串级调节系统

串级调节系统

一、 实验目的
1、 熟悉串级调节系统的组成，结构。
2、 通过选定的控制对象，来组成相应的串级调节系统。
3、 学习串级调节系统的投运方法和主副调节器的参数整定。

二、 实验原理
串级调节系统是复杂调节的一种形式，是在简单调节系统的基础上发展起来的。在对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁的工作环境下，采用简单调节系统往往调节质量较差，满足不了工艺要求，从而采用串级控制系统。由于串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，因而它在过程控制中得到了广泛应用。
1、 串级控制系统的结构

如图3-1所示，串级控制系统是指不止采用一个调节器，而是将两个或几个调节器相串联，并将一个调节器的输出作为下一个调节器设定值的控制系统。

2、串级控制系统的名词术语：
（1）、主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。
（2）、副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量 。
（3）、主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。
（4）、副被控过程：是指副被控参数为输出的过程，是整个过程的一部分，其输出控制主控参数。
（5）、主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。
（6）、副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出值的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制执行机构。
（7）、副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。
（8）、主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。
（9）、一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
（10）、二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。

3、串级调节系统相对与单回路简单调节系统的优点：
串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。它与单回路反馈控制系统比较，由于在系统的结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点：
（1）、改善了过程的动态特性
串级控制系统比单回路控制系统在结构上多了一个副回路，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使系统的响应加快，控制更为及时。
（2）、具有较强的抗扰动能力
在串级控制系统中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则系统的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制系统由于存在副回路，只要扰动进入副回路，不等它影响到主参数的变化，通过副回路的及时调节，该扰动对主参数的影响就会大大地削弱或完全消除，从而提高了主参数的控制质量。
（3）、具有一定的自适应能力
串级控制系统，就其主回路来看是一个定值控制系统，而副回路则是一个随动系统。主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。

4、主、副回路的设计
串级控制系统的主回路是一个定值控制系统。串级控制系统的设计主要是副参数的选择和副回路的设计以及主、副回路关系的调整，其设计原则为：
（1）、主参数的选择和主回路的设计
串级控制系统是由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统，副回路是随动调节系统。对于主参数的选择和主回路的设计，基本上可以按照单回路控制系统的设计原则进行。凡直接或间接与生产过程运行性能密切相关并可直接测量的工艺参数均可选择作主参数。若条件许可，可以选用质量指标作为主参数，因为它最直接也最有效。否则应选用一个与产品质量有单值函数关系的参数作为主参数。另外，对于选用的主参数必须具有足够的灵敏度，并符合工艺过程的合理性。
（2）、副参数的选择和副回路的设计
1）、副参数的选择
副参数的选择应使副回路的时间常数小，时延小，控制通道短，这样可使等效过程的时间常数大大减小，从而加快它的工作频率，提高响应速度，缩短过渡过程时间，改善系统的控制品质。总之，为了充分发挥副回路的超前、快速作用，在扰动影响主参数之前就加以克服，必须设法选择一个可测的、反映灵敏的参数作为副参数。
副回路应包括生产过程中变化剧烈、频繁而且幅度大的主要扰动，并尽可能的多包括一些扰动。
由上所述，串级控制系统副回路具有调节速度快、抑制扰动能力强的特点。在副回路设计时，为了要充分发挥上述特点，把生产过程中的主要扰动（并可能多的把其它一些扰动）包括在副回路中，以尽量减少对主参数的影响，提高主参数的控制质量。如本实验就是以下水箱的液位为主参数与下水箱的流量为副参数的串级控制系统。
在选择副参数进行副回路设计时，还必须注意主、副过程时间常数的匹配问题。因为它是串级控制系统正常运行的主要条件，是保证安全生产、防止共振的根本措施。
如果副过程的时间常数比主过程小得多，这时副回路反应灵敏，控制作用快，但此时副回路包含的扰动少，对于过程特性的改善也就少了；相反，如果副过程的时间常数大于或接近于主过程的时间常数，这时副回路对于改善过程特性的效果不明显，这是因为副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，从而明显地影响主参数。如果主、副过程的时间常数较接近，这时主副回路间的动态联系十分密切，当一个参数发生振荡时，会使另一个参数也发生振荡，这就是所谓的“共振”，它不利于生产的正常进行。串级控制系统主、副过程时间常数的匹配是一个比较复杂的问题。原则上，主副过程时间常数之比应是3到10范围内。在工程上，应根据具体过程的实际情况与控制要求来定。若设置串级控制系统主要是利用副回路能迅速克服主要扰动的话，则副回路的时间常数以小一点为好，只要将主要扰动包括在副回路中即可。
 副回路设计应考虑工艺上的合理性：
串级控制系统的设计，应考虑满足生产工艺要求，并注意到系统的控制作用是先影响副参数，后影响主参数的这种串联对应关系，然后再考虑其它因素。
（3）、串级控制系统参数的选择
    对控制参数的选择，一般可考虑：
1）、选择可控性良好的参数作为控制参数。
2）、所选择的控制参数必须使控制通道有足够大的系数，并应保证大于主要扰动通道的放大系数，以实现对主要扰动进行有效控制。
3）、所选控制参数应同时考虑经济性与工艺上的合理性。

