實(shí)驗(yàn) 閉環(huán)雙水箱液位串級控制實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn) 閉環(huán)雙水箱液位串級控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告 自z08紀(jì)銀環(huán) 李中瑾 馬秋菊 葉鑫一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)閉環(huán)串級控制的原理。2、了解閉環(huán)串級控制的特點(diǎn)。3、掌握閉環(huán)串級控制的設(shè)計(jì)。4、初步掌握閉環(huán)串級控制器參數(shù)調(diào)整。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備A3000-FS/FBS現(xiàn)場系統(tǒng)，任意控制系統(tǒng)。三、實(shí)驗(yàn)原理單回路控制系統(tǒng)解決了工藝生產(chǎn)過程自動化中大量的參數(shù)定值問題。但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝操作條件的要求更加嚴(yán)格，對安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性及對控制質(zhì)量的要求也更高。但回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求，在這樣的情況下，串級控制系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。1、串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，在過程控制

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

3、器：按副參數(shù)的測量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出直接控制調(diào)節(jié)閥動作。副回路：由副調(diào)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(diào)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(nèi)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(nèi)的擾動。當(dāng)生產(chǎn)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，它的控制量與被控量都穩(wěn)定在某一定值。當(dāng)擾動破壞了平衡工況時(shí)，串級控制系統(tǒng)便開始了其控制過程。根據(jù)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(diào)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(diào)節(jié)閥的開度，而本實(shí)驗(yàn)裝置

4、中是泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速）動作，以克服擾動對主被控參數(shù)的影響。如果擾動量不大，經(jīng)過副回路的及時(shí)控制一般不影響被控量，如果擾動的幅值較大，雖然經(jīng)過副回路的及時(shí)校正，但還將影響被控量；此時(shí)再有主回路的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而使被控量回到平衡時(shí)的值。（2）主對象上的擾動主對象加上擾動后，主回路產(chǎn)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(shí)要小。（3）一次擾動和二次擾動同時(shí)存在如果一、二次擾動的作用使主，副被控參數(shù)同時(shí)增大或減少時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器對調(diào)節(jié)閥（或泵電機(jī)轉(zhuǎn)速）的控制方向一致的，即大幅度關(guān)小或開大閥門（或大幅度地使泵電機(jī)加速或減速），加強(qiáng)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(shù)一個(gè)增大，另一個(gè)減少，此時(shí)主、副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的方向是相反的，調(diào)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(diǎn)綜上分析可知，串級控制系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器具有“粗調(diào)”的作用，主調(diào)節(jié)器具有“細(xì)調(diào)”的作用，從而使控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。串級控制系統(tǒng)是改善和提高控制品質(zhì)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(jié)構(gòu)上多了一個(gè)副回路，所以具有以下一些特點(diǎn)：（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(jié)構(gòu)上多了一個(gè)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(yīng)加快，控制更為及時(shí)。（2）提高了系統(tǒng)工作頻率 串

6、級系統(tǒng)由于存在一個(gè)副回路，改善了過程特性，等效過程的時(shí)間常數(shù)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(zhì)量。（3）具有較強(qiáng)的抗擾動能力在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的乘積愈大，則系統(tǒng)的抗擾動能力愈強(qiáng)，控制質(zhì)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(shù)，副回路立即進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣，該擾動對主參數(shù)的影響就會大大地減小，從而提高了主參數(shù)控制質(zhì)量，所以說串級控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)抗擾動能力。（4）具有一定的自適應(yīng)能力串級控制系統(tǒng)，就其主回路來看是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，而副回路則是一個(gè)隨動系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器的輸出能按照負(fù)荷和操作條件的變化而變化，從而不斷改

7、變副調(diào)節(jié)器的給定值，使副回路調(diào)節(jié)器的給定值適應(yīng)負(fù)荷并隨操作條件而變化，即具有一定的自適應(yīng)能力。正確合理地設(shè)計(jì)一個(gè)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(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)包括主、副回路的設(shè)計(jì)，主、副調(diào)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(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)的主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)以及主、副回路關(guān)系的考慮。下面介紹設(shè)計(jì)原則。（1）主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)由主回路和副回路組成。主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng)。對于主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計(jì)，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行。凡直接或間接與生產(chǎn)過程運(yùn)行性

