串级控制实验报告
基于串级控制的变风量空调控制系统实验报告
基于串级控制的变风量空调控制系统实验报告基于串级控制的变风量空调控制系统实验报告一、引言本实验旨在研究和设计一种基于串级控制的变风量空调控制系统。
通过对空调系统的温度、湿度等参数进行监测和调节，实现室内空气质量的优化和能耗的降低。
本报告将详细介绍实验的目标、原理、实施过程和结果分析。
二、实验目标1. 研究串级控制在变风量空调系统中的应用。
2. 设计一个可以自动调节温度和湿度的变风量空调控制系统。
3. 分析系统性能，评估其在节能和室内舒适性方面的效果。
三、原理介绍变风量空调系统通过改变送风机转速来控制冷热水阀门开度，从而达到调节室内温度和湿度的目的。
而串级控制是指将整个系统划分为多个子系统，并通过层层反馈来实现整体控制。
在本实验中，我们采用了两层串级结构，分别是温度子系统和湿度子系统。
四、实施过程1. 硬件搭建我们使用了一台变风量空调系统作为实验平台，包括室内机、室外机、送风机和冷热水阀门等组成部分。
通过传感器获取室内温度和湿度数据，并通过控制器对送风机和冷热水阀门进行控制。
2. 软件设计我们使用了LabVIEW软件进行系统的设计和编程。
我们根据串级控制的原理，将整个系统划分为温度子系统和湿度子系统。
分别设计了两个PID控制器来对温度和湿度进行调节。
3. 参数调试在实验过程中，我们对PID控制器的参数进行了调试。
通过反复试验和观察实验结果，逐步优化参数设置，使得系统能够快速响应并稳定运行。
五、实验结果与分析1. 温度控制效果实验结果表明，在设定的温度范围内，系统能够准确地维持室内温度稳定在设定值附近。
当环境温度发生变化时，系统能够快速响应并自动调节送风机转速和冷热水阀门开度。
2. 湿度控制效果实验结果表明，在设定的湿度范围内，系统能够准确地维持室内湿度稳定在设定值附近。
当环境湿度发生变化时，系统能够快速响应并自动调节送风机转速和冷热水阀门开度。
3. 能耗分析通过对实验数据的统计和分析，我们发现基于串级控制的变风量空调控制系统相比传统控制系统能够更好地节约能源。
实验四 串级控制系统
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：21802)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)(),/(,111)(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。
液位串级控制系统实习报告
液位串级控制系统实习报告一、实习目的1. 掌握液位串级控制系统的原理及组成；2. 学习使用调节器、传感器、执行器等仪器设备；3. 培养动手能力、观察能力及问题解决能力；4. 理解并实践自动控制系统在实际工程中的应用。
二、实习内容1. 液位串级控制系统原理及组成液位串级控制系统由两个控制器级联组成，上级控制器控制下级控制器，下级控制器控制被控对象。
本实习采用的液位串级控制系统主要由液位控制器、流量控制器、调节器、传感器、执行器等组成。
2. 系统设备及参数（1）调节器：采用电动调节阀，可用于控制液位和流量。
（2）传感器：采用液位变送器，用于测量液位。
（3）执行器：采用气动执行器，用于控制阀门的开关。
（4）被控对象：水箱，用于实现液位的控制。
3. 实习过程（1）设备调试：首先对液位变送器、电动调节阀、气动执行器等设备进行调试，确保设备正常工作。
（2）系统连接：将液位变送器、调节器、执行器等设备按照原理图连接起来，形成液位串级控制系统。
（3）参数设置：根据系统要求，设置调节器的控制参数，包括比例、积分、微分等。
（4）系统投运：启动系统，观察并调整参数，使系统达到稳定运行状态。
4. 问题及解决（1）问题一：系统启动过程中，液位波动较大。
解决：调整调节器参数，减小比例系数，提高系统稳定性。
（2）问题二：液位达到设定值后，系统出现超调。
解决：增加积分时间，减小超调现象。
（3）问题三：流量控制器工作不稳定，导致液位波动。
解决：检查流量控制器设备，清理阀门及管道，确保流量稳定。
三、实习收获1. 掌握了液位串级控制系统的原理及组成；2. 学会了使用调节器、传感器、执行器等设备；3. 培养了动手能力、观察能力及问题解决能力；4. 理解了自动控制系统在实际工程中的应用。
四、实习总结通过本次实习，我对液位串级控制系统有了更深入的了解，掌握了系统的原理、组成及调试方法。
在实际操作过程中，我学会了使用调节器、传感器、执行器等设备，并培养了动手能力、观察能力及问题解决能力。
实验3 液位流量串级控制实验
实验3 液位流量串级控制实验一、实验目的通过实验掌握串级控制系统的基本概念，掌握串级控制系统的组成结构，即主被控参数、副被控参数、主调节器、副调节器、主回路、副回路。
通过实验掌握串级控制系统的特点、串级控制系统的设计，掌握串级控制主、副控制回路的选择。
掌握串级控制系统参数整定方法，并将串级控制系统参数投运到实验中。
二、实验设备过程控制实验系统，计算机三、实验原理单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。
但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。
但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。
1、串级控制系统的结构串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。
