實驗閉環(huán)雙水箱液位串級控制實驗

1、實驗閉環(huán)雙水箱液位串級控制實驗作者:日期:實驗閉環(huán)雙水箱液位串級控制實驗報告自z08紀(jì)銀環(huán)李中瑾馬秋菊葉鑫一、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)閉環(huán)串級控制的原理。2、了解閉環(huán)串級控制的特點。3、掌握閉環(huán)串級控制的設(shè)計。4、初步掌握閉環(huán)串級控制器參數(shù)調(diào)整。二、實驗設(shè)備A3000 FS/FBS現(xiàn)場系統(tǒng)，任意控制系統(tǒng).三、實驗原理單回路控制系統(tǒng)解決了工藝生產(chǎn)過程自動化中大量的參數(shù)定值問題但是，隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，工藝操作條件的要求更加嚴(yán)格，對安全運行和經(jīng)濟(jì) 性及對控制質(zhì)量的要求也更高.但回路控制系統(tǒng)往往不能滿足生產(chǎn)工藝的要求， 在這樣的情況下，串級控制系統(tǒng)就應(yīng)運而生。1、串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)串級控制系統(tǒng)是改善控

2、制質(zhì)量的有效方法之一，在過程控制中得到廣泛地應(yīng) 用，串級控制系統(tǒng)是指不止采用一個控制器，而是將兩個或幾個控制器相串級， 是將一個控制器的輸入作為下一個控制器設(shè)定值的控制系統(tǒng) 2、串級控制系統(tǒng)的名詞術(shù)語主被控參數(shù)：在串級控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的那個被控參數(shù)。副被控參數(shù)：在串級控制系統(tǒng)中為了穩(wěn)定主被控參數(shù)而引入的中間輔助變量。主被控過程：由主參數(shù)表征其特性的生產(chǎn)過程，主回路所包含的過程，是整個 過程的一部分，其輸入為副被控參數(shù)，輸出為主控參數(shù)。副被控過程：由副被控參數(shù)為輸出的生產(chǎn)過程，副回路所包含的過程 ，是整 個過程的一部分，其輸入為控制參數(shù)主調(diào)節(jié)器：按主參數(shù)的測量值與給定值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器

3、，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值副調(diào)節(jié)器：按副參數(shù)的測量值與主調(diào)節(jié)器輸出的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出直接 控制調(diào)節(jié)閥動作。副回路：由副調(diào)節(jié)器、副被控過程、副測量變送器等組成的閉合回路。主回路：由主調(diào)節(jié)器、副回路、主被控過程及主測量變送器等組成的閉合回 路。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，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動 當(dāng)生產(chǎn)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)時，它的控制量與被控量都穩(wěn)定在某一定值。當(dāng)擾動破壞了平衡工況時，串級控制系統(tǒng)便開始了其控制過程根據(jù)不同擾動，分為三種情況：（1）在副對象上的擾動副對象加上擾動后，副調(diào)節(jié)就立即發(fā)出校正信號，控制執(zhí)行對象（工

4、程上一 般是調(diào)節(jié)閥的開度，而本實驗裝置中是泵電機的轉(zhuǎn)速 ）動作，以克服擾動對主被 控參數(shù)的影響。如果擾動量不大，經(jīng)過副回路的及時控制一般不影響被控量，如果 擾動的幅值較大，雖然經(jīng)過副回路的及時校正 ，但還將影響被控量；此時再有主 回路的進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而使被控量回到平衡時的值。（2）主對象上的擾動主對象加上擾動后，主回路產(chǎn)生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作 用，使擾動對被控量的影響比單回路系統(tǒng)時要小 .（3）次擾動和二次擾動同時存在如果一、二次擾動的作用使主，副被控參數(shù)同時增大或減少時，主、副調(diào)節(jié) 器對調(diào)節(jié)閥（或泵電機轉(zhuǎn)速）的控制方向一致的，即大幅度關(guān)小或開大閥門（或 大幅度地使泵電機加速

5、或減速），加強控制作用，使主被控量很快地回到給定值 上.如果一、二次擾動的作用使主、副被控參數(shù)一個增大，另一個減少，此時主、 副調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)閥的方向是相反的，調(diào)節(jié)閥的開度只要作較小變動即滿足控制 要求3、串級控制系統(tǒng)的特點綜上分析可知,串級控制系統(tǒng)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，從而使控制品質(zhì)得到進(jìn)一步提高。串級控制系統(tǒng)是改善和提高控制品質(zhì)的一種極為有效的控制方案。 它與單回 路反饋控制系統(tǒng)比較，由于在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上多了一個副回路， 所以具有以下一些特 占：八、（1）改善了過程的動態(tài)特性串級控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上多了一個副回路。它的容量滯后減少了，過程的動態(tài)特

