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过程控制系统设计仿真实验报告实验名称：电厂过热汽温串级控制系统仿真实验姓名：孔艺臻学号：20121637班级：2012034一、实验目的1.掌握过热汽温串级控制系统的组成和原理2.掌握串级控制系统两步法PID参数整定过程。3.理解掌握串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。二、实验步骤1、针对100%负荷工况，用两步法整定串级控制系统的参数(1)搭建该系统的仿真模型，如图所示。(2)先将主调节器的比例度P1S置于100%，然后由大到小逐渐降低福调节器的比例度P2S，直到得到副回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P2S，过渡过程的振荡周期为T2S。(3)在副调节器的比例度等于P2S的条件下，逐步降低主调节器的比例度P1S，直到得到主回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P1S，过渡过程的振荡周期为T1S。(4)按照已求得的P1S、T1S和P2S、T2S值，结合副控制器（PI控制器）和主控制器（PID控制器）的调节规律，按衰减曲线整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。(5)设置好参数后对主控制器参数进行调整，得到理想曲线。2、整定控制器采用PID控制规律的单回路控制系统，并与串级控制系统效果进行对比3、一类扰动和二类扰动对串级控制系统的影响（1）串级控制系统的主回路和副回路根据一的实验步骤整定各参数。（2）将一类扰动D1和二类扰动D2分别加入已经整定好参数的串级控制系统中，求出一类扰动D1和二类扰动D2在单位阶跃时主被控量的静差。分别分析蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响和喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；4、一类扰动和二类扰动对单回路控制系统在两种扰动下的控制效果与串级控制系统进行对比。5、负荷降至75%但控制器参数没有变化，比较串级控制和单回路控制系统的效果。三、实验记录1、针对100%负荷工况，用两步法整定串级控制系统的参数（1）先将主调节器的比例度P1S置于100%，然后由大到小逐渐降低福调节器的比例度P2S，直到得到副回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P2S，过渡过程的振荡周期为T2S。按要求调的副回路的阶跃曲线图示波图为Scope4：则K2S=-2.5，T2S=255s。(2)在副调节器的比例度等于P2S的条件下，逐步降低主调节器的比例度P1S，直到得到主回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P1S，过渡过程的振荡周期为T1S。按要求调的主回路的阶跃曲线图示波图为Scope3：则K2S=0.8，T2S=260s。(3)按照已求得的P1S、T1S和P2S、T2S值，结合副控制器（PI控制器）和主控制器（PID控制器）的调节规律，按衰减曲线整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。副控制器PI:K2=-3，T2I=127.5s主控制器PID:K1=0.64，T1I=127.5s,T1D=26s(4)设置好参数后对主控制器参数进行调整，得到理想曲线。得到理想效果主副控制器参数：串级控制系统总模型：按要求调的主、副回路的阶跃曲线图为Scope5：2、整定控制器采用PID控制规律的单回路控制系统，并与串级控制系统效果进行对比单回路控制系统：PID参数：串级控制系统：串级控制系统与单回路控制系统对比：3、一类扰动和二类扰动对串级控制系统的影响串级控制系统一、二类扰动阶跃曲线图示波图为Scope1：黄色曲线为蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；紫色曲线为喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响。4、一类扰动和二类扰动对单回路控制系统在两种扰动下的控制效果与串级控制系统进行对比。串级控制系统在一、二类扰动下与单回路控制系统在一、二类扰动下的对比示波图：黄色曲线为串级控制系统中蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；紫色曲线为串级控制系统中喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响。青色曲线为单回路控制系统中蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；红色曲线为单回路控制系统中喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响。5、负荷降至75%但控制器参数没有变化，比较串级控制和单回路控制系统的效果。