文档库 最新最全的文档下载
当前位置:文档库 › 串级控制知识问答

串级控制知识问答

串级控制知识问答
串级控制知识问答

1.什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。

答:串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。

主控制器的输出作为副控制器的给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对变量的定值控制。

2.串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合?

答串级控制系统的主要特点为:

(1)在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统;

(2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量}

(3)由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主变量的影响;

(4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。

串级控制系统主要应用于:对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。

3.串级控制系统中主、剧变量应如何选择?

答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。

副变量的选择原则是:.

(1)主、副变量间应有一定的内在联系,副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化;

(2)通过对副变量的选择,使所构成的副回路能包含系统的主要干扰;

(3)在可能的情况下,应使副回路包含更多的主要干扰,但副变量又不能离主变量太近;

(4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配,以防“共振”的发生

4.为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统,而副回路是随动控制系统?

答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量,使之等于给定值,而主变量就是主回路的输出,所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量,副回路的给定值是主

控制器的输出,所以在串级控制系统中,副变量不是要求不变的,而是要求随主控制器的输出变化而变化,因此是一个随动控制系统。

5.怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律?

答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量,对主变量要求较高,一般不允许有余差,所以主控制器一般选择比例积分控制规律,当对象滞后较大时,也可引入适当的微分作用。

串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中,副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的,所以副控制器一般采用比例控制规律就行了,必要时引入适当的积分作用,而微分作用一般是不需要的。

6.如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用?

答副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关,其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同,是按照使副回路成为—个负反馈系统的原则来确定的。

主控制器作用方向的选择可按下述方法进行:当主、副变量在增加(或减小时),如果要求控制阀的动作方向是一致的,则主控制器应选“反”作用的;反之,则应选“正”作用的。

从上述方法可以看出,串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定,或者说,只取决于主对象的特性,而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解:如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时,副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定),而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化,不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何,当主控制器输出增加时,副变量总是增加的,所以在主回路中,副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见,在主回路中,由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”,所以为了使整个主回路构成负反馈,主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时,主变量亦增加)时,主控制器应选“反”作用方向,反之,当主对象具有“反”作用特性时,主控制器应选“正”作用方向。

7.串级控制系统中主、副控制器参数的工程整定主要有哪两种方法?

答:有两步整定法和一步整定法两种。

按照串级控制系统主、副回路的情况,先整定副控制器,后整定主控制器的方法叫做两步整定法。

根据经验直接确定副控制器的参数,只需按简单控制系统参数整定的方法来整定主控制器参数的方法称一步整定法。

8.均匀控制系统的目的和特点是什么?

答:均匀控制系统的目的是为了解决前后工序的供求矛盾,’使两个变量之间能够互相兼顾和协调操作。

均匀控制系统的特点是其控制结果不像其他控制系统那样,不是为了使被控变量保持不变,而是使两个互相联系的变量都在允许的范围内缓慢地变化。

9.简述均匀控制系统的控制方案。

答:以液位与流量的均匀控制为例,其控制方案有简单均匀控制与串级均匀控制两种。

从结构上来讲,简单均匀控制与一般的液位控制系统一样,串级均匀控制与一般的液位一流量串级控制系统一样。其区别在于均匀控制与一般的控制系统目的不一样。之所以能够使两个变量间的关系得到协调,是通过控制器参数整定来实现的。均匀控制系统中的控制器一般都采用纯比例作用,且比例度很大,必要时才引入少量的积分作用。

10.什么叫比值控制系统?

答实现两个或两个以上的参数符合一定比例关系的控制系统,称为比值控制系统。通常为流量比值控制系统,用来保持两种物料的流量保持一定的比值关系。

11.试简述双闭环比值控制系统及其使用场合。

答:双闭环比值控制系统有两个闭合回路,分别对主、副流量进行定值控制。同时,当主流量发生变化时,通过比值控制器来改变副流量控制器的给定值,使副流量能随主流量的大小变化而变化,始终保持一定的比值关系。

双闭环比值控制系统主要适用于主流量干扰频繁、工艺上不允许负荷有较大波动或工艺上经常需要提降负荷的场合。

12.什么是前馈控制系统?它有什么特点?

答:按扰动变化大小进行控制的系统称为前馈控制系统。

前馈控制系统的主要特点有:

(1)前馈控制是基于不变性原理工作的,比反馈控制及时、有效;

(2)前馈控制是属于“开环”控制系统;

(3)前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器,又称前馈补偿装置;

(4)一种前馈作用只能克服一种干扰。

13.前馈控制的主要形式有哪几种?

答前馈控制的主要形式有单纯的前馈控制(又称简单前馈)和前馈一反馈控制两种。根据对干扰补偿形式的特点,又分静态前馈控制和动态前馈控制。

14.前馈控制主要应用在什么场合?

答:前馈控制主要用于下列场合:

(1)干扰幅值大而频繁,对被控变量影响剧烈,单纯反馈控制达不到要求时;

(2)主要干扰是可测不可控的变量;

(3)对象的控制通道滞后大,反馈控制不及时,控制质量差时,可采用前馈一反馈控制系统,以提高控制质量。

15.什么是生产过程的软保护措施?与硬保护措施相比,软保护措施有什么优点?

