實驗 閉環(huán)雙水箱液位串級控制實驗

1、實驗 閉環(huán)雙水箱液位串級控制實驗報告 自z08紀銀環(huán) 李中瑾 馬秋菊 葉鑫一、實驗目的1、學習閉環(huán)串級控制的原理。2、了解閉環(huán)串級控制的特點。3、掌握閉環(huán)串級控制的設計。4、初步掌握閉環(huán)串級控制器參數調整。二、實驗設備A3000-FS/FBS現場系統(tǒng)，任意控制系統(tǒng)。三、實驗原理單回路控制系統(tǒng)解決了工藝生產過程自動化中大量的參數定值問題。但是，隨著現代工業(yè)生產的迅速發(fā)展，工藝操作條件的要求更加嚴格，對安全運行和經濟性及對控制質量的要求也更高。但回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產工藝的要求，在這樣的情況下，串級控制系統(tǒng)就應運而生。1、串級控制系統(tǒng)的結構串級控制系統(tǒng)是改善控制質量的有效方法之一，在過程控制

2、中得到廣泛地應用，串級控制系統(tǒng)是指不止采用一個控制器，而是將兩個或幾個控制器相串級，是將一個控制器的輸入作為下一個控制器設定值的控制系統(tǒng)。 2、串級控制系統(tǒng)的名詞術語主被控參數：在串級控制系統(tǒng)中起主導作用的那個被控參數。副被控參數：在串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主被控參數而引入的中間輔助變量 。主被控過程：由主參數表征其特性的生產過程，主回路所包含的過程，是整個過程的一部分，其輸入為副被控參數，輸出為主控參數。副被控過程：由副被控參數為輸出的生產過程，副回路所包含的過程，是整個過程的一部分，其輸入為控制參數。主調節(jié)器：按主參數的測量值與給定值的偏差進行工作的調節(jié)器，其輸出作為副調節(jié)器的給定值。副調節(jié)

3、器：按副參數的測量值與主調節(jié)器輸出的偏差進行工作的調節(jié)器，其輸出直接控制調節(jié)閥動作。副回路：由副調節(jié)器、副被控過程、副測量變送器等組成的閉合回路。主回路：由主調節(jié)器、副回路、主被控過程及主測量變送器等組成的閉合回路。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上，即包括在副回路范圍內的擾動。當生產過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，它的控制量與被控量都穩(wěn)定在某一定值。當擾動破壞了平衡工況時，串級控制系統(tǒng)便開始了其控制過程。根據不同擾動，分為三種情況：（1）在副對象上的擾動副對象加上擾動后，副調節(jié)就立即發(fā)出校正信號，控制執(zhí)行對象（工程上一般是調節(jié)閥的開度，而本實驗裝置

4、中是泵電機的轉速）動作，以克服擾動對主被控參數的影響。如果擾動量不大，經過副回路的及時控制一般不影響被控量，如果擾動的幅值較大，雖然經過副回路的及時校正，但還將影響被控量；此時再有主回路的進一步調節(jié)，從而使被控量回到平衡時的值。（2）主對象上的擾動主對象加上擾動后，主回路產生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對被控量的影響比單回路系統(tǒng)時要小。（3）一次擾動和二次擾動同時存在如果一、二次擾動的作用使主，副被控參數同時增大或減少時，主、副調節(jié)器對調節(jié)閥（或泵電機轉速）的控制方向一致的，即大幅度關小或開大閥門（或大幅度地使泵電機加速或減速），加強控制作用，使主被控量很快地回到給定值上。

5、如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數一個增大，另一個減少，此時主、副調節(jié)器控制調節(jié)閥的方向是相反的，調節(jié)閥的開度只要作較小變動即滿足控制要求。3、串級控制系統(tǒng)的特點綜上分析可知，串級控制系統(tǒng)副調節(jié)器具有“粗調”的作用，主調節(jié)器具有“細調”的作用，從而使控制品質得到進一步提高。串級控制系統(tǒng)是改善和提高控制品質的一種極為有效的控制方案。它與單回路反饋控制系統(tǒng)比較，由于在系統(tǒng)結構上多了一個副回路，所以具有以下一些特點：（1）改善了過程的動態(tài)特性串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)在結構上多了一個副回路。它的容量滯后減少了，過程的動態(tài)特性得到改善，使系統(tǒng)的響應加快，控制更為及時。（2）提高了系統(tǒng)工作頻率 串

