搜索
《过程控制系统设计》课程设计报告姓名：学号：班级：指导老师：设计时间：2015年1月5日～1月9日1第一部分双容水箱液位串级PID控制实物实验时间：1月7日同组人：一、实验目的1、掌握串级控制系统的基本概念和组成。2、掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。3、研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。二、实验原理（画出“系统方框图”和“设备连接图”）1、控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：PID控制器1×测量电路1设定r1＋-ym1y1干扰上水箱下水箱PID控制器2干扰×测量电路2-ym2＋e1e2y2r2图17－1本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图串级控制器术语说明主变量：y1称主变量。使它保持平稳使控制的主要目的副变量：y2称副变量。它是被控制过程中引出的中间变量副对象：上水箱主对象：下水箱主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门2副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有：1）副回路的干扰抑制作用发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2）主回路响应速度的改善副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度3）鲁棒性的增强串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性4）副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。2、串级PID控制系统投运串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样，必须保证无扰动切换，采用先副回路后主回路的投运方式。这里以我们的串级控制系统为例，给出具体的操作步骤：A.将主、副控制器的切换开关都置于手动位置，副回路处于内给定B.用副控制器的输出控制阀门，使主变量接近设定值，当工况比较平稳时，将副控制器设成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量C.手动设定主控制器的输出值等于副控制器的设定值，当工况比较平稳时，将主控制器设置成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的3设定值跟踪副变量D.串级两个控制器，将副回路控制器设置成“远端模式”，这样主控制器的输出便作为副控制器的设定值，从而构成串级系统3、串级PID控制系统的参数整定串级控制系统参数整定也采用先副后主的方式。在整定时，应尽量加大副调节器的增益，提高副环的频率，使主、副回路的频率错开，最好相差3倍以上。整定时，先切除主调节器，使主环处于断开的情况下，按通常的方法整定副调节器的参数。然后在投入副回路的情况下，把副环作为弱阻尼的二阶环节等效对象，再加上副环外的部分对象，按通常方法整定主调节器参数。图9-1上、中水箱液位串级控制框图三、实验步骤1、进入实验运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；选择实验模式为“DDC模块”；单击实验菜单，进入双容水箱液位串级控制实验界面，如下图所示：42、选择控制回路A、选择对象在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：从两个回路中任选一个。B、组成控制回路当选择“串级回路1”作为控制回路时，须打开进水阀V13，关闭其它进水阀；当选择“串级回路2”作为控制回路时，须打开进水阀V14，关闭其它进水阀。这样便构成了一个控制回路。在串级控制系统中，上水箱为串级系统的副回路——对应的PID控制器为串级的后级，下水箱为串级系统的主回路——对应的PID控制器为串级的前级3、选择控制器工作点a、将副回路的PID控制器设成手动单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后单击副回路PID控制器的“手动”按钮b、设定工作点5单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值c、进行对象动态特性测试（参见已做过的实验）给MV一个阶跃，将1号和3号水箱的液位变化数据记录在表1中：时间MV的阶跃值（%）3号水箱液位值（cm）1号水箱液位值（cm）根据实验数据用两点法建立3号和1号水箱的传递函数，作为PID初始参数计算的依据。4、调节串级的后级a、设置PID参数根据对象特性，查表计算PID初始参数，P＝I＝D＝，并将参数输入到控制器中，并进行微调，使内回路控制效果达到最佳。b、将控制器设成自动状态保持模式为本地模式单击副回路PID控制器界面中副回路PID控制器的“自动”按钮5、调节串级的前级前提：等液位稳定后a、将控制器设成手动状态单击主回路PID控制器界面的“手动”按钮b、设置控制的输出值单击MV柱体旁的增/减键，设置MV（Z1）的值，使其与副回路PID控制器的设定值相等。c、设置控制器PID参数根据对象特性，设置P＝I＝D＝并将参数输入到控制器中，参加前面实验6d、将控制器设成自动状态单击主回路PID控制器的“自动”按钮6、串接两个PID控制器将串级后级的PID控制器设置成“远端模式”此时，串级前级的输出值便作为串级后级的设定值。7、串级PID控制器的控制效果通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线；根据趋势曲线，从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估当达到或接近期望效果时，跳到第9步。8、根据控制效果，调整PID控制器参数当控制效果不佳时，重新将控制器设置成手动，根据调节规律跳转到第5步，继续实验。9、数据记录记录控制的调节参数，并利用趋势窗体查看控制效果，并结果记录在下表中：时间副控制参数PI（s）D（s）主P7控制参数I（s）D（s）超调量（％）过渡时间（s）效果评估实验记录（包括现象、实验数据和波形图）见上表五、结果分析根据记录的实验数据，依据超调量、过渡时间和衰减比等特性参数评估串级控制的效果。六、思考题1、串级控制相比于单回路控制有什么优点?实际应用中，单回路控制使用较多，单回路控制在PLC系统中较为常见。串级控制是针对一些特殊工况参数的控制开发的，比如被控参数受到两个参数的控制，而这两个参数对被控参数来说不是显著控制，这个时候就要选择串级控制。优点：1.改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。2.能迅速克服进入副回路的二次扰动。3.提高了系统的工作频率。对负荷变化的适应性较强应用场合：1.应用于容量滞后较大的过程2.应用于纯时延较大的过程3.应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程4.应用于参数互相关联的过程5.应用于非线性过程。2、为什么串级控制系统在加了副回路控制后控制量得到较大提升？当扰动发生时，破坏了稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分种情况进行分析：1扰动作用于副回路2扰动作用于主过程3扰动同时作用于副回路和主过程8分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高3、串级控制系统应如何投运？先投运副回路，再投运主回路副回路打串级模式，主回路打自动。4、串级控制系统参数应如何整定？首先整定内回路，一般内回路为纯比列控制，内回路整定完成后再整定外回路。七、分析与总结通过这次双容水箱液位串级PID控制的实验让我们复习了串级控制系统PID参数整定的方法，并且在实验过程中知道了MATLAB仿真的波形与实际控制系统之间的差异，因传感器数据在稳定时波动较大在使用两点法确定传递函数是可能存在较大的误差估PID控制器效果不是太理想，可采用平均值滤波的方法重新绘制图像减小误差。