PID串级双水箱刘浩.doc

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1、《过程控制系统设计》课程设计报告姓名：韩杨学号：20081540班级：2008032指导老师：李芹设计时间：2011年12月29日～2012年1月10日第一部分双容水箱液位串级PID控制实物实验时间：12月29日17：:30—20:30同组人：马斯丽、孙欢、丁程剑一、实验目的1、进一步熟悉PID调节规律2、学习串级PID控制系统的组成和原理3、学习串级PID控制系统投运和参数整定二、实验原理（画出“系统方框图”和“设备连接图”）1、控制系统的组成及原理一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这

2、样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。本实验系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：串级控制器术语说明：主变量：y1称主变量。使它保持平稳使控制的主要目的；副变量：y2称副变量。它是被控制过程中引出的中间变量；副对象：上水箱；主对象：下水箱；主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值；副控制器：PID控制器2，它接受的是副变

3、量的偏差e2，其输出去控制阀门；副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路；主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有：1）副回路的

4、干扰抑制作用发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正；2）主回路响应速度的改善副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度；3）鲁棒性的增强串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性；4）副回路控制的作用副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。2、串级PID控制系统投运串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样，必须保证无扰动切换，采用先副回路后主回路

5、的投运方式。这里以我们的串级控制系统为例，给出具体的操作步骤：A.将主、副控制器的切换开关都置于手动位置，副回路处于内给定B.用副控制器的输出控制阀门，使主变量接近设定值，当工况比较平稳时，将副控制器设成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量。C.手动设定主控制器的输出值等于副控制器的设定值，当工况比较平稳时，将主控制器设置成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量D.串级两个控制器，将副回路控制器设置成“远端模式”，这样主控制器的输出便作为副控制器的设定值

6、，从而构成串级系统。3、串级PID控制系统的参数整定串级控制系统参数整定也采用先副后主的方式。在整定时，应尽量加大副调节器的增益，提高副环的频率，使主、副回路的频率错开，最好相差3倍以上。整定时，先切除主调节器，使主环处于断开的情况下，按通常的方法整定副调节器的参数。然后在投入副回路的情况下，把副环作为弱阻尼的二阶环节等效对象，再加上副环外的部分对象，按通常方法整定主调节器参数。三、实验步骤1、进入实验运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面，选择实验模式为“实物模型”，单击实验菜单，进入双容

7、水箱液位串级控制实验界面。2、选择控制回路A、选择对象在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：从两个回路中任选一个。B、组成控制回路当选择“串级回路1”作为控制回路时，须打开水箱１和３的进水阀，关闭其它进水阀；当选择“串级回路2”作为控制回路时，须打开水箱２和４进水阀，关闭其它进水阀，这样便构成了一个控制回路。在串级控制系统中，上水箱为串级系统的副回路——对应的PID控制器为串级的后级，下水箱为串级系统的主回路——对应的PID控制器为串级的前级3、选择控制器工作点a、将副回路

8、的PID控制器设成手动单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后单击副回路PID控制器的“手动”按钮b、设定工作点单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值4、调节串级的后级a、设置PID参数根据对象特性，设置P＝0.625I＝90D＝0并将参数输入到控制器中，参见前面实验b、将控制器设成自动状态保持模式为本地模式；单击副回路PID控制器界面中副回路PID控制器的“自动”按钮。5、调节串级的前级前提：等液位稳定后