實驗4串級控制系統(tǒng)2014-Me

實驗三串級控制系統(tǒng)運行與研究2014年4月自動化系統(tǒng)與裝置實驗室液位串級控制系統(tǒng)目的：通過實際構(gòu)建、運行一個串級控制系統(tǒng)，更深入理解一個串級控制系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用的原理和操作步驟；體會復(fù)雜控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整方法—一步整定法；實驗設(shè)備：A3000過程控制實驗裝置二級水箱的雙液位系統(tǒng)，(兩個離的水箱水位)；PC臺式機(jī)及工控組態(tài)軟件；串級控制系統(tǒng)的要求：保證主參數(shù)具有較高的穩(wěn)定性，和較好的穩(wěn)態(tài)精度；副參數(shù)（中液位）能較快地變化和跟蹤能力。系統(tǒng)對落在主、副回路內(nèi)的干擾都有較好的鎮(zhèn)定效果。還要便于調(diào)整、維護(hù)，并足生產(chǎn)的質(zhì)量與安全的要求（具有報警，操作限制等措施）。工業(yè)中的串級系統(tǒng)是一包含基本串級控制方案，并還附加了其它安全操作及故障保障設(shè)備的復(fù)合系統(tǒng)。1.實驗?zāi)康呐c要求液位-液位串級控制方案被控對象：不同位置放置的二層水箱—行成兩個對象；主對象—下水箱；副對象—中水箱主參數(shù)—下水箱水位，副參數(shù)—中水箱水位；2.串級控制系統(tǒng)的構(gòu)建方案Z2(s)Z1(s)注意：Y1(s),Y2(s)分別代表什么,Z1(s),Z2(s)代表什么？U1(s)與R2(s）有什么聯(lián)系？液位-液位串級控制方案1）實驗工作：構(gòu)建串級控制系統(tǒng)，了解投運并整定串級系統(tǒng)參數(shù)的基本方法，并檢驗該系統(tǒng)是否達(dá)到質(zhì)量要求；2）主要步驟：①確認(rèn)被控設(shè)備和參數(shù)，進(jìn)行信號連線，以下水箱液位為主被控參數(shù)，中水箱液位為副被控參數(shù)的雙液位串級控制系統(tǒng)，做好系統(tǒng)運行的準(zhǔn)備；②啟動實驗軟件及實驗設(shè)備，手動操作使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定；③分別將串級的主、副控制回路無擾動地投入自動；④調(diào)整主、副控制器參數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到質(zhì)量要求（較好的穩(wěn)定性和較小的系統(tǒng)誤差）⑤檢驗串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量和效果。3.實驗工作與步驟液位-液位串級控制系統(tǒng)4.具體的操作步驟：①串級控制系統(tǒng)的投運準(zhǔn)備首先檢查管路、閥門(閘板的高度)，設(shè)備加電；(1)進(jìn)行控制系統(tǒng)信號連線，構(gòu)建一個下液位為主參數(shù)，中水位為副參數(shù)，1#控制器為主控制器，2#控制器為副控制器，以調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行環(huán)節(jié)的串級控制系統(tǒng)；(2)啟動實驗軟件，主、副控制器皆為手動狀態(tài)；先調(diào)整副控制器的手動輸出為50-60%，啟動水泵2；待系統(tǒng)達(dá)到平穩(wěn)并使各水箱水位穩(wěn)在中部附近，其間不要頻繁調(diào)整閥的開度；(3)控制系統(tǒng)投入到自動前，務(wù)必要確認(rèn)控制系統(tǒng)閉環(huán)后一定是負(fù)反饋的，即控制作用是消弱而不是增強(qiáng)干擾作用的影響；根據(jù)調(diào)節(jié)回路中各環(huán)節(jié)作用關(guān)系、控制閥的開閉方向來判定、確定副、主控制器的正、反作用；（按過控課程學(xué)的各環(huán)節(jié)+-符號判斷）。（可在智能控制器上通過set鍵－＞PID->cont->ract/act檢查和設(shè)置）。液位-液位串級控制系統(tǒng)②串級控制系統(tǒng)的連線串級控制的最主要特征是一個控制系統(tǒng)中有兩個控制回路，副回路含在主回路之內(nèi)；兩個控制器是串聯(lián)的，通過僅有的一個執(zhí)行環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，主控制器是指揮操縱副控制器完成控制動作。右側(cè)的副控制器只接受外部的模擬信號作為設(shè)定輸入。輸出值輸出值LT103LT102FV101液位-液位串級控制系統(tǒng)③串級系統(tǒng)的手動-自動無擾動切換：(1)首先手動設(shè)置MV在中間開度，等系統(tǒng)穩(wěn)定。