杭電《過程控制系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)報告

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1、實(shí)驗(yàn)時間： 5月25號 序號： 杭 州 電 子 科 技 大 學(xué) 自動化學(xué)院實(shí)驗(yàn)報告 課程名稱： 自動化儀表與過程控制 實(shí)驗(yàn)名稱： 一階單容上水箱對象特性測試實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱： 上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)名稱： 上水箱下水箱液位串級控制實(shí)驗(yàn) 指導(dǎo)教師： 尚群立 學(xué)生姓名： 俞超棟 學(xué)生學(xué)號：　　09061821　　　　　　　　

2、 實(shí)驗(yàn)一、一階單容上水箱對象特性測試實(shí)驗(yàn) 一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康? （1）熟悉單容水箱的數(shù)學(xué)模型及其階躍響應(yīng)曲線。 （2）根據(jù)由實(shí)際測得的單容水箱液位的階躍響應(yīng)曲線，用相關(guān)的方法分別確定它們的參數(shù)。 二．實(shí)驗(yàn)設(shè)備 AE2000型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置， PC機(jī)，DCS控制系統(tǒng)與監(jiān)控軟件。 三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 單容水箱如圖1-1所示： 圖1-1、 單容水箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 四、實(shí)驗(yàn)原理 階躍響應(yīng)測試法是系統(tǒng)在開環(huán)運(yùn)行條件下，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，通過調(diào)節(jié)器或其他操作器，手動改變對象的輸入信號（階躍信號），同時記錄對象的輸出數(shù)據(jù)或階躍響應(yīng)曲線。然后根據(jù)已給定對象模型的結(jié)構(gòu)形式，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處

3、理，確定模型中各參數(shù)。 圖解法是確定模型參數(shù)的一種實(shí)用方法。不同的模型結(jié)構(gòu)，有不同的圖解方法。單容水箱對象模型用一階加時滯環(huán)節(jié)來近似描述時，常可用兩點(diǎn)法直接求取對象參數(shù)。 如圖1-1所示，設(shè)水箱的進(jìn)水量為Q1，出水量為Q2，水箱的液面高度為h，出水閥V2固定于某一開度值。根據(jù)物料動態(tài)平衡的關(guān)系，求得： 在零初始條件下，對上式求拉氏變換，得：

4、 式中，T為水箱的時間常數(shù)（注意：閥V2的開度大小會影響到水箱的時間常數(shù)），T=R2*C，K=R2為單容對象的放大倍數(shù)，R1、R2分別為V1、V2閥的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。令輸入流量Q1 的階躍變化量為R0，其拉氏變換式為Q1（S）=RO/S，RO為常量，則輸出液位高度的拉氏變換式為： 當(dāng)t=T時，則有： h(T)=KR0(1-e-1)=0.632KR0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR0(1-e-t/T) 當(dāng)t—>∞時，h（∞）=KR0，因而有 K=h（∞）/R0=輸出穩(wěn)態(tài)值/階躍輸入 式（1-2）表示一階慣性環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線是一單調(diào)上升的指數(shù)函數(shù)

5、，如圖1-2所示。當(dāng)由實(shí)驗(yàn)求得圖1-2所示的 圖1-2、 階躍響應(yīng)曲線 階躍響應(yīng)曲線后，該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)時間，就是水箱的時間常數(shù)T，該時間常數(shù)T也可以通過坐標(biāo)原點(diǎn)對響應(yīng)曲線作切線，切線與穩(wěn)態(tài)值交點(diǎn) 所對應(yīng)的時間就是時間常數(shù)T，其理 論依據(jù)是： 上式表示h（t）若以在原點(diǎn)時的速度h（∞）/T 恒速變化，即只要花T秒時間就可達(dá)到穩(wěn)態(tài)值h（∞）。 五．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容步驟 1)對象的連接和檢查： (1)將AE2000 實(shí)驗(yàn)對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。 (2)打開以水泵、電動調(diào)節(jié)閥、孔板流量計(jì)組成的動力支路至上水箱的出水閥門.關(guān)閉動力支路上通往其他

