串级控制系统

过程控制
实验报告实验名称：串级控制班级：
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实验二 串级控制系统
一、实验目的
1) 通过本实验，了解串级控制系统的基本结构以及主、副回路的性能特点。

2) 掌握串级控制系统的设计思想和主、副回路控制器的参数整定方法。

二、 实验原理
串级控制系统由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。

控制器相串联，副控制器的输入由主控制器的输出设定。

主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动系统，对二次扰动而言，副回路是恒值控制系统。

串级控制的主要优点可概括如下:
1) 由于副回路的存在，改善了对象的部分特性，使系统的工作频率提高，加快了调节过程。

2) 由于副回路的存在，串级控制系统对二次扰动具有较强的克服能力。

3) 串级控制系统提高了克服一次扰动的能力和回路参数变化的自适应能力。

串级控制系统副回路的设计原则：
1) 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动。

在可能的情况下力求包含尽可能多的扰动。

2) 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。

3) 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。

4) 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。

5) 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。

串级控制系统常用的控制器参数整定方法有逐步逼近法、两步法、一步法等。

➢ 逐步逼近法
1) 在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数；
2) 将副控制器的参数设置在所求的数值上，使串级控制系统主回路闭合，以求取主调节器的整定参数值；
3) 将主调节器参数设置在所求值上，再次整定副控制器的参数值。

4) 如控制品质未达到指标，返回2)继续。

三、实验内容
某系统的主、副对象传递函数分别为：
122
11
(),()301(101)(1)P P G s G s s s s =
=
+++
主回路有一个10s 的传输延迟，传递函数为10()s d G s e -=。

图1 串级控制系统结构图
（1）画出单回路控制系统以及相同控制对象下的的Simulink 仿真系统图。

图2 单回路控制器仿真系统图
单回路控制器纯比列整定后得到的曲线图：
图3 单回路阶跃响应曲线
上图中K P =2.25304；系统第一个峰值坐标为（50.64,1.031），第二个峰值的坐标为（129.3,0.7702），稳态值为0.6908。

根据4：1衰减曲线法整定控制器参数经验公式可得：
控制规律控制器参数
)I(Ti)/min D（Td）/min
P(K
P
——P K
P
PI0.83 K
0.5 Ts—
P
0.3 Ts0.1 Ts
PID 1.25 K
P
P=0.83⨯2.25304=1.87002
Ti=0.5⨯Ts=0.5⨯（154.2-60.24）=0.5⨯93.96=46.98
1.87002；积分时间常数Ti=46.98；微分时间常数Td= 0；此时可所以，当K
P=
以得到如下图4的效果。

图4 单回路PI整定后系统的阶跃相应曲线
在同上PI的情况下，单回路控制系统的一次扰动Simulink仿真图：
单回路控制系统一次扰动响应曲线如下图5所示：
图5 单回路控制系统一次扰动响应曲线在此PI系统下，单回路控制系统的二次扰动结构下图6所示
图6 单回路控制系统二次扰动响应曲线
（2）串级控制系统Simulimk仿真图：
图7 串级控制系统仿真
串级控制系统纯比例整定后得到如下图8所示：
图8串级控制系统P整定后的阶跃响应曲线
=3.4687；由图b的仿真图以及相应理论公式可得；根据4：1衰减上图中K
P
曲线法整定控制器参数经验公式
控制规律控制器参数
)I(Ti)/min D（Td）/min
P(K
P
P K
——
P
0.5 Ts—
PI0.83 K
P
PID 1.25 K
0.3 Ts0.1 Ts
P
根据表格中公式可得：
采用PI控制时：P=0.83⨯3.4687=2.879021
Ti=0.5⨯Ts=0.5⨯（96.29-38.89）=0.5⨯57.4=28.7
所以，当K
2.879021；积分时间常数Ti=28.7；微分时间常数Td= 0；此时可
P=
以得到如下图9的效果。

图9 串级控制系统PI整定后的阶跃响应曲线
串级控制系统的一次扰动 Simulink仿真图如下图10：
图10 串级控制系统一次扰动Simulink仿真图
在上述串级控制系统的PI参数下，得到下图11所示的响应曲线图：
图11 串级控制系统的一次扰动阶跃响应曲线
串级控制系统二次扰动Simulink仿真图如下图12所示：
图12 串级控制系统的二次扰动Simulink仿真图如下图13所示，在上述PI参数下的串级控制系统的响应曲线图：
图13 串级控制系统二次扰动阶跃响应曲线
（4）串级系统延迟环节副回路Simulink仿真图
图14 串级控制系统延迟环节副回路仿真图
将延迟环节副回路只进行P的整定，有如下图效果的曲线图：
图15 延迟环节副回路p整定4:1的曲线响应曲线
其中Kp=1.16251；分析数据可根据4：1衰减曲线法整定控制器参数经验公式
控制规律控制器参数
)I(Ti)/min D（Td）/min
P(K
P
——P K
P
PI0.83 K
0.5 Ts—
P
0.3 Ts0.1 Ts
PID 1.25 K
P
P=0.83⨯1.16251=0.96488
Ti=0.5⨯Ts=0.5⨯（67.06-28.43）=0.5⨯38.63=19.315
所以，PI整定曲线图如下图所示
图16 PI整定响应曲线延迟环节主副回路串联Simulink仿真图如下
图17
延迟环节主回路P整定图
控制规律控制器参数
)I(Ti)/min D（Td）/min
P(K
P
——P K
P
0.5 Ts—
PI0.83 K
P
0.3 Ts0.1 Ts
PID 1.25 K
P
P=1.2⨯1.13135=1.135762
Ti=0.5⨯Ts=0.5⨯（101.8-46.45）=0.5⨯55.35=27.675
PI整定曲线图
图18 串级系统下延迟环节主副回路串联系统响应曲线
串级系统下延迟环节在副回路系统一次扰动响应曲线
串级系统下延迟环节在副回路系统二次扰动响应曲线
图19串级系统下延迟环节在副回路系统二次扰动响应曲线
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