6、級系統(tǒng)由于存在一個副回路，改善了過程特性，等效過程的時間常數減小了，從而提高了系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期縮短，改善了系統(tǒng)的控制質量。（3）具有較強的抗擾動能力在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器放大系數的乘積愈大，則系統(tǒng)的抗擾動能力愈強，控制質量愈好。串級控制系統(tǒng)由于存在副回路，只要擾動由副回路引入，不等它影響到主參數，副回路立即進行調節(jié)，這樣，該擾動對主參數的影響就會大大地減小，從而提高了主參數控制質量，所以說串級控制系統(tǒng)具有較強抗擾動能力。（4）具有一定的自適應能力串級控制系統(tǒng)，就其主回路來看是一個定值控制系統(tǒng)，而副回路則是一個隨動系統(tǒng)，主調節(jié)器的輸出能按照負荷和操作條件的變化而變化，從而不斷改

7、變副調節(jié)器的給定值，使副回路調節(jié)器的給定值適應負荷并隨操作條件而變化，即具有一定的自適應能力。正確合理地設計一個串級控制系統(tǒng)是要其能充分發(fā)揮如上所述系統(tǒng)的各種特點。在系統(tǒng)設計時應包括主、副回路的設計，主、副調節(jié)器控制規(guī)律的選擇及正、反作用方式的確定。4、主、副回路的設計串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定值控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的設計主要是副參數的選擇和副回路的設計以及主、副回路關系的考慮。下面介紹設計原則。（1）主參數的選擇和主回路的設計串級控制系統(tǒng)由主回路和副回路組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)。對于主參數的選擇和主回路的設計，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設計原則進行。凡直接或間接與生產過程運行性

8、能密切相關并可直接測量的工藝參數均可選擇作主參數。若條件許可，可以選用質量指標作為主參數，因為它最直接也最有效。否則應選用一個與產品質量有單值函數關系的參數作為主參數。另外，對于選用的主參數必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過程的合理性。（2）副參數的選擇和副回路的設計副參數的選擇副參數的選擇應使副回路的時間常數小，時延小，控制通道短，這樣可使等效過程的時間常數大大減小，從而加快需要的工作頻率，提高響應速度，縮短過渡過程時間，改善系統(tǒng)的控制品質?？傊?，為了充分發(fā)揮副回路的超前、快速作用，在擾動影響主參數之前就加以克服，必須設法選擇一個可測的、反映靈敏的參數作為副參數。副回路應包括生產過程中變化劇

9、烈、頻繁而且幅度大的主要擾動，并盡可能多地包括一些擾動。由上所述，串級控制系統(tǒng)副回路具有調節(jié)速度快、抑制擾動能力強的特點。在副回路設計時，要充分發(fā)揮這一特點，把生產過程中的主要擾動（并可能多的把其它一些擾動）包括在副回路中，以盡量減少對主參數的影響，提高主參數的控制質量。如此次實驗就是以下水箱的水位為主參數與上水箱的水位為副參數的串級控制系統(tǒng)。在選擇副參數進行副回路設計時，必須注意主、副過程時間常數的匹配問題。因為它是串級控制系統(tǒng)正常運行的主要條件，是保證安全生產、防止共振的根本措施。如果副過程的時間常數比主過程小得多，這時副回路反應靈敏，控制作用快，但此時副回路包含的擾動少，對于過程特性的改

10、善也就少了；相反，如果副過程的時間常數大于或接近于主過程的時間常數，這時副回路對于改善過程特性的效果較明顯。但是，副回路反應較遲鈍，不能及時有效地克服擾動，并將明顯地影響參數。如果主、副過程的時間常數較接近，這時主副回路間的動態(tài)聯(lián)系十分密切，當一個參數發(fā)生振蕩時，會使另一個參數也發(fā)生振蕩，這就是所謂的“共振”，它不利于生產的正常進行。串級控制系統(tǒng)主、副過程時間常數的匹配是一個比較復雜的問題。原則上，主副過程時間常數之比應是3到10范圍內。在工程上，應根據具體過程的實際情況與控制要求來定。若設置串級控制系統(tǒng)主要是利用副回路能迅速克服主要擾動的話，則副回路的時間常數以小一點為好，只要將主要擾動包括

