串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)

一、?實驗?zāi)康?br>1、?熟悉串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成，結(jié)構(gòu)。
2、?通過選定的控制對象，來組成相應(yīng)的串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
3、?學(xué)習(xí)串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投運方法和主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。

二、?實驗原理
串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)是復(fù)雜調(diào)節(jié)的一種形式，是在簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在對象的滯后較大，干擾比較劇烈、頻繁的工作環(huán)境下，采用簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往調(diào)節(jié)質(zhì)量較差，滿足不了工藝要求，從而采用串級控制系統(tǒng)。由于串級控制系統(tǒng)是改善控制質(zhì)量的有效方法之一，因而它在過程控制中得到了廣泛應(yīng)用。
1、?串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

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如圖3-1所示，串級控制系統(tǒng)是指不止采用一個調(diào)節(jié)器，而是將兩個或幾個調(diào)節(jié)器相串聯(lián)，并將一個調(diào)節(jié)器的輸出作為下一個調(diào)節(jié)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：
（1）、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)。
（2）、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 。
（3）、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)。
（4）、副被控過程：是指副被控參數(shù)為輸出的過程，是整個過程的一部分，其輸出控制主控參數(shù)。
（5）、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，其輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值。
（6）、副調(diào)節(jié)器：按副參數(shù)的測量值與主調(diào)節(jié)器輸出值的偏差進(jìn)行工作的調(diào)節(jié)器，其輸出直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
（7）、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。
（8）、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。
（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(nèi)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(nèi)的擾動。

3、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)相對與單回路簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)的優(yōu)點：
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)的結(jié)構(gòu)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(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，減小了該回路中環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，增加了它的帶寬，從而使系統(tǒng)的響應(yīng)加快，控制更為及時。
（2）、具有較強(qiáng)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(qiáng)，控制質(zhì)量愈好。串級控制系統(tǒng)由于存在副回路，只要擾動進(jìn)入副回路，不等它影響到主參數(shù)的變化，通過副回路的及時調(diào)節(jié)，該擾動對主參數(shù)的影響就會大大地削弱或完全消除，從而提高了主參數(shù)的控制質(zhì)量。
（3）、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。

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)系的調(diào)整，其設(shè)計原則為：
（1）、主參數(shù)的選擇和主回路的設(shè)計
串級控制系統(tǒng)是由主回路和副回路組成。主回路是一個定值控制系統(tǒng)，副回路是隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。對于主參數(shù)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
1）、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，從而加快它的工作頻率，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，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，并盡可能的多包括一些擾動。
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(qiáng)的特點。在副回路設(shè)計時，為了要充分發(fā)揮上述特點，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。如本實驗就是以下水箱的液位為主參數(shù)與下水箱的流量為副參數(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，還必須注意主、副過程時間常數(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不明顯，這是因為副回路反應(yīng)較遲鈍，不能及時有效地克服擾動，從而明顯地影響主參數(shù)。如果主、副過程的時間常數(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)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。
?副回路設(shè)計應(yīng)考慮工藝上的合理性：
串級控制系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)考慮滿足生產(chǎn)工藝要求，并注意到系統(tǒng)的控制作用是先影響副參數(shù)，后影響主參數(shù)的這種串聯(lián)對應(yīng)關(guān)系，然后再考慮其它因素。
（3）、串級控制系統(tǒng)參數(shù)的選擇
??? 對控制參數(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。
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(qiáng)，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。在具體選擇時，要考慮到調(diào)節(jié)閥是氣開還是氣關(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、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)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主、副回路都構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。
本串級控制系統(tǒng)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(diào)節(jié)器選純比例控制，正作用，自動。主調(diào)節(jié)器選用比例積分PI控制，反作用，自動。?
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四、調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定及整定
串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)整體上是個定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的調(diào)節(jié)精度。但副回路是個隨動系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準(zhǔn)確、快速地跟隨主調(diào)節(jié)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(shù)的要求后，才能正確地通過參數(shù)整定改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性，獲取最佳的調(diào)節(jié)過程。
??? 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法主要有下列兩種：
??? 1、兩步整定法
按照串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副調(diào)節(jié)器，后整定主調(diào)節(jié)器的方法叫做兩步整定法，整定過程是：
（1）在工況穩(wěn)定下，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用運行的條件下，將主調(diào)節(jié)器的比例度固定在100％刻度上，逐漸減小到調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器比例度和操作周期，分別用δ2S和T2S表示。
（2）在副調(diào)節(jié)器比例度等于δ2S的條件下，逐步減小主調(diào)節(jié)器的比例度，直至得到同樣衰減比下的調(diào)節(jié)過程，記下此時主調(diào)節(jié)器的比例度δ1S，和操作周期T2S。
（3）根據(jù)上面得到的δ2S、T2S、δ1S， T2S，計算主、副調(diào)節(jié)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(guī)律，將計算出的調(diào)節(jié)器參數(shù)加到調(diào)節(jié)器上。
（5）觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)調(diào)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(jù)經(jīng)驗先將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次放好，不再變動，然后按一般單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。
一步整定法的依據(jù)是：在串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，主參數(shù)是工藝的主要操作指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，對它要求比較嚴(yán)格。而副參數(shù)的設(shè)立主要是為了提高主參數(shù)的調(diào)節(jié)質(zhì)量，對副參數(shù)本身沒有很高的要求，允許它在一定范圍內(nèi)變化。因此，在整定時不必把過多的精力花在副環(huán)上。只要把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于一定數(shù)值后，集中精力整定主環(huán)，使主參數(shù)達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量指標(biāo)就行了。雖然按照經(jīng)驗一次放上的副調(diào)節(jié)器參數(shù)不一定合適，但是，這沒有關(guān)系，因為副調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)不合適，可以通過調(diào)整主調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償，結(jié)果仍然可以使主參數(shù)呈現(xiàn)4：1衰減振蕩過程。
??? 一次整定法的整定步驟如下：
（1）在生產(chǎn)正常，系統(tǒng)為純比例運行的條件下，把副調(diào)節(jié)器比例度調(diào)到某一適當(dāng)?shù)臄?shù)值。
（2）利用簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)任一種參數(shù)整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。
（3）如果出現(xiàn)“共振”現(xiàn)象，可加大主調(diào)節(jié)器或減小副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，一般即能消除。

?? 3、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的投運
??? 選用不同類型的儀表組成的串級系統(tǒng)，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(huán)后投主環(huán)的投運方法；其二投運過程必須保證無擾動切換。

三、?實驗內(nèi)容
1、?按圖3-1接成液位與流量的串級控制系統(tǒng)。
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(tǒng)的草圖，表明信號的流向。
4、?自行設(shè)計液位與液位的串級控制系統(tǒng)的方框圖，并利用所提供的實驗裝置連接系統(tǒng)。

四、?問題與分析
1、?簡述串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點？
2、?如圖聚合釜溫度控制系統(tǒng)中，試問：
（1）?畫出系統(tǒng)的方塊圖。
（2）?如果聚合釜的溫度不允許過高，否則易發(fā)生事故，確定調(diào)節(jié)閥的氣開、氣關(guān)型？及主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用？
（3）?如果冷卻水的溫度是經(jīng)常波動的，該怎樣改進(jìn)系統(tǒng)？