北京化工大学过程控制工程串级控制系统实验报告
串级控制实验步骤-给学生
过程控制系统实验报告姓名：黄佳鑫班级：自动化1201学号：1210410106实验三：利用MATLAB/对串级控制系统进行仿真一、实验目的1．学会利用MATLAB/Simulink 对串级控制系统进行参数整定。
2．学会利用MA TLAB/Simulink 分析串级控制系统的抗干扰能力。
二、实验设备安装Windows 系统和MATLAB 软件的计算机一台。
三、实验内容构成以锅炉温度为主变量，锅炉夹套温度为副变量的串级控制系统，假设主、副对象传递函数分别为试采用串级控制设计主、副PID 控制器的参数，并与等效的简单控制系统进行抗干扰能力的比较。
四、实验步骤1．系统设计和参数整定1）简单控制系统(1) 利用NCD Outport （ 或Signal Constraint ）模块，建立如下图所示的简单控制系统的Simulink 结构图。
图一 仿真电路图首先点击Simulation →Configuration Parameters(stop time 设置为100，其余参数采用默认值) 在MA TLAB 窗口中利用以下命令对PID 控制器的初始值进行任意设置：>>Kc=1;Ti=1;Td=1; 然后，双击Signal constraint →g oals →desired response →点击第2个选框→进行设置参数（Settling Time 为25、Rise Time 为15、% overshoot 为12,其余参数采用默认值）单机ok 。
图二11()(301)(31)p G s s s =++221()(101)(1)p G s s s =++注：在图二中应注意把Final value的值改到和给定值相同的值，因为我们控制的最终目的是达到给定要求。
Optimization →T uned Parameters→add(添加需要优化的参数，参数采用默认值)→点击ok。
图三注：在操作图三的过程中，应采取默认值，因为我们实验前不知道参数的准确范围，所以采用默认参数，如若能确定参数的范围，可以进行最大值和最小值的修改，但范围尽量选的较大。
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。
《过程控制系统》实验报告
《过程控制系统》实验报告一、实验目的过程控制系统实验旨在通过实际操作和观察，深入理解过程控制系统的组成、工作原理和性能特点，掌握常见的控制算法和参数整定方法，培养学生的工程实践能力和解决实际问题的能力。
二、实验设备1、过程控制实验装置包括水箱、水泵、调节阀、传感器（液位传感器、温度传感器等）、控制器（可编程控制器 PLC 或工业控制计算机）等。
2、计算机及相关软件用于编程、监控和数据采集分析。
三、实验原理过程控制系统是指对工业生产过程中的某个物理量（如温度、压力、液位、流量等）进行自动控制，使其保持在期望的设定值附近。
其基本原理是通过传感器检测被控量的实际值，将其与设定值进行比较，产生偏差信号，控制器根据偏差信号按照一定的控制算法计算出控制量，通过执行机构（如调节阀、电机等）作用于被控对象，从而实现对被控量的控制。
常见的控制算法包括比例（P）控制、积分（I）控制、微分（D）控制及其组合（如 PID 控制）。
四、实验内容及步骤1、单回路液位控制系统实验（1）系统组成及连接将液位传感器安装在水箱上，调节阀与水泵相连，控制器与传感器和调节阀连接，计算机与控制器通信。
（2）参数设置在控制器中设置液位设定值、控制算法（如 PID）的参数等。
（3）系统运行启动水泵，观察液位的变化，通过控制器的调节使液位稳定在设定值附近。
（4）数据采集与分析利用计算机采集液位的实际值和控制量的数据，绘制曲线，分析系统的稳定性、快速性和准确性。
2、温度控制系统实验（1）系统组成与连接类似液位控制系统，将温度传感器安装在加热装置上，调节阀控制加热功率。
设置温度设定值和控制算法参数。
（3）运行与数据采集分析启动加热装置，观察温度变化，采集数据并分析。
五、实验数据及结果分析1、单回路液位控制系统（1）实验数据记录不同时刻的液位实际值和控制量。
（2）结果分析稳定性分析：观察液位是否在设定值附近波动，波动范围是否在允许范围内。
快速性分析：计算液位达到设定值所需的时间。
