第四章串級控制系統(tǒng)實(shí)驗

1、要做的實(shí)驗項目是：實(shí)驗一單容自衡水箱液位特性測試實(shí)驗實(shí)驗二單容液位定值控制系統(tǒng)實(shí)驗實(shí)驗三雙容（串聯(lián)）水箱特性的測試實(shí)驗實(shí)驗四 雙容（串聯(lián)）水箱液位定值控制系統(tǒng)實(shí)驗 實(shí)驗五 雙容（串聯(lián)）液位串級控制系統(tǒng)實(shí)驗 實(shí)驗六 前饋反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗第四章 串級控制系統(tǒng)實(shí)驗第一節(jié)串級控制系統(tǒng)概述一、串級控制系統(tǒng)的概述圖4-1是串級控制系統(tǒng)的方框圖。該系統(tǒng)有主、副兩個控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián) 工作，其中主調(diào)節(jié)器有白己獨(dú)立的給定值r,它的輸出g作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器 的輸出ni2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)g。圖4-1串級控制系統(tǒng)方框圖r-主參數(shù)的給定值；g-被控的主參數(shù)；c2-副參數(shù)；f.（t）-作用在

2、主對象上的擾動；f2（t）-作用在副對象上的擾動。二、串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級控制系統(tǒng)及其副i川路對系統(tǒng)控制質(zhì)最的影響已在冇關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論 再簡單歸納一下。1. 改善了過程的動態(tài)特性；2. 能及時克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動，提高了系統(tǒng)抗擾動能力；3. 提高了系統(tǒng)的魯棒性；4. 具有一定的自適應(yīng)能力。三、主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它 的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用pt或ptd調(diào)節(jié)器。由于副冋路 是一個隨動系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參 數(shù)的動態(tài)性

3、能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用p或pt調(diào)節(jié)器。四、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇正如單冋路控制系統(tǒng)設(shè)計屮所述，要使一個過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負(fù) 反饋。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個系統(tǒng)構(gòu) 成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放人系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)的放人系數(shù)極性是這樣規(guī)定的：當(dāng)測量值增加，調(diào)節(jié)器輸出也增加，則調(diào)節(jié)器的 放大系數(shù)匕為負(fù)（即正作用調(diào)節(jié)器），反z, kr為止（即反作用調(diào)節(jié)器）；本裝置所用電動調(diào) 節(jié)閥的放大系數(shù)k,恒為正；當(dāng)過程的輸入增大時，即調(diào)節(jié)器開大，其輸出也增大，則過程 的放大系數(shù)ko為正,反之k。為負(fù)。五、串級

4、控制系統(tǒng)的整定方法在工程實(shí)踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法冇以下三種：（一）逐步逼近法所謂逐步逼近法，就是在主回路斷開的悄況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的 整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值匕使主回路閉合，按單回路整定方法 求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)在所求得的數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求取 笫二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足質(zhì)量 指標(biāo)要求為止。（二）兩步整定法兩步整定法就是笫一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為：1. 在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例 度

5、置于100%,然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4： 1）曲線法來整定副回路。記下相應(yīng)的 比例度6 2s和振蕩周期t2so2. 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的&2s值上，h把副回路作為主回路中的一個環(huán)節(jié), 用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度5 is和振蕩周期t"3. 根據(jù)求取的九、5和、tzs值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計算主、副調(diào) 節(jié)器的比例度§、積分時間£和微分時間心的數(shù)值。4. 按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù), 再觀察過渡過程曲線，必要時進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到過程的動態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。（三）一步整定法

6、由于兩步整定法要尋求兩個4： 1的衰減過程，這是一件很花時間的事。因而對兩步整 定法做了簡化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù), 然后將副回路作為主回路的一個壞節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參 數(shù)。具體的整定步驟為：1. 在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)心/§ 2=0. 5這一關(guān)系式，通過副 過程放大系數(shù)k°2,求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)§ 2或按經(jīng)驗選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器 上。2. 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。3. 改變給定值，觀察彼控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放

7、大系數(shù)和副調(diào)節(jié)器放大 系數(shù)k?的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。4. 如果出現(xiàn)較人的振蕩現(xiàn)象，只要加人主調(diào)節(jié)器的比例度§或增人積分時間常數(shù) 即可得到改善。第二節(jié) 水箱液位串級控制系統(tǒng)一、實(shí)驗?zāi)康?. 通過實(shí)驗了解水箱液位串級控制系統(tǒng)組成原理。2. 掌握水箱液位串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定與投運(yùn)方法。3. 了解階躍擾動分別作用于副對彖和主對彖時對系統(tǒng)主控制量的影響。4. 掌握液位串級控制系統(tǒng)采用不同控制方案的實(shí)現(xiàn)過程。二、實(shí)驗設(shè)備1. 實(shí)驗對象及控制屏、sa-11掛件一個、sa-12掛件兩個、計算機(jī)一臺、萬用表一個；2. rs485/232轉(zhuǎn)換器一個、通訊線一根；