若液位高度距離水箱中間位置相差太遠(yuǎn)，應(yīng)稍微調(diào)整閘板的開度。注意：此時應(yīng)調(diào)整哪個控制器的MV使控制閥的開度一定？(2)投運需按照“先副后主”的順序進(jìn)行，先投運副控制器，再投運主控制器，兩個控制器都要按無擾動原則投運。待液位基本達(dá)到穩(wěn)定，【依次調(diào)整兩控制器的設(shè)定值對準(zhǔn)測量值（液位）-即消除系統(tǒng)偏差】，然后將手動切換到自動。注意：副控制器的設(shè)定值是在哪里調(diào)？它由哪個變量提供？液位-液位串級控制系統(tǒng)一般要調(diào)整測量值等于設(shè)定值，為了縮短實驗時間，故采用調(diào)整設(shè)定值等于測量值；除了控制器無偏差，還要求參數(shù)穩(wěn)妥。(3)兩控制器的比例度和積分時間都設(shè)置為100%以上和50秒。按“先付后主”的順序，依次將副、主控制器的偏差消除后，把控制器投入“自動”；(4)一旦投入自動后，立刻將積分時間調(diào)整到3000秒以上。PV1PV2MV2MV1串級系統(tǒng)方框圖與實際信號連接對照具體的實驗操作步驟：液位單回路自動控制系統(tǒng)對現(xiàn)用的實驗軟件進(jìn)行了改進(jìn)，因而也影響到以后的操作，請?zhí)貏e注意。軟件的改進(jìn)帶來了如下變化：（1）控制器一開始運行就處于手動狀態(tài)，且MV的初值已設(shè)為50%；PID參數(shù)已經(jīng)設(shè)置，P=150,I=50,D=0;（2）并已置SP=PV，在手動狀態(tài)時一直保持，SP不能修改，這就為隨時進(jìn)行手動-自動無擾動切換做好準(zhǔn)備。（3）當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定可隨時投入自動，操作比較安全，穩(wěn)定，不易產(chǎn)生大的擾動，使今后的手自切換變得容易。在自動狀態(tài)可以隨時修改設(shè)定值。投運自動后可直接修改PID參數(shù)。特別說明：液位-液位串級控制系統(tǒng)④控制器參數(shù)的在線整定，工程參數(shù)整定法：串級控制系統(tǒng)，有兩個控制器，兩套控制器參數(shù)，整定起來更麻煩；工程上可采用兩步法或一步法。一步法可加快整定速度，簡化整定過程。一步法：(1)先將副控制器設(shè)置成為純比例控制器，即將控制器的積分和微分作用去掉，積分時間設(shè)為3600s；微分時間置為0S。然后將比例度P2設(shè)置為一經(jīng)驗值，在這里可設(shè)置P2=30（抗干擾能力較強(qiáng)但不過高）。設(shè)置完畢后通常不必加干擾測試。(2)然后將主控制器按照單回路整定那樣，按照近似4:1衰減曲線法整定主控制器的參數(shù)；將主控制器先設(shè)為純比例控制器，比例度可以從50（即50%）開始尋找起。液位-液位串級控制系統(tǒng)(3)主控制器設(shè)定SP1加干擾。注意：設(shè)定值變化10%或者5%，具體向哪個方向變化取決于當(dāng)前水位的狀況。(4)給系統(tǒng)施加干擾后待其穩(wěn)定，觀察控制過程是否滿足質(zhì)量要求。(5)然后可將主控制器的比例度依次調(diào)整到35，20，每次改變后，都要改變給設(shè)定值加擾動進(jìn)行測試，觀察控制過渡過程曲線的變化—是否穩(wěn)定較快，超調(diào)量較小，很快趨近于穩(wěn)定（不一定是4:1衰減過程），確認(rèn)該P值。注意：這樣大幅度地改變比例度是為了減少測試和搜索次數(shù)，在工業(yè)控制中務(wù)必要小幅度、謹(jǐn)慎地調(diào)整。液位-液位串級控制系統(tǒng)

(6)測試應(yīng)在工作點附近，通常也是每次變化5~10%，測試應(yīng)還是往返進(jìn)行。但若離合適的工作點較遠(yuǎn)，也可連續(xù)向同一方向變化。(7)以該比例度參數(shù)為基礎(chǔ)，以該參數(shù)所對應(yīng)曲線的振蕩周期（兩個波峰之間的時間）的一半為積分時間，或者選50-100s為積分時間，將控制器設(shè)置為PI（比例+積分）控制器；(8)在此參數(shù)下再次改變設(shè)定值5~10%，測試PI控制器的控制效果和質(zhì)量，若不能滿足要求可對PI參數(shù)稍作調(diào)整，直到滿意，即完成常規(guī)（PID）控制器的參數(shù)整定過程；選作：如果有時間，可以適當(dāng)關(guān)小V102的中間隔板QV118的高度，使其更接近2階對象，并觀察控制結(jié)果發(fā)生什么變化；液位-液位串級控制系統(tǒng)記錄每次擾動測試對應(yīng)的過渡過程曲線，并進(jìn)行深入的分析討論。思考問題（報告中必答）（1）若控制閥為氣閉式，試分析液位與液位串級系統(tǒng)中主、副控制器的正、反作用應(yīng)如何選？（2）怎樣才能保證串級控制系統(tǒng)的無擾動切換？（3）串級系統(tǒng)投運整定前需要做好哪幾項