实验二串级控制系统设计性实验(自09)

1、实验二串级控制系统设计性实验一.实验目的1、学习串级控制系统的原理。2、了解串级控制系统的特点。3、掌握串级控制系统的控制器参数调整和投运4、研究串级控制系统对扰动的调节作用及克服扰动的能力。实验设备a3000-fs/fbs现场系统，控制系统，以及上位监控计算机及组态王软件。1、现场系统组成a3000现场系统（a3000-fs和a3000-fbs）包括三水箱，一个锅炉，一个强制换 热器，两个水泵，两个流量计，一个电动调节阀。其他还包括加热管，大水箱。0jv106锅炉aaaaa卜101ls电磁阀xv102x?-ls102jv205ajv102jv2041滞后管jv2cjv207°&qu

2、ot;1l101jv502滞厉管hlt103lt102巴k毎jv103v10105人储水箱换热jv105()te、电磁阀pt、jv305v304/jv104pvinift调节阀jv20jv60i2. 实验控制系统.a3000控制系统（a3000-cs）包括了传感器执行器i/o连接板、三个可换的 子控制系统板，第三方控制系统接口板。整个部分设计在一个工业机柜中，开放性极强。一个前门，保证了设备防尘、 散热等需要。内部结构设计合理，布线完全按照工业要求，整齐、可靠。系统结构如图所示。左边是机柜布置简图，右边是各个控制系统的半模拟屏 简图。控制系统结构控制系统结构举例常规仪表，ddc ,或plc实验

3、接口过程级接入设备11网rs485 到以太管理级三、实验内容及设计要求（写出预习报告）1、串级控制系统设计：根据过程控制实验室的过程控制实验装置a3000系统，参考实验指导书, 设计一个串级控制系统，说明设计意图。画出带控制点的工艺流程图和方框图。2、如何运行至稳态工艺点？3、串级控制系统投运： 参考资料写出投运步骤4、串级控制系统整定：写出采用整定方法，说明主副控制器的正反作用、采用的控制规律。5、串级控制系统特性的测试：测试内容设计、实现方法（主要考虑串级控制系统对扰动的调节作用及克 服扰动的能力。）（参考a3000高级过程控制系统实验指导书v3闭环双水箱液位串级控制系统实验）实验步1、按

4、照a3000装置系统示意图，根据液位串级控制系统流程图通过管路中手动 阀门的开闭状态，正确连接工艺管道。2、根据液位串级控制系统流程图及方框图在a3000控制系统上进行传感器、执 行器与控制器的接线。3、控制系统上电，启动上位监控计算机及组态王软件，进入组态王软件的实验 界面，点击闭环双水箱液位串级控制系统的名称，进入闭环双水箱液位串级控制 系统的监控i田i面。观察闭环双水箱液位串级控制系统的监控同面，明确各参数的名称及功能,了解监控画面实时趋势曲线中各条曲线的名称。4、打开装置水泵的电源，开水泵，a3000装置开始运行。检查工艺管道连接是否正确?运行至稳态工艺点。第一个动力支输出值给泄值图6

5、-1-1液位串级控制实验5、选择闭环双水箱液位串级控制系统主副控制器的控制规律 6、串级控制系统的投运串级控制系统的投运遵循的原则：其一投运的顺序：一般都采用先投副环后投主环的投运顺序；其二是投运过程必须保证无扰动切换。串级控制系统的投运与参数整定的方法有关。两步法整定参数的系统投运步 骤如下。 设置主控制器为“内给”、“手动”，设置副控制器为“外给”、“手动”。 主控制器手动输出，调整副控制器手动状态遥控输出，使装置处于要求的 工况，即使主变量慢慢在给定值附近稳定下来， 调整副控制器手动状态遥控输出，使副变量慢慢在给定值附近稳定下来, 即至副控制器偏差为零时，将副控制器切“自动” 调整主控制