8、3. sa-22掛件一個、sa-23掛件一個。三、實(shí)驗原理本實(shí)驗為水箱液位的串級控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個回路組成。主控回路中的調(diào) 節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對彖為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié) 器稱副調(diào)節(jié)器，控制對彖為中水箱，又稱副對彖，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié) 器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個隨動控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的輸出直接驅(qū) 動電動調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制下水箱液位的fi的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作川 下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為pt或ptd控制。由于副控回路的輸出要求能快速、 準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動

9、態(tài)性能和余差無特姝的要求，因而 副調(diào)節(jié)器可采川p調(diào)節(jié)器。本實(shí)驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖4-2所示。電wr-tr一 .!flll:沖2- - ip q訂電三rhl土f!->eq2 |甌.罰輯；孑|4屯"；r卜*二糸紬lt*門i儲水編(a)位受送3訃（b）圖4-2水箱液位串級控制系統(tǒng)（小結(jié)構(gòu)圖 （b）方框圖四、實(shí)驗內(nèi)容與步驟本實(shí)驗選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被控對彖（也吋選擇上水箱和中水箱）。實(shí)驗z前 先將儲水箱小貯足水量，然后將閥門fit、fl-7全開，將屮水箱出水閥門f1-10開至適當(dāng) 開度（40%90%）、卜水箱出水閥門f1-11開至適當(dāng)開度（30%80%要求閥f1-10稍人于閥

10、 f1-11）,具余閥門均關(guān)閉。智能儀表控制2、卜送!節(jié)儀捽1«a相電綠輸岀0000 "°mlsv_ohb_1. 將兩個sa-12掛件掛到屏上，并將掛件的通訊線插頭插入屏內(nèi)rs-485 m訊口上，將 控制屏右側(cè)rs-485通訊線通過rs-485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算機(jī)串口 c0m1,并按照下面的 控制屏接線圖連接實(shí)驗系統(tǒng)。將lt3下水箱變送器輸出“15v”對應(yīng)接至智能調(diào)節(jié)儀i的 “,2”兩端;將lt2中水箱變送器輸出“0.2iv”對應(yīng)接至智能調(diào)節(jié)儀ii的“3, 2”兩 端。圖4-3猶能儀表控制“水箱液位串級控制”實(shí)驗接線圖2. 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開

11、24v開關(guān)電源，給液位變送器上電，按下啟 動按鈕，合上單相i、單相iii空氣開關(guān)，給電動調(diào)節(jié)閥及智能儀表1上電。3. 參數(shù)設(shè)置智能儀表 i 參數(shù)設(shè)置:sn二33、dip二 1、dll二0、dih二50、opl二0、oph二 100、cf二0、addr=l, 智能調(diào)節(jié)儀ii參數(shù)設(shè)置:sn二32、dip二 1、dll二0、dih二50、opl二0、oph二 100、cf二8、add2, 智能調(diào)節(jié)儀參數(shù)設(shè)置請參考智能調(diào)節(jié)儀使用手冊。4. 打開上位機(jī)纟fl態(tài)王組態(tài)環(huán)境，選擇“thj-3智能儀表控制工程”，點(diǎn)擊“view”按鈕 進(jìn)入組態(tài)王運(yùn)行環(huán)境，在主菜單屮點(diǎn)擊“實(shí)驗九、水箱液位串級控制系統(tǒng)”，進(jìn)入實(shí)驗

12、監(jiān)控 界面。5. 將主控儀表設(shè)置為“手動”，并將輸出值設(shè)置為一個合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀 表實(shí)現(xiàn)。6. 合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動泵上電打水，適當(dāng)增加/減少主調(diào)節(jié)器的輸出量, 使下水箱的液位平衡于設(shè)定值，門中水箱液位也穩(wěn)定于某一值（此值一般為35cm,以免 超調(diào)過大，水箱斷流或溢流）。7. 按本章第一節(jié)中任一種整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器 設(shè)定。8. 待液位穩(wěn)定于給定值時，將調(diào)節(jié)器切換到“自動”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下 幾種方式加干擾：（1）突增（或突減）儀表設(shè)定值的人小，使其有一個正（或負(fù)）階躍增量的變化；（2）打開閥門f2-1、f2-4 （或f2-5）,

