1、東南大學(xué)自動化學(xué)院實(shí) 驗(yàn) 報 告課程名稱： 過程控制 第 六 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 液位流量串級控制實(shí)驗(yàn) 院 （系）： 自動化 專 業(yè)： 自動化 姓 名： 學(xué) 號： 同組人員： 實(shí)驗(yàn)時間： 2017 年6 月 3 日評定成績： 審閱教師： 目 錄一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3三實(shí)驗(yàn)步驟4四實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象4五思考題7一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法；2、 掌握串級控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)；3、 了解液位、流量串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、基本概念及組成結(jié)構(gòu) 串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。 前一個調(diào)節(jié)器稱為

2、主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。 整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。 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的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。2、串級控制系統(tǒng)的工作過程 當(dāng)擾動發(fā)生時，破壞了穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)節(jié)器進(jìn)行工作。根據(jù)擾動施加點(diǎn)的位置不同，分種情況進(jìn)行分析： 1）擾動作用

3、于副回路； 2）擾動作用于主過程； 3）擾動同時作用于副回路和主過程。分析可以看到：在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進(jìn)入副回路的擾動，而且又能改善過程特性。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，從而使其控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。串級控制的原理方框圖如圖1所示：主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器電動閥上水箱副變送器主變送器-+-PVSV 內(nèi)給定PV外給定開度檢測液位檢測圖1 串級控制的原理方框圖三 、實(shí)驗(yàn)步驟1、 掌握串級控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，了解系統(tǒng)主、副回路組成以及對象擾動；2、 完成主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計；3、 副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計；4、 控制系統(tǒng)控制參數(shù)

4、的選擇；5、 串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇；6、 串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定；7、 掌握串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法，即按照逐步逼近法，對主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定；8、 熟悉掌握串級控制系統(tǒng)中主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置和主、副回路的手動、自動的切換方法；9、 記錄歷史曲線與液位流量曲線，并與單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行動靜態(tài)特性分析比較。四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象1、電路連接圖圖2 液位流量串級控制系統(tǒng)連線圖控制面板中有4個P909儀表，以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)和變送器的接口。 每個P909有4組接口，分別為（PV，4-20mA），（外給定，4-20mA），（OUT，4-20mA），（報警）。PV為測量值的

5、輸入口，即在閉環(huán)回路中為反饋值的輸入口，該接口一般與變送器相連。外給定為該P(yáng)909的給定值是由其他儀器給定，而非手動人為調(diào)節(jié)，在串級控制中為外環(huán)的輸出口與內(nèi)環(huán)給定的接口。OUT為該P(yáng)909的輸出值。 串級控制將液位調(diào)節(jié)器的輸出作為流量環(huán)的外給定。流量環(huán)速度比液位變化快，因而作為內(nèi)環(huán)控制。圖3 串級控制實(shí)物連接圖2、逐步逼近法整定控制器參數(shù)逐步逼近法是先副后主，逐步逼近。具體步驟為：（1）先斷開主回路，整定副控制器；（2）后閉合主回路，整定主控制器；（3）重新調(diào)整副控制器參數(shù)；（4）若未達(dá)到控制要求，再調(diào)整主控制器參數(shù)；（5）以上兩個步驟循環(huán)進(jìn)行，直到滿足指標(biāo)。主控制器整定后參數(shù)：P=168；I

6、=20；D=0副控制器整定后參數(shù)：P=6；I=26；D=03、最終整定參數(shù)后的歷史趨勢曲線圖；圖4 參數(shù)整定后歷史趨勢圖五 、思考題1、 串級控制系統(tǒng)有什么特點(diǎn)？答：串級控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為：（1）在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上組成二個閉合回路。主、副調(diào)節(jié)器串聯(lián)，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。系統(tǒng)通過副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥動作，來控制被調(diào)參數(shù)達(dá)到給定值。 （2）在系統(tǒng)特性上，由于副回路的作用，有效地克服了滯后，可大大地提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。 （3）主、副回路協(xié)同工作，克服干擾能力強(qiáng)，可用于不同負(fù)荷和操作條件變化的場合。串級控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于：對象的滯后和時間常數(shù)很大、干擾作用強(qiáng)而頻繁、負(fù)荷變化大、對控制質(zhì)量要求較高的

7、場合.2、 主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律與正、反作用應(yīng)怎么選擇？答： （1）控制規(guī)律的選擇串級控制系統(tǒng)的目的是為了高精度地穩(wěn)定主變量，對主變量要求較高，一般不允許有余差，所以主控制器一般選擇比例積分控制規(guī)律，當(dāng)對象滯后較大時，也可引入適當(dāng)?shù)奈⒎肿饔?。串級控制系統(tǒng)中對副變量的要求不嚴(yán)。在控制過程中，副變量是不斷跟隨主控制器的輸出變化而變化的，所以副控制器一般采用比例控制規(guī)律就行了，必要時引入適當(dāng)?shù)姆e分作用，而微分作用一般是不需要的。（2）正、反作用的選擇副控制器的作用方向與副對象特性、控制閥的氣開、氣關(guān)型式有關(guān)，其選擇方法與簡單控制系統(tǒng)中控制器正、反作用的選擇方法相同，是按照使副回路成為個負(fù)反饋系統(tǒng)的原

8、則來確定的。 主控制器作用方向的選擇可按下述方法進(jìn)行：當(dāng)主、副變量在增加(或減小時)，如果要求控制閥的動作方向是一致的，則主控制器應(yīng)選“反”作用的；反之，則應(yīng)選“正”作用的。從上述方法可以看出，串級控制系統(tǒng)中主控制器作用方向的選擇完全由工藝情況確定，或者說，只取決于主對象的特性，而與執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)型式及副控制器的作用方向完全無關(guān)。這種情況可以這樣來理解：如果將整個副回路看作是構(gòu)成主回路的一個環(huán)節(jié)時，副回路這個環(huán)節(jié)的輸入就是主控制器的輸出(即副回路的給定)，而其輸出就是副變量。由于副回路的作用總是使副變量跟隨主控制器的輸出變化而變化，不管副回路中副對象的特性及執(zhí)行器的特性如何，當(dāng)主控制器輸出增加時，副變量總是增加的，所以在主回路中，副回路這個環(huán)節(jié)的特性總是“正”作用方向的。在主回路中，由于副回路、主測量變送這兩個環(huán)節(jié)的特性始終為“正”，所以為了使整個主回路構(gòu)成負(fù)反饋，主控制器的作用方向僅取決于主對象的特性。主對象具有“正”作用特性(即副變量增加時，主變量亦增加)時，主控制器應(yīng)選“反”作用方向，反之，當(dāng)主對象具有“反”作用特性時，主控制器應(yīng)選“正”作