、实验要求1、设计串级控制器。
2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。
四、实验内容与步骤1、在现场系统A3000-FBS，将回路2手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
2、在控制系统A3000-CS上，将百特内给定仪表4~20mA输出端连到百特外给定仪表4~20mA外给定端，百特外给定仪表4~20mA输出端连到调节阀输入端，下水箱液位输出端连到百特内给定仪表4~20mA输入端，支路2流量计输出端连到百特外给定仪表4~20mA输入端。
3、打开A3000-CS电源，百特仪表通电。
打开A3000-FBS电源，调节阀通电。
4、启动计算机组态王软件，运行百特仪表组态程序，登陆进入下水箱液位和进口流量串级控制试验。
首先进行副回路比例调节。
主回路设为手动，副回路设为自动。
SP设为60%，主回路调节器输出设为40%，I为1800，调节P值，使调节阀控制量输出即PV1输出平衡。
获得P值。
5、在A3000-FBS上，启动右边水泵2#开关，给下水箱注水。
6、切换至单主回路控制即把手动改为自动，调节主回路的P、I值待系统稳定后，对系统加扰动信号。
通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。
画下最终的曲线。
7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。
关闭全部电源设备，拆下实验连接线。
六、实验结果提交1、画出液位流量串级控制实验系统的框图和最终获得的满意响应曲线，以及最佳串级控制参数。
2、阐述实现液位流量串级控制的原理。
串级控制系统实验
实验四串级控制系统实验一、实验目的1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。
二、实验设备1．THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置；2．AT-I智能调节仪表挂件、RS485/232转换器及RS485通讯线；3．PC机。
三、实验原理图4-1是串级控制系统的方框图，该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图4-1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值； C1-被控的主参数； C2-副参数；f 1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。
本实验要求针对水箱液位控制系统设计串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。
主控回路中的调节器称主调节器，副控回路中的调节器称副调节器，主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。
副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制主对象液位的目的。
为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。
由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。
四、实验内容与要求1.实验前的准备工作：1）实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。
2）实验前应了解实验装置中的对象、水泵和所用控制组件的名称、作用及其所在位置,如图4-2所示，以便于在实验中对它们进行操作和观察。
3）熟悉实验装置面板图，要求做到由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置；4）熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。
4 串级控制
两步法（先副环后主环的方法） 1）在主副回路闭合时，将主控制器δ置100%、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副环，找出副变量出现4:1振 荡过程的比例度记录下δ2s 及振荡周期T 2s 。 2）、 将副控制器置δ2s 、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定 方法整定主环，找出主变量出现4:1衰减振荡过程的比例度 记录下δ1s 及振荡周期T 1s。 3）、根椐得到的δ1s 、 T 1s 、 δ2s 、 T 2s值，结合主、副控 制器的选型，按单回控制系统整定计算公式，可以计算出主 、副控制器的δ、Ti 、Td。 4）、将计算所得参数按先副环后主环、先比例再积分后微 分的顺序在控制器上放好，观察控制过程曲线，如不够满意 ，可适当地进行一些微小的调整。
冷却剂 进料
T1
D2 TC2
阀 夹套
D1 T2
槽壁 反应槽
T1sp ＋ － TC1
T2sp ＋ －
T1
夹套水温测量
反应器温度测量
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器
调节阀
副对象
y2
主对象
y1
ym2 ym1
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
;
Gm 2 K m 2
Gc 2 K c 2 ;
Gv K v ;
串级控制系统的特点（2）
结论：由 Tp 2 s + 1 于副回路 ' G p 2 (s) 的存在， K p2 1 + Kc2 Kv Km2 使主控制 Tp 2 s + 1 通道的动 ' Kc2 Kv K p 2 K p2 态特性得 ' Tp 2 s + 1 + K c 2 K v K p 2 K m 2 T p 2 s + 1 到改善 （时间常 Kc2 Kv K p 2 ' K p2 数显著减 1 + Kc2 Kv K p2 Km2 少） Tp 2 ' Tp 2 Tp 2 1 + Kc2 Kv K p 2 Km2
4 实验四 液位串级调节系统
“－” （2）二次干扰下，若D1→△h2↓ →测量值PV2↓ → e2↓ →副调节器“ －”输出→ ↑ 调节阀“+”开度↑
△h2↑（平稳） 进入水槽流量↑
8-2
4、工作过程
恒流器Ⅰ
8mA
3mA
恒流器Ⅱ
80% 30%
给定SV1
e1
－ PV1
干扰 D1(s)
副变量 h1 1水槽 副被控对象
D2
主变量 h2 2水槽 主被控对象
置U2” 按钮，调U2 = 4mA（40%）] ，加入一个阶跃干扰，记录下该调节过
程，这一次曲线记入上表第3次做表格。
干扰
给定值SP
+ －
内给SP1 主调节器 DTL－321
－
副调节器 MV DTL－321
水槽Ⅱ
h2
水槽Ⅲ
被控参数h3
PV1
PV2
0～10mA
测量变送器 DBC－211 测量变送器 DBC－211
主调节器（PI） δ＝35％ TI ＝185s 15s TD＝0 TD＝0 KC =1.5 TI ＝
主被控参数分析结论：由上述数据可 知衰减比n=2.5:1＜4:1 ，即主被控 参数h3也没有达到4:1衰减，即主副 调节器PID整定得不合适。调整PID 参数后，重新做第二次整定，直到 n≥4﹕1为止。 8-9
TI ＝∞ TD＝0
定得比较合适。满足了PID参数整定 要求，达到了实验要求。
8-10
8.