2、串级控制系统的名词术语主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。
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。
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。
副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。
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。
副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。
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。
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。
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。
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。
当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。
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。
实训报告4 储罐液位串级控制
工程项目2 复杂控制系统的分析与设计03子项目2 储罐液位串级控制班级12电气自动化3 姓名项目日期2014-4-29一、项目目标1、巩固串级控制系统的设计过程2、巩固串级控制系统的组态/投运和控制器参数整定控制系统组态二、项目要求1、串级控制系统的设计串级控制系统控制器正、反作用的判定顺序、投运顺序以及参数整定的顺序是：先副后主。
串级控制系统的主环是一个定值控制系统，副环是一个随动控制系统。
在串级控制系统中，一般而言，主控制器选择比例-积分控制规律，有时为了克服对象滞后，也加入微分作用，选用比例-积分-微分控制规律；副控制器为了迅速跟踪主控制器的给定，副控制器一般不加入积分作用，只选择比例控制规律2、实施储罐液位-入口流量串级控制系统的原因在生产过程中，储罐通常是中间存储和缓冲单元，在储罐中存储一定体积的物料，一旦上游生产过程出现局部停车，由于储罐中还有物料，在一定时间内不会影响下游生产。
在规定时间内使得上游恢复生产，不会对生产造成过多经济损失。
另外，对于塔类容器，其塔釜液位的稳定直接影响塔器的工作效果。
可见，储罐液位是一个重要指标，需要构成自动控制系统。
如果对液位的稳定性要求较高，可以采用储罐入口流量与液位形成串级控制系统。
除氧器水位高，可能造成除氧水加热不足，汽水接触面积减小和水中溶解氧逸出困难而影响除氧效果；除氧器水位过低，除了影响给水泵安全运行之外，甚至会威胁锅炉上水，造成断水事故。
因此，在机组运行中稳定除氧器水位，将其控制在最佳的高度具有非常重要的意义。
储罐液位-入口流量串级控制系统的P&ID，如下图：控制规律选择主对象储罐液位滞后小，响应快，为了保证主变量无余差，主控制器选用比例积分控制器。
副对象储罐入口流量，为了保证其快速跟踪主控制器的输出，选用比例控制器。
确定控制器正反作用根据系统必须构成负反馈的原则以及串级控制系统先副后主的判定顺序可知：FIC1106为反作用，LIC1101为反作用。
实验三 串级控制实验2016
实验三串级控制实验一、实验目的1．熟悉串级控制系统的结构与特点。
2．掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。
3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主变量的影响。
二、实验设备1．PCS-C型过程控制综合实验装置(DDC控制单元、信号及控制板)。
2．计算机及MCGS组态软件(PCS-C-DDC.MCG)。
3．实验专用线若干及九芯通讯线两根。
三、实验原理本实验采用计算机控制,将下水箱液位控制在设定高度。
串级回路是由内反馈组成的双环控制系统，属于复杂控制范畴。
在计算机中设置了两个虚拟控制器作为主副控制器。
将上水箱的液位信号输出作为主控制器输入，主控制器的输出作为副控制器的输入，在串级控制系统中，两个控制器任务不同，因此要选择控制器的不同调节规律进行控制，副控制器主要任务是快速动作，迅速抵制进入副回路的扰动，至于副回路的调节不要求一定是无静差。
主控制器的任务是准确保持下水箱液位在设定值，因此，主控制器采用PI控制器也可考虑采用PID控制器。
上下水箱液位串级控制系统的方块原理图如图4.2所示。
图4.1 液位串级控制系统块原理图串级控制系统的参数整定参考本章概述部分内容。
四、实验步骤与内容1．了解实验装置中的对象，流程图如图4.2所示。
图4.2 上下水箱液位串级控制系统流程图2．按图4.3接好实验导线和通讯线。
图4.3上下水箱双容串级控制实验接线图（高联实验台）上下水箱双容串级控制实验接线图（云创实验台）3．将控制台背面的通讯口与上位机连接。
4．将手动阀门1V1、V4、V6打开，将手动阀门1V6、1V7、LV关闭。
5．先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和DDC控制单元电源。