11、在副回路中即可，若設置串級控制系統(tǒng)，是由于副回路過程時間常數過大，為了改善過程特性，則副過程時間常數可以適當取大一些。但是，副過程的時間常數均不宜過大和過小。（3）副回路設計應考慮工藝上的合理性：過程控制系統(tǒng)是為工業(yè)生產服務的，設計串級控制系統(tǒng)，應考慮和滿足生產工藝要求，注意系統(tǒng)的控制參數必定是先影響副參數，再去影響主參數的這種串聯(lián)對應關系，然后再考慮其它因素。副回路的設計還應考慮經濟性的原則。（4）串級控制系統(tǒng)參數的選擇對控制參數的選擇，一般可考慮： 1）、選擇可控性良好的參數作為控制參數。 2）、所選擇的控制參數必須使控制通道有足夠大的系數，并應保證大于主要擾動通道的放大系數，以實現對主要

12、擾動進行有效控制并提高控制質量。 3）、所選控制參數應同時考慮經濟性與工藝上的合理性。5、主、副調節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調節(jié)器所起的作用是不同的。主調節(jié)器起定值控制作用，副調節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇控制規(guī)律的基本出發(fā)點。主參數是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，因此，主調節(jié)器應選PI或PID控制規(guī)律。副參數的設置是為了保證主參數的控制質量，允許在一定范圍內變化，允許有余差，因此副調節(jié)器只要選P控制規(guī)律就可以了。一般不引入積分控制規(guī)律。因為副參數允許有余差，而且副調節(jié)器的放大系數較大，控制作用強，余差小，若采用積分規(guī)律，會延長控制過程，減弱副回路的快

13、速作用。一般也不引入微分控制規(guī)律，因為副回路本身起著快速作用，再引入微分規(guī)律會使調節(jié)閥動作過大，對控制不利。6、主、副調節(jié)器正、反作用方式的選擇為了滿足生產工藝的要求，確保串級控制系統(tǒng)正常運行，主、副調節(jié)器正、反作用方式必須正確選擇。根據生產工藝條件和調節(jié)閥形式確定副調節(jié)器的正反作用方式；最后再根據主、副參數的關系，決定主、副調節(jié)器的正、反作用方式。在單回路控制系統(tǒng)設計中所述， 要使一個過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須為負反饋。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調節(jié)器正、反作用方式的選擇原則是使整個控制系統(tǒng)構成負反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數極性乘積必須為正值。7、串級控制系統(tǒng)主、副調節(jié)器正、反

14、作用方式的確定為了滿足生產工藝指標的要求，為了確保串級控制系統(tǒng)的正常運行，主、副調節(jié)器正、反作用方式必須正確的選擇。在具體選擇時，是在調節(jié)閥氣開、氣關型式已經選定的基礎上進行的。首先根據工藝生產安全等原則選擇調節(jié)器的氣開、氣關形式；然后根據生產工藝條件和調節(jié)閥形式確定副調節(jié)器的正、反作用方式；最后再根據主、副參數的關系，決定主調節(jié)器的正、反作用方式。如在單回路控制系統(tǒng)設計中所述，要使一個過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負反饋。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構成負反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系統(tǒng)系數極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)放大系數極性的正負是這樣

