实验4串级控制系统2014-Me

实验三串级控制系统运行与研究2014年4月自动化系统与装置实验室液位串级控制系统目的：通过实际构建、运行一个串级控制系统，更深入理解一个串级控制系统在工业应用的原理和操作步骤；体会复杂控制系统的参数调整方法—一步整定法；实验设备：A3000过程控制实验装置二级水箱的双液位系统，(两个离的水箱水位)；PC台式机及工控组态软件；串级控制系统的要求：保证主参数具有较高的稳定性，和较好的稳态精度；副参数（中液位）能较快地变化和跟踪能力。系统对落在主、副回路内的干扰都有较好的镇定效果。还要便于调整、维护，并足生产的质量与安全的要求（具有报警，操作限制等措施）。工业中的串级系统是一包含基本串级控制方案，并还附加了其它安全操作及故障保障设备的复合系统。1.实验目的与要求液位-液位串级控制方案被控对象：不同位置放置的二层水箱—行成两个对象；主对象—下水箱；副对象—中水箱主参数—下水箱水位，副参数—中水箱水位；2.串级控制系统的构建方案Z2(s)Z1(s)注意：Y1(s),Y2(s)分别代表什么,Z1(s),Z2(s)代表什么？U1(s)与R2(s）有什么联系？液位-液位串级控制方案1）实验工作：构建串级控制系统，了解投运并整定串级系统参数的基本方法，并检验该系统是否达到质量要求；2）主要步骤：①确认被控设备和参数，进行信号连线，以下水箱液位为主被控参数，中水箱液位为副被控参数的双液位串级控制系统，做好系统运行的准备；②启动实验软件及实验设备，手动操作使系统达到稳定；③分别将串级的主、副控制回路无扰动地投入自动；④调整主、副控制器参数，使系统达到质量要求（较好的稳定性和较小的系统误差）⑤检验串级控制系统的控制质量和效果。3.实验工作与步骤液位-液位串级控制系统4.具体的操作步骤：①串级控制系统的投运准备首先检查管路、阀门(闸板的高度)，设备加电；(1)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；(2)启动实验软件，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%，启动水泵2；待系统达到平稳并使各水箱水位稳在中部附近，其间不要频繁调整阀的开度；(3)控制系统投入到自动前，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、确定副、主控制器的正、反作用；（按过控课程学的各环节+-符号判断）。（可在智能控制器上通过set键－＞PID->cont->ract/act检查和设置）。液位-液位串级控制系统②串级控制系统的连线串级控制的最主要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，主控制器是指挥操纵副控制器完成控制动作。右侧的副控制器只接受外部的模拟信号作为设定输入。输出值输出值LT103LT102FV101液位-液位串级控制系统③串级系统的手动-自动无扰动切换：(1)首先手动设置MV在中间开度，等系统稳定。若液位高度距离水箱中间位置相差太远，应稍微调整闸板的开度。注意：此时应调整哪个控制器的MV使控制阀的开度一定？(2)投运需按照“先副后主”的顺序进行，先投运副控制器，再投运主控制器，两个控制器都要按无扰动原则投运。待液位基本达到稳定，【依次调整两控制器的设定值对准测量值（液位）-即消除系统偏差】，然后将手动切换到自动。注意：副控制器的设定值是在哪里调？它由哪个变量提供？液位-液位串级控制系统一般要调整测量值等于设定值，为了缩短实验时间，故采用调整设定值等于测量值；除了控制器无偏差，还要求参数稳妥。(3)两控制器的比例度和积分时间都设置为100%以上和50秒。按“先付后主”的顺序，依次将副、主控制器的偏差消除后，把控制器投入“自动”；(4)一旦投入自动后，立刻将积分时间调整到3000秒以上。PV1PV2MV2MV1串级系统方框图与实际信号连接对照具体的实验操作步骤：液位单回路自动控制系统对现用的实验软件进行了改进，因而也影响到以后的操作，请特别注意。软件的改进带来了如下变化：（1）控制器一开始运行就处于手动状态，且MV的初值已设为50%；PID参数已经设置，P=150,I=50,D=0;（2）并已置SP=PV，在手动状态时一直保持，SP不能修改，这就为随时进行手动-自动无扰动切换做好准备。（3）当系统稳定可随时投入自动，操作比较安全，稳定，不易产生大的扰动，使今后的手自切换变得容易。在自动状态可以随时修改设定值。投运自动后可直接修改PID参数。特别说明：液位-液位串级控制系统④控制器参数的在线整定，工程参数整定法：串级控制系统，有两个控制器，两套控制器参数，整定起来更麻烦；工程上可采用两步法或一步法。一步法可加快整定速度，简化整定过程。一步法：(1)先将副控制器设置成为纯比例控制器，即将控制器的积分和微分作用去掉，积分时间设为3600s；微分时间置为0S。然后将比例度P2设置为一经验值，在这里可设置P2=30（抗干扰能力较强但不过高）。设置完毕后通常不必加干扰测试。(2)然后将主控制器按照单回路整定那样，按照近似4:1衰减曲线法整定主控制器的参数；将主控制器先设为纯比例控制器，比例度可以从50（即50%）开始寻找起。液位-液位串级控制系统(3)主控制器设定SP1加干扰。注意：设定值变化10%或者5%，具体向哪个方向变化取决于当前水位的状况。(4)给系统施加干扰后待其稳定，观察控制过程是否满足质量要求。(5)然后可将主控制器的比例度依次调整到35，20，每次改变后，都要改变给设定值加扰动进行测试，观察控制过渡过程曲线的变化—是否稳定较快，超调量较小，很快趋近于稳定（不一定是4:1衰减过程），确认该P值。注意：这样大幅度地改变比例度是为了减少测试和搜索次数，在工业控制中务必要小幅度、谨慎地调整。液位-液位串级控制系统

(6)测试应在工作点附近，通常也是每次变化5~10%，测试应还是往返进行。但若离合适的工作点较远，也可连续向同一方向变化。(7)以该比例度参数为基础，以该参数所对应曲线的振荡周期（两个波峰之间的时间）的一半为积分时间，或者选50-100s为积分时间，将控制器设置为PI（比例+积分）控制器；(8)在此参数下再次改变设定值5~10%，测试PI控制器的控制效果和质量，若不能满足要求可对PI参数稍作调整，直到满意，即完成常规（PID）控制器的参数整定过程；选作：如果有时间，可以适当关小V102的中间隔板QV118的高度，使其更接近2阶对象，并观察控制结果发生什么变化；液位-液位串级控制系统记录每次扰动测试对应的过渡过程曲线，并进行深入的分析讨论。思考问题（报告中必答）（1）若控制阀为气闭式，试分析液位与液位串级系统中主、副控制器的正、反作用应如何选？（2）怎样才能保证串级控制系统的无扰动切换？（3）串级系统投运整定前需要做好哪几项