串级控制系统的构成投运和参数整定及控制质量研究
北京科技大学过程控制实验报告
实验报告课程名称：过程控制系统实验项目名称：被控对象特性测试实验日期与时间： 2022.07 指导教师：班级：姓名：学号：成绩：一、实验目的要求1．了解控制对象特性的基本形式。
2．掌握实验测试对象特性的方法，并求取对象特性参数二、实验内容本节实验内容主要完成测试对象特性，包含以下两部分内容：1．被控对象特性的实验测定本实验采用飞升曲线法（阶跃向应曲线法）测取对象的动特性。
飞升曲线是指输入为阶跃信号时的输出量变化的曲线。
实验时，系统处于开环状态，被控对象在某一状态下稳定一段时间后，输入一阶跃信号，使被控对象达到另一个稳定状态，得到被控对象的飞升曲线。
在实验时应注意以下的一些问题：1）测试前系统应处于正常工作状态，也就是说系统应该是平衡的。
采取一切措施防止其他干扰的发生，否则将影响实验结果。
2）在测试工作中要特别注意工作点与阶跃幅度的选取。
作为测试对象特性的工作点，应该选择正常工作状态，也就是在额定负荷及正常的其他干扰下，因为整个控制过程将在此工作点附近进行。
阶跃作用的取值范围为其额定值的 5－10%。
如果取值太小，由于测量误差及其它干扰的影响，会使实验结果不够准确。
如果取值过大，则非线性影响将扭曲实验结果。
不能获得应有的反应曲线，同时还将使生产长期处于不正常的工作状态，特别是有进入危险区域的可能性，这是生产所不能允许的。
3）实验时，必须特别注意的是，应准确地记录加入阶跃作用的计时起点，注意被调量离开起始点时的情况，以便计算对象滞后的大小，这对以后整定控制器参数具有重要的意义。
4）每次实验应在相同的条件下进行两次以上，如果能够重合才算合格。
为了校验线性，宜作正负两种阶跃进行比较。
也可作不同阶跃量的实验。
2．飞升曲线数据处理在飞升曲线测得以后，可以用多种方法来计算出所测对象的微分方程式，数据处理方法有面积法、图解法、近似法等。
面积法较复杂，计算工作量较大。
近似法误差较大，图解法较方便，误差比近似法小。
过程控制李国勇著第6章串级控制系统
D2
燃料
D3
33
• 一次扰动D3使TT1↑,同时二次扰动D2使TT2↓→TT1↓， 作用影响控制输出朝相反方向变化 • 二次扰动D2使TT2↓→TC2↑(反作用)→V↑ • 一次扰动D3使TT1↑→TC1↓(反作用)→TC2给定↓ V↓ • 作用结果：一次扰动D3， 二次扰动D2→V↑↓ sp
TC2 TC1
第6章 串级控制系统
目 录
6.1 串级控制系统的基本概念 6.2 串级控制系统的分析 6.3 串级控制系统的设计 6.4 串级控制系统的整定 6.5 串级控制系统的投运 6.6 利用MATLAB对串级控制系统进行仿真 本章小结
1
• 最简单的控制系统——单回路控制系统
• 系统中只用了一个调节器，调节器的设定值 一般是内给定的。
压力给定
12
温度-压力串级控制系统框图
13
系统结构特点：
• 被控对象分成两部分，对象1和对象2。 • 调节器1输出作为调节器2给定值。 • 1个执行器完成调节。
• 压力回路克服D1(t)保证流量稳定且快速跟随调节器1的给定值(随动控制)。 • 温度回路实现温度设定控制(定值控制)。
温度-压力串级控制系统
6
简单控制系统方框图：
影响烧成带温度l的各种干扰因素都被包括在控 制回路当中，只要干扰造成l偏离设定值，控制器就 会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从 而把变化了的l 重新调回到设定值。
7
sp
TC TT
• 影响控制质量因素：
• 1 被控对象特性； • 对象特性-多环节大惯性对象
V
Y2(S)
D1
-
GC1(S)
-
GC2(S)
GV(S) Gm2(S) Gm1(S)
串级调节系统
实验串级调节系统一、实验目的1、熟悉串级调节系统的组成，结构。
2、通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。
3、学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。
二、实验原理串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。
在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。
由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。
1、串级控制系统的结构图1 串级控制系统结构如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。