过程控制实验报告汇总1
过程控制课程实验报告1.实验一: 串级系统的仿真控制实验要求:假设一串级控制系统的结构框图为:其中:2.将传递函数带入并绘制串级控制系统的Simulink结构图:执行程序:clc; %清除命令窗口clear all; %清除所有记录[a,b,c,d]=linmod('chuanji'); %加载simulink模型sys=ss(a,b,c,d); %建立状态空间表达式figure(1); %绘制图形1step(sys); %获得阶跃响应曲线hold on %绘图保持[y,t]=step(sys); %y为纵轴, t为横轴的阶跃曲线[mp,tf]=max(y); %返回峰值与峰值时间cs=length(t); %获得稳态时间yss=y(cs); %获得稳态值sigma=100*(mp-yss)/yss; % 计算超调量tp=t(tf); %计算峰值时间%计算调节时间i=cs+1;n=0;while n==0,i=i-1;if i==1n=1;elseif y(i)>1.05*yss %判断响应值是否大于稳态值%的1.05倍n=1;endendt1=t(i);cs=length(t);j=cs+1;n=0;while n==0,j=j-1;if j==1n=1;elseif y(i)<0.95*yss %判断响应值是否小于稳态值的0.95倍 n=1;endendt2=t(j);If t2<tp,if t1>t2,ts=t1;endelseif t2>tp,if t2<t1,ts=t2;elsets=t1;endendsigma=sigma(:,:,1) %显示超调量tp=tp(:,:,1) %显示峰值时间ts %显示调节时间3.实验结果与性能指标（1）.实验结果sigma =32.3442tp =58.4907ts =90.9393（2）.与单回路系统的对比Simulink仿真图性能指标sigma =73.4939tp =69.2071ts =820.16444.实验结论:1.（从回路的个数分析）由于串级控制系统是一个双回路系统, , 因此能迅速克服进入副回路的干扰, 从某个角度讲, 副回路起到了快速“粗调”作用, 主回路则担当进一步“细调”的功能, 所以应设法让主要扰动的进入点位于副回路内。
实验3 串级控制系统实验
实验三串级控制系统实验
一．试验类型：设计型。
二．实验目的：
⒈掌握串级控制系统的组成、结构和设计方法。
⒉掌握串级控制系统的投运步骤。
⒊掌握控制器参数的整定方法。
⒋掌握串级控制系统回路状态的无扰动切换方法。
三．实验内容：
水槽的液位控制系统：
针对过程控制实验装置，设计水槽的液位串级调节系统。
设计并实施控制方案，进行参数整定。
四．实验要求：
⒈根据工艺流程设计控制方案，确定测量点和控制点（调节量和被调量），绘出控
制系统工艺流程图。
⒉绘出控制系统方框图。
⒊画出控制系统电路原理图。
⒋按步骤投运，进行控制器参数整定，加干扰测试，使系统达到4：1衰减过渡过
程。
五．实验设备：
⒈被控对象：水槽液位。
⒉控制装置：PLC。
⒊仪表：液位变送器。
⒋执行器：电动调节阀。
⒌附属设施：变频器，水泵等。
六．预习要求：
预习串级控制系统相关知识。
严格按实验要求中各项内容进行准备，绘制所需图表，描述整定方法，并准备调试过程数据记录表格。
预先确定实验步骤。
七．实验报告要求
⒈控制方案说明，系统方框图和接线图。
⒉参数整定结果及相应过渡过程曲线。
⒊总结PID参数对控制效果的影响。
4．与实验二的结果对比，分析串级控制系统的特点。
八．思考题
⒈串级控制系统的特点。
4。
过程控制：串级控制系统仿真
实验四 串级控制实验内容：SIMULINK 建模仿真 学生信息：自动化XXX 提交日期：20XX 年5月28日 报告内容： 串级控制一、实验目的1． 通过比较单回路控制系统与串级控制系统，进一步加深对串级控制的认识； 2． 掌握串级控制的参数整定方法。
二、实验设备1． 计算机1台2． MATLAB 7.X 软件1套。
三、实验步骤已知某串级控制系统的主副对象的传递函数G o1，G o2分别为：211,1001101o G s s ==++，121()101o o G s s =+，副回路干扰通道的传递函数为：221()201d G s s s =++。