黄色曲线为负荷降至75%串级控制系统中单位阶跃响应曲线；紫色曲线为负荷降至75%单回路控制系统中单位阶跃响应曲线；青色曲线为负荷为100%串级控制系统中单位阶跃响应曲线。四、结果分析1、串级控制系统与单回路控制系统对比：黄色曲线为串级控制系统单位阶跃响应曲线；紫色曲线为单回路控制系统单位阶跃响应曲线。结论：串级控制系统的响应速度比单回路控制系统更及时，说明串级控制系统提高了整个系统的工作频率。2、串级控制系统一、二类扰动阶跃曲线对比：黄色曲线为蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；紫色曲线为喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响。结论：二类扰动的偏差明显小于一类扰动偏差，说明串级系统对于二类扰动D2具有较强的抑制能力，而对于一类扰动D1的控制能力明显弱于二类扰动D2。3、串级控制系统在一、二类扰动下与单回路控制系统在一、二类扰动下的对比：黄色曲线为串级控制系统中蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；紫色曲线为串级控制系统中喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响。青色曲线为单回路控制系统中蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；红色曲线为单回路控制系统中喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响。结论：1）串级系统对于二类扰动D2具有较强的抑制能力，而对于一类扰动D1的控制能力明显弱于二类扰动D2。2）串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部分广义对象，改善了对象的特性，提高了系统的工作频率。3）对于二类扰动，串级控制系统的控制效果好于单回路控制。4）对于一类扰动，串级控制系统的控制效果好于单回路控制。4、负荷降至75%但控制器参数没有变化比较串级控制和单回路控制系统的效果，以及负荷为100%的串级控制系统对比。黄色曲线为负荷降至75%串级控制系统中单位阶跃响应曲线；紫色曲线为负荷降至75%单回路控制系统中单位阶跃响应曲线；青色曲线为负荷为100%串级控制系统中单位阶跃响应曲线。结论：在同样的控制器参数下，负荷由100%降至75%，串级控制系统对负荷变化的适应能力比单回路控制系统强，然而单回路控制系统曲线就直接发散、不稳定、控制质量严重下降。其主要因为副回路是一个随动控制系统，其设定值随主调节器的输出而变化，这样主调节器就可以按照负荷变化的情况相应调节副控制器的设定值，从而保证负荷变化的情况下副调节器仍在设定值附近较小的范围内工作，从而使控制品质得到保证。5、总结串级控制系统的特点改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，并且串级控制系统对于二类扰动具有较强的抑制能力，能迅速克服进入副回路的二次扰动，串级控制系统对负荷变化的适应能力也增强。五、思考题1.说明两步法整定串级控制系统的具体步骤。答：①将按单回路方法整定副调节器参数；②把已经整定好的副回路视为一个环节，仍按单回路对主调节器进行参数整定。③先副回路，后主回路，做一些扰动试验，观察过渡过程曲线，做适当参数调整，直到控制品质最佳为止。2.对比串级控制系统与单回路控制系统的优缺点。答：串级系统用一个闭合的副回路代替了原来一部分广义对象，与另一部分对象串联，相较于简单控制系统，改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，并且串级控制系统对于二类扰动具有较强的抑制能力，能迅速克服进入副回路的二次扰动。但是串级控制系统增加了自动化装置，投运、整定、维护比单回路控制系统复杂。单回路控制系统虽结构简单，可是对动态复存在多种扰动或扰动幅度很大、控制精度与功能要求高时，单回路控制系统就不能胜任了。3.串级控制系统如何选择合理的副参数。答：①在选择副参数时，必须把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中；②选择副参数，进行副回路的设计时，应使主、副对象的时间常数适当匹配；③方案应考虑工艺上的合理性、可能性和经济性；④主、副变量有对应关系。4.你认为在实际生产过程中何种场合下需要采用串级控制系统，如何设计。答：场合：容量滞后较大、纯时延较大、扰动变化激烈而且幅度大、参数互相关联、非线性过程。设计：①确定生产过程要求控制的工艺参数②设计主、副回路，选择合适的控制规律以及主、副调节器的作用方式。③整定调节器的参数六、心得体会通过这一次的仿真实验，本人基本掌握了串级控制系统的基本结构、工作原理与适用场合；对比于串级控制系统和单回路控制系统的特点，分析到串级控制系统具有改善被控过程的动态特性、抗干扰能力增强、对负荷变化有一定的自适应能力的效果；另外还学会串级控制系统的设计与参数整定，也进一步掌握到第六章的整定方法。总的来说，这次的仿真实验让我们对课堂的理论知识的巩固，令我们切切实实体会到串级控制系统的控制效果。