2、串级控制系统的名词术语：（1）、主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。
（2）、副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。
（3）、主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。
（4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分，其输出控制主控参数。
（5）、主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。
（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。
（7）、副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。
（8）、主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。
（9）、一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
（10）、二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。
3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点：串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。
它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统的结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：（1）、改善了过程的动态特性串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。
串级、比值、前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量六种复杂控制系统
1、串级控制系统
串级控制系统是应用最早，效果最好，使 用最广泛的一种复杂控制系统，它的特点 是两个调节器相串联，主调节器的输出作 为副调节器的设定，当对象的滞后较大， 干扰比较剧烈、频繁时，可考虑采用串级 控制系统。
1、基本概念
串级控制系统(Cascade Cont ro1System)是一 种常用的复杂控制系统，它根据系统结构
主回路(外回路)：断开副调节器的反馈回路 后的整个外回路。
副回路(内回路)：由副参数、副调节器及所 包括的一部分对象所组成的闭合回路（随
动回路)
主对象(惰性区)：主参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为副变量，输出信 号为主参数(主变量)。
副对象(导前区)：副参数所处的那一部分工 艺设备，它的输入信号为调节量，其输出 信号为副参数(副参数 将要达到危险值时，就适当降低生产要求， 让它暂时维持生产，并逐渐调整生产，使 之朝正常工况发展。能实现软限控制的控 制系统称为选择性控制系统，又称为取代 控制系统或超驰控制系统。
通常把控制回路中有选择器的控制系统称 为选择性控制(selective control)系统。选择 器实现逻辑运算，分为高选器和低选器两 类。高选器输出是其输入信号中的高信号， 低选器输出是其输入信号中的低信号。
控制系统一般又可分为简单控制系统和复 杂控制系统两大类，所谓复杂，是相对于 简单而言的。凡是多参数，具有两个以上 变送器、两个以上调节器或两个以上调节 阀组成多回路的自动控制系统，称之为复 杂控制系统。
目前常用的复杂控制系统有串级、比值、 前馈-反馈、选择性、分程以及三冲量等， 并且随着生产发展的需要和科学技术进步， 又陆续出现了许多其他新型的复杂控制系 统。
路外，使调整k时不影响控制回路稳定性。
串级控制系统参数整定步骤
串级控制系统参数整定步骤嘿，咱今儿就来讲讲串级控制系统参数整定步骤这档子事儿。
你想啊，这串级控制系统就好比是一支训练有素的队伍，要想让它发挥出最大的威力，那每个环节都得精心调整。
这参数整定啊，就是让这个队伍能协调一致、高效作战的关键。
第一步呢，就像是给队伍选好领队一样重要。
咱得先确定主回路的参数，这可是基础中的基础。
得好好琢磨琢磨，怎么让主回路稳定运行，就像给房子打牢地基一样。
然后呢，到了副回路啦。
这副回路就像是队伍里的先锋队，得快速响应，灵活多变。
调整副回路的参数，让它能紧跟主回路的节奏，迅速做出反应。