答:所谓生产的软保护措施,就是当生产短期内处于不正常情况时,无须像硬保护措施那样硬性使设备停车,而是通过一个特定设计的自动选择性控制系统,以适当改变控制方式来达到自动保护生产的目的。这样就可以减少由于停车而带来的巨大经济损失。

16.什么是控制器的“积分饱和”现象?产生积分饱和的条件是什么?

答:积分饱和现象是指有积分作用的控制器当偏差总不为零时,控制器的输出就要一直增加到最大或降低到最小。产生这种现象的条件有三个:其一是控制器具有积分作用}其二是控制器处于开环工作状态,其输出没有被送往执行器;其三是控制器的输入偏差信号长期存在。在选择性控制系统中,没有被选择器选中的控制器就有可能产生积分饱和现象。

17.积分饱和的危害是什么?有哪几种主要的抗积分饱和措施?

答:当控制器处于积分饱和状态时,它的输出将达到最大或最小的极限值,该极限值已超出执行器的有效输入信号范围(对于气动薄膜控制阀来说,其有效输入信号范围一般为20~100kPa)。出现这种现象,对控制系统的工作是很不利的。因为当需要该控制器恢复工作状态(在取代控制系统中,控制器重新被选择器选中)时,它不能马上动作,必须待它的输出退出饱和区,返回到执行器的有效输入信号范围内后,才能使执行器开始动作。所以取代是不及时的,这样会对系统的工作带来严重的后果,甚至会造成事故。抗积分饱和的主要方法有限幅法和积分切除法等。

18.什么是分程控制系统?主要应用在什么场合? ’

答:分程控制系统就是一个控制器的输出信号被送往两个或两个以上的控制阀,每个控制阀都只在控制器的某段信号范围内工作。

分程控制系统的应用场合主要有:

(1)用于扩大控制阀的可调范围,改善控制品质;

(2)用于控制两种不同的介质流量,以满足工艺生产的要求,

(3)用作生产安全的防护措施。

19.什么是多冲量控制系统?

答:所谓多冲量控制系统,是指在控制系统中,有多个变量信号,经过一定的运算后,共同控制一只执行器,以使某个被控的工艺变量有较高的控制质量。多冲量控制系统这个名称主要在锅炉的给水系统控制中应用比较广泛。

20.什么是三冲量控制系统?为什么要引入三个冲量?

答:三冲量控制系统主要是指锅炉汽包液位控制系统中,分别引入汽包液位、蒸汽流量和给水流量三个信号,经过一定的运算后,共同控制一只控制阀(给水阀)。液位信号是该系统的被控变量,是反映锅炉汽包工作状态的主要工艺指标,也是为了保证锅炉安全工作的必要指标。引入蒸汽流量信号的目的是为了及时克服蒸汽流量波动对汽包液位的影响,并有效地克服由于“假液位”现象而引起的控制系统的误动作。引入给水流量信号的目的是为了将给水流量作为副变量,利用串级控制系统中副回路克服干扰的快速性来及时克服给水压力变化对汽包液位的影响。

PV—测量值;SV—设定值;MV—输出值;CV—偏差值

什么是串级调节?试举例?

答:串级调节是由主、副两个闭合回路构成,主副调节器串联,主调节器的输出作为副调节器的给定值,系统通过副调节器操纵调节器操纵调节阀动作,使副回路自动适应不同负荷和操作条件。

什么是风开阀、风关阀?试举例?

答:在气动调节阀的气源出现故障(即压力为0)时,阀门处于全开状态,叫风关阀(FO)。

;;;;在气动调节阀的气源出现故障(即压力为0)时,阀门处于全关状态,叫风关阀(FC)。

工艺参数的测量值经变送器转换为标准电压或电流的模拟信号,输入调节器,并与设定值进行比较。出现偏差时,调节器就会输出一信号给电气阀门定位器,以改变调节阀开度,使工艺参数值至设定值。79.PID(比例、积分、微分)调节的作用是什么?

答:比例的作用是增加灵敏度;积分的作用是消除余偏差;微分的作用是克服滞后。

;;;;比例度越大,放大倍数越小,积分时间越长,积分作用越弱,微分时间越长,微分作用越强。

80.何谓反作用调节器?

答:当调节器输入为正偏差(DV-SV>;;0)时,调节器输出信号随输入正偏差的增大而减小,则该调节器为反作用调节器。

81.一台气动薄膜调节阀,若全开形成的50%,则流过阀的流量是否也在最大流量的50%?

答:不一定。要以调节阀的结构特性而定,在阀两端压差恒定的情况下,如果是快开阀,则流量大于50%,如果是直线阀则流量等于50%,如果是对数阀(等百分比阀)则小于50%。

82.在DCS上下列参数的含义分别表示什么?

答:PV—测量值;SV—设定值;MV—输出值;CV—偏差值。

83.下列哪种流量计不属于压差式流量计?(孔板流量计.喷嘴流量计.文丘里流量计.转子流量计)

答:转子流量计。

84.DCS上能够仪表的调节状态切换时,由手动到串级的过程是什么?

答:1)应先将手动状态切到自动状态。2)由自动状态再投串级。

85.什么是串级调节?试举例?