6、對象的切換閥門。 (3)打開上水箱的出水閥至適當(dāng)開度。 2） 實(shí)驗(yàn)步驟 (1)打開控制柜中水泵、電動調(diào)節(jié)閥的電源開關(guān)。 (2)啟動DCS上位機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入主畫面，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)一畫面。 (3)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊調(diào)出PID窗體框，然后在“MV”欄中設(shè)定電動調(diào)節(jié)閥一個適當(dāng)開度。（此實(shí)驗(yàn)必須在手動狀態(tài)下進(jìn)行） （4）、觀察系統(tǒng)的被調(diào)量：上水箱的水位是否趨于平衡狀態(tài)。若已平衡，應(yīng)記錄系統(tǒng)輸出值，以及水箱水位的高度h1和上位機(jī)的測量顯示值并填入下表。 原始平衡狀態(tài)： 系統(tǒng)輸出值 水箱水位高度h1 上位機(jī)顯示值 0~100 cm cm 40% 4.5 4.0 從40%到50%階躍

7、數(shù)據(jù)： T（秒） 10 20 30 40 50 60 水箱水位h1(cm) 4.5 4.9 5 5.2 5.5 5.7 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 4.8 5.1 5.4 5.4 5.8 6.1 T（秒） 70 80 90 100 110 120 水箱水位h1(cm) 5.7 5.5 5 5.1 5.7 6 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 6.5 6.3 6.3 5.8 5.7 6.2 T（秒） 130 140 150 160 170 180 水箱水位h1(cm) 5.9 5.5 5.5 5.8

8、5.8 5.7 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 6.7 6.7 6.3 6.2 6.4 6.4 T（秒） 190 200 210 220 230 240 水箱水位h1(cm) 5.4 5.7 5.3 5.6 6 5.9 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 6.3 6.2 6.3 6.1 6.3 6.8 T（秒） 250 260 270 280 290 300 水箱水位h1(cm) 5.9 5.9 6 5.9 5.7 5.7 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 6.8 6.7 6.7 6.7 6.3 6.7 平衡狀態(tài)1： 系統(tǒng)輸

9、出值 水箱水位高度h1 上位機(jī)顯示值 0~100 cm cm 45% 5.7 6.7 從45%到50%階躍數(shù)據(jù)： T（秒） 10 20 30 40 50 60 水箱水位h1(cm) 6.1 5.8 5.9 6.2 5.8 6.3 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 6.5 6.9 6.5 6.6 6.8 6.6 T（秒） 70 80 90 100 110 120 水箱水位h1(cm) 6.4 6.4 6.5 6.5 6.4 6 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 7 7.2 7.1 6.9 7.2 6.9 T（秒）

10、 130 140 150 160 170 180 水箱水位h1(cm) 6.1 6.4 6.5 6.5 6.4 6 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 6.7 6.5 6.9 7.2 7.2 6.8 T（秒） 190 200 210 220 230 240 水箱水位h1(cm) 5.9 6.5 6.6 7 6.8 6.4 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 6.4 6.7 7 7.3 7.8 7.6 T（秒） 250 260 270 280 290 300 水箱水位h1(cm) 6.7 7 6.9 6.4 6.

11、6 6.5 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 7 7.2 7.7 7.6 7.1 7.3 平衡狀態(tài)2： 系統(tǒng)輸出值 水箱水位高度h1 上位機(jī)顯示值 0~100 cm cm 50% 6.5 7.3 從50%到55%階躍數(shù)據(jù)： T（秒） 10 20 30 40 50 60 水箱水位h1(cm) 7 7.4 7.8 7.6 7.7 7.4 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 6.8 7.4 8.6 8.4 8.2 8.4 T（秒） 70 80 90 100 110 120 水箱水位h1(cm) 7.4 7.3 7.6 7.

12、9 8 7.8 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 8.2 8 7.8 8 8.7 8.8 T（秒） 130 140 150 160 170 180 水箱水位h1(cm) 7.9 7.8 7.9 7.8 7.9 8.3 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 8.9 8.7 8.8 8.4 8.5 8.3 T（秒） 190 200 210 220 230 240 水箱水位h1(cm) 8 7.8 7.7 7.9 7.7 7.5 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 9.4 8.8 8.4 8.4 8.4 8.3 T（秒） 250

13、 260 270 280 290 300 水箱水位h1(cm) 7.9 8 8.1 7.9 7.5 7.9 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 8.3 8.7 8.9 8.8 8.7 8.6 平衡狀態(tài)3： 系統(tǒng)輸出值 水箱水位高度h1 上位機(jī)顯示值 0~100 cm cm 55% 7.9 8.6 從55%到60%階躍數(shù)據(jù)： T（秒） 10 20 30 40 50 60 水箱水位h1(cm) 8.3 8.4 8.2 8.4 8.6 8.6 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 8.6 9 8.9 8.9 9.1 9.8 T（

