串级控制系统仿真实验

D2 D1 Gc1(s) + — + — Gc2(s) Gv(s) Go2(s) Go1(s) Gm2(s) Gm1(s)

某串级系统的方框图如图所示，已知各环节的传递函数如下： 对象特性：，Go1(s)?11，Go2(s)? 2(30s?1)(3s?1)(s?1)(10s?1) 调节器：， Gc1(s)?Kc1(1?1)，Gc2(s)?Kc2 Tis调节阀： Gv(s)?Kv?1 变送器： Gm1?Gm2?1

（1）先用稳定边界法对副调节器进行整定，求出Kc2；然后对主调节器整定，求出主调节器的参数Kc1、Ti。

（2）如果主调也用比例作用，求二类扰动D2和一类扰动D1在单位阶跃时主被控量的静差，并进行分析。

（3）若采用简单控制系统，已得调节器的比例增益Kc?5.4，再分别求出二类扰动D2和一类扰动D1在单位阶跃时的静差，且与（2）比较分析。

过程控制系统设计 仿真实验报告

实验名称： 串级控制系统仿真实验

姓 名： 学 号： 班 级：

一、实验目的

1. 掌握串级控制系统的组成和原理

2. 掌握串级控制系统两步法PID参数整定过程。

3. 理解掌握串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。 二、实验步骤

（1）a:先用稳定边界法对副调节器进行整定，求出

Kc2=1/P2=12.1

①使系统处于串级运行状态，主，副调节器均为比例作用的条件下，先将主调节器的比例度 P1置于100%刻度上，然后有大到小逐渐降低副调节器的比例度P2，直到系统对输入的阶跃 响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数Pm=0.0412;

②根据所记录的Pm，用195页的经验公式计算调节器的整定参数:P2=2Pm=0.0824。 b:然后对主调节器整定，求出主调节器的参数

Kc1=1/P1=9.9、Ti=9.86。

①在副调节器的比例度等于2Pm的条件下，逐步降低主调节器的比例度P1,直到同样得到临 界振荡，记下这时的比例放大系数Pm=0.0459和临界振荡周期Tm=11.6。 ②根据所记录的Pm和Tm，用195页的经验公式计算调节器的整定参数： P1=2.2Pm=0.10098,

Ti=0.85Tm=9.86。

（2）如果主调也用比例作用，则P1=2Pm=0.0918,求二类扰动D2和一类扰动D1在单位阶跃时主被控量的静差，并进行分析。

（3）若采用简单控制系统，已得调节器的比例增益

Kc?5.4，再分别求出二类扰动D2和

一类扰动D1在单位阶跃时的静差，且与（2）比较分析。

三、实验记录

（稳定边界法对副调节器进行整定）图1

（稳定边界法对副调节器进行整定）图2

（稳定边界法对主调节器进行整定）图3

（稳定边界法对主调节器进行整定）图4

（整定后）图5

（整定后）图6

（主调也用比例作用且无扰）图7

（主调也用比例作用且无扰）图8

（一类扰动D1）图9

（一类扰动D1）图10

（二类扰动D2 ）图11

（二类扰动D2 ）图12

（采用简单控制系统且无扰）图13

（采用简单控制系统且无扰）图14

（一类扰动D1）图15

（一类扰动D1）图16

（二类扰动D2 ）图17

（二类扰动D2 ）图18 四、结果分析

（2）如果主调也用比例作用，则P1=2Pm=0.0918： 扰动 无扰动 一类扰动D1 二类扰动D2 在单位阶跃时主被控量的静差C 0.0904 0.0904 0.0069

可得串级控制系统对进入副回路的干扰有很强的克服能力。 （3）若采用简单控制系统，已得调节器的比例增益扰动 无扰动 一类扰动D1 二类扰动D2 简单控制D1 简单控制D2 串级控制D1 串级控制D2 超调量 96% 53.4% 30.7% 42.8% 调整时间(s) 145 155 37 37 最大动态偏差 0.3063 0.15625 0.0904 0.0069 衰减比 3.142:1 3.147:1 13.09:1 14.13:1 Kc?5.4：

在单位阶跃时主被控量的静差C 0.156 0.15625 0.15625 可得串级控制系统改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率。

五、思考题

1. 说明两步法整定串级控制系统的具体步骤。

答：①在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主，副调节器均为比例作用的条件下，先将主调节器的比例度P1置于100%刻度上，然后有大到小逐渐降低副调节器的比例度P2，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数Pm2和临界振荡周期Tm2； ②根据所记录的Pm，用195页的经验公式计算副调节器的整定参数:P2=2*Pm2；

③在副调节器的比例度等于2*Pm2的条件下，逐步降低主调节器的比例度P1,直到同样得到临界振荡，记下这时的比例放大系数Pm1和临界振荡周期Tm1；

④根据所记录的Pm1和Tm1，用195页的经验公式计算主调节器的整定参数。

⑤做一些扰动试验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质质量佳为止。

2. 说明串级控制系统在对象动态特性和克服扰动能力上交单回路控制系统的优点。

答：1）对进入副回路的干扰有很强的克服能力；

2）改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率； 3）对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。

3. 串级控制系统如何选择合理的副参数。

答：1）主，副参数有对应关系，即通过调整副参数能有效地影响主参数；

2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包涵一些干扰，且应在副回路反应灵敏与包含较多干扰之间进行合理的平衡；

3）副参数的选择应考虑主，副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防‘共振’的发生，即主，副回路控制过程时间常数不能太接近；

4）应注意工艺上的合理性和经济性。

4. 你认为在实际生产过程中何种场合下需要采用串级控制系统，如何设计。

答：串级控制系统主要用于对象容量滞后较大，纯滞后时间较长，内扰动幅值大，负荷变化频繁，剧烈，采用简单控制系统控制品质较差，满足不了工艺控制精度要求，非线性的被控过程。

串级控制系统设计：

1）主回路设计：确定被控参数； 2）副回路选择：第三问四点；

3）主，副调节器调节规律的选择：主调节器起定制控制作用，副调节器起随动控制作用；副调节器一般不引入微分调节，允许有残差；主调节器一般不允许有残差；

4）主，副调节器正，反作用方式的确定：首先根据工艺的要求确定调节阀的气开，气关形式；然后再按照副回路构成负反馈的原则确定副调节器的正，反作用；最再依据主，副参数的关系和主回路构成负馈的原则，确定主调节器的正，反作用。

六、心得体会

写这次报告中主要学会了串级控制系统的组成和原理；串级控制系统两步法PID参数整定过程；串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。 时课本上用了响应曲线法，但我用的是临界比例度法，所以自己也不大确定做的是否正确。真希望实验报告也像作业本一样老师改完了后发给我们或者把错误指给我们看，这样就知道自己错在哪里了，老师辛苦了。

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