答:串级调节是由主、副两个闭合回路构成,主副调节器串联,主调节器的输出作为副调节器的给定值,系统通过副调节器操纵调节器操纵调节阀动作,使副回路自动适应不同负荷和操作条件。

86.什么是分程调节?试举例?

答:分程调节就是用一个调节器来控制两只(或两只以上)阀门。(即分程动作的实现,是通过阀门定位器将其动作压力整定在不同范围内来达到的,以扩大可调范围为目的。)87.什么是风开阀、风关阀?试举例?

答:在气动调节阀的气源出现故障(即压力为0)时,阀门处于全开状态,叫风关阀(FO)。

;;;;在气动调节阀的气源出现故障(即压力为0)时,阀门处于全关状态,叫风关阀(FC)。

88.什么是联锁系统?

答:联锁系统是一套由中间继电器或无触点固态继电器组成的逻辑电路,其输入信号可以是来自现场的压力开关,流量开关,液位开关,温度开关,表示信号值超限的架装或盘装报警设定目的触点信号及电气盘送来的机泵动作信号等,其输出驱动电磁阀控制执行机构。将阀切断或打开,保护装置、设备等的安全。

89.如何投用TIC与FIC的串级控制?

答:1)副回路FIC投自动AUTO。2)主调节器TIC投AUTO。3)副调节器FIC投串级CAS控制。

90.在DCS仪表参数中“LL”和“HH”代表什么?

答:“LL”代表极低报警。“HH”代表超高报警。

91.一个简单调节系统由哪些单元组成?

答:测量仪表、变送单元、显示仪表、调节器和执行机构组成。

92.何谓一次仪表和二次仪表?

答:现场变送仪表称为一次仪表。室内控制指示仪表称为二次仪表。

93.乙烯装置特殊的控制系统有哪些?

答:串级、比值、分程、超驰、偏差设定。

94.电磁阀在进行自动切手动时应如何操作?

答:电磁阀即EMV阀,这种阀是带电工作,带电情况下阀全开,不带电情况下阀全关,带电改为全关时,把风源停掉,把减压阀打开,风放掉,则此阀关闭。

95.选择气开阀、气关阀是从哪些方面考虑的?

答:1)事故状态下,工艺装置应尽量处于安全状态。2)事故状态下,减少原料或动力消耗,保证产品质量。3)考虑介质的特性。

96.什么叫集散系统?

答:集散系统就是集中管理、分散控制(集中是指显示操作集中,分散控制的意义是将过程失控的危险分散到若干个控制器或现场操作站)。

97.什么是自动调节系统中的反馈?

答:反馈是自动调节器中的一个重要特性。系统的输出是被调参数,它经过测量元件和变送器后,又返回到输入端与给定值相比较。这种把输出信号又引回到输入端的作法叫反馈。

98.什么情况下适合采用串级调节系统?

答:在控制对象滞后和惯性较大,负荷及干扰的变化比较剧烈的情况下,当单回路调节系统难以达到高质量的调节要求,以及经常需要改变给定值的场合,适宜采用串级调节系统。

99.什么是比值调节系统?举例说明。

答:凡使两个以上参数(流量)保持规定比值关系的调节系统,称为比值调节系统。通常是对流量之间的比值调节,对象就是两个流量管道。

;;;;例如:进乙炔转化器的脱乙烷塔塔顶C2出物流量FRA-410与氢气流量FFRC -411比值调节,该系统为具有两个闭环的比值调节系统,主物料为C2馏分,从物料为氢气。

100.气动调节蝶阀特别适用于什么场合?

答:大口径、大流量、大压差。

101.节流式测量装置在管道边上安装时,如果将方向装反,会造成什么后果?

答:压差计指示变小。

102.转子流量计特别适宜于测量管径为多少以下管道的测量?

答:50毫米。

103.调节阀的入口和出口装反,是否影响使用?

答:一般蝶阀的结构是对称的,不分入口和出口,所以不存在装反的问题。其他结构的调节阀,入口和出口装反了,则会影响阀的流量特性,引起流通能力的改变,有时还容易使盘根处泄漏。对于单座阀,装反会使不平衡力改变方向,甚至影响阀的稳定性。在高压调节器中,流向选择不当,还会影响使用寿命。

104.气动执行器的手轮机构有哪些用途?

答:1)作手动操作器。在开停车或事故状态下,可用手轮机构进行手动操作。20限制阀门开度。在生产过程中,当要求调节阀只打开一部分,或者不允许调节阀关闭时,可用手轮机构作为调节阀的开度限制器,需注意的是,它仅能限制一个特定方向的行程,不能同时限制两个方面的行程。3)采用手轮有时可以省去调节阀的旁路管线。

105.什么叫界面(分层液面)?测量界面用哪些仪表?

答:在容器内有两种比重不同,又互不相溶的液体,比重大的液体沉在下面,比重小的液体浮在上面,两种液体之间形成一个分界面,为了区别液体的液面称为界面(亦称分层界面)。

;;;;测量界面的仪表,一般采用浮筒式液面计,法兰式差压变送器和普通差压变送器。

106.什么叫DCS?

答:DCS是英文Distributed ControlSystem的简称,意为分散控制系统,我们称为集散控制。

107.简述文丘里流量计的测量原理?