14、秒） 70 80 90 100 110 120 水箱水位h1(cm) 8.7 8.7 8.9 9 8.9 8.7 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 9.5 9.8 9.5 10.1 10 9.7 T（秒） 130 140 150 160 170 180 水箱水位h1(cm) 9 9 8.8 8.8 8.9 8.7 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 9.6 9.7 10 9.7 9.7 9.9 T（秒） 190 200 210 220 230 240 水箱水位h1(cm) 8.6 8.9 9 8.8 9 8

15、.9 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 9.6 9.5 9.4 9.6 9.2 9.7 T（秒） 250 260 270 280 290 300 水箱水位h1(cm) 8.6 8.6 8.7 8.7 9.1 9.2 上位機(jī)讀數(shù)(cm) 9.8 9.4 9.1 9.1 9.3 10 平衡狀態(tài)4： 系統(tǒng)輸出值 水箱水位高度h1 上位機(jī)顯示值 0~100 cm cm 60% 9.2 10 六、 實(shí)驗(yàn)報告要求 （1）作出一階環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。 從40%到45%的階躍響應(yīng)曲線： 從45%到50%的階躍響應(yīng)曲線： 從5

16、0%到55%的階躍響應(yīng)曲線： 從55%到60%的階躍響應(yīng)曲線： （2）根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理中所述的方法，求出一階環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)。 答： 從40%到45% 從45%到50% 從50%到55% 從55%到60% 平均值 K*R0 1.7192 0.9643 1.136 1.058 1.097 T 31.8042 100.6762 29.3034 34.6904 33.2473 根據(jù)測量的數(shù)據(jù)可求得時間常數(shù)T=33.2473，K*R0=1.097。 七、注意事項(xiàng) （1）本實(shí)驗(yàn)過程中，出水閥不得任意改變開度大小。 （2）階躍信號不能取得太大，以免影

17、響正常運(yùn)行；但也不能過小，以防止因讀數(shù)誤差和其他隨機(jī)干擾影響對象特性參數(shù)的精確度。一般階躍信號取正常輸入信號的5%~15%。 (3)在輸入階躍信號前，過程必須處于平衡狀態(tài)。 八、思考題 （1）在做本實(shí)驗(yàn)時，為什么不能任意變化上水箱出水閥的開度大小？ 答：因?yàn)門為水箱的時間常數(shù)，T=R2*C，K=R2為單容對象的放大倍數(shù)， R2為V2閥的液阻，C 為水箱的容量系數(shù)。 當(dāng)改變水箱出水閥的開度大小時，R2會改變，那么G(s)也會改變，那樣的話就不會測出G(s)中的參數(shù)了，因?yàn)槊看味疾灰粯印? (2)用兩點(diǎn)法和用切線對同一對象進(jìn)行參數(shù)測試，它們各有什么特點(diǎn)? 答：兩點(diǎn)法：從理論上來說兩

18、點(diǎn)就可以確定參數(shù)，但是在實(shí)際測量中，測量點(diǎn)總是在基準(zhǔn)線附近不停地波動，這樣很可能會造成測量的不準(zhǔn)確，但是兩點(diǎn)法只需要測兩個點(diǎn)的數(shù)據(jù)，相對切線法來說簡單多了。 切線法：和兩點(diǎn)法相比，切線法隨機(jī)性小一點(diǎn)，可以近似地測量和計(jì)算出對象的特性參數(shù)，但是切線法需要側(cè)大量的數(shù)據(jù)，用來近似地描繪出對象的特性曲線。 實(shí)驗(yàn)四、上水箱液位PID整定實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1）、通過實(shí)驗(yàn)熟悉單回路反饋控制系統(tǒng)的組成和工作原理。 2）、分析分別用P、PI和PID調(diào)節(jié)時的過程圖形曲線。 3）、定性地研究P、PI和PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 AE2000型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置， PC機(jī),