6、性得到改善，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快 ，控制更為及時。（2）提高了系統(tǒng)工作頻率串級系統(tǒng)由于存在一個副回路，改善了過程特性，等效過程的時間常數(shù)減小了，從而提高了系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期縮短，改善了系統(tǒng)的控制質(zhì)量。（3）具有較強的抗擾動能力在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的乘積愈大，則系統(tǒng)的抗擾動能力 愈強，控制質(zhì)量愈好串級控制系統(tǒng)由于存在副回路，只要擾動由副回路引入，不等它影響到主參數(shù)，副回路立即進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣，該擾動對主參數(shù)的影響就會大 大地減小，從而提高了主參數(shù)控制質(zhì)量，所以說串級控制系統(tǒng)具有較強抗擾動能 力。（4）具有一定的自適應(yīng)能力串級控制系統(tǒng)，就其主回路來看是一個定值控制系統(tǒng)，而副回路

7、則是一個隨動 系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器的輸出能按照負(fù)荷和操作條件的變化而變化， 從而不斷改變副調(diào) 節(jié)器的給定值，使副回路調(diào)節(jié)器的給定值適應(yīng)負(fù)荷并隨操作條件而變化， 即具有 一定的自適應(yīng)能力。正確合理地設(shè)計一個串級控制系統(tǒng)是要其能充分發(fā)揮如上所述系統(tǒng)的各種 特點.在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)包括主、副回路的設(shè)計，主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇及 正、反作用方式的確定。4、主、副回路的設(shè)計串級控制系統(tǒng)的主回路是一個定值控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是副 參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計以及主、副回路關(guān)系的考慮 .下面介紹設(shè)計原則.（1）主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計串級控制系統(tǒng)由主回路和副回路組成主回路是一個定值控制系統(tǒng)。對于主參 數(shù)

8、的選擇和主回路的設(shè)計，基本上可以按照單回路控制系統(tǒng)的設(shè)計原則進(jìn)行 .凡直 接或間接與生產(chǎn)過程運行性能密切相關(guān)并可直接測量的工藝參數(shù)均可選擇作主 參數(shù)。若條件許可，可以選用質(zhì)量指標(biāo)作為主參數(shù) ，因為它最直接也最有效。否 則應(yīng)選用一個與產(chǎn)品質(zhì)量有單值函數(shù)關(guān)系的參數(shù)作為主參數(shù)。另外，對于選用的主參數(shù)必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過程的合理性 .（2）副參數(shù)的選擇和副回路的設(shè)計副參數(shù)的選擇副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時間常數(shù)小，時延小，控制通道短，這樣可使等效過 程的時間常數(shù)大大減小，從而加快需要的工作頻率，提高響應(yīng)速度，縮短過渡過 程時間，改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 總之，為了充分發(fā)揮副回路的超前、快速作用

9、 , 在擾動影響主參數(shù)之前就加以克服， 必須設(shè)法選擇一個可測的、反映靈敏的參數(shù) 作為副參數(shù)副回路應(yīng)包括生產(chǎn)過程中變化劇烈、頻繁而且幅度大的主要擾動，并盡可能多 地包括一些擾動。由上所述，串級控制系統(tǒng)副回路具有調(diào)節(jié)速度快、抑制擾動能力強的特點。在副回路設(shè)計時，要充分發(fā)揮這一特點，把生產(chǎn)過程中的主要擾動（并可能多的 把其它一些擾動）包括在副回路中，以盡量減少對主參數(shù)的影響，提高主參數(shù)的控制質(zhì)量。如此次實驗就是以下水箱的水位為主參數(shù)與上水箱的水位為副參數(shù)的 串級控制系統(tǒng)。在選擇副參數(shù)進(jìn)行副回路設(shè)計時 必須注意主、畐I過程時間常數(shù)的匹配問題。 因為它是串級控制系統(tǒng)正常運行的主要條件，是保證安全生產(chǎn)、防

10、止共振的根本 措施。如果副過程的時間常數(shù)比主過程小得多，這時副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快， 但此時副回路包含的擾動少，對于過程特性的改善也就少了；相反，如果副過程的時間常數(shù)大于或接近于主過程的時間常數(shù)，這時副回路對于改善過程特性的效 果較明顯。但是，副回路反應(yīng)較遲鈍，不能及時有效地克服擾動，并將明顯地影 響參數(shù).如果主、畐I過程的時間常數(shù)較接近，這時主副回路間的動態(tài)聯(lián)系十分密 切，當(dāng)一個參數(shù)發(fā)生振蕩時，會使另一個參數(shù)也發(fā)生振蕩，這就是所謂的 共振”, 它不利于生產(chǎn)的正常進(jìn)行。串級控制系統(tǒng)主、副過程時間常數(shù)的匹配是一個比較 復(fù)雜的問題.原則上,主副過程時間常數(shù)之比應(yīng)是 3到10范圍內(nèi).在工程上,應(yīng)

