串級調節系統

一、?實驗目的
1、?熟悉串級調節系統的組成，結構。
2、?通過選定的控制對象，來組成相應的串級調節系統。
3、?學習串級調節系統的投運方法和主副調節器的參數整定。

二、?實驗原理
串級調節系統是復雜調節的一種形式，是在簡單調節系統的基礎上發展起來的。在對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁的工作環境下，采用簡單調節系統往往調節質量較差，滿足不了工藝要求，從而采用串級控制系統。由于串級控制系統是改善控制質量的有效方法之一，因而它在過程控制中得到了廣泛應用。
1、?串級控制系統的結構

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如圖3-1所示，串級控制系統是指不止采用一個調節器，而是將兩個或幾個調節器相串聯，并將一個調節器的輸出作為下一個調節器設定值的控制系統。

2、串級控制系統的名詞術語：
（1）、主被控參數：在串級控制系統中起主導作用的那個被控參數。
（2）、副被控參數：在串級控制系統中為了穩定主被控參數而引入的中間輔助變量 。
（3）、主被控過程：由主參數表征其特性的生產過程，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，輸出為主控參數。
（4）、副被控過程：是指副被控參數為輸出的過程，是整個過程的一部分，其輸出控制主控參數。
（5）、主調節器：按主參數的測量值與給定值的偏差進行工作的調節器，其輸出作為副調節器的給定值。
（6）、副調節器：按副參數的測量值與主調節器輸出值的偏差進行工作的調節器，其輸出直接控制執行機構。
（7）、副回路：由副調節器、副被控過程、副測量變送器等組成的閉合回路。
（8）、主回路：由主調節器、副回路、主被控過程及主測量變送器等組成的閉合回路。
（9）、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的擾動。
（10）、二次擾動：作用在副被控過程上，即包括在副回路范圍內的擾動。

3、串級調節系統相對與單回路簡單調節系統的優點：
串級控制系統是改善和提高控制品質的一種極為有效的控制方案。它與單回路反饋控制系統比較，由于在系統的結構上多了一個副回路，所以具有以下一些特點：
（1）、改善了過程的動態特性
串級控制系統比單回路控制系統在結構上多了一個副回路，減小了該回路中環節的時間常數，增加了它的帶寬，從而使系統的響應加快，控制更為及時。
（2）、具有較強的抗擾動能力
在串級控制系統中，主、副調節器放大系數的乘積愈大，則系統的抗擾動能力愈強，控制質量愈好。串級控制系統由于存在副回路，只要擾動進入副回路，不等它影響到主參數的變化，通過副回路的及時調節，該擾動對主參數的影響就會大大地削弱或完全消除，從而提高了主參數的控制質量。
（3）、具有一定的自適應能力
串級控制系統，就其主回路來看是一個定值控制系統，而副回路則是一個隨動系統。主調節器的輸出能按照負荷和操作條件的變化而變化，從而不斷改變副調節器的給定值，使副回路調節器的給定值適應負荷并隨操作條件而變化，即具有一定的自適應能力。

4、主、副回路的設計
串級控制系統的主回路是一個定值控制系統。串級控制系統的設計主要是副參數的選擇和副回路的設計以及主、副回路關系的調整，其設計原則為：
（1）、主參數的選擇和主回路的設計
串級控制系統是由主回路和副回路組成。主回路是一個定值控制系統，副回路是隨動調節系統。對于主參數的選擇和主回路的設計，基本上可以按照單回路控制系統的設計原則進行。凡直接或間接與生產過程運行性能密切相關并可直接測量的工藝參數均可選擇作主參數。若條件許可，可以選用質量指標作為主參數，因為它最直接也最有效。否則應選用一個與產品質量有單值函數關系的參數作為主參數。另外，對于選用的主參數必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過程的合理性。
（2）、副參數的選擇和副回路的設計
1）、副參數的選擇
副參數的選擇應使副回路的時間常數小，時延小，控制通道短，這樣可使等效過程的時間常數大大減小，從而加快它的工作頻率，提高響應速度，縮短過渡過程時間，改善系統的控制品質。總之，為了充分發揮副回路的超前、快速作用，在擾動影響主參數之前就加以克服，必須設法選擇一個可測的、反映靈敏的參數作為副參數。
副回路應包括生產過程中變化劇烈、頻繁而且幅度大的主要擾動，并盡可能的多包括一些擾動。
由上所述，串級控制系統副回路具有調節速度快、抑制擾動能力強的特點。在副回路設計時，為了要充分發揮上述特點，把生產過程中的主要擾動（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的影響，提高主參數的控制質量。如本實驗就是以下水箱的液位為主參數與下水箱的流量為副參數的串級控制系統。
在選擇副參數進行副回路設計時，還必須注意主、副過程時間常數的匹配問題。因為它是串級控制系統正常運行的主要條件，是保證安全生產、防止共振的根本措施。
如果副過程的時間常數比主過程小得多，這時副回路反應靈敏，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大于或接近于主過程的時間常數，這時副回路對于改善過程特性的效果不明顯，這是因為副回路反應較遲鈍，不能及時有效地克服擾動，從而明顯地影響主參數。如果主、副過程的時間常數較接近，這時主副回路間的動態聯系十分密切，當一個參數發生振蕩時，會使另一個參數也發生振蕩，這就是所謂的“共振”，它不利于生產的正常進行。串級控制系統主、副過程時間常數的匹配是一個比較復雜的問題。原則上，主副過程時間常數之比應是3到10范圍內。在工程上，應根據具體過程的實際情況與控制要求來定。若設置串級控制系統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以小一點為好，只要將主要擾動包括在副回路中即可。
?副回路設計應考慮工藝上的合理性：
串級控制系統的設計，應考慮滿足生產工藝要求，并注意到系統的控制作用是先影響副參數，后影響主參數的這種串聯對應關系，然后再考慮其它因素。
（3）、串級控制系統參數的選擇
??? 對控制參數的選擇，一般可考慮：
1）、選擇可控性良好的參數作為控制參數。
2）、所選擇的控制參數必須使控制通道有足夠大的系數，并應保證大于主要擾動通道的放大系數，以實現對主要擾動進行有效控制。
3）、所選控制參數應同時考慮經濟性與工藝上的合理性。