13、用變頻器支路以較小頻率給中水箱（或下水箱） 打水（干擾作用在主對彖或副對彖）；（3）將“閥fl-5、f1-13”開至適當(dāng)開度（改變負(fù)載）;（4）將電動調(diào)節(jié)閥的旁路閥f1-4 （電磁閥上電）開至適當(dāng)開度。以上幾種干擾均要求擾動量為控制量的5%15%,干擾過大可能造成水箱中水溢出或 系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時間后，水箱液位 穩(wěn)定至新的設(shè)定值（后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時的智能儀表的設(shè)定值、 輸岀值和儀表參數(shù)，下水箱液位的響應(yīng)過程曲線將如圖4-4所示。u圖4-4下水箱液位階躍響應(yīng)曲線9. 適量改變主、副控調(diào)節(jié)儀的ptd參數(shù)，重復(fù)步驟8,用計算機(jī)

14、記錄不同參數(shù)時系統(tǒng) 的響應(yīng)曲線。五、實(shí)驗報告要求1. 畫出水箱液位串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。2. 川實(shí)驗方法確定調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，并寫出整定過程。3. 根據(jù)擾動分別作川于主、副對彖時系統(tǒng)輸出的響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)在階躍擾動作川 下的靜、動態(tài)性能。4. 分析主、副調(diào)節(jié)器釆用不同p1d參數(shù)時對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。6.綜合分析兩種控制方案的實(shí)驗效果。六、思考題1. 試述串級控制系統(tǒng)為什么對主擾動（二次擾動）具有很強(qiáng)的抗擾能力？如果副對彖 的時間常數(shù)與主對彖的時間常數(shù)大小接近時，二次擾動對主控制量的影響是否仍很小，為什 么？2. 當(dāng)一次擾動作用于主對彖時，試問由于副回路的存在，系統(tǒng)的動態(tài)性能比單回路系 統(tǒng)

15、的動態(tài)性能有何改進(jìn)？3. 串級控制系統(tǒng)投運(yùn)前需要作好那些準(zhǔn)備工作？主、副調(diào)節(jié)器的正反作用方向如何確 定？4. 為什么木實(shí)驗屮的副調(diào)節(jié)器為比例（p）調(diào)節(jié)器？5. 改變副調(diào)節(jié)器的比例度，對串級控制系統(tǒng)的動態(tài)和抗擾動性能有何影響，試從理論 上給予說明。6. 評述串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量高的原因？第六章前饋-反饋控制系統(tǒng)實(shí)驗反饋控制是按照被控參數(shù)與給定值z差進(jìn)行控制的。它的特點(diǎn)是，調(diào)節(jié)器必須在被控參 數(shù)出現(xiàn)偏差后才能對它進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償十?dāng)_對被控參數(shù)的影響?；谶^程控制系統(tǒng)總具有滯 后特性，因而從干擾的產(chǎn)生到被控參數(shù)的變化，需要一定長的時間后，才能使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生對 它進(jìn)行調(diào)節(jié)作用，從而對干擾

16、產(chǎn)生的影響得不到及時地抑止。為了解決這個問題，提出一種 與反饋控制在原理上完全不同的控制方法。由于這種方法是一種開環(huán)控制，因而它只對干擾 進(jìn)行及時地補(bǔ)償，而不會影響控制系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。即當(dāng)擾動產(chǎn)生，補(bǔ)償器立即根據(jù)擾動的 性質(zhì)和人小，改變執(zhí)行器的輸入信號，從而消除干擾對被控量的影響。由于這種控制是在擾 動發(fā)生的瞬時，而不是在被控制量發(fā)生變化后進(jìn)行的，故稱其為前饋控制或擾動補(bǔ)償。前饋一反饋控制系統(tǒng)屮的主要擾動由前饋部分進(jìn)行補(bǔ)償，這種擾動能測定，其它所有擾 動對被控制量所產(chǎn)生的影響均由負(fù)反饋系統(tǒng)來消除。這樣就能使系統(tǒng)的動態(tài)課差人人減小， 從而提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量。第一節(jié)下水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng)一、

17、實(shí)驗?zāi)康?. 通過本實(shí)驗進(jìn)一步了解液位前饋-反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理。2. 掌握前饋補(bǔ)償器的設(shè)計與調(diào)試方法。3. 掌握前饋-反饋控制系統(tǒng)參數(shù)的整定與投運(yùn)方法。二、實(shí)驗設(shè)備1. 實(shí)驗對象及控制屏、sa-11掛件一個、sa-12掛件兩個、sa-14掛件一個、計算機(jī)一 臺、萬用表一個：2. rs485/232轉(zhuǎn)換器一個、通訊線一根；3. sa-44掛件一個、pc/ppi通訊電纜一根。三、實(shí)驗原理本實(shí)驗的被控制量為下水箱的液位h,主擾動量為變頻器支路的流量。本實(shí)驗要求下水 箱液位穩(wěn)定到給定值，將液位傳感器lt3檢測到的下水箱液位信號作為反饋信號，在與給定 量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，