19、DCS控制系統(tǒng)，DCS監(jiān)控軟件。 三、實(shí)驗(yàn)原理 擾動 液位 給定 上 水 箱 電動調(diào)節(jié)閥 PID控制器 ─ + 液位變送器 圖4-1、實(shí)驗(yàn)原理圖 圖4-1為單回路上水箱液位控制系統(tǒng)。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般指在一個調(diào)節(jié)對象上用一個調(diào)節(jié)器來保持一個參數(shù)的恒定，而調(diào)節(jié)器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)所要保持的參數(shù)是液位的給定高度，即控制的任務(wù)是控制上水箱液位等于給定值所要求的高度。根據(jù)控制框圖，這是一個閉環(huán)反饋單回路液位控制，采用DCS系統(tǒng)控制。當(dāng)調(diào)節(jié)方案確定之后，接下來就是整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，一個單回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝就緒之后，

20、控制質(zhì)量的好壞與控制器參數(shù)選擇有著很大的關(guān)系。合適的控制參數(shù)，可以帶來滿意的控制效果。反之，控制器參數(shù)選擇得不合適，則會使控制質(zhì)量變壞，達(dá)不到預(yù)期效果。一個控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)好以后，系統(tǒng)的投運(yùn)和參數(shù)整定是十分重要的工作。 一般言之，用比例（P）調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)是一個有差系統(tǒng)，比例度δ的大小不僅會影響到余差的大小，而且也與系統(tǒng)的動態(tài)性能密切相關(guān)。比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無余差，而且只要參數(shù)δ，Ti調(diào)節(jié)合理，也能使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再引入微分D的作用，從而使系統(tǒng)既無余差存在，又能改善系統(tǒng)的動態(tài)性能（快速性、穩(wěn)定性等）。但

21、是，并不是所有單回路控制系統(tǒng)在加入微分作用后都能改善系統(tǒng)品質(zhì)，對于容量滯后不大，微分作用的效果并不明顯，而對噪聲敏感的流量系統(tǒng)，加入微分作用后，反而使流量品質(zhì)變壞。對于我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在單位階躍作用下，P、PI、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分別如圖4-2中的曲線①、②、③所示。 圖4-2、P、PI和PID調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 1)設(shè)備的連接和檢查： (1)將AE2000 實(shí)驗(yàn)對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。 (2)打開以水泵、電動調(diào)節(jié)閥、孔板流量計(jì)組成的動力支路至上水箱的出水閥，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。 (3)打開上水箱的出水閥至適當(dāng)開度。

22、 2）實(shí)驗(yàn)步驟 1）啟動動力支路電源。 2） 啟動DCS上位機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入主畫面，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)四畫面。 3) 在上位機(jī)軟件界面用鼠標(biāo)點(diǎn)擊調(diào)出PID窗體框，用鼠標(biāo)按下自動按鈕，在“設(shè)定值”欄中輸入設(shè)定的上水箱液位。 4) 比例調(diào)節(jié)控制 （1）設(shè)定給定值，調(diào)整P參數(shù)。 （2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，對系統(tǒng)加擾動信號（在純比例的基礎(chǔ)上加擾動，一般可通過改變設(shè)定值實(shí)現(xiàn)）。記錄曲線在經(jīng)過幾次波動穩(wěn)定下來后，系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，并記錄余差大小。 （3）、減小P重復(fù)步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。 （4）、增大P重復(fù)步驟4，觀察過渡過程曲線，并記錄余差大小。 （5）、選擇合適的P，可以得到

23、較滿意的過渡過程曲線。改變設(shè)定值（如設(shè)定 值由50％變?yōu)?0％），同樣可以得到一條過渡過程曲線。 (6)、注意：每當(dāng)做完一次試驗(yàn)后，必須待系統(tǒng)穩(wěn)定后再做另一次試驗(yàn)。 5) 比例積分調(diào)節(jié)器（PI）控制 (1）、在比例調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入積分作用，即在界面上設(shè)置I參數(shù)不為0，觀察被控制量是否能回到設(shè)定值，以驗(yàn)證PI控制下，系統(tǒng)對階躍擾動無余差存在。 (2）、固定比例P值，改變PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)值Ti，然后觀察加階躍擾動后被調(diào)量的輸出波形，并記錄不同Ti值時的超調(diào)量σp。 表一、不同Ti時的超調(diào)量σp 積分時間常數(shù)Ti 大 中 小 超調(diào)量σp 0% 1