5、主、副調節器控制規律的選擇
?在串級控制系統中，主、副調節器所起的作用是不同的。主調節器起定值控制作用，副調節器起隨動控制作用，這是選擇控制規律的基本出發點。
主參數是工藝操作的主要指標，允許波動的范圍很小，一般要求無余差，因此，主調節器應選PI或PID控制規律。副參數的設置是為了保證主參數的控制質量，允許在一定范圍內變化，允許有余差，因此副調節器只要選P控制規律就可以了。一般不引入積分控制規律。因為副參數允許有余差，而且副調節器的放大系數較大，控制作用強，余差小，若采用積分規律，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律，因為副回路本身起著快速作用，再引入微分規律會使調節閥動作過大，對控制不利。

6、主、副調節器正、反作用方式的選擇：
為了滿足生產工藝的要求，確保串級控制系統正常運行，主、副調節器正、反作用方式必須正確選擇。在具體選擇時，要考慮到調節閥是氣開還是氣關形式；然后根據生產工藝條件和調節閥形式確定副調節器的正反作用方式；最后再根據主、副參數的關系，決定主、副調節器的正、反作用方式。
在單回路控制系統設計中所述， 要使一個過程控制系統能正常工作，系統必須為負反饋。對于串級控制系統來說，主、副調節器正、反作用方式的選擇原則是使主、副回路都構成負反饋系統。
本串級控制系統是以管道為副對象，下水箱為主對象，主被控制量為下水箱的液位，副調節器選純比例控制，正作用，自動。主調節器選用比例積分PI控制，反作用，自動。?
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四、調節器的參數整定及整定
串級調節系統整體上是個定值調節系統，要求主參數有較高的調節精度。但副回路是個隨動系統，要求副參數能準確、快速地跟隨主調節器輸出的變化而變化。只有明確了主、副回路的作用及主、副參數的要求后，才能正確地通過參數整定改善調節系統的特性，獲取最佳的調節過程。
??? 串級調節系統主、副調節器的參數整定方法主要有下列兩種：
??? 1、兩步整定法
按照串級調節系統主、副回路的情況，先整定副調節器，后整定主調節器的方法叫做兩步整定法，整定過程是：
（1）在工況穩定下，主、副調節器都在純比例作用運行的條件下，將主調節器的比例度固定在100％刻度上，逐漸減小到調節器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比（如4：1）過渡過程下的副調節器比例度和操作周期，分別用δ2S和T2S表示。
（2）在副調節器比例度等于δ2S的條件下，逐步減小主調節器的比例度，直至得到同樣衰減比下的調節過程，記下此時主調節器的比例度δ1S，和操作周期T2S。
（3）根據上面得到的δ2S、T2S、δ1S， T2S，計算主、副調節器的比例度、積分時間和微分時間。
（4）按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的整定規律，將計算出的調節器參數加到調節器上。
（5）觀察調節過程，適當調整，直到獲得滿意的過渡過程。
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?? 2、一步整定法
所謂一次整定法就是根據經驗先將副調節器參數一次放好，不再變動，然后按一般單回路調節系統的整定方法直接整定主調節器參數。
一步整定法的依據是：在串級調節系統中，主參數是工藝的主要操作指標，直接關系到產品的質量，對它要求比較嚴格。而副參數的設立主要是為了提高主參數的調節質量，對副參數本身沒有很高的要求，允許它在一定范圍內變化。因此，在整定時不必把過多的精力花在副環上。只要把副調節器的參數置于一定數值后，集中精力整定主環，使主參數達到規定的質量指標就行了。雖然按照經驗一次放上的副調節器參數不一定合適，但是，這沒有關系，因為副調節器的放大倍數不合適，可以通過調整主調節器的放大倍數來進行補償，結果仍然可以使主參數呈現4：1衰減振蕩過程。
??? 一次整定法的整定步驟如下：
（1）在生產正常，系統為純比例運行的條件下，把副調節器比例度調到某一適當的數值。
（2）利用簡單調節系統任一種參數整定方法整定主調節器的參數。
（3）如果出現“共振”現象，可加大主調節器或減小副調節器的整定參數值，一般即能消除。

?? 3、串級調節系統的投運
??? 選用不同類型的儀表組成的串級系統，投運方法也有所不同，但是所遵守的原則基本上都是相同的：其一是投運的順序，一般都采用先到后主，即先投副環后投主環的投運方法；其二投運過程必須保證無擾動切換。

三、?實驗內容
1、?按圖3-1接成液位與流量的串級控制系統。
2、?觀察液位和流量的變化情況，并做記錄
3、?繪出簡單的液位與流量的串級控制系統的草圖，表明信號的流向。
4、?自行設計液位與液位的串級控制系統的方框圖，并利用所提供的實驗裝置連接系統。

四、?問題與分析
1、?簡述串級調節系統的特點？
2、?如圖聚合釜溫度控制系統中，試問：
（1）?畫出系統的方塊圖。
（2）?如果聚合釜的溫度不允許過高，否則易發生事故，確定調節閥的氣開、氣關型？及主、副調節器的正、反作用？
（3）?如果冷卻水的溫度是經常波動的，該怎樣改進系統？