串級控制系統(tǒng)

1、過程控制實驗報告實驗名稱：串級控制班級：_姓名：_學(xué)號：_實驗二串級控制系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?）通過本實驗，了解串級控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)以及主、副回路的性能特點。2）掌握串級控制系統(tǒng)的設(shè)計思想和主、副回路控制器的參數(shù)整定方法。二、實驗原理串級控制系統(tǒng)由兩個或兩個以上的控制器、相應(yīng)數(shù)量的檢測變送器和一個執(zhí) 行器組成。控制器相串聯(lián)，副控制器的輸入由主控制器的輸出設(shè)定。主回路是恒 值控制系統(tǒng)，對主控制器的輸出而言，副回路是隨動系統(tǒng)，對二次擾動而言，副 回路是恒值控制系統(tǒng)。串級控制的主要優(yōu)點可概括如下：1）由于副回路的存在，改善了對象的部分特性，使系統(tǒng)的工作頻率提高， 加快了調(diào)節(jié)過程。2）由于副回路的存在，

2、串級控制系統(tǒng)對二次擾動具有較強的克服能力。3）串級控制系統(tǒng)提高了克服一次擾動的能力和回路參數(shù)變化的自適應(yīng)能 力。串級控制系統(tǒng)副回路的設(shè)計原則：1）副回路應(yīng)盡量包含生產(chǎn)過程中主要的、 變化劇烈、頻繁和幅度大的擾動。 在可能的情況下力求包含盡可能多的擾動。2）當(dāng)對象具有較大純滯后時，在設(shè)計時應(yīng)使副回路盡量少包括或不包括純滯后。3）當(dāng)對象具有非線性環(huán)節(jié)時，在設(shè)計時應(yīng)使非線性環(huán)節(jié)于副環(huán)之中。4）副回路設(shè)計時應(yīng)考慮主、副對象時間常數(shù)的匹配，以防共振。5）所設(shè)計的副回路需考慮到方案的經(jīng)濟性和工藝的合理性。串級控制系統(tǒng)常用的控制器參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步法、一步法等。 逐步逼近法1）在主回路斷開的情況

3、下，求取副控制器的整定參數(shù)；2）將副控制器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，使串級控制系統(tǒng)主回路閉10 s e合，以求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值；3)將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置在所求值上，再次整定副控制器的參數(shù)值。4)如控制品質(zhì)未達到指標(biāo)，返回 2)繼續(xù)。、實驗內(nèi)容某系統(tǒng)的主、畐U對象傳遞函數(shù)分別為:主回路有一個10s的傳輸延遲，傳遞函數(shù)為G d (s)圖1串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(1)畫出單回路控制系統(tǒng)以及相同控制對象下的的Simulink仿真系統(tǒng)圖圖2單回路控制器仿真系統(tǒng)圖單回路控制器純比列整定后得到的曲線圖：圖3單回路階躍響應(yīng)曲線上圖中KP=；系統(tǒng)第一個峰值坐標(biāo)為(，)，第二個峰值的坐標(biāo)為(，)，穩(wěn)態(tài) 值為。根據(jù)

4、4: 1衰減曲線法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗公式可得: 采用PI控制時控制器參數(shù)控制規(guī)律P(KP)l(Ti)/minD (Td) /minPKPPIKPTsPIDKPTsTsP= ()=所以，當(dāng)&=;積分時間常數(shù)Ti=;微分時間常數(shù)Td= 0 ;此時 可以得到如下圖4的效果。圖4單回路PI整定后系統(tǒng)的階躍相應(yīng)曲線在同上PI的情況下，單回路控制系統(tǒng)的一次擾動 Simulink仿真圖:單回路控制系統(tǒng)一次擾動響應(yīng)曲線如下圖5所示：圖5單回路控制系統(tǒng)一次擾動響應(yīng)曲線在此PI系統(tǒng)下，單回路控制系統(tǒng)的二次擾動結(jié)構(gòu)下圖 6所示(2)串級控制系統(tǒng)Simulimk仿真圖:圖7串級控制系統(tǒng)仿真串級控制系統(tǒng)純比例整

5、定后得到如下圖 8所示：圖8串級控制系統(tǒng)P整定后的階躍響應(yīng)曲線上圖中KP =;由圖b的仿真圖以及相應(yīng)理論公式可得；根據(jù) 4: 1衰減曲線法 整定控制器參數(shù)經(jīng)驗公式控制器參數(shù)控制規(guī)律P(KP)l(Ti)/minD( Td)/minPK?PIKPTsPIDKPTsTs根據(jù)表格中公式可得:采用PI控制時：P=Ti=（）=所以，當(dāng) 心；積分時間常數(shù)Ti=;微分時間常數(shù)Td= 0 ；此時可以得到如下圖9的效果。圖9串級控制系統(tǒng)PI整定后的階躍響應(yīng)曲線串級控制系統(tǒng)的一次擾動Simulink仿真圖如下圖10：圖10串級控制系統(tǒng)一次擾動Simulink仿真圖在上述串級控制系統(tǒng)的PI參數(shù)下，得到下圖11所示的響

6、應(yīng)曲線圖:圖11串級控制系統(tǒng)的一次擾動階躍響應(yīng)曲線串級控制系統(tǒng)二次擾動Simulink仿真圖如下圖12所示：圖12串級控制系統(tǒng)的二次擾動Simulink仿真圖如下圖13所示，在上述PI參數(shù)下的串級控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖：（4）串級系統(tǒng)延遲環(huán)節(jié)副回路 Simulink仿真圖圖14串級控制系統(tǒng)延遲環(huán)節(jié)副回路仿真圖將延遲環(huán)節(jié)副回路只進行P的整定，有如下圖效果的曲線圖：圖15延遲環(huán)節(jié)副回路p整定4:1的曲線響應(yīng)曲線其中Kp=;分析數(shù)據(jù)可根據(jù)4： 1衰減曲線法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗公式控制器參數(shù)控制規(guī)律P(K)I(Ti)/minD( Td) /minP&PIKPTsPIDKPTsTs根據(jù)表格中公式可得，當(dāng)采用 PI控制時:P= （）=所以，PI整定曲線圖如下圖所示圖16 PI整定響應(yīng)曲線 延遲環(huán)節(jié)主副回路串聯(lián)Simulink仿真圖如下圖17延遲環(huán)節(jié)主回路P整定圖其中Kp=,根據(jù)4： 1衰減曲線法整定控制器參數(shù)經(jīng)驗公式控制器參數(shù)控制規(guī)律P(K)I(Ti)/minD( Td)/minP&PIKPTsPIDKPT