1．用Simulink 画出串级控制系统的方框图及相同控制对象下的单回路控制系统方框图。
○1单回路控制系统方框图如下其中，PID C1为单回路PID 调节器，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r 为系统输入，取阶跃信号；y 为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
○2串级控制系统方框图如下其中，PID C1为主调节器，采用PD调节，PID C2为副调节器，采用P调节；q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；y为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
2．选用PID调节器，整定调节器的参数，并绘制相应的单位阶跃响应曲线。
进行调节器的参数整定，当输入比例系数为260，积分系数为0，微分系数为140时，系统阶跃响应达到比较满意的效果，记录系统阶跃响应图。
采用这套PID参数时，二次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下，记录系统的输出响应图。
采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下，记录系统的输出响应图。
综合以上各图可以看出采用单回路控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次和二次扰动的抑制效果不是很好。
实验一 串级控制实验
实验一串级控制实验本次实验是串级控制实验，主要是为了掌握串级控制系统的设计方法和实现原理。
串级控制系统是指将多个控制环连接起来，形成多级控制系统，以实现对复杂系统的精确控制。
实验原理：串级控制系统是由多个控制环组成的层次结构控制系统，每个控制环的输出信号作为下一级控制环的输入信号，从而实现多级控制。
通常情况下，每个控制环的控制目标涉及到不同的控制量，所以控制器的参数也不同。
串级控制系统的主要特点是控制响应速度快、稳定性高、抗干扰能力强。
因为如果存在一定的干扰或负载变化，只会影响到当前控制环的输出，而不会对整个系统的控制产生影响。
本次实验使用的是小车导航控制系统，主要由两个控制环组成：速度控制环和方向控制环。
速度控制环通过调节电机的电压来控制小车的速度，方向控制环通过控制小车的方向舵机来控制小车的方向。
实验步骤：1.按照实验器材说明书连接好实验电路，并给各个元器件供电。
并将速度控制和方向控制连接起来。
2.用示波器检查小车电机的转速和方向舵机的角度是否正确。
3.按照实验要求，完成串级控制系统的参数设计，同时对速度控制环和方向控制环进行调整。
4.对小车进行测试，分别调取不同的目标值，在实验过程中观察串级控制系统的控制响应速度、稳定性等指标。
5.依据实验数据，观察控制器参数的变化规律，并对控制系统的性能进行优化设计。
实验结果：通过实验，我们可以得出如下结论：1. 串级控制系统的响应速度非常快，控制精度高，能有效地抵抗干扰。
2. 串级控制系统的控制参数对系统的性能影响非常大，正确的参数设置是实现控制性能的关键。
总结：本次实验主要学习了串级控制系统的设计方法和实现原理。
在实验过程中，我们对控制器参数进行调整和测试，得到了不同控制目标下的实验数据，并对数据进行分析和总结，为实现控制系统的最优化设计提供了依据。
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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实验名称：串级控制实验
班级：自控
实验设备编号： 2
实验日期：年月
同组人：
年月日
实验名称：串级控制系统
实验的目的：正确认识串级控制系统，理解和熟练串级控制系统的特点和操作要求。
实验的要求：正确理解串级控制系统的特点，结合本实验装置的情况，构建一个以下水箱液位H2为主被控参数，上水箱液位H1为副被控参数，进水流量为控制手段的液位-液位串级控制系统。
实验过程的主要步骤：
1、构建串级控制系统，在软件中组态。
2、对串级控制系统进行正确的设置，确保系统的连接方式正确，正反作用正确。