副调节器PID参数保持上一步的不变，则用上述方法整定主调节器PID参数整
定。这一次曲线记入上表第2次做表格
9.
重新确定干扰通道上的水龙头开关位置，使干扰落在副环之外，主环之内。等
实验四串级控制系统
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
①串级控制系统的投运准备 串级控制的最主要特征是一个控 制系统，两个控制回路，内回路 （副环）含在外回路（主环）之 内；有两个控制器，仅有一个执 行机构，因为主控制器是通过发 出指令来操纵副控制器，由副控 制器负责执行控制，完成控制动 作，所以，主控制器的输出作为 副控制器的设定。如何实现？-注意控制器在限号转接面板上的 连线或按钮。
液位-液位串级控制系统
(3)SP1加干扰。注意：设定值变化10%，具体向哪个方 向变化取决于当前水位的状况。
(4)给系统施加一干扰后待其稳定，需观察控制过程是 否满意。 (5)然后可将主控制器的比例度调整到50～20，每次改 变后，都要改变给设定值加扰动进行测试，观察控制过 渡过程曲线的变化—是否稳定较快，超调量较小，接近 4:1衰减震荡过程。最后确定一组最合适的参数.
(2)投运需按照“先副后主”的原则进行，先投运副控制器，再 投运主控制器。待两个液位都基本达到稳定，分别将两个控制器 的设定值与测量值（液位高度）对齐，即消除系统偏差。
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
特别注意：调整副控制器的设定值时，应该在哪里调？ (实际工业中一般是操作测量值等于设定值，在这为了加快试验速度， 才采用此法操作；)
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
①串级控制系统的投运准备 同上次实验操作，首先检查管路、阀门(闸板的高度)，设备加电， 进行信号连线，构建一个以1#控制器为主控制器，2#控制器为副 控制器，以调节阀为执行环节的串级控制系统； 启动实验软件，选择主、副控制器，全部都置于手动状态；先调 整副控制器的手动输出为50%左右，启动水泵。待系统达到平稳， 其间不要频繁调整阀的开度； 在自动控制系统投运自动前，务必要确保控制系统运行后一定是 负反馈控制，即控制作用是消弱而不是增强干扰作用的影响-根据 调节阀的作用方向，确定主、副控制器的正、反作用；由于副控 制器是先于主控制器投入工作，必须先保证副控制器单独工作时 也是负反馈（通过set键－＞PID->cont->ract/act）
第4章串级控制系统
传统的反馈控制是在被控变量和设定值之间产生偏差之后才起 作用的，因此在第4章中介绍采用前馈控制来帮助克服干扰的影响。 但是如果干扰不可测或者无法获得干扰与被控变量之间的模型时，就 不能采用前馈控制策略。
另外一种可以克服干扰的方法就是串级控制，它通过选择第二 个测量点构成第二个反馈回路来克服干扰。
这种将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统结 构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度串级控制 示意图如图5—3所示。
进料(F1)
T1T
T1C
水
T1
T2T
T2C
冷却水(F2) 出料
图5-3反应釜温度与夹套温度串级控制
（1)框图如下：
设定T1r X1(s) +
主调节器 T2r
（2）名词术语： 1)主、副参数——主、副被控参数
主参数：起主导作用的那个被控参数。如：反应釜温度T1 副参数：为了稳定主参数而引入的中间辅助参数。
2)主、副对象——主、副被控过程
主被控过程：由主被控参数表征其特性的生产过程， 其输入量为副参数，输出量为主参数。
副被控过程：由副参数为输出的生产过程，其输入量为控制参数。
第二个测量点应该比被控变量更快感知到干扰的影响，这样才 能在干扰对被控变量产生很大影响之前通过第二个反馈回路迅速克服 干扰的影响。
为了进一步认识串级控制系统，在这里先举一个实际例子。对 于图5—1所示的连续搅拌反应釜，放热反应所产生的热量被流经夹 套的冷却剂移走。假设反应釜液位稳定，而温度控制系统的控制目 标是使反应混合物温度θ稳定在设定值，控制手段是调节冷剂流量Qc。 扰动来自两方面：来自物料方面的有物料温度f和流量Qf的变化；来 自冷剂方面的有冷源的压力pf,c和温度f,c的变化。
实验4串级控制系统2014-外扰
液位单回路自动控制系统
特别说明：