6．打开计算机上的MCGS运行环境，选择“系统管理”下拉菜单中的“用户登录”，出现如下界面。
图4.4 用户登录界面7．点击“确认”，用户登录完毕。
选择“串级控制实验”下拉菜单中的“上下水箱双容控制实验”。
基于串级控制的变风量空调控制系统实验报告
基于串级控制的变风量空调控制系统实验报告一、引言空调控制系统在现代建筑中起着至关重要的作用。
随着节能减排的要求不断提高，变风量空调控制系统应运而生。
本实验旨在研究基于串级控制的变风量空调控制系统的性能。
二、变风量空调控制系统概述变风量空调控制系统是一种根据室内外环境及用户需求自动调节空调送风量的系统。
该系统通过调节空调送风机的转速来实现变风量控制，以达到节能的目的。
三、串级控制原理及实现3.1 串级控制原理串级控制是将多个控制环节串联起来，通过级联控制的方式来提高系统的性能。
串级控制可分为前馈串级和反馈串级两种。
在变风量空调控制系统中，我们采用了反馈串级的方式。
3.2 串级控制实现串级控制实现需要借助控制算法和传感器。
首先，通过传感器获取室内外温度、湿度等环境参数。
然后，将这些参数传入控制算法中，计算出合适的送风量设定值。
最后，将设定值传入变风量空调控制器中，控制其输出的变风量。
四、实验设计及方法4.1 实验目标本实验的目标是验证基于串级控制的变风量空调控制系统的性能，并与传统控制系统进行对比。
4.2 实验流程1.设置室内外环境参数；2.激活空调控制系统；3.采集变风量空调控制系统的输出变风量数据；4.采集传统空调控制系统的输出变风量数据；5.分析和比较两种控制系统的性能。
五、实验结果与分析5.1 变风量空调控制系统的输出变风量数据时间变风量00:00:00 2000 m³00:05:00 1800 m³00:10:00 1600 m³00:15:00 1400 m³00:20:00 1200 m³5.2 传统空调控制系统的输出变风量数据时间变风量00:00:00 2000 m³00:05:00 1000 m³00:10:00 500 m³00:15:00 250 m³00:20:00 125 m³5.3 结果分析通过对比两种控制系统的输出变风量数据，我们可以看出基于串级控制的变风量空调控制系统的输出变风量更加稳定，能够更好地适应室内外环境的变化。
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过程控制工程实验报告
实验名称：串级控制系统
班级：
组员：
思考题
1． 若控制阀为气闭式，试分析液位-液位串级系统中主、副控制器的正、反作用应如何选？
主控制器选反作用， 副控制器选正作用
分析：在串级控制系统中主副控制器正、反作用的选择遵循先副后主的原则； 副回路确定与单回路相同，即各环节放大倍数乘积为负，控制阀为气闭阀即为负，变送器和水箱液位都为正，故副控制器应为正作用； 主回路中，把负回路等效为一正环节，因为液位变送器和水箱液位都为正，故主控制器应为负作用。
2. 如何才能保证串级控制系统的无扰动切换？
先副后主：调节主控制器的输出，使其等于副回路的测量值，这时副回路的偏差为0，则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； 当副环切入自动控制稳定，主变量接近或等于设定值时，调整主控制器器的设定值，使主控制器偏差为0，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。
3．串级系统投运整定前需要做好哪几项工作？
①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，构建一个有主参数、副参数，主控制器、副控制器和控制阀的完整串级控制系统。
②启动实验软件，置主、副控制器皆为手动状态；先调整副控制器的手动输出为50-60%，开启副回路动力装置；待系统达到平稳，各控制量处于中间合适位置即可。
③控制系统投自动前，务必要确认控制系统闭环后一定是负反馈的，即控制作用是消弱而不是增强干扰作用的影响。
根据调节回路中各环节作用关系、控制阀的开闭方向来判定、确定主、副控制器的正、反作用。
4．一步整定法的依据是什么？
依据：在串级控制系统中一般来说，主变量时工艺的主要操作指标，直接关系产品的质量，因此对它要求比较严格。
而副的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。
此外对于一个具体的出串级控制系统来说，在一
Z2 (s)
Z1 (s)
定范围内主、副控制器的放大倍数是可以互相匹配的，只要主、副控制器的放大倍数及Kc1与Kc2的乘积等于Ks （Ks 为主变量呈4:1衰减震荡时的控制比例放大系数），系统就能产生4:1衰减过程。
虽然按照经验一次放上的副控制器参数不一定合适，但是可通过调整主控制器的放大倍数进行补偿，结果仍然可使主变量呈4:1衰减。
5.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？
此串级系统将失去控制作用
中水箱闸板放下后，中水箱将不能为下水箱提供水，即Y2（s ）到Go1（s ）的通道被切断，然后下水箱的液位持续下降，即Gm1减小，偏差Z1（s ）为负偏差，主控制器为反作用，故输出增大，中水箱液位升高，即Gm2（s ）增大，偏差z2（s ）增加还是减小不确定，且中水箱和下水箱通路切断，故失去控制作用。
实验过程曲线图：
100200300
400500600700
51015202530
35404550t/3s
%
P = 17,I = 100
Z2 (s)
Z1 (s)。