答:文丘里流量计是由一段渐缩渐扩管构成。上游的测压口具管径开始收缩处的距离至少应为二分之一管径,下游测压口设在文氏喉处流速最大,即动能最大,静压能最小。通过测量两个测压口的压强来度量流体的流量。由于文丘里管有渐缩段和渐扩段,流体流经时流速改变平缓,涡流少,喉管处增加的动能可于其后渐扩的过程中大部分转回成静压能。因此,文丘里流量计的能量损失比孔板小。

108.简述孔板流量计测量流量的原理?

答:当流体流经孔板小孔后,由于惯性作用,流动截面并不立即扩大到与管截面相等,而是继续收缩一定距离后才逐渐扩大到整个管截面。流动截面最小处称为缩脉。流体在缩脉

处的流速最高,即动能最大,相应的静压强最小,当流体以一定的流量流经小孔时,就产生一定的压强差,流量越大压强差越大。利用测量压强差的方法来度量流体流量。

109.工艺装置为何要区分气开式、气关式调节阀?

答:1)事故状态下,工艺装置应尽量处于安全状态。2)事故状态下,减少原料或动力,保证产品质量。3)考虑介质的特性。

110.何谓一次阀、二次阀?

答:

111.什么叫微分调节?

答:按被调参数变化的速度来改变输出信号大小的调节作用规律,称为微分调节。

112.如何改变DCS上一个仪表的高报设定值(PVHIP)?

答:1)调出仪表所在的操作画面。2)手触该仪表,显示调节器操作区。3)手触该调节器位号,显示调节器细目。4)将钥匙旋至SUPVR。5)手触PVHIP,显示虚线操作框。6)按操作键盘上数字键,输入要设定的数值后,按输入键ENTER,设定值将被得到修改。7)将钥匙旋至OPER位置。

串级控制系统

习题六 1.什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答:串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对变量的定值控制。 2.串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为: (1)在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统; (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主变量的影响; (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于:对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3.串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是:. (1)主、副变量间应有一定的内在联系,副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化; (2)通过对副变量的选择,使所构成的副回路能包含系统的主要干扰; (3)在可能的情况下,应使副回路包含更多的主要干扰,但副变量又不能离主变量太近; (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配,以防“共振”的发生 4.为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统,而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量,使之等于给定值,而

主变量就是主回路的输出,所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量,副回路的给定值是主控制器的输出,所以在串级控制系统中,副变量不是要求不变的,而是要求随主控制器的输出变化而变化,因此是一个随动控制系统。5.怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律? 答串级控制系统的目的是为了高精度地稳定主变量,对主变量要求较高,一般不允许有余差,所以主控制器一般选择比例积分控制规律,当对象滞后较大时,也可引入适当的微分作用。 串级控制系统中对副变量的要求不严。在控制过程中,副变量是不断跟随主控制器的输出变化而变化的,所以副控制器一般采用比例控制规律就行了,必要时引入适当的积分作用,而微分作用一般是不需要的。 6.如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用? 答副控制器的作用方向与副对象特性、控制阀的气开、气关型式有关,其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用的选择方法相同,是按照使副回路成为—个负反馈系统的原则来确定的。 主控制器作用方向的选择可按下述方法进行:当主、副变量在增加(或减小时),如果要求控制阀的动作方向是一致的,则主控制器应选“反”作用的;反之,则应选“正”作用的。 从上述方法可以看出,串级控制系统中主控制器作用方向的选择完全由工艺情况确定,或者说,只取决于主对象的特性,而与执行器的气开、气关型式及副控制器的作用方向完全无关。这种情况可以这样来理解:如果将整个副回路看作是构成主回路的一个环节时,副回路这个环节的输入就是主控制器的输出(即副回路的给定),而其输出就是副变量。由于副回路的作用总是使副变量跟随主控制器的输出变化而变化,不管副回路中副对象的特性及执行器的特性如何,当主控制器输出增加时,副变量总是增加的,所以在主回路中,副回路这个环节的特性总是“正”作用方向的。由图可见,在主回路中,由于副回路、主测量变送这两个环节的特性始终为“正”,所以为了使整个主回路构成负反馈,主控制器的作用方向仅取决于主对象的特性。主对象具有“正”作用特性(即副变量增加时,主变量亦增加)时,主控制器应选“反”作用方向,反之,当主对象具有“反”作用特性时,主控制器应选“正”作用方向。

实验四 串级控制系统

实验四 加热炉温度串级控制系统 (实验地点:程控实验室,崇实楼407) 一、实验目的 1、熟悉串级控制系统的结构与特点。 2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。 3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。 二、实验设备 1、MATLAB 软件, 2、PC 机 三、实验原理 工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示,以加热炉出口温度为主控参数,以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。 图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图 图4-1中,主、副对象,即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为 主对象:;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象:2 1802)1)(110()(++=-s s e s G s 主控制器的传递函数为PI 或PID ,副控制器的传递函数为P 。对PI 控制器有 221111)(),/(, 1 11)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=???? ? ?+= 采用串级控制设计主、副PID 控制器参数,并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线,说明不同控制方案控制效果的区别。 四、实验过程 串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验,利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真,可以方便、快捷地确定出调节器的参数。 1.建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 (图4-2) 在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下:)(01s G 为主被控对象,)(02s G 为副被控对象,Step 为系统的输入,c 为系统的输出,q1为一次阶跃扰动,q2为二次阶跃扰动,可以用示波器观察输出波形。PID1为主控制器,双击PID 控制器可设置参数:(PID 模块在