对现用的实验软件进行了改进，因而也影响到以后的操 作，请特别注意。软件的改进带来了如下变化： （1）控制器一开始运行就处于手动状态，且MV的初值 已设为50%；PID参数已经设置，P=150,I=50, D=0; （2）并已置SP=PV，在手动状态时一直保持，SP不能修 改，这就为随时进行手动-自动无扰动切换做好准备。 （3）当系统稳定可随时投入自动，操作比较安全，稳 定，不易产生大的扰动，使今后的手自切换变得容易。 手动设置： 主控输出等于副控设定。 在自动状态可以随时修改设定值。 投运自动后可直接修改放置已整定好的PID参数。
液位-液位串级控制系统
思考问题 （4）一步整定法的依据是什么？ （5）试分析串级系统比单回路控制系统质量高的原因 （6）干扰落在上水箱或下水箱时，控制效果一样么， 为什么？
液位-液位串级控制系统
⑤串级控制系统克服干扰能力测试步骤
改变干扰的位置，记录两个位置的干扰作用下的控制 过渡过程曲线，并与单回路控制的同样情况的扰动过 程进行对比。 利用Matlab对串级控制系统的不同位置的扰动进行仿 真分析，并分析对比中水箱中闸板放下时串级系统的 控制质量有何不同，为什么？【自控同学必做】 思考问题 （1）若控制阀为气闭式，试分析液位与液位串级系 统中主、副控制器的正、反作用应如何选？ （2）如何才能保证串级控制系统的无扰动切换？ （3）串级系统投运整定前需要做好哪几项工作？
液位单回路自动控制系统
③在开启调节量的同时，也要开启并运行管路1流量， 使之稳定： 启动变频器：（1）接通变频器电源（2）开启变频器开 关（3）打开1#电磁阀；并检查手动阀开闭状态是否正 确，以确保水流能进入指定水箱。 在加干扰按钮，调整频器输入为100，让电机转动起来， 然后置于较低的数值上，例如20%（有的装置可能要放 在30~40%）； ④将串级系统无扰地投入自动，按先付后主的顺序。将 主、副控制器的参数，依次放置好。若设定值过低或过 高，可适当调整。
实验4 串级控制系统
• 右侧的副控制器只接受外部的模拟信号（左侧的主控制器）作为设定
输入
串级控制系统的投运准备
1. 同上次实验操作，首先检查管路、阀门（闸板的高度），设备加电；
进行控制系统信号连线，构建一个下液位为主参数 ，中水位为副参 数，1#控制器为主控制器，2#控制器为副控制器，以调节阀为执行
环节的串级控制系统；
Z1 (s)
Z2 (s)
• 注意：Y1(s)、Y2(s)分别代表什么？Z1(s)、Z2(s)代表什么？U1(s)与 R1(s)有什么联系？
实验要求与内容
• 实验要求：构建一个以下水箱液位为主被控参数、中水箱液位为副被
控参数的串级控制系统；学习、掌握如何在工程中将串级控制系统无 扰地投入自动运行，学习正确整定串级系统控制器参数的基本方法，
串级控制系统的连线准备
• 串级控制最主要的特征是一个控制系统中有两个控制回路，副回路含
在主回路之内；两个控制器是串联的，通过仅有的一个执行环节进行 控制，主控制器指挥操纵副控制器完成控制动作 • 在实际操作中，应特别注意控制器连线以及界面上显示的操作状态 • 实验过程中使用的两控制器，左侧控制器为主控制器，其输入端连接 到下液位变送器，输出端接到右侧副控制器的设定值输入端口；右侧 控制器为副控制器，其输入端连接到中液位变送器，输出端接到控制 阀的输入端口
串级控制系统手动-自动无扰切换
特别提示：实际的工业控制操作，一般要调整测量值等于设定值，在
实验中为了缩短实验时间，故采用调整设定值等于测量值
MV1
PV1 PV2
MV2
串级系统方框图与实际信号连接对照
3. 待各控制器的偏差消除后，分别把比例度和积分时间设置为 100 和
30。然后按“先副后主”的顺序，把两控制器依次投入“自动”；
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实验四 加热炉温度串级控制系统
（实验地点：程控实验室，崇实楼407）
一、实验目的
1、熟悉串级控制系统的结构与特点。
2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。
3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。
二、实验设备
1、MATLAB 软件，
2、PC 机 三、实验原理
工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。
图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图