15、規(guī)定的：對于調節(jié)器的KC，當測量值增加，調節(jié)器的輸出也增加，則KC為負（即正作用調節(jié)器）；反之，KC為正（即反作用調節(jié)器）。調節(jié)器為氣開，則KV為正，氣關則KV為負。過程放大系數極性是：當過程的輸入增大時，即調節(jié)閥開大，其輸出也增大，則KO為正；反之K0為負。串級控制系統(tǒng)由于增加了副回路，對于進入副回路的干擾有較強的克服能力。定性來看，串級控制系統(tǒng)的副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，而主回路是一個定值系統(tǒng)。當主對象時間常數較大時，可認為1：1的比例環(huán)節(jié)，從而使副回路中原來應屬于主對象的那部分環(huán)節(jié)的影響消除，它使系統(tǒng)的振蕩頻率提高，加快了系統(tǒng)的響應，改善了控制品質。串級控制系統(tǒng)由于副環(huán)具有快速抗干擾功能

16、，對于進入副環(huán)的干擾具有很強的抑制作用。因此，對于同樣大小的干擾作用于主、副環(huán)，對主變量的影響是不同的。作用于副環(huán)的干擾，由于受到副環(huán)的抑制作用，結果對于主變量的影響就比較??；而作用于主環(huán)的干擾，由于此時副環(huán)的快速抗干擾能力未能得到發(fā)揮，因此干擾對主變量的影響就比較大。8、雙容液位串級控制設計在A3000高級過程控制實驗系統(tǒng)中，能夠完成多個串級試驗，包括液位串級控制，液位和流量串級，和換熱器串級控制等實驗。LIC101圖6-1-1 液位串級控制實驗水泵LT102下水箱V104中水箱V103LT103LIC102第一個動力支路引入干擾給定值輸出值輸入值給定值如圖6-1-1所示液位串級控制實驗。實

17、驗以串級控制系統(tǒng)來控制下水箱液位，以中水箱為副對象，右邊水泵直接向中水箱注水，時間常數小、時延小，控制通道短，從而可加快提高響應速度，縮短過渡過程時間，符合副回路選擇的超前，快速、反應靈敏等要求。下水箱為主對象，水需要經過中水箱才能進入下水箱，時間常數比較大，時延大。如圖所示，設計好下水箱和中水箱串級控制系統(tǒng)。將主調節(jié)器的輸出送到副調節(jié)器的給定，而副調節(jié)器的輸出控制執(zhí)行器。由上分析副調節(jié)器選純比例控制，正作用，自動。主調節(jié)器選用比例控制或比例積分控制，反作用，自動。反復調試，使中水箱的液位快速穩(wěn)定在給定值上，這時給定值應與副反饋值相同。待液位穩(wěn)定后，通過左邊水泵向中水箱小流量注水，加入擾動。若

18、參數比較理想，且擾動較小，經過副回路的及時控制校正，不影響下水箱的液位。如果擾動比較大或參數并不理想，雖經過副回路的校正，還將影響主回路的溫度，此時再由主回路進一步調節(jié)，從而完全克服上述擾動，使液位調回到給定值上。當擾動加在下水箱時，擾動使液位發(fā)生變化，主回路產生校正作用，克服擾動對液位的影響。由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對主回路的液位影響較小。串級控制系統(tǒng)框圖如圖6-1-2所示。X主調節(jié)器LIC101副調節(jié)器LIC102下水箱液位LT103LT103主回路干擾給定值+-圖6-1-2液位串級控制系統(tǒng)框圖X-調節(jié)閥FV101中水箱液位F101中水箱液位LT102下水箱液位副回路干擾水泵

19、P101各個回路獨立調整結束，使得主調節(jié)器輸出與副調節(jié)器給定值相差不是太遠。我們利用前面的實驗中的PID數據。而副控制器只進行P調節(jié)。副回路對V103液位進行控制，這個反應比較快，副回路的控制目的是很快把流量控制回給定值?？梢酝ㄟ^另一個動力支路加入部分液位干擾。主回路對液位進行控制，由于控制經過了V103，時間延遲比較大?？梢栽谥屑尤胫骰芈犯蓴_，要平衡這個干擾，則需要經過流量調整，通過V103來平衡這個變化。9、雙容液位串級控制設計測量或控制量測量或控制量標號使用PLC端口中水箱液位LT102AI0下水箱液位LT103AI1調節(jié)閥FV101AO0四、實驗要求1、設計串級控制器。2、經過參數調整，獲得最佳的控制效果，并通過干擾來驗證。五、實驗內容與步驟1、在A3000-F