5、主、副调节器控制规律的选择
 在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。
主参数是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，因此，主调节器应选PI或PID控制规律。副参数的设置是为了保证主参数的控制质量，允许在一定范围内变化，允许有余差，因此副调节器只要选P控制规律就可以了。一般不引入积分控制规律。因为副参数允许有余差，而且副调节器的放大系数较大，控制作用强，余差小，若采用积分规律，会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。一般也不引入微分控制规律，因为副回路本身起着快速作用，再引入微分规律会使调节阀动作过大，对控制不利。

6、主、副调节器正、反作用方式的选择：
为了满足生产工艺的要求，确保串级控制系统正常运行，主、副调节器正、反作用方式必须正确选择。在具体选择时，要考虑到调节阀是气开还是气关形式；然后根据生产工艺条件和调节阀形式确定副调节器的正反作用方式；最后再根据主、副参数的关系，决定主、副调节器的正、反作用方式。
在单回路控制系统设计中所述， 要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须为负反馈。对于串级控制系统来说，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使主、副回路都构成负反馈系统。
本串级控制系统是以管道为副对象，下水箱为主对象，主被控制量为下水箱的液位，副调节器选纯比例控制，正作用，自动。主调节器选用比例积分PI控制，反作用，自动。 
 
四、调节器的参数整定及整定
串级调节系统整体上是个定值调节系统，要求主参数有较高的调节精度。但副回路是个随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主调节器输出的变化而变化。只有明确了主、副回路的作用及主、副参数的要求后，才能正确地通过参数整定改善调节系统的特性，获取最佳的调节过程。
    串级调节系统主、副调节器的参数整定方法主要有下列两种：
    1、两步整定法
按照串级调节系统主、副回路的情况，先整定副调节器，后整定主调节器的方法叫做两步整定法，整定过程是：
（1）在工况稳定下，主、副调节器都在纯比例作用运行的条件下，将主调节器的比例度固定在100％刻度上，逐渐减小到调节器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比（如4：1）过渡过程下的副调节器比例度和操作周期，分别用δ2S和T2S表示。
（2）在副调节器比例度等于δ2S的条件下，逐步减小主调节器的比例度，直至得到同样衰减比下的调节过程，记下此时主调节器的比例度δ1S，和操作周期T2S。
（3）根据上面得到的δ2S、T2S、δ1S， T2S，计算主、副调节器的比例度、积分时间和微分时间。
（4）按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定规律，将计算出的调节器参数加到调节器上。
（5）观察调节过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。
                                                                                                             
   2、一步整定法
所谓一次整定法就是根据经验先将副调节器参数一次放好，不再变动，然后按一般单回路调节系统的整定方法直接整定主调节器参数。
一步整定法的依据是：在串级调节系统中，主参数是工艺的主要操作指标，直接关系到产品的质量，对它要求比较严格。而副参数的设立主要是为了提高主参数的调节质量，对副参数本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化。因此，在整定时不必把过多的精力花在副环上。只要把副调节器的参数置于一定数值后，集中精力整定主环，使主参数达到规定的质量指标就行了。虽然按照经验一次放上的副调节器参数不一定合适，但是，这没有关系，因为副调节器的放大倍数不合适，可以通过调整主调节器的放大倍数来进行补偿，结果仍然可以使主参数呈现4：1衰减振荡过程。
    一次整定法的整定步骤如下：
（1）在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，把副调节器比例度调到某一适当的数值。
（2）利用简单调节系统任一种参数整定方法整定主调节器的参数。
（3）如果出现“共振”现象，可加大主调节器或减小副调节器的整定参数值，一般即能消除。

   3、串级调节系统的投运
    选用不同类型的仪表组成的串级系统，投运方法也有所不同，但是所遵守的原则基本上都是相同的：其一是投运的顺序，一般都采用先到后主，即先投副环后投主环的投运方法；其二投运过程必须保证无扰动切换。

三、 实验内容
1、 按图3-1接成液位与流量的串级控制系统。
2、 观察液位和流量的变化情况，并做记录
3、 绘出简单的液位与流量的串级控制系统的草图，表明信号的流向。
4、 自行设计液位与液位的串级控制系统的方框图，并利用所提供的实验装置连接系统。

四、 问题与分析
1、 简述串级调节系统的特点？
2、 如图聚合釜温度控制系统中，试问：
（1） 画出系统的方块图。
（2） 如果聚合釜的温度不允许过高，否则易发生事故，确定调节阀的气开、气关型？及主、副调节器的正、反作用？
（3） 如果冷却水的温度是经常波动的，该怎样改进系统？