過控實驗報告

1、 過程控制系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計報告姓 名： 學 號： 班 級： 指導老師： 設(shè)計時間： 2015年 1月 5 日 1 月 9 日 第一部分 雙容水箱液位串級PID控制實物實驗 時間： 1月7日 同組人： 1、 實驗目的1、掌握串級控制系統(tǒng)的基本概念和組成。2、掌握串級控制系統(tǒng)的投運與參數(shù)整定方法。3、研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統(tǒng)主被控量的影響。二、實驗原理（畫出“系統(tǒng)方框圖”和“設(shè)備連接圖”） 1、 控制系統(tǒng)的組成及原理一個控制器的輸出用來改變另一個控制器的設(shè)定值，這樣連接起來的兩個控制器稱為“串級”控制器。兩個控制器都有各自的測量輸入，但只有主控制器具有自己獨立的設(shè)定值，只有副控

2、制器的輸出信號送給被控對象，這樣組成的系統(tǒng)稱為串級控制系統(tǒng)。本仿真系統(tǒng)的雙容水箱串級控制系統(tǒng)如下圖所示：圖171 本仿真系統(tǒng)的雙容水箱串級控制系統(tǒng)框圖串級控制器術(shù)語說明主變量：y1稱主變量。使它保持平穩(wěn)使控制的主要目的副變量：y2稱副變量。它是被控制過程中引出的中間變量副對象：上水箱主對象：下水箱主控制器：PID控制器1，它接受的是主變量的偏差e1，其輸出是去改變副控制器的設(shè)定值副控制器：PID控制器2，它接受的是副變量的偏差e2，其輸出去控制閥門副回路：處于串級控制系統(tǒng)內(nèi)部的，由PID控制器2和上水箱組成的回路主回路：若將副回路看成一個以主控制器輸出r2為輸入，以副變量y2為輸出的等效環(huán)節(jié)，

3、則串級系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個單回路，即主回路。串級控制系統(tǒng)從總體上看，仍然是一個定值控制系統(tǒng)，因此，主變量在干擾作用下的過渡過程和單回路定值控制系統(tǒng)的過渡過程具有相同的品質(zhì)指標。但是串級控制系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上從對象中引入一個中間變量（副變量）構(gòu)成了一個回路，因此具有一系列的特點。串級控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點有：1） 副回路的干擾抑制作用發(fā)生在副回路的干擾，在影響主回路之前即可由副控制器加以校正2） 主回路響應(yīng)速度的改善副回路的存在，使副對象的相位滯后對控制系統(tǒng)的影響減小，從而改善了主回路的相應(yīng)速度3） 魯棒性的增強串級系統(tǒng)對副對象及控制閥特性的變化具有較好的魯棒性4） 副回路控制的作用副回路可以

4、按照主回路的需要對于質(zhì)量流和能量流實施精確的控制由此可見，串級控制是改善調(diào)節(jié)過程極為有效的方法，因此得到了廣泛的應(yīng)用。2、 串級PID控制系統(tǒng)投運串級控制系統(tǒng)和簡單控制系統(tǒng)的投運要求一樣，必須保證無擾動切換，采用先副回路后主回路的投運方式。這里以我們的串級控制系統(tǒng)為例，給出具體的操作步驟：A. 將主、副控制器的切換開關(guān)都置于手動位置，副回路處于內(nèi)給定B. 用副控制器的輸出控制閥門，使主變量接近設(shè)定值，當工況比較平穩(wěn)時，將副控制器設(shè)成自動無擾動切換，因為手動狀態(tài)時副控制器的設(shè)定值跟蹤副變量C. 手動設(shè)定主控制器的輸出值等于副控制器的設(shè)定值，當工況比較平穩(wěn)時，將主控制器設(shè)置成自動無擾動切換，因為手

5、動狀態(tài)時副控制器的設(shè)定值跟蹤副變量D. 串級兩個控制器，將副回路控制器設(shè)置成“遠端模式”，這樣主控制器的輸出便作為副控制器的設(shè)定值，從而構(gòu)成串級系統(tǒng)3、 串級PID控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定也采用先副后主的方式。在整定時，應(yīng)盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益，提高副環(huán)的頻率，使主、副回路的頻率錯開，最好相差3倍以上。整定時，先切除主調(diào)節(jié)器，使主環(huán)處于斷開的情況下，按通常的方法整定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)。然后在投入副回路的情況下，把副環(huán)作為弱阻尼的二階環(huán)節(jié)等效對象，再加上副環(huán)外的部分對象，按通常方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。圖9-1上、中水箱液位串級控制框圖3、 實驗步驟 1、 進入實驗運行四水箱實驗系統(tǒng)DDC

6、實驗軟件，進入首頁界面；選擇實驗模式為“DDC模塊”；單擊實驗菜單，進入雙容水箱液位串級控制實驗界面，如下圖所示：2、 選擇控制回路A、 選擇對象在實驗界面的“請選擇控制回路”選擇框中選擇控制回路，如下圖所示：從兩個回路中任選一個。B、 組成控制回路當選擇“串級回路1”作為控制回路時，須打開進水閥V13，關(guān)閉其它進水閥；當選擇“串級回路2”作為控制回路時，須打開進水閥V14，關(guān)閉其它進水閥。這樣便構(gòu)成了一個控制回路。在串級控制系統(tǒng)中，上水箱為串級系統(tǒng)的副回路對應(yīng)的PID控制器為串級的后級，下水箱為串級系統(tǒng)的主回路對應(yīng)的PID控制器為串級的前級3、 選擇控制器工作點a、 將副回路的PID控制器設(shè)