6、器手动输出至主控制器偏差为零时，将主控制器切“自动”。整泄副控制器参数（参数整定方法见第7项）,使副被控变量的响应满足所需性能指标（例如衰减比指标）。整定主控制器参数.使主被控变量的响应满足 所需性能指标（例如衰减比指标、余差等）。串级控制系统的投运宜先副后主，由丁设置副环的冃的是提高主被控变量的控制品质，因此，对副控制器参数整立的结果不应作过多限制，应以快速、准确 跟踪主控制器输出为整定参数的目标。当工艺过程对副被控变量也有一定控制指 标要求时（例如精确流量测量等），rij采用逐步逼近法整定参数，使副被控变量也 能够满足所需控制指标。7、串级控制系统的控制器参数整定按照设计的串级控制系统控制

7、器的控制规律，根据吊级控制系统的工程整定 方法，如两步法和一步法，按照先整定副环后整主环的顺序进行控制其调节参数 的整定。调节pid值，记录实验的响应曲线，直到获得最佳控制效果。所谓二步法就是整定分两步进行，先整定副环，再整定主环。这种方法实施 的前提是基于主、副对象的动态特性相差比较悬殊，主、副回路的工作频率大不 相同，主回路的操作周期远远大于副回路的操作周期，它们z间的动态联系很小。 另一方面一般对副参数的质量指标没有严格要求，只要保证主参数的控制质量。 二步法整定步骤如下：（1）在主冋路闭合的情况下，主、副控制器都为纯比例作用，并将主控制器 的比例度置于100%,用4： 1衰减曲线法（见

8、下参考资料）整定副控制器，求取 副回路4： 1衰减过程的副控制器比例度（§2p）以及操作周期（t2p）o（2）将副控制器的比例度置于所求的数值s 2p ±,把副冋路作为主冋路的一 个环节，用同样的方法整定主控制器，求取主回路4： 1衰减过程的§ lp和tip。（3）根据求得的（6 lp）和（tip）、（§2p）和（t2p）数值，按经验公式求出主、副 控制器的比例度、积分时间和微分时间。（4）按先副后主、先比例后积分再微分的程序，设置主、副控制器的参数， 再观察过渡过程曲线，必耍时进行适当调整，直到系统质量达到最佳为止。参考资料：衰减曲线法是通过使系统响应

9、产牛衰减振荡曲线，测出衰减振荡曲线的 特征参数來计算系统的pid参数。具体方法如下：在闭坏负反馈回路系统中，将控制器调为 纯比例p作用（将”调为无穷大g位置，h放在0位置上）。将比例度p放在最大位置上， 用改变给定值（用阶跃信号）方式，使调节器得到一个阶跃的偏差信号，观察系统响应曲线 的衰减比，然后从大到小调节比例度，直到系统响应曲线的衰减比为4： 1,记下此时的比 例度§ s,衰减周期ts ,然后根据表（4： 1衰减曲线法控制器参数计算公式）计算p1d参数。控制作用比例度8 s/%积分时间ti/分钟微分时间td/分钟p6 spd1.26s0. 5lptd0.8 6 s0.3 t40

10、. its4:1衰减曲线法控制器参数计算公式4:1整定法 系统衰减振蕩响应曲线 图川4： 1整定法在现实工作中，有时仍嫌系统振荡太强，也可以按1（）： 1衰减比来整定, 按照4： 1的方法，可同样得到比例度“和系统最上升时间t,按照如下：（10： 1衰减曲 线法控制器参数计算公式）表，计算出pid参数。控制作用比例度§ s' /%积分时间ti/分钟微分时间td/分钟p6s'pd1.2§s2tptd0.8§s'1.2t0. 4t10： 1衰减|11|线法控制器参数计算公式在实际工作中，采用衰减曲线法整定控制器参数应该注意点： 加干扰阶跃信号不拟过大，要根据工艺过程容许波动情况而定，一般考虑5%10% 为宜。 应该在工艺过程工况相对稳定下，进行整定。否则测出的衰减振荡曲线的特征参数 不会准确。 4： 1衰减曲线法整定参数是比较普遍采用的方法，一般情况下的各种过程参数控 制系统都采川，但对于哪些过程系统变化快、干扰频繁发生的系统不宜采川此方法。8、研究串级控制系统对扰动的调节作用及克服扰动的能力。串级控制系统投入自动运行，待系统稳定后加入一次扰动，观察一次扰动对 主、副参数的影响，记录实验的响应曲线，等待系统稳定后再加入二次扰动