8、能密切相關(guān)并可直接測量的工藝參數(shù)均可選擇作主參數(shù)。若條件許可，可以選用質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù)，因?yàn)樗钪苯右沧钣行?。否則應(yīng)選用一個(gè)與產(chǎn)品質(zhì)量有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)。另外，對于選用的主參數(shù)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(shù)的選擇和副回路的設(shè)計(jì)副參數(shù)的選擇副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，時(shí)延小，控制通道短，這樣可使等效過程的時(shí)間常數(shù)大大減小，從而加快需要的工作頻率，提高響應(yīng)速度，縮短過渡過程時(shí)間，改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)?？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(shù)之前就加以克服，必須設(shè)法選擇一個(gè)可測的、反映靈敏的參數(shù)作為副參數(shù)。副回路應(yīng)包括生產(chǎn)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(diào)節(jié)速度快、抑制擾動能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在副回路設(shè)計(jì)時(shí)，要充分發(fā)揮這一特點(diǎn)，把生產(chǎn)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(shù)的影響，提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。如此次實(shí)驗(yàn)就是以下水箱的水位為主參數(shù)與上水箱的水位為副參數(shù)的串級控制系統(tǒng)。在選擇副參數(shù)進(jìn)行副回路設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意主、副過程時(shí)間常數(shù)的匹配問題。因?yàn)樗谴壙刂葡到y(tǒng)正常運(yùn)行的主要條件，是保證安全生產(chǎn)、防止共振的根本措施。如果副過程的時(shí)間常數(shù)比主過程小得多，這時(shí)副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但此時(shí)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(shí)間常數(shù)大于或接近于主過程的時(shí)間常數(shù)，這時(shí)副回路對于改善過程特性的效果較明顯。但是，副回路反應(yīng)較遲鈍，不能及時(shí)有效地克服擾動，并將明顯地影響參數(shù)。如果主、副過程的時(shí)間常數(shù)較接近，這時(shí)主副回路間的動態(tài)聯(lián)系十分密切，當(dāng)一個(gè)參數(shù)發(fā)生振蕩時(shí)，會使另一個(gè)參數(shù)也發(fā)生振蕩，這就是所謂的“共振”，它不利于生產(chǎn)的正常進(jìn)行。串級控制系統(tǒng)主、副過程時(shí)間常數(shù)的匹配是一個(gè)比較復(fù)雜的問題。原則上，主副過程時(shí)間常數(shù)之比應(yīng)是3到10范圍內(nèi)。在工程上，應(yīng)根據(jù)具體過程的實(shí)際情況與控制要求來定。若設(shè)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(shí)間常數(shù)以小一點(diǎn)為好，只要將主要擾動包括

11、在副回路中即可，若設(shè)置串級控制系統(tǒng)，是由于副回路過程時(shí)間常數(shù)過大，為了改善過程特性，則副過程時(shí)間常數(shù)可以適當(dāng)取大一些。但是，副過程的時(shí)間常數(shù)均不宜過大和過小。（3）副回路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮工藝上的合理性：過程控制系統(tǒng)是為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的，設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)，應(yīng)考慮和滿足生產(chǎn)工藝要求，注意系統(tǒng)的控制參數(shù)必定是先影響副參數(shù)，再去影響主參數(shù)的這種串聯(lián)對應(yīng)關(guān)系，然后再考慮其它因素。副回路的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性的原則。（4）串級控制系統(tǒng)參數(shù)的選擇對控制參數(shù)的選擇，一般可考慮： 1）、選擇可控性良好的參數(shù)作為控制參數(shù)。 2）、所選擇的控制參數(shù)必須使控制通道有足夠大的系數(shù)，并應(yīng)保證大于主要擾動通道的放大系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對主要

12、擾動進(jìn)行有效控制并提高控制質(zhì)量。 3）、所選控制參數(shù)應(yīng)同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性與工藝上的合理性。5、主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)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(diǎn)。主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，因此，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律。副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì)量，允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因此副調(diào)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?yàn)楦眳?shù)允許有余差，而且副調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)較大，控制作用強(qiáng)，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?yàn)楦被芈繁旧砥鹬焖僮饔?，再引入微分?guī)律會使調(diào)節(jié)閥動作過大，對控制不利。6、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，確保串級控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式必須正確選擇。根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正反作用方式；最后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。在單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所述， 要使一個(gè)過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須為負(fù)反饋。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。7、串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器正、反