接下来呀，就开始反复试验啦。
这就跟做菜似的，调料放多少得一次次试，才能找到最合适的味道。
咱得不断地调整这些参数，看看系统的反应，直到找到那个最佳的平衡点。
你说这是不是很有意思？就跟搭积木一样，一块一块地调整，最后搭出一个漂亮、稳定的结构。
要是参数没整定好，那可就好比积木没搭稳，随时可能垮掉。
想象一下，一个没整定好参数的串级控制系统，那不就跟一群没头苍蝇似的乱撞嘛。
咱可不能让这种情况发生呀！咱得精心、细心地去调整，让它乖乖听话，为我们好好干活。
在这个过程中，可不能马虎。
每一个小细节都可能影响到整个系统的性能。
就好像一颗小螺丝钉，看着不起眼，要是松了，可能整个机器都出问题呢。
咱得有耐心，别着急。
参数整定可不是一下子就能搞定的事儿，得慢慢来。
就像跑马拉松，一步一步地跑，才能到达终点。
总之啊，串级控制系统参数整定步骤可不能小瞧。
咱得认真对待，仔细调整，让这个系统发挥出它最大的作用。
这样咱才能在各种控制场景中得心应手，让一切都按照我们的想法顺利进行。
这可不是一件容易的事儿，但只要咱用心去做，就一定能做好！相信自己，一定行！。
串级控制系统整理整理
串级控制系统整理手册一、串级控制系统概述串级控制系统是一种常见的复杂控制系统，主要由两个或多个控制环组成，每个控制环都负责调节一个特定的过程变量。
这种系统具有结构紧凑、响应速度快、控制精度高等优点，广泛应用于各类工业生产过程中。
二、串级控制系统的组成1. 主控制环：主控制环负责监控整个过程的主要变量，通常与系统的输出直接相关。
主控制器根据主控制环的偏差，调整副控制器的设定值，以实现系统整体的控制目标。
2. 副控制环：副控制环位于主控制环内部，负责调节过程中的辅助变量。
副控制器根据副控制环的偏差，调整执行机构的输出，以影响主控制环的变量。
3. 执行机构：执行机构是串级控制系统的执行者，负责根据控制器的指令调整过程变量。
常见的执行机构有电机、阀门、变频器等。
4. 被控对象：被控对象是串级控制系统的作用对象，包括各种生产过程中的设备、工艺和参数。
三、串级控制系统的特点1. 快速响应：串级控制系统通过多个控制环的协同作用，能够迅速响应过程变化，提高系统的动态性能。
2. 高精度：串级控制系统可以实现对外部干扰的有效抑制，提高控制精度，确保产品质量。
3. 灵活性：串级控制系统可根据实际生产需求，调整控制参数，适应不同工况。
4. 易于维护：串级控制系统结构清晰，便于故障排查和日常维护。
四、串级控制系统的设计要点1. 确定控制目标：明确串级控制系统的主、副控制环控制目标，确保系统稳定运行。
2. 选择合适的控制器：根据被控对象的特性，选择合适的控制器类型和参数。
3. 优化控制参数：通过调整控制器参数，使串级控制系统达到最佳控制效果。
4. 考虑系统抗干扰能力：在设计过程中，充分考虑外部干扰因素，提高系统的抗干扰能力。
5. 系统调试与优化：在系统投运后，根据实际运行情况，不断调整和优化控制参数，确保系统稳定、高效运行。
五、串级控制系统的实施步骤1. 系统分析与建模：深入了解生产工艺，对被控对象进行详细分析，建立准确的数学模型，为控制器设计提供依据。
串级控制系统两步整定法
串级控制系统两步整定法一、什么是串级控制系统？串级控制系统是指由两个或多个具有不同动态特性的控制环节组成的控制系统。
其中，前一级控制器的输出作为后一级控制器的输入。
它可以实现对复杂过程的高效精确控制。
二、串级控制系统的优点1. 可以有效地降低过程变量对干扰和负载变化的敏感度。
2. 可以提高整个系统的稳定性和响应速度。
3. 可以提高系统的鲁棒性，使得系统更加稳定可靠。
三、串级控制系统两步整定法1. 第一步：前置环节PID参数整定（1）选择合适的开环传递函数模型，求出其传递函数；（2）根据经验或实验数据选择合适的调节器类型，如比例积分型；（3）根据Ziegler-Nichols方法或其他方法确定比例增益Kp和积分时间Ti；（4）通过仿真或实验验证整定参数是否合理，并进行修正。
2. 第二步：主环节PID参数整定（1）将前置环节固定为已知值，得到主环节开环传递函数；（2）根据经验或实验数据选择合适的调节器类型，如比例积分型；（3）根据Ziegler-Nichols方法或其他方法确定比例增益Kp和积分时间Ti；（4）通过仿真或实验验证整定参数是否合理，并进行修正。
四、串级控制系统两步整定法的应用实例以温度控制系统为例，假设前置环节为加热器，主环节为温度传感器。
1. 第一步：前置环节PID参数整定（1）选择加热器的传递函数模型为：G1(s)=0.5/(s+0.2)；（2）选择比例积分型调节器；（3）根据Ziegler-Nichols方法得到Kp=0.5，Ti=2s；（4）通过仿真验证参数合理性，并进行修正。