18、以達(dá)到控制下水箱液位的目的。而擾動 量經(jīng)過前饋補(bǔ)償器后直接疊加在調(diào)節(jié)器的輸出，以抵消擾動對被控對象的彩響。本實(shí)驗系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)圖和方框圖如圖6-1所示。圖6-1 )卜水箱液位前饋-反饋控制系統(tǒng)(a)結(jié)構(gòu)圖(b)方框圖由圖可知，擾動f (s)得到全補(bǔ)償?shù)臈l件為f(s)gf (s) +f (s)ge(s)go(s)=ogf(s)=-g/($)(6-1)上式給出的條件山于受到物理實(shí)現(xiàn)條件的限制，顯然只能近似地得到滿足，即前饋控制 不能全部消除擾動對被控制量的影響，但如呆它能去掉擾動對被控制量的人部分影響，則認(rèn) 為詢饋控制已起到了應(yīng)有的作用。為使補(bǔ)償器簡單起見，g,s)用比例器來實(shí)現(xiàn)，如圖其值 按本章式(

19、6-1)來計算。四、靜態(tài)放大系數(shù)&的整定方法(一) 開環(huán)整定法開環(huán)整定法是在系統(tǒng)斷開反饋冋路的悄況下，僅采用靜態(tài)前饋?zhàn)饔?，來克服對被控參?shù) 影響的一種整定法。整定時，kml小到大調(diào)節(jié)，觀察而饋補(bǔ)償?shù)淖饔?，直至被控參?shù)回到給 定值上，即直至完全補(bǔ)償為止。此時的靜態(tài)參數(shù)即為最佳的整定參數(shù)值k卜、實(shí)際上心值符 合下式關(guān)系,即(6-2)式中：k、k。分別為擾動通道、控制通道的靜態(tài)放大系數(shù)。開環(huán)整定法適用于在系統(tǒng)中其他擾動不占主要地位的場合，不然冇較大偏差。(二) 前饋-反饋整定法kf f(s)圖6-2前饋-反饋系統(tǒng)參數(shù)整定方框圖在圖6-2所示系統(tǒng)反饋回路整定好的基礎(chǔ)上，先合上開關(guān)k,使系統(tǒng)為前

20、饋-反饋控制 系統(tǒng)，然后由小到大調(diào)節(jié)6值，可得到在擾動f （t）作川下如圖63所示的一系列響應(yīng)曲 線，其中圖6-3 （b）所示的曲線補(bǔ)償效果最好。t|t|t（a）欠補(bǔ)償（b）補(bǔ)償合適（c）過補(bǔ)償圖6-3前饋-反饋系統(tǒng)kf的整定過程（三）利用反饋系統(tǒng)整定k值待“圖6-2”所示系統(tǒng)運(yùn)行正常示，打開開關(guān)k,則系統(tǒng)成為反饋控制。1 待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并使被控參數(shù)等于給定值時，記錄相應(yīng)的擾動量f。和調(diào)節(jié)器輸出2. 人為改變前饋擾動，使f。變?yōu)槿?，待系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，且被控參數(shù)等于給定值時，記 錄此時調(diào)節(jié)器的輸岀值山。3. 按下式計算&值(6-3)k尸一f 廠f。四、實(shí)驗內(nèi)容與步驟木實(shí)驗選擇中水箱和下水

21、箱串聯(lián)作為彼控對彖，實(shí)驗z前先將儲水箱中貯足水量，然后 將閥門fl-l、fl-7、f2-1、f2-5全開,將閥門f1t0開至適當(dāng)開度（40%80%）、f1-11開 至適當(dāng)開度（30%70%閥fl-10>fl-ll）,其余閥門都關(guān)閉。（一）、智能儀表控制1. 將sa-11掛件、sa-12掛件、sa-14掛件掛到屏上,并將sa-12掛件的通訊線接頭插 入屏內(nèi)rs-485通訊口上，將控制屏右側(cè)rs-485通訊線通過rs-485/232轉(zhuǎn)換器連接到計算 機(jī)串口 1,并按照下血的控制屏接線圖連接實(shí)驗系統(tǒng)。仗號入8a-118a-12節(jié)儀jew aw、豪能調(diào)節(jié)初嬸 j hx*!(r力受送a x !till lti e lt3 j r h i : n mwl；i * l_mywj!三和電加第管入、 ® u> s w. i© © ©8d 8tr日日日日02tv牙;i s.*«n/單ffim/ i j三想電源輸h 、v、w 7. ® o i圖6-4儀表控制“下水箱液位前饋-反饋控制”實(shí)驗接線圖2. 接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24v開關(guān)電源，給液位變送器及渦輪