11、根據(jù) 具體過程的實際情況與控制要求來定。若設(shè)置串級控制系統(tǒng)主要是利用副回路能 迅速克服主要擾動的話，則副回路的時間常數(shù)以小一點為好，只要將主要擾動包括在副回路中即可，若設(shè)置串級控制系統(tǒng)，是由于副回路過程時間常數(shù)過大，為 了改善過程特性，則副過程時間常數(shù)可以適當(dāng)取大一些。 但是，副過程的時間常 數(shù)均不宜過大和過小。(3) 副回路設(shè)計應(yīng)考慮工藝上的合理性：過程控制系統(tǒng)是為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)的，設(shè)計串級控制系統(tǒng)，應(yīng)考慮和滿足生產(chǎn) 工藝要求，注意系統(tǒng)的控制參數(shù)必定是先影響副參數(shù)， 再去影響主參數(shù)的這種串 聯(lián)對應(yīng)關(guān)系，然后再考慮其它因素。副回路的設(shè)計還應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性的原則。(4) 串級控制系統(tǒng)參數(shù)的選擇對控制參

12、數(shù)的選擇，一般可考慮：1) 、選擇可控性良好的參數(shù)作為控制參數(shù)。2) 、所選擇的控制參數(shù)必須使控制通道有足夠大的系數(shù)，并應(yīng)保證大于 主要擾動通道的放大系數(shù)，以實現(xiàn)對主要擾動進(jìn)行有效控制并提高控制質(zhì) 量。3) 、所選控制參數(shù)應(yīng)同時考慮經(jīng)濟(jì)性與工藝上的合理性。5、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，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇控制規(guī)律的基本出發(fā)點。主參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，因 此,主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律.副參數(shù)的設(shè)置是為了保證主參數(shù)的控制質(zhì) 量，允許在一定范圍內(nèi)變化，允許有余差，因

13、此副調(diào)節(jié)器只要選P控制規(guī)律就可 以了。一般不引入積分控制規(guī)律。因為副參數(shù)允許有余差，而且副調(diào)節(jié)器的放大 系數(shù)較大，控制作用強，余差小，若采用積分規(guī)律，會延長控制過程，減弱副回 路的快速作用。一般也不引入微分控制規(guī)律，因為副回路本身起著快速作用，再引 入微分規(guī)律會使調(diào)節(jié)閥動作過大，對控制不利6、主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇為了滿足生產(chǎn)工藝的要求，確保串級控制系統(tǒng)正常運行，主、副調(diào)節(jié)器正、反 作用方式必須正確選擇。根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正反作 用方式；最后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式在單回路控制系統(tǒng)設(shè)計中所述，要使一個過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)

14、必 須為負(fù)反饋。對于串級控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇原則 是使整個控制系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為 正值。7、串級控制系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的確定為了滿足生產(chǎn)工藝指標(biāo)的要求，為了確保串級控制系統(tǒng)的正常運行，主、副調(diào) 節(jié)器正、反作用方式必須正確的選擇。在具體選擇時 ，是在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)型 式已經(jīng)選定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先根據(jù)工藝生產(chǎn)安全等原則選擇調(diào)節(jié)器的氣開、 氣關(guān)形式；然后根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和調(diào)節(jié)閥形式確定副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式； 最后再根據(jù)主、副參數(shù)的關(guān)系，決定主調(diào)節(jié)器的正、反作用方式。如在單回路控制系統(tǒng)設(shè)計中所述，要使一個過程控制系統(tǒng)

15、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)放大系統(tǒng)系數(shù)極性乘積 必須為正值。各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性的正負(fù)是這樣規(guī)定的：對于調(diào)節(jié)器的Kc,當(dāng)測量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則Kc為負(fù)（即正作用調(diào)節(jié)器）；反之，Kc為正（即反作用調(diào)節(jié)器）.調(diào)節(jié)器為氣開，則Kv為正，氣關(guān)則Kv為負(fù)。過程放 大系數(shù)極性是：當(dāng)過程的輸入增大時，即調(diào)節(jié)閥開大，其輸出也增大，則Ko為正； 反之Ko為負(fù)。串級控制系統(tǒng)由于增加了副回路，對于進(jìn)入副回路的干擾有較強 的克服能力.定性來看，串級控制系統(tǒng)的副回路是一個隨動控制系統(tǒng)，而主回路是一

