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控制系统课程设计报告
院系 专业 班级 学号 姓名
2013年12月
第五章 串级控制系统实验
第一节 串级控制系统概述
一、串级控制系统的概述
图5-1是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图5-1 串级控制系统方框图
R-主参数的给定值； C1-被控的主参数 ； C2-副参数； f1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。
二、串级控制系统的特点
串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
1．改善了过程的动态特性；
2．能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力； 3．提高了系统的鲁棒性； 4．具有一定的自适应能力。 三、主、副调节器控制规律的选择
在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P或PI调节器。
四、主、副调节器正、反作用方式的选择
正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K0为负。
五、串级控制系统的整定方法
在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有以下三种： （一） 逐步逼近法
所谓逐步逼近法，就是在主回路断开的情况下，按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数，然后将副调节器的参数设置在所求的数值上，使主回路闭合，按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后，将主调节器参数设在所求得的数值上，再进行整定，求取第二次副调节器的整定参数值，然后再整定主调节器。依此类推，逐步逼近，直至满足质量指标要求为止。
（二） 两步整定法
两步整定法就是第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。 整定的具体步骤为：
1．在工况稳定，主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%，然后用单回路控制系统的衰减（如4：1）曲线法来整定副回路。记下相应的比例度δ
2S和振荡周期
T2S。
且把副回路作为主回路中的一个环节，2S值上，
1S和振荡周期
2．将副调节器的比例度置于所求得的δ3．根据求取的δ
用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ
T1S。
1S、T1S和δ2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副
调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td的数值。
4．按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。
（三） 一步整定法
由于两步整定法要寻求两个4：1的衰减过程，这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化，提出了一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。
具体的整定步骤为：
1．在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ器上。
2．按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。
3．改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质指标最佳。
4．如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。
2
或按经验选取，并将其设置在副调节
第二节 水箱液位串级控制系统
一、实验目的
1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备（同前） 三、实验原理
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为中水箱，中水箱的液位为系统的主控制量。副控回路中的调节器称副调节器，控制对象为上水箱，又称副对象，上水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。本实验系统结构图和方框图如图5-2所示。
图5-2 水箱液位
串级控制系统 (a)结构图 (b)方框图
四、实验内容与步骤
本实验选择上水箱和中水箱串联作为被控对象（也可选择中水箱和下水箱）。实验之前先将储水箱贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6全开，将上水箱出水阀门F1-9、中水箱出水阀门F1-10开至适当开度（要求阀F1-9稍大于阀F1-10），其余阀门均关闭。
1、 接通控制系统电源，打开用作上位监控的的PC机，进入的实验主界面如本实验指
导书第二章第一节中的图2-5所示。
2、在实验主界面中选择本实验项即“水箱液位串级控制实验”，系统进入正常的测试状态，呈现的实验界面如图5-3所示。
图5-3 实验界面
3、在上位机监控界面中将输出值设置为一个合适的值。
4、合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使中水箱的液位平衡于设定值，且上水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。
5、按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。
6、待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1） 突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化； （2） 将阀F1-5、F1-12开至适当开度（改变负载）； （3）将电动调节阀的旁路阀F1-3开至适当开度；
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（后面两种干扰方法仍稳定在原设定值）。记录此时的设定值、输出值和参数，中水箱液位的响应过程曲线将如图5-4所示。
图5-4 水箱液位的响应过程曲线
7、适量改变主、副控的PID参数，重复步骤6，通过实验界面下边的切换按钮，观察计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
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