东南大学过程控制实验报告六

1、东南大学自动化学院实 验 报 告课程名称： 过程控制 第 六 次实验实验名称： 液位流量串级控制实验 院 （系）： 自动化 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 同组人员： 实验时间： 2017 年6 月 3 日评定成绩： 审阅教师： 目 录一实验目的3二实验内容3三实验步骤4四实验现象4五思考题7一、 实验目的1、 了解串级控制系统参数整定方法；2、 掌握串级控制系统的主要特点；3、 了解液位、流量串级控制系统的应用实例。二、 实验内容1、基本概念及组成结构 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。 前一个调节器称为

2、主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。 整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。 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的，即包括在副回路范围内的扰动。2、串级控制系统的工作过程 当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析： 1）扰动作用

3、于副回路； 2）扰动作用于主过程； 3）扰动同时作用于副回路和主过程。分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。串级控制的原理方框图如图1所示：主调节器调节器副调节器电动阀上水箱副变送器主变送器-+-PVSV 内给定PV外给定开度检测液位检测图1 串级控制的原理方框图三 、实验步骤1、 掌握串级控制系统的设计方法，了解系统主、副回路组成以及对象扰动；2、 完成主参数的选择和主回路的设计；3、 副参数的选择和副回路的设计；4、 控制系统控制参数

4、的选择；5、 串级控制系统主、副调节器控制规律的选择；6、 串级控制系统主、副调节器正、反作用方式的确定；7、 掌握串级控制系统参数整定方法，即按照逐步逼近法，对主、副调节器的参数进行整定；8、 熟悉掌握串级控制系统中主、副调节器的参数设置和主、副回路的手动、自动的切换方法；9、 记录历史曲线与液位流量曲线，并与单回路控制系统进行动静态特性分析比较。四、实验现象1、电路连接图图2 液位流量串级控制系统连线图控制面板中有4个P909仪表，以及执行机构和变送器的接口。 每个P909有4组接口，分别为（PV，4-20mA），（外给定，4-20mA），（OUT，4-20mA），（报警）。PV为测量值的

5、输入口，即在闭环回路中为反馈值的输入口，该接口一般与变送器相连。外给定为该P909的给定值是由其他仪器给定，而非手动人为调节，在串级控制中为外环的输出口与内环给定的接口。OUT为该P909的输出值。 串级控制将液位调节器的输出作为流量环的外给定。流量环速度比液位变化快，因而作为内环控制。图3 串级控制实物连接图2、逐步逼近法整定控制器参数逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。具体步骤为：（1）先断开主回路，整定副控制器；（2）后闭合主回路，整定主控制器；（3）重新调整副控制器参数；（4）若未达到控制要求，再调整主控制器参数；（5）以上两个步骤循环进行，直到满足指标。主控制器整定后参数：P=168；I

6、=20；D=0副控制器整定后参数：P=6；I=26；D=03、最终整定参数后的历史趋势曲线图；图4 参数整定后历史趋势图五 、思考题1、 串级控制系统有什么特点？答：串级控制系统的主要特点为：（1）在系统结构上组成二个闭合回路。主、副调节器串联，主调节器的输出作为副调节器的给定值。系统通过副调节器控制调节阀动作，来控制被调参数达到给定值。 （2）在系统特性上，由于副回路的作用，有效地克服了滞后，可大大地提高调节质量。 （3）主、副回路协同工作，克服干扰能力强，可用于不同负荷和操作条件变化的场合。串级控制系统主要应用于：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、对控制质量要求较高的

7、场合.2、 主、副调节器控制规律与正、反作用应怎么选择？答： （1）控制规律的选择串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量，对主变量要求较高，一般不允许有余差，所以主控制器一般选择比例积分控制规律，当对象滞后较大时，也可引入适当的微分作用。串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中，副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的，所以副控制器一般采用比例控制规律就行了，必要时引入适当的积分作用，而微分作用一般是不需要的。（2）正、反作用的选择副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关，其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同，是按照使副回路成为个负反馈系统的原

8、则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行：当主、副变量在增加(或减小时)，如果要求控制阀的动作方向是一致的，则主控制器应选“反”作用的；反之，则应选“正”作用的。从上述方法可以看出，串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定，或者说，只取决于主对象的特性，而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解：如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时，副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定)，而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化，不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何，当主控制器输出增加时，副变量总是增加的，所以在主回路中，副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。在主回路中，由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”，所以为了使整个主回路构成负反馈，主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时，主变量亦增加)时，主控制器应选“反”作用方向，反之，当主对象具有“反”作用特性时，主控制器应选“正”作