3、系统启动后将调节阀CV101，CV102的开度设置在50%，80%左右。
4、待系统达到稳定，按照先副后主的顺序将串级控制系统投入自动，投运过程无扰动串级控制系统参数整定，使用一步法
1、系统流程图：
系统方框图：
串级控制系统因为具有主副两个控制回路，从传递方式来看，是串联的进行工作，主回路的输出是通过副回路起作用；按照回路闭合向来看，副回路被包括在主回路中，可以看成一个具有一定跟踪能力的控制环节，它以主回路的输出作为跟踪目标。
由于副回路的存在，分担了系统中的部分容量滞后和部分干扰的镇定作用，使系统的整体放大倍数、静态控制精度、系统抗干扰能力和工作频率等指标都提高到一个新的高度。
2、为了主变量的稳定，主控制器必须具有积分作用；副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化为了能快速跟踪，一般只需采取比例式。
主副控制器的正反作用确定应遵循先副后主的原则。
为了使副回路构成一个稳定的系统，副环内所有放大倍数各环节放大倍数的乘积应是负号；主控制器的正反作用也是根据主环内各个环节的乘积为负来确定，一般，主变送器为正，副回路为正，主控制器的正反作用只取决于主对象放大倍数的符号。
投运时要按照先副后主的顺序进行，先投运副回路，再投运主回路。
无扰动投运的步骤：（1）、主副控制器均放于手动位置。
主控制器放于内给定，副控制器放于外给定；将主副控制器正反作用开关置于正确位置；主副控制器参数放于预定数值。
（2）、用副控制器的手操器进行手操作。
（3）、当遥控使主变量接近或等于给定值而副变量也较平稳时，调节主控制器的手操旋钮，使副控制器的偏差表指示为零，这时副控制器的自动电流将跟踪等于手动电流，于是可将副控制器切入自动。
由于切换前控制器的自动电流等于手动电流，自动电流信号等于手动电流信号就意味着切换时刻不会造成控制阀阀位变化，因此切换是无扰动的。
（4）、当副环切入自动后控制稳定，主变量接近或等于给定值时，调整主控制器的内给定旋钮，使主控制器偏差表指示为零。
此时主控制器的自动输出电流跟踪等于手动输出电流，于是可将主控制器切入自动。
至此，系统则处于串级工作状态，而切换是无扰动的。
3、串级系统的参数整定：
与单回路的情况相同，串级控制系统也是在控制系统器投入自动后，通常并不能保证控
制系统开始就能很好的工作，控制质量指标可以立即达到要求，还要根据被控对象的具体情况，分别调整主、副控制器的参数，才可能使系统的动态品质和控制精度满足要求。
为了便于分析和比较，实验中大多施加的是阶跃干扰（让给定值产生一个突变并保持到这个过程结束，系统达到新的稳态，幅度要根据具体的对象特性而定）。
串级控制系统因含有主、副两个控制回路和控制器，所以应该分别整定两个控制器各自的参数。
但在实际系统的参数整定工作中，为了节省时间和简化整定工作程序，更多地还是使用一步整定法，即将副控制器的参数根据经验进行粗略设定（即：根据经验，将副回路的比例度设置在一个较小的数值上，确保副回路有较高的工作频率和放大倍数，当然不可过高，以免导致系统产生过度振荡），然后对主控制器的P、I参数按照4:1衰减法进行整定，方法和步骤单回路控制系统时相同。
一步整定法：（1）、副控制器置为纯比例控制器，比例度一般在25%—50%(经验值)之间；（2）、按单回路系统整定方法直接整定主控制器参数（4:1衰减曲线法）,设定值在40—65%内加阶跃干扰信号进行测试；
（3）、加入积分作用，形成PI控制，并进行测试、调整，直至得到满意的PI控制下的近似4:1衰减过程。
实验结果（包括所有的有效的实验数据曲线）：
从7000s后的曲线
对实验结果的分析讨论：由图可知，当对主回路的设定值向上调整时，由于副回路控制的动态性能好（纯比例控制器），响应速度块，上液位的变化较为迅速，经过一段时间，下液位达到设定值，效果明显。
在测试串级控制系统的抗干扰能力时，在副回路加入干扰，发现经过串级系统的调节，主回路的被控变量测量值受干扰的影响很小，变化不大，这足以说明串级控制系统在抗干扰方面的优势。
结论：串级控制系统中，由于副回路作为一个“助手”存在，它分担了系统中部分容量滞后和部分干扰的镇定工作，使系统的整体放大倍数、静态控制精度、抗干扰能力和工作频率等指标都提高到一个新的高度，实验效果要优于单回路控制系统。