24、0% 50% (3）、固定I于某一中間值，然后改變P的大小，觀察加擾動后被調(diào)量輸出的動態(tài)波形，據(jù)此列表記錄不同值P下的超調(diào)量σp。 表二、不同δ值下的σp 比例P 大 中 小 超調(diào)量σp 50% 33% 20% (4）、選擇合適的P和Ti值，使系統(tǒng)對階躍輸入擾動的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過程曲線。此曲線可通過改變設(shè)定值（如設(shè)定值由50%變?yōu)?0%）來獲得。 6) 比例積分微分調(diào)節(jié)（PID）控制 (1)、在PI調(diào)節(jié)器控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再引入適量的微分作用，即把軟件界面上設(shè)置D參數(shù)，然后加上與前面實(shí)驗(yàn)幅值完全相等的擾動，記錄系統(tǒng)被控制量響應(yīng)的動態(tài)曲線，并與實(shí)

25、驗(yàn)（二）PI控制下的曲線相比較，由此可看到微分D對系統(tǒng)性能的影響。 (2)、選擇合適的P、Ti和Td，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為一條較滿意的過渡過程曲線（階躍輸入可由給定值從50%突變至60%來實(shí)現(xiàn)）。 (3)、在歷史曲線中選擇一條較滿意的過渡過程曲線進(jìn)行記錄。 五、 實(shí)驗(yàn)報告要求 1）、作出P調(diào)節(jié)器控制時，不同P值下的階躍響應(yīng)曲線。 當(dāng)P為30%時的階躍響應(yīng)曲線： 當(dāng)P為40%的階躍響應(yīng)曲線： 當(dāng)P為50%的階躍響應(yīng)曲線： 2）、作出PI調(diào)節(jié)器控制時，不同P和Ti值時的階躍響應(yīng)曲線。 當(dāng)P為20%、I為0.05的階躍響應(yīng)曲線： 當(dāng)P為30%、I為0.05的階躍響應(yīng)

26、曲線： 當(dāng)P為40%、I為0.05的階躍響應(yīng)曲線： 3）、比較P、PI和PID三種調(diào)節(jié)器對系統(tǒng)無差度和動態(tài)性能的影響。 答：（1）從動態(tài)響應(yīng)來說PID調(diào)節(jié)器由于有D的作用響應(yīng)最快，調(diào)節(jié)時間最短，然后是PI調(diào)節(jié)器，P調(diào)節(jié)器由于無超調(diào)量雖然響應(yīng)曲線波動不大但響應(yīng)最慢。 （2）從無差度來說，PI與PID調(diào)節(jié)器由于有I的作用所以無靜差，而P有靜差。 六、 思考題 1）、試定性地分析三種調(diào)節(jié)器的參數(shù)P、（P、Ti）和（P、Ti和Td）的變化對控制過程各產(chǎn)生什么影響？ 答：P調(diào)節(jié)器： P與穩(wěn)態(tài)誤差有關(guān)，P越大穩(wěn)態(tài)誤差越小，但是P不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，P越大響應(yīng)越快，甚至有可能使系統(tǒng)震蕩

27、。 PI調(diào)節(jié)器： I可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是I太小了，會使系統(tǒng)的震蕩增加，甚至使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，I會減慢系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，同樣的P與PI調(diào)節(jié)器，當(dāng)參數(shù)P的值相同時，PI調(diào)節(jié)時間要更長一點(diǎn)，所以要適當(dāng)?shù)倪x擇參數(shù)P與I的值。 PID調(diào)節(jié)器： D會加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，減小調(diào)節(jié)時間，但是對于容量之后不大的系統(tǒng)積分作用不明顯，而且當(dāng)D作用很強(qiáng)時，會使系統(tǒng)震蕩活不穩(wěn)定。由于有I的作用所以穩(wěn)態(tài)誤差為0。 2）、如何實(shí)現(xiàn)減小或消除余差？純比例控制能否消除余差？ 答：適當(dāng)?shù)募尤敕e分作用可以消除誤差，增大比例系數(shù)也可以減小誤差。但是純比例控制不能消除誤差。 實(shí)驗(yàn)十、上水箱下水箱液位串級控制實(shí)驗(yàn) 一、

28、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? (1) 掌握串級控制系統(tǒng)的基本概念和組成。 (2) 掌握串級控制系統(tǒng)的投運(yùn)與參數(shù)整定方法。 (3) 研究階躍擾動分別作用在副對象和主對象時對系統(tǒng)主被控量的影響。 一、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 AE2000型過程控制實(shí)驗(yàn)裝置， PC機(jī)， DCS控制系統(tǒng)，DCS監(jiān)控軟件。 三、實(shí)驗(yàn)原理 上水箱液位作為副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象，下水箱液位做為主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)對象?？刂瓶驁D如圖10-1所示： 10-1、上水箱下水箱液位串級控制框圖 1、串級控制系統(tǒng)的組成 圖10-1為液位串級控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有2個調(diào)節(jié)器、2 個閉合回路和兩個執(zhí)行對象。2個調(diào)節(jié)器分別設(shè)置在主、副回路中，設(shè)在主回路的調(diào)節(jié)器稱

29、主調(diào)節(jié)器，設(shè)在副回路的調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)連接，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副回路的給定量，主、副調(diào)節(jié)器的輸出分別去控制二個執(zhí)行元件。主對象的輸出為系統(tǒng)的被控制量鍋爐夾套溫度，副對象的輸出是一個輔助控制變量。 2、串級系統(tǒng)的抗干擾能力 串級系統(tǒng)由于增加了副回路，對于進(jìn)入副環(huán)內(nèi)的干擾具有很強(qiáng)的抑制作用，因此作用于副環(huán)的干擾對主被控量的影響就比較小。系統(tǒng)的主回路是定值控制，而副回環(huán)是一個隨動控制。在設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)時，要求系統(tǒng)副對象的時間常數(shù)要遠(yuǎn)小于主對象。此外，為了指示系統(tǒng)的控制精度，一般主調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI或PID調(diào)節(jié)器，而副調(diào)節(jié)器一般設(shè)計(jì)為比例P控制，以提高副回路的快速響應(yīng)。在搭實(shí)驗(yàn)線

30、路時，要注意到兩個調(diào)節(jié)器的極性（目的是保證主、副回路都是負(fù)反饋控制）。 3、串級控制系統(tǒng)與單回路的控制系統(tǒng)相比 串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效對象的時間 常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制及時。同時，由于串級系統(tǒng)具有主副兩只控制器，總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的擾干擾能力增強(qiáng)。因此，它的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。 4、串級控制系統(tǒng)的投運(yùn)和整定有一步整定法，也有兩步整定法，即先整定副回路，后整定主回路。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟 1)設(shè)備的連接和檢查： (1)將AE2000 實(shí)驗(yàn)對象的儲水箱灌滿水（至最高高度）。

31、(2)打開以水泵、電動調(diào)節(jié)閥、孔板流量計(jì)組成的動力支路至上水箱的出水閥門，關(guān)閉動力支路上通往其他對象的切換閥門。 (3)打開上水箱的出水閥，打開下水箱出水閥至適當(dāng)開度。 2）實(shí)驗(yàn)步驟 (1) 啟動動力支路。 (2) 啟動DCS上位機(jī)組態(tài)軟件，進(jìn)入主畫面，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)十畫面。 (3) 用鼠標(biāo)按下“點(diǎn)擊以下框體調(diào)出主控PID參數(shù)”按鈕，在“AEC10_ex”中的“設(shè)定值”欄中輸入設(shè)定的下水箱液位。按下“點(diǎn)擊以下框體調(diào)出副控PID參數(shù)”按鈕。在“副控窗口”中按下“串級”按鈕。在“AEC10_in”中的設(shè)定P、I、D參數(shù)。分別在主控參數(shù)和副控參數(shù)窗口中反復(fù)調(diào)整P，I，D三個參數(shù)，控制下水箱水

32、位，同時兼顧快速性，穩(wěn)定性，準(zhǔn)確性。 五、實(shí)驗(yàn)報告要求。 分析串級控制和單回路PID控制不同之處。 答：（1）單回路控制對于時間常數(shù)較大的系統(tǒng)來說，調(diào)節(jié)效果比較差，而串級控制對于主回路來說，相當(dāng)于把系統(tǒng)的時間常數(shù)減小了，所以會有良好的調(diào)節(jié)效果。 （2）而且串級具有兩只控制器使的總放大倍數(shù)較單回路控制增加。 （3）串級控制由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，所以它比單回路控制抗干擾能力強(qiáng)，因此，它的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。 六、思考題 串級控制相比于單回路控制有什么優(yōu)點(diǎn)? 答：串級控制系統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制及時。同時，由于串級系統(tǒng)具有主副兩只控制器，總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的擾干擾能力增強(qiáng)。因此，它的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。 七、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像 副回路：P調(diào)節(jié)器，P=30%, 主回路：PI調(diào)節(jié)器，P=45%，I=0.5，