管式加热炉串级系统控制过控课设解析

学号1422060213 天津城建大学 过程控制课程设计 设计说明书 串级温度控制系统设计 起止日期:2017 年7 月 3 日至2017 年7 月7 日 学生姓名侯亚东 班级14自动化2班 成绩 指导教师(签字) 控制与机械工程学院 2017年7月7日

天津城建大学 课程设计任务书 2016 -2017学年第 2学期 控制与机械工程 学院 自动化专业 班级 14自动化2班 姓名 侯亚东 学号 1422060213 课程设计名称: 过程控制 设计题目: 串级温度控制系统设计 完成期限:自 2017 年 7 月 3 日至 2017 年 7 月 7 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容: 一、设计任务 管式加热炉系统,考虑将燃烧室温度作为副变量,烧成温度作为主变量,主、副对象的传递函数分别为: 2017()81 s G s e s -=+,021()(101)(201)G s s s =++ 试采用串级控制设计温度控制系统,具体要求如下: 1) 进行控制方案设计,包括调节阀的选择、控制器参数整定,给出相应的闭环系统原理图; 2) 进行仿真实验,给出系统的跟踪性能和抗干扰性能; 3)说明不同控制方案对系统的影响。 二、设计要求 采用MATLAB 仿真;需要做出以下结果: (1) 超调量 (2) 峰值时间 (3) 过渡过程时间 (4) 余差 (5) 第一个波峰值 (6) 第二个波峰值 (7) 衰减比 (8) 衰减率 (9) 振荡频率 (10)全部P 、I 、D 的参数 (11)PID 的模型 (12)设计思路 三、设计报告 课程设计报告要做到层次清晰,论述清楚,图表正确,书写工整;详见“课程设计报告写作要求”。

什么叫串级控制系统

1.什么叫串级控制系统?画出一般串级控制系统的典型方块图。 答:串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。 主控制器的输出作为副控制器的给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对变量的定值控制。 2.串级控制系统有哪些特点?主要使用在哪些场合? 答串级控制系统的主要特点为: (1)在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统; (2)系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量} (3)由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主变量的影响; (4)系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 串级控制系统主要应用于:对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。 3.串级控制系统中主、剧变量应如何选择? 答主变量的选择原则与简单控制系统中被控变量的选择原则是一样的。 副变量的选择原则是:. (1)主、副变量间应有一定的内在联系,副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化; (2)通过对副变量的选择,使所构成的副回路能包含系统的主要干扰; (3)在可能的情况下,应使副回路包含更多的主要干扰,但副变量又不能离主变量太近; (4)副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配,以防“共振”的发生 4.为什么说串级控制系统中的主回路是定值控制系统,而副回路是随动控制系统? 答串级控制系统的目的是为了更好地稳定主变量,使之等于给定值,而主变量就是主回路的输出,所以说主回路是定值控制系统。副回路的输出是副变量,副回路的给定值是主控制器的输出,所以在串级控制系统中,副变量不是要求不变的,而是要求随主控制器的输出变化而变化,因此是一个随动控制系统。 5.怎样选择串级控制系统中主、副控制器的控制规律?

串级控制系统整定实验报告

学院 过程控制系统实验报告书 实验名称串级控制系统整定 专业自动化专业 班级 指导教师 姓名 学号 实验日期

串级控制系统整定 一、实验目的 (1)掌握动态模型的创建方法.。 (2)掌握串级控制系统整定方法。 (3)了解控制系统的特点。 (4)了解串联控制系统的特点。 二、实验器材 计算机一台,MATLAB软件 三、实验原理 .串级控制系统:就是由两个调节器串联在一起,控制一个执 行阀,实现定值控制的控制系统。 .串级控制系统的通用方框图: .串级控制系统特点:(1)改善了被控过程的动态特性。 (2)提高了系统的工作频率。 (3)具有较强的抗扰动能力。 (4)具有一定的自适应能力。 .两步整定法

(1)工况稳定时,闭合主回路,主、副调节器都在纯比例作用的条件下,主调节器的比例度置于100%,用单回路控制系统的衰减曲线法整定,求取副调节器的比例度s δ和操作周期s T 。 (2)将副调节器的比例度置于所求得的数值上,把副回路作为主回路中的一个环节,用同样方法整定主回路,求取主调节器的比例度和操作周期。 四、实验步骤 (1)启动计算机,运行MATLAB 应用程序。 (2)在MATLAB 命令窗口输入Smulink,启动Simulink 。 (3)在Simulink 库浏览窗口中,单击工具栏中的新建窗口快捷按钮或在Simulink 库窗口中选择菜单命令File New Modeel,打开一个标题为“Untitled ”的空白模型编辑窗口。 (4)设被控对象的传递函数为: 24 21 (110)(120)s s ?++,要求被调量始 终维持在设定值。设计一个串级控制系统,并且要求控制系统的衰减率为75%,静态误差为零。用MATLAB 创建仿真模型。 (5)按两步整定法整定调节器参数。 (6)按步骤(5)的结果设置调节器参数,启动仿真,通过示波器模块观测并记录系统输出的变化曲线。 (7)施加内扰,观测系统运行情况。 . 衰减曲线法整定参数计算表:

串级控制系统

过程控制 实验报告实验名称:串级控制班级: 姓名: 学号:

实验二 串级控制系统 一、实验目的 1) 通过本实验,了解串级控制系统的基本结构以及主、副回路的性能特点。 2) 掌握串级控制系统的设计思想和主、副回路控制器的参数整定方法。 二、 实验原理 串级控制系统由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。控制器相串联,副控制器的输入由主控制器的输出设定。主回路是恒值控制系统,对主控制器的输出而言,副回路是随动系统,对二次扰动而言,副回路是恒值控制系统。 串级控制的主要优点可概括如下: 1) 由于副回路的存在,改善了对象的部分特性,使系统的工作频率提高,加快了调节过程。 2) 由于副回路的存在,串级控制系统对二次扰动具有较强的克服能力。 3) 串级控制系统提高了克服一次扰动的能力和回路参数变化的自适应能力。 串级控制系统副回路的设计原则: 1) 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动。在可能的情况下力求包含尽可能多的扰动。 2) 当对象具有较大纯滞后时,在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。 3) 当对象具有非线性环节时,在设计时应使非线性环节于副环之中。 4) 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配,以防共振。 5) 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。 串级控制系统常用的控制器参数整定方法有逐步逼近法、两步法、一步法等。 ? 逐步逼近法 1) 在主回路断开的情况下,求取副控制器的整定参数; 2) 将副控制器的参数设置在所求的数值上,使串级控制系统主回路闭合,以求取主调节器的整定参数值; 3) 将主调节器参数设置在所求值上,再次整定副控制器的参数值。 4) 如控制品质未达到指标,返回2)继续。 三、实验内容 某系统的主、副对象传递函数分别为: 122 11 (),()301(101)(1)P P G s G s s s s = = +++

串级控制系统参数整定

实验三:串级控制系统参数整定 PID 控制器由于自身具有的相对容易理解和实现的特点而被广泛应用于过程控制工业中。 在实践中,它经常被融入一个复杂的控制结构中,以达到一个更好的控制效果。在这些复杂的控制结构中,通常利 用串级控制组合来减小干扰引起的最大偏差和积分误差。容易实现的优点和潜在的大控制性能的提高导致串级控制广泛应用达数十年。它已经成为一个由工业过程控制器提供的标准应用。 串级控制系统由两个控制回路构成:一个可以快速动态消除输入干扰的内部回路,和一个可以调节输出效果的外部 回路。通常,他们是通过一个连续的方式来整定的。首先,外部回路控制器设置为手动,对内部回路进行整定。随后, 启用内部回路的整定结果,接着整定外部回路。如果控制效果不理想,应该调换整定的顺序。所以,整定串级控制系统 是一项相当笨重耗时的任务,特别是具有大时间常数和时间延迟的系统。 PID 自整定解除了手动整定控制器的烦恼,并且已经成功的应用于很多工业领域中。但是,到目前为止,却很少有关于串 级系统自整定技术的发展的文学报道。其中,Li et al 利用模糊逻辑进行串级控制器的自整定。Hang et al. 应用一个重复的延迟自动整定方法来整定串级控制系统,延迟反馈测试被验证了两次,一次在内部回路,另一次在外部回路。虽然特 殊的控制器整定已经被自动化,但整定过程的自然顺序并没有改变。Tan 提出了一个在一个实验中实行整体整定过程的方法,但是这个实验需要过程的过去的信息。而且,外部回路设计时所用的极限频率是基于未考虑内部回路控制参数改 变的初始极限频率。这篇论文提供了串级控制系统自整定的一种新方法。通过利用串级控制系统的基本性能,在外部回 路中利用一个简单的延迟反馈测试来确定内部和外部回路过程模型参数。 一个基于Pade 系数和Markov 参数,匹配PID 控制器整定方法的模型,被提出来控制整体系统效果。两个例子来说明该方法的有效性。 2.串级控制系统的基本原理 图1 串级控制组合的结构如图1,内部回路嵌套于外部回路里,外部回路的输出变量是被控对象。控制系统由两个过程 和两个控制器组成。分别为外部回路传递函数1p G ,内部回路传递函数2p G ,外部回路控制器1c G 和内部回路控制器2c G 。 串级控制系统的两个控制器都是标准的反馈控制器。通常情况下,内部回路为一个比例控制器,当内部回路过程包 含基本时间延迟时需要用到积分作用,外部过程使内部回路增益是有限的。 为了在它影响到外部回路之前减小或消除内部回路干扰 d 2,内部回路比外部回路应该有一个更快的动态响应(工业经验法则里,至少应快5倍以上)。因此,内部闭环回路的相位滞后应该比外部回路小。这个特点就是应用串级控制的基本原理。内部回路的交叉频率比外部回路高,使内部回路控制器有更高的增益,能够在没有危及系统的稳定性的情况下