14、作用方式的確定為了滿足生產(chǎn)工藝指標(biāo)的要求，為了確保串級控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式必須正確的選擇。在具體選擇時(shí)，是在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)型式已經(jīng)選定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先根據(jù)工藝生產(chǎn)安全等原則選擇調(diào)節(jié)器的氣開、氣關(guān)形式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式；最后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。如在單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所述，要使一個(gè)過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負(fù)反饋。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系統(tǒng)系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負(fù)是這樣

15、規(guī)定的：對于調(diào)節(jié)器的KC，當(dāng)測量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則KC為負(fù)（即正作用調(diào)節(jié)器）；反之，KC為正（即反作用調(diào)節(jié)器）。調(diào)節(jié)器為氣開，則KV為正，氣關(guān)則KV為負(fù)。過程放大系數(shù)極性是：當(dāng)過程的輸入增大時(shí)，即調(diào)節(jié)閥開大，其輸出也增大，則KO為正；反之K0為負(fù)。串級控制系統(tǒng)由于增加了副回路，對于進(jìn)入副回路的干擾有較強(qiáng)的克服能力。定性來看，串級控制系統(tǒng)的副回路是一個(gè)隨動控制系統(tǒng)，而主回路是一個(gè)定值系統(tǒng)。當(dāng)主對象時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，可認(rèn)為1：1的比例環(huán)節(jié)，從而使副回路中原來應(yīng)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(yīng)，改善了控制品質(zhì)。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(jìn)入副環(huán)的干擾具有很強(qiáng)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(jié)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(shí)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(shè)計(jì)在A3000高級過程控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，能夠完成多個(gè)串級試驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)。LIC101圖6-1-1 液位串級控制實(shí)驗(yàn)水泵LT102下水箱V104中水箱V103LT103LIC102第一個(gè)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(shí)驗(yàn)。實(shí)

17、驗(yàn)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(shí)間常數(shù)小、時(shí)延小，控制通道短，從而可加快提高響應(yīng)速度，縮短過渡過程時(shí)間，符合副回路選擇的超前，快速、反應(yīng)靈敏等要求。下水箱為主對象，水需要經(jīng)過中水箱才能進(jìn)入下水箱，時(shí)間常數(shù)比較大，時(shí)延大。如圖所示，設(shè)計(jì)好下水箱和中水箱串級控制系統(tǒng)。將主調(diào)節(jié)器的輸出送到副調(diào)節(jié)器的給定，而副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行器。由上分析副調(diào)節(jié)器選純比例控制，正作用，自動。主調(diào)節(jié)器選用比例控制或比例積分控制，反作用，自動。反復(fù)調(diào)試，使中水箱的液位快速穩(wěn)定在給定值上，這時(shí)給定值應(yīng)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(shù)比較理想，且擾動較小，經(jīng)過副回路的及時(shí)控制校正，不影響下水箱的液位。如果擾動比較大或參數(shù)并不理想，雖經(jīng)過副回路的校正，還將影響主回路的溫度，此時(shí)再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而完全克服上述擾動，使液位調(diào)回到給定值上。當(dāng)擾動加在下水箱時(shí)，擾動使液位發(fā)生變化，主回路產(chǎn)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(diào)節(jié)器LIC101副調(diào)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(diào)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(gè)回路獨(dú)立調(diào)整結(jié)束，使得主調(diào)節(jié)器輸出與副調(diào)節(jié)器給定值相差不是太遠(yuǎn)。我們利用前面的實(shí)驗(yàn)中的PID數(shù)據(jù)。而副控制器只進(jìn)行P調(diào)節(jié)。副回路對V103液位進(jìn)行控制，這個(gè)反應(yīng)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(gè)動力支路加入部分液位干擾。主回路對液位進(jìn)行控制，由于控制經(jīng)過了V103，時(shí)間延遲比較大?？梢栽谥屑尤胫骰芈犯蓴_，要平衡這個(gè)干擾，則需要經(jīng)過流量調(diào)整，通過V103來平衡這個(gè)變化。9、雙容液位串級控制設(shè)計(jì)測量或控制量測量或控制量標(biāo)號使用PLC端口中水箱液位LT102AI0下水箱液位LT103AI1調(diào)節(jié)閥FV101AO0四、實(shí)驗(yàn)要求1、設(shè)計(jì)串級控制器。2、經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，獲得最佳的控制效果，并通過干擾來驗(yàn)證。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、在A3000-F