2. 第二步：主环节PID参数整定（1）将前置环节固定为已知值，得到温度传感器的开环传递函数：G2(s)=0.1/(s+0.1)；（2）选择比例积分型调节器；（3）根据Ziegler-Nichols方法得到Kp=0.8，Ti=3s；（4）通过仿真验证参数合理性，并进行修正。
五、总结与展望串级控制系统是一种高效精确的控制系统，可以应用于各种复杂过程的控制。
《过程控制工程》3 串级控制系统
主 ： P G P T ( ) T G T T ( ) e 1 G C 1( ) u 1 e 2 z 2 u . 1 e 2 P G P T ( ) T
b. 干扰进入主回路
R1(s) e1 GCT(s) u1 e2 GCP(s) u2
原料 出口
T2C
T2T
TC TT PC PT
燃料 原料
方框图
R1(s)
R2(s) GCT(s)
Z1(s)
Z2(s)
GCP(s)
温度-压力串级控制
GV(s)
D2(s)
D1(s)
Y2(s)
Y1(s)
GPP(s)
GPT(s)
GTP(s)
GTT(s) . 串级控制系统方框图
3）串级控制主要参数及环节
TC TT
q
P(s)
T(s)
GV(s)
GPP(s)
GPT(s)
(-)
(+)
(+)
GTP(s)
(+)
GTT(s)
(+)
串级控制系统方框图
➢设定元件作用方式：
温度对象：正作用（＋） 测量变送器：正作用（＋） 压力对象：正作用（＋） 压力控制器：正作用（＋） 调节阀门：气关阀（－）. 温度控制器：副作用（－）
2）动作分析
➢ 副被控变量（副参数） 为稳定主参数而设定的中间（辅助）被控变量。 例如：例中精馏塔再沸器. 加热蒸汽压力。
b. 构成单元环节
TC TT PC PT
R1(s)
R2(s) GCT(s)
Z1(s)
Z2(s)
GCP(s)
GV(s)
D2(s)
D1(s)
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实验一串级控制系统的构成、投运和参数整定及控制质量
研究
一、实验目的
1、加深理解串级控制系统的工作原理及特点。
2、掌握串级控制系统的设计和组成。
3、学习相关的组态软件
4、初步掌握串级控制系统的控制器参数调整方法。
二、实验设备
1、A3000－FS现场总线型过程控制现场系统4套
2、A3000－CS上位控制系统4套
三、实验要求
1、根据工艺要求和工况条件，设计出合理可行的串级控制系统。
（1）要求及条件
工艺要求：下水箱液位控制在某一高度上。
对下水箱液位产生影响的扰动量：若干变量。
（2）控制方案
主被控变量c1(t)、副被控变量c2(t)及操纵变量q(t)等的选择；主控制器和副控制器控制算法的选择及正、反作用的确定等。
2、掌握串级控制系统的控制器参数整定方法和系统投运步骤。
3、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
1、液位流量串级控制系统方案及工作原理
实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副被控变量，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。
以下水箱为主被控对象。
流量的改变需要经过一定时间才能反应到下水箱液位的变化，时间常数比较大（时延较大）。
如图2－1所示，
图2－1 液位－流量串级控制系统
设计好下水箱和流量串级控制系统。
将主控制器的输出送到副控制器的外给定输入端，而副控制器的输出去控制执行器。
经反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。
待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动（即，使干扰落入串级控制系统的副回路）。
若控制器的各参数设置比较理想，且扰动量较小，经过副回路的及时控制校正，基本不会影响下水箱的液位。
如果扰动量较大或控制器的各参数设置不理想，虽然经过副回路的校正，还将会影响主回路的液位，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动的影响，使液位调回到给定值上。
当用第一动力支路把扰动加在下水箱时（即，干扰落入串级控制系统的主回路），扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。
由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。
该串级控制系统框图如图2-2所示。
图2－2 液位－流量串级控制系统原理方框图
2、液位流量串级控制系统组态
表2－1 液位流量串级控制系统连接示意