串级控制系统的原理及设计

串级控制系统的原理及设计中应注意的问题 摘要:介绍了串级控制系统的基本原理,性能和设计中应注意的几个问题。 关键词:内环;外环;增益;时间常数;对象;共振现象;积分饱和现象。 1、概述 1.1串级控制系统介绍 单回路控制系统只用一个调节器,调节器只有一个输入信号,即只有一个闭环,在大多数情况下,这种简单系统能够满足工艺生产的要求。但是也有一些另外的情况,譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制,而工艺对调节质量的要求又很高;或者对调节对象的控制任务要求特殊,则单回路控制系统就无能为力了。另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,为此,需要在单回路的基础上,采取其他措施,组成复杂控制系统。串级控制是改善调节过程的一种极为有效的方法,并且在实际中得到了广泛的应用。我厂的生产过程自动控制系统中,串级控制系统是应用最为广泛的复杂控制系统。 1.2 (简单控制系统) 图1.1是精馏塔底部示意图,在再沸器中,用蒸汽加热塔釜液产生蒸汽,然后在塔釜中与下降物料流进行传质传热。为了保证生产过程顺利进行,需要把提馏段温度t保持恒定。为此,在蒸汽管路上装一个调节阀,用它来控制加热蒸汽流量。从调节阀动作到温度t发生变化,需要相继通过很多热容积。实践证明,加热蒸汽压力的波动对温度t的影响很大。此外,还有来自液相加料方面的各种扰动,包括他的流量、温度和组分等,它们通过提馏段的传质传热过程,以及再沸器中的传热条件(塔釜温度、再沸器液面等),最后也影响到温度t。当加热蒸汽压力较大时,如果采用图1.1所示的简单控制系统,调节质量一般都不能满足生产要求。如果采用一个附加的蒸汽压力控制系统,把蒸汽压力的干扰克服在入塔前,这样也提高了温度调节的品质,但这样就需要增加一只调节阀并增加了蒸汽管路的压力损失,在经济上很不合理。 比较好的方法是采用串级控制,如图1.2所示。

第四章 串级控制系统实验

要做的实验项目是:实验一单容自衡水箱液位特性测试实验实验二单容液位定值控制系统实验实验三双容(串联)水箱特性的测试实验实验四双容(串联)水箱液位定值控制系统实验实验五双容(串联)液位串级控制系统实验实验六前 馈-反馈控制系统实验 第四章串级控制系统实验 第一节串级控制系统概述 一、串级控制系统的概述 图4-1是串级控制系统的方框图。该系统有主、副两个控制回路,主、副调节器相串联工作,其中主调节器有自己独立的给定值R,它的输出m1作为副调节器的给定值,副调节器的输出m2控制执行器,以改变主参数C1。 图4-1 串级控制系统方框图 R-主参数的给定值; C1-被控的主参数; C2-副参数; f1(t)-作用在主对象上的扰动; f2(t)-作用在副对象上的扰动。 二、串级控制系统的特点 串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍,在此将有关结论再简单归纳一下。 1.改善了过程的动态特性; 2.能及时克服进入副回路的各种二次扰动,提高了系统抗扰动能力; 3.提高了系统的鲁棒性; 4.具有一定的自适应能力。 三、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,它的控制任务是使主参数等于给定值(无余差),故一般宜采用PI或PID调节器。由于副回路是一个随动系统,它的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律,对副参数的动态性能和余差无特殊的要求,因而副调节器可采用P或PI调节器。 四、主、副调节器正、反作用方式的选择 正如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,系统必须采用负

反馈。对于串级控制系统来说,主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统,即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。 各环节的放大系数极性是这样规定的:当测量值增加,调节器输出也增加,则调节器的放大系数K c为负(即正作用调节器),反之,K c为正(即反作用调节器);本装置所用电动调节阀的放大系数K v恒为正;当过程的输入增大时,即调节器开大,其输出也增大,则过程的放大系数K0为正,反之K0为负。 五、串级控制系统的整定方法 在工程实践中,串级控制系统常用的整定方法有以下三种: (一)逐步逼近法 所谓逐步逼近法,就是在主回路断开的情况下,按照单回路的整定方法求取副调节器的整定参数,然后将副调节器的参数设置在所求的数值上,使主回路闭合,按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。而后,将主调节器参数设在所求得的数值上,再进行整定,求取第二次副调节器的整定参数值,然后再整定主调节器。依此类推,逐步逼近,直至满足质量指标要求为止。 (二)两步整定法 两步整定法就是第一步整定副调节器参数,第二步整定主调节器参数。 整定的具体步骤为: 1.在工况稳定,主回路闭合,主、副调节器都在纯比例作用条件下,主调节器的比例度置于100%,然后用单回路控制系统的衰减(如4:1)曲线法来整定副回路。记下相应的比例度δ2S和振荡周期T2S。 2.将副调节器的比例度置于所求得的δ2S值上,且把副回路作为主回路中的一个环节,用同样方法整定主回路,求取主回路的比例度δ1S和振荡周期T1S。 3.根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值,按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度δ、积分时间T I和微分时间T d的数值。 4.按“先副后主”,“先比例后积分最后微分”的整定程序,设置主、副调节器的参数,再观察过渡过程曲线,必要时进行适当调整,直到过程的动态品质达到满意为止。 (三)一步整定法 由于两步整定法要寻求两个4:1的衰减过程,这是一件很花时间的事。因而对两步整定法做了简化,提出了一步整定法。所谓一步整定法,就是根据经验先确定副调节器的参数,然后将副回路作为主回路的一个环节,按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。 具体的整定步骤为: 1.在工况稳定,系统为纯比例作用的情况下,根据K02/δ2=0.5这一关系式,通过副过程放大系数K02,求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取,并将其设置在副调节器上。 2.按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。 3.改变给定值,观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原理,适当调整调节器的参数,使主参数品质指标最佳。