图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为
主对象：;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象：2
1802)1)(110()(++=-s s e s G s
主控制器的传递函数为PI 或PID ，副控制器的传递函数为P 。
对PI 控制器有 221111)(),/(,
1
11)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=
采用串级控制设计主、副PID 控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。
四、实验过程
串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。
1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 （图4-2）
在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下：)(01s G 为主被控对象，)(02s G 为副被控对象，Step 为系统的输入，c 为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可以用示波器观察输出波形。
PID1为主控制器，双击PID 控制器可设置参数：（PID 模块在
MATLAB/Simulink Library Browser/Simulink Extras ），Step 为阶跃信号，参数起始时间应设置为0。
Delay 为延迟环节，在Simulink/Continuous 子目录中。
串级控制系统建模如图4-2。
（仿真时间=5000s ）
图4-2 加热炉温度串级控制系统模型
2. 采用临界比例度法确定PID2（副调节器）参数：取212c K =，使副回路产生临
界等幅振荡，记录22222/1/k c c K K δδδ==⇒== 。
加入比例系数，记录副回路的
输出波形。
与单回路相同，采用临界比例度法确定主回路的PID1参数，记录数据，并反复修改参数，得到较理想的响应曲线，记录对应的PI 参数，在实验报告中写入该参数值及对应的波形。
临界比例度法确定PID1的参数：取21=c K ～3，2c K 不变，使系统产生临界振荡，记录11k k T δ、，利用临界比例度法参数计算表（教材161页），求取PID1分别为P 、PI 及PID 时的参数。
假设1 1.2c K =时产生临界振荡（要自己调试出实际值），设测试得1350k T s =， 则P 参数计算：（注：比例控制不做扰动实验）
6.0/16
7.12.1/22==⇒===δδδc k K 。
如果选PI 调节器，则,546.0/183.12.1/2.22.2==⇒===δδδc k K 5.29735085.085.0=⨯==k I T T
00183.05.297/546.0/===I c I T K K 。
把c K 、I K 作为比例、积分系数填入PID1中。
如果波形不理想，应反复调节，得到较理想的响应曲线对应的PI 参数，在实验报告中记录该参数值及对应的波形。
3. 加入单位阶跃一次扰动、单位阶跃二次扰动，输入设为零：r=0，测试对应输出曲线。
4. 阶跃响应及扰动作用时的波形如下。
图4-3 串级控制系统输出波形
记录串级控制系统在二次阶跃扰动（q2=1,q1=0,r=0）输入下的输出响应曲线；一次阶跃扰动（q1=1, q2=0,r=0）输入下的输出响应曲线。
(a) 一次扰动时的输出响应 (b) 二次扰动时的输出响应 图4-4干扰作用时的输出波形
5. PID 算法：采用临界比例度法确定主调节器PID1的参数：2c K 仍不变，计算PID1的参数：
==⇒=
=δδδ/17.1c k K ==⇒=
=I
c I k I T K K T T /5.0 ==⇒=
=D c D k D T K K T T 13.0
把计算参数代入PID 模块中，反复调节，调出理想波形，记录此时的参数及波形，并
标注在图形中。
将调整好的单回路与串级控制时的性能指标填入下表，对各参数进行对比，说明采用单回路控制与串级控制时的阶跃响应及抑制扰动能力区别。
表4-1 实验分析表 五、实验报告要求
1、画出本实验中单回路和串级控制系统的仿真模型。
2、记录各种实验时的调节器参数及系统输出波形。
六、思考题
1、试述串级控制系统为什么对二次扰动具有很强的抗扰能力？
2、为什么本实验中的副调节器采用比例（P）调节器？。