16、個定 值系統(tǒng)。當(dāng)主對象時間常數(shù)較大時，可認(rèn)為1： 1的比例環(huán)節(jié)，從而使副回路中原 來應(yīng)屬于主對象的那部分環(huán)節(jié)的影響消除， 它使系統(tǒng)的振蕩頻率提高，加快了系 統(tǒng)的響應(yīng)，改善了控制品質(zhì)。串級控制系統(tǒng)由于副環(huán)具有快速抗干擾功能，對于進(jìn)入副環(huán)的干擾具有很強 的抑制作用。因此，對于同樣大小的干擾作用于主、副環(huán)，對主變量的影響是不 同的。作用于副環(huán)的干擾，由于受到副環(huán)的抑制作用，結(jié)果對于主變量的影響就 比較小；而作用于主環(huán)的干擾，由于此時副環(huán)的快速抗干擾能力未能得到發(fā)揮，因 此干擾對主變量的影響就比較大.8雙容液位串級控制設(shè)計在A3000高級過程控制實驗系統(tǒng)中，能夠完成多個串級試驗，包括液位串級 控制，液

17、位和流量串級，和換熱器串級控制等實驗。第一個動力支路引入干擾中箱心冋曲圖6-1-1液位串級控制實如圖6 1 1所示液位串級控制實驗。實驗以串級控制系統(tǒng)來控制下水箱液 位，以中水箱為副對象，右邊水泵直接向中水箱注水，時間常數(shù)小、時延小，控 制通道短，從而可加快提高響應(yīng)速度，縮短過渡過程時間，符合副回路選擇的超 前，快速、反應(yīng)靈敏等要求。下水箱為主對象，水需要經(jīng)過中水箱才能進(jìn)入下水箱，時間常數(shù)比較大，時 延大。如圖所示，設(shè)計好下水箱和中水箱串級控制系統(tǒng)將主調(diào)節(jié)器的輸出送到副調(diào)節(jié)器的給定，而副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行器。由上分析副調(diào)節(jié)器選純比例控 制，正作用，自動。主調(diào)節(jié)器選用比例控制或比例積分控制，反

18、作用，自動。反復(fù)調(diào)試，使中水箱的液位快速穩(wěn)定在給定值上，這時給定值應(yīng)與副反饋值 相同待液位穩(wěn)定后，通過左邊水泵向中水箱小流量注水，加入擾動.若參數(shù)比較理 想，且擾動較小，經(jīng)過副回路的及時控制校正，不影響下水箱的液位。如果擾動 比較大或參數(shù)并不理想，雖經(jīng)過副回路的校正，還將影響主回路的溫度，此時再由主回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，從而完全克服上述擾動，使液位調(diào)回到給定值上 .當(dāng)擾動加 在下水箱時，擾動使液位發(fā)生變化，主回路產(chǎn)生校正作用，克服擾動對液位的影 響。由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對主回路的液位影響較小。串級控制系統(tǒng)框圖如圖61-2所示。圖6-1-2液位串級各個回路獨立調(diào)整結(jié)束，使得主調(diào)節(jié)器輸

19、出與副調(diào)節(jié)器給定值相差不是太遠(yuǎn) 我們利用前面的實驗中的PID數(shù)據(jù)。而副控制器只進(jìn)行P調(diào)節(jié)。副回路對V103液位進(jìn)行控制，這個反應(yīng)比較快，副回路的控制目的是很快把 流量控制回給定值?？梢酝ㄟ^另一個動力支路加入部分液位干擾。主回路對液位進(jìn)行控制，由于控制經(jīng)過了V103,時間延遲比較大?？梢栽谥屑尤胫骰芈犯蓴_，要平衡這個干擾，則需要經(jīng)過流量調(diào)整，通過V103來平衡這個 變化.9、雙容液位串級控制設(shè)計測量或控制量測量或控制量標(biāo)號使用PLC端口中水箱液位LT102AI0下水箱液位LT103AI1調(diào)節(jié)閥FV101AO0四、實驗要求1設(shè)計串級控制器。2、經(jīng)過參數(shù)調(diào)整，獲得最佳的控制效果，并通過干擾來驗證五、實驗內(nèi)容與步驟1在A3000FS上，打開手動調(diào)節(jié)閥JV201 JV205，調(diào)節(jié)中水箱、下水箱 閘板具有一定開度，其余閥門關(guān)閉。2、按照列表進(jìn)行連線.或者按如下操作：在A3000CS上，將中水箱液位 （LT102）連到控制器AI0輸入端，下水箱液位（LT103）連到控制器AI1輸入端，電動調(diào)節(jié)閥（FV101）連到控制器AO0端。3、在A3000-FS上，啟動右邊水泵，給中水箱注水。4、首先進(jìn)行副回路比例調(diào)節(jié)，獲得P值。5、 切換至單主回路控制。斷開中水箱液位