双容水箱液位串级控制系统课程设计

双容水箱液位串级控制系统课程设计 1. 设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务 图1所示双容水箱液位系统,由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水,在支路一中设置调节阀,为保持下水箱液位恒定,支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 1 图1 双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求 1) 已知上下水箱的传递函数分别为: 111()2()()51p H s G s U s s ?==?+,22221()()1()()()201 p H s H s G s Q s H s s ??===??+。 要求画出双容水箱液位系统方框图,并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真(假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声); 2) 针对双容水箱液位系统设计单回路控制,要求画出控制系统方框图,并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真,其中PID 参数的整定要求写出整定的依据(选择何种整定方法,P 、I 、D 各参数整定的依据如何),对仿真结果进行评述; 3) 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案,要求画出控制系统方框图及实施方案图,对控制系统的动态过程进行仿真,并对仿真结果进行评述。 4.设计任务分析

系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种,机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握,并且可以比较确切的加以数学描述的情况;测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到,测试法建模一般较机理法建模简单,特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言,由于双容水箱的数学模型已知,故采用机理建模法。 在该液位控制系统中,建模参数如下: 控制量:水流量Q ; 被控量:下水箱液位; 控制对象特性: 111()2()()51 p H s G s U s s ?==?+(上水箱传递函数); 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ??= ==??+(下水箱传递函数)。 控制器:PID ; 执行器:控制阀; 干扰信号:在系统单位阶跃给定下运行10s 后,施加均值为0、方差为0.01的白噪声 为保持下水箱液位的稳定,设计中采用闭环系统,将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器(PID ),控制器将实际水位与设定值相比较,产生输出信号作用于执行器(控制阀),从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时,通过不断调整PID 参数,单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果,系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统,整个对象控制通道相对较长,如果采用单闭环控制系统,当上水箱有干扰时,此干扰经过控制通路传递到下水箱,会有很大的延迟,进而使控制器响应滞后,影响控制效果,在实际生产中,如果干扰频繁出现,无论如何调整PID 参数,都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现,及早控制,在内环引入负反馈,检测上水箱液位,将液位信号送至副控制器,然后直接作用于控制阀,以此得到较好的控制效果。 设计中,首先进行单回路闭环系统的建模,系统框图如下: 可发现,在无干扰情况下,整定主控制器的PID 参数,整定好参数后,分别改变P 、I 、D 参数,观察各参数的变化对系统性能的影响;然后加入干扰(白噪声),比较有无干扰两

串级控制实验报告

过程控制工程实验报告 实验名称:串级控制系统 班级: 组员:

思考题 1. 若控制阀为气闭式,试分析液位-液位串级系统中主、副控制器的正、反作用应如何选? 主控制器选反作用, 副控制器选正作用 分析:在串级控制系统中主副控制器正、反作用的选择遵循先副后主的原则; 副回路确定与单回路相同,即各环节放大倍数乘积为负,控制阀为气闭阀即为负,变送器和水箱液位都为正,故副控制器应为正作用; 主回路中,把负回路等效为一正环节,因为液位变送器和水箱液位都为正,故主控制器应为负作用。 2. 如何才能保证串级控制系统的无扰动切换? 先副后主:调节主控制器的输出,使其等于副回路的测量值,这时副回路的偏差为0,则副控制器的自动电流将跟踪等于手动电流,于是可将副控制器切入自动; 当副环切入自动控制稳定,主变量接近或等于设定值时,调整主控制器器的设定值,使主控制器偏差为0,此时主控制器的自动输出电流跟踪等于手动输出电流,于是可将主控制器切入自动。 3.串级系统投运整定前需要做好哪几项工作? ①检查管路、阀门(闸板的高度),设备加电;进行控制系统信号连线,构建一个有主参数、副参数,主控制器、副控制器和控制阀的完整串级控制系统。②启动实验软件,置主、副控制器皆为手动状态;先调整副控制器的手动输出为50-60%,开启副回路动力装置;待系统达到平稳,各控制量处于中间合适位置即可。③控制系统投自动前,务必要确认控制系统闭环后一定是负反馈的,即控制作用是消弱而不是增强干扰作用的影响。根据调节回路中各环节作用关系、控制阀的开闭方向来判定、确定主、副控制器的正、反作用。 4.一步整定法的依据是什么? 依据:在串级控制系统中一般来说,主变量时工艺的主要操作指标,直接关系产品的质量,因此对它要求比较严格。而副的设立主要是为了提高主变量的控制质量,对副变量本身没有很高的要求,允许它在一定范围内变化,因此在整定时不必将过多的精力放在副环上,只要主变量达到规定的质量指标要求即可。此外对于一个具体的出串级控制系统来说,在一 Z2 (s) Z1 (s)

串级控制实验步