7、成手動單擊實驗界面中的副回路PID控制器標簽打開副回路PID控制器界面，然后單擊副回路PID控制器的“手動”按鈕b、 設(shè)定工作點單擊副回路PID控制器界面中MV柱體旁的增/減鍵，設(shè)置MV（U1）的值 c、進行對象動態(tài)特性測試（參見已做過的實驗） 給MV一個階躍， 將1號和3號水箱的液位變化數(shù)據(jù)記錄在表1中：時間MV的階躍值（%）3號水箱液位值（cm）1號水箱液位值（cm）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)用兩點法建立3號和1號水箱的傳遞函數(shù)，作為PID初始參數(shù)計算的依據(jù)。4、 調(diào)節(jié)串級的后級a、 設(shè)置PID參數(shù)根據(jù)對象特性，查表計算PID初始參數(shù)，PID，并將參數(shù)輸入到控制器中，并進行微調(diào)，使內(nèi)回路控制效果達到最佳

8、。b、 將控制器設(shè)成自動狀態(tài)保持模式為本地模式單擊副回路PID控制器界面中副回路PID控制器的“自動”按鈕5、 調(diào)節(jié)串級的前級前提：等液位穩(wěn)定后a、 將控制器設(shè)成手動狀態(tài)單擊主回路PID控制器界面的 “手動”按鈕b、 設(shè)置控制的輸出值單擊MV柱體旁的增/減鍵，設(shè)置MV（Z1）的值，使其與副回路PID控制器的設(shè)定值相等。c、 設(shè)置控制器PID參數(shù)根據(jù)對象特性，設(shè)置PID并將參數(shù)輸入到控制器中，參加前面實驗d、 將控制器設(shè)成自動狀態(tài)單擊主回路PID控制器的“自動”按鈕6、 串接兩個PID控制器將串級后級的PID控制器設(shè)置成“遠端模式”此時，串級前級的輸出值便作為串級后級的設(shè)定值。7、 串級PID控

9、制器的控制效果通過“實時趨勢”或“歷史趨勢”窗體可以查看趨勢曲線；根據(jù)趨勢曲線，從超調(diào)量、過渡時間和衰減比等方面對控制效果進行評估當達到或接近期望效果時，跳到第9步。8、 根據(jù)控制效果，調(diào)整PID控制器參數(shù)當控制效果不佳時，重新將控制器設(shè)置成手動，根據(jù)調(diào)節(jié)規(guī)律跳轉(zhuǎn)到第5步，繼續(xù)實驗。9、 數(shù)據(jù)記錄記錄控制的調(diào)節(jié)參數(shù)，并利用趨勢窗體查看控制效果，并結(jié)果記錄在下表中：時間副控制參數(shù)PI（s）D（s）主控制參數(shù)PI（s）D（s）超調(diào)量（）過渡時間（s）效果評估l 實驗記錄（包括現(xiàn)象、實驗數(shù)據(jù)和波形圖） 見上表五、結(jié)果分析 根據(jù)記錄的實驗數(shù)據(jù)，依據(jù)超調(diào)量、過渡時間和衰減比等特性參數(shù)評估串級控制的效果。

10、6、 思考題1、 串級控制相比于單回路控制有什么優(yōu)點?實際應(yīng)用中，單回路控制使用較多，單回路控制在PLC系統(tǒng)中較為常見。串級控制是針對一些特殊工況參數(shù)的控制開發(fā)的，比如被控參數(shù)受到兩個參數(shù)的控制，而這兩個參數(shù)對被控參數(shù)來說不是顯著控制，這個時候就要選擇串級控制。優(yōu)點：1.改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。2.能迅速克服進入副回路的二次擾動。3. 提高了系統(tǒng)的工作頻率。 對負荷變化的適應(yīng)性較強應(yīng)用場合 ：1.應(yīng)用于容量滯后較大的過程 2. 應(yīng)用于純時延較大的過程 3.應(yīng)用于擾動變化激烈而且幅度大的過程 4.應(yīng)用于參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過程 5.應(yīng)用于非線性過程。2、 為什么串級控制系統(tǒng)在加了副回路控制后控制量得到較大提升？當擾動發(fā)生時，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進行工作。根據(jù)擾動施加點的位置不同，分種情況進行分析：1擾動作用于副回路 2擾動作用于主過程 3擾動同時作用于副回路和主過程 分析可以看到：在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細調(diào)”的作用，從而使其控制品質(zhì)得到進一步提高3、 串級控制系統(tǒng)應(yīng)如何投運？先投運副回路，再投運主回路副回路打串級模式，主回路打自動。4、 串級控制系統(tǒng)參數(shù)應(yīng)如何整定？首先整定內(nèi)回路，一般內(nèi)回路為純比列控制，內(nèi)回