测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口
电磁流量计FT102 AI0
下水箱液位LT103 AI1
调节阀FV101 AO0
3、液位流量串级控制系统实验内容与步骤
（1）、在A3000-FS 上，打开手动调节阀JV201、JV206，调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
（2）、按照表2－1进行连线。
或者按如下操作：在A3000-CS 上，将电磁流量计（FT102）连到控制器AI0输入端，下水箱液位（LT103）连到控制器AI1输入端，电动调节阀（FV101）连到控制器AO0端。
（3）、在A3000-FS 上，启动右边水泵，给中水箱注水。
（4）、首先进行副回路比例调节，获得δ值。
（5）、切换至单主回路控制。
断开电磁流量计与AI0的连线，将下水箱液位连到AI0。
调整主控制回路（调节P 、I 值即可），对主控制器或调节器进行工作量设定。
（6）、关闭阀JV205，当中水箱液位降低2cm 高度，打开阀门，观察控制曲线，等待稳定。
（7）、切换到串级控制状态（此时最好无扰动）：将电磁流量计连到副控制器输入端AI0，主控制器输出端连接到副控制器的外给定端，副控制器的输出连接到调节阀。
（8）、正确设置PID 控制器：
副控制器：纯比例（P ）控制，反作用，自动，K C2（副回路的开环增益）较大。
主控制器：比例积分（PI ）控制，反作用，自动，K C1〈 K C2（K C1主回路开环增益）。
（9）、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。
（10）、通过反复对副控制器和主控制器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。
4、液位流量串级控制系统的网络结构图：
5、控制系统的投运及运行
流量-液位串级控制系统的PID 参数采用一步法进行整定，根据经验，流量副环采用比例（P ）控制规律，设定%402=δ，液位主环采用衰减曲线法进行整定。
经过多次P 、I 值
尝试后发现当主控制器的%101=δ、I=100、D=0运行后可得比较理想的系统曲线，如下图所示：
结果分析：根据PID 控制的特性调节参数，使系统达到较满意的状态。
加阶跃信号后观察系统的动态性能。
通过增加比例系数克服扰动，但比例系数的加大会使上升速度加快，曲线变陡，造成调节阀动作幅度的加大，引起被调量的来回波动。
因为在调节参数中加大了积分的作用，降低了系统的稳定程度，使得超调量加大，但对消除余差有较好效果。
在计算机中改变PID 参数后，调节阀不能很快动作，特别是在上升到接近阶跃输入设定值时，调节阀输出值减少过慢，使液位超过设定值后仍在上升会造成超调增大。
且调节阀本身存在死区，使得调节时间加长，系统不易稳定。
但是通过PID 参数整定，使系统获得较满意的曲线图，最后可从曲线图中看出，系统的检测值与设定值一致，无偏差。
六、思考问题
1、串级控制系统有哪些主要特点？什么情况下可考虑设计串级控制？
答：（1）串级控制系统的主要特点为：具有更高的工作频率；具有较强的抗干扰能力；具有一定的自适应能力。
（2）设计时对于对象的滞后和时间常数很大，干扰作用强而频繁，负荷变化大，对于控制质量要求较高的场所可以使用串级控制系统。
2、制定串级控制系统方案时应该注意哪几个方面的问题？
答：副回路的设计质量是保证串级控制系统优势的关键所在，其又取决于副参数的选择，一般要遵循一下原则：副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通路短，反应灵敏；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰，调节通道短与尽可能多的纳入干扰这两者间纯在的矛盾，应在设计中加以协调；,设计中应防止积分器饱和的现象。
3.串级控制系统中主、副控制器的正反作用如何选择？
答：遵循先副后主的原则，副控制器的作用方向与副对象的特征、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法是使副回路各环节放大倍数符号的乘积为“负”。
控制器正、反作用设置正确的副回路可将其视为一放大倍数为“正”的环节来看待，这样只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求，即可确定主控制器的正、反作用。
七、实验总结
通过本次实验，我将串级控制系统的构建、串级控制系统PID参数的整定应用于实际控制系统的组建之中，完成了流量-液位串级控制系统的组建和参数整定,实现了对流量和液位的串级控制。