實驗三串級控制系統運行與研究2014年4月自動化系統與裝置實驗室液位串級控制系統目的：通過實際構建、運行一個串級控制系統，更深入理解一個串級控制系統在工業應用的原理和操作步驟；體會復雜控制系統的參數調整方法—一步整定法；實驗設備：A3000過程控制實驗裝置二級水箱的雙液位系統，(兩個離的水箱水位)；PC臺式機及工控組態軟件；串級控制系統的要求：保證主參數具有較高的穩定性，和較好的穩態精度；副參數（中液位）能較快地變化和跟蹤能力。系統對落在主、副回路內的干擾都有較好的鎮定效果。還要便于調整、維護，并足生產的質量與安全的要求（具有報警，操作限制等措施）。工業中的串級系統是一包含基本串級控制方案，并還附加了其它安全操作及故障保障設備的復合系統。1.實驗目的與要求液位-液位串級控制方案被控對象：不同位置放置的二層水箱—行成兩個對象；主對象—下水箱；副對象—中水箱主參數—下水箱水位，副參數—中水箱水位；2.串級控制系統的構建方案Z2(s)Z1(s)注意：Y1(s),Y2(s)分別代表什么,Z1(s),Z2(s)代表什么？U1(s)與R2(s）有什么聯系？液位-液位串級控制方案1）實驗工作：構建串級控制系統，了解投運并整定串級系統參數的基本方法，并檢驗該系統是否達到質量要求；2）主要步驟：①確認被控設備和參數，進行信號連線，以下水箱液位為主被控參數，中水箱液位為副被控參數的雙液位串級控制系統，做好系統運行的準備；②啟動實驗軟件及實驗設備，手動操作使系統達到穩定；③分別將串級的主、副控制回路無擾動地投入自動；④調整主、副控制器參數，使系統達到質量要求（較好的穩定性和較小的系統誤差）⑤檢驗串級控制系統的控制質量和效果。3.實驗工作與步驟液位-液位串級控制系統4.具體的操作步驟：①串級控制系統的投運準備首先檢查管路、閥門(閘板的高度)，設備加電；(1)進行控制系統信號連線，構建一個下液位為主參數，中水位為副參數，1#控制器為主控制器，2#控制器為副控制器，以調節閥為執行環節的串級控制系統；(2)啟動實驗軟件，主、副控制器皆為手動狀態；先調整副控制器的手動輸出為50-60%，啟動水泵2；待系統達到平穩并使各水箱水位穩在中部附近，其間不要頻繁調整閥的開度；(3)控制系統投入到自動前，務必要確認控制系統閉環后一定是負反饋的，即控制作用是消弱而不是增強干擾作用的影響；根據調節回路中各環節作用關系、控制閥的開閉方向來判定、確定副、主控制器的正、反作用；（按過控課程學的各環節+-符號判斷）。（可在智能控制器上通過set鍵－＞PID->cont->ract/act檢查和設置）。液位-液位串級控制系統②串級控制系統的連線串級控制的最主要特征是一個控制系統中有兩個控制回路，副回路含在主回路之內；兩個控制器是串聯的，通過僅有的一個執行環節進行控制，主控制器是指揮操縱副控制器完成控制動作。右側的副控制器只接受外部的模擬信號作為設定輸入。輸出值輸出值LT103LT102FV101液位-液位串級控制系統③串級系統的手動-自動無擾動切換：(1)首先手動設置MV在中間開度，等系統穩定。若液位高度距離水箱中間位置相差太遠，應稍微調整閘板的開度。注意：此時應調整哪個控制器的MV使控制閥的開度一定？(2)投運需按照“先副后主”的順序進行，先投運副控制器，再投運主控制器，兩個控制器都要按無擾動原則投運。待液位基本達到穩定，【依次調整兩控制器的設定值對準測量值（液位）-即消除系統偏差】，然后將手動切換到自動。注意：副控制器的設定值是在哪里調？它由哪個變量提供？液位-液位串級控制系統一般要調整測量值等于設定值，為了縮短實驗時間，故采用調整設定值等于測量值；除了控制器無偏差，還要求參數穩妥。(3)兩控制器的比例度和積分時間都設置為100%以上和50秒。按“先付后主”的順序，依次將副、主控制器的偏差消除后，把控制器投入“自動”；(4)一旦投入自動后，立刻將積分時間調整到3000秒以上。PV1PV2MV2MV1串級系統方框圖與實際信號連接對照具體的實驗操作步驟：液位單回路自動控制系統對現用的實驗軟件進行了改進，因而也影響到以后的操作，請特別注意。軟件的改進帶來了如下變化：（1）控制器一開始運行就處于手動狀態，且MV的初值已設為50%；PID參數已經設置，P=150,I=50,D=0;（2）并已置SP=PV，在手動狀態時一直保持，SP不能修改，這就為隨時進行手動-自動無擾動切換做好準備。（3）當系統穩定可隨時投入自動，操作比較安全，穩定，不易產生大的擾動，使今后的手自切換變得容易。在自動狀態可以隨時修改設定值。投運自動后可直接修改PID參數。特別說明：液位-液位串級控制系統④控制器參數的在線整定，工程參數整定法：串級控制系統，有兩個控制器，兩套控制器參數，整定起來更麻煩；工程上可采用兩步法或一步法。一步法可加快整定速度，簡化整定過程。一步法：(1)先將副控制器設置成為純比例控制器，即將控制器的積分和微分作用去掉，積分時間設為3600s；微分時間置為0S。然后將比例度P2設置為一經驗值，在這里可設置P2=30（抗干擾能力較強但不過高）。設置完畢后通常不必加干擾測試。(2)然后將主控制器按照單回路整定那樣，按照近似4:1衰減曲線法整定主控制器的參數；將主控制器先設為純比例控制器，比例度可以從50（即50%）開始尋找起。液位-液位串級控制系統(3)主控制器設定SP1加干擾。注意：設定值變化10%或者5%，具體向哪個方向變化取決于當前水位的狀況。(4)給系統施加干擾后待其穩定，觀察控制過程是否滿足質量要求。(5)然后可將主控制器的比例度依次調整到35，20，每次改變后，都要改變給設定值加擾動進行測試，觀察控制過渡過程曲線的變化—是否穩定較快，超調量較小，很快趨近于穩定（不一定是4:1衰減過程），確認該P值。注意：這樣大幅度地改變比例度是為了減少測試和搜索次數，在工業控制中務必要小幅度、謹慎地調整。液位-液位串級控制系統

(6)測試應在工作點附近，通常也是每次變化5~10%，測試應還是往返進行。但若離合適的工作點較遠，也可連續向同一方向變化。(7)以該比例度參數為基礎，以該參數所對應曲線的振蕩周期（兩個波峰之間的時間）的一半為積分時間，或者選50-100s為積分時間，將控制器設置為PI（比例+積分）控制器；(8)在此參數下再次改變設定值5~10%，測試PI控制器的控制效果和質量，若不能滿足要求可對PI參數稍作調整，直到滿意，即完成常規（PID）控制器的參數整定過程；選作：如果有時間，可以適當關小V102的中間隔板QV118的高度，使其更接近2階對象，并觀察控制結果發生什么變化；液位-液位串級控制系統記錄每次擾動測試對應的過渡過程曲線，并進行深入的分析討論。思考問題（報告中必答）（1）若控制閥為氣閉式，試分析液位與液位串級系統中主、副控制器的正、反作用應如何選？（2）怎樣才能保證串級控制系統的無擾動切換？（3）串級系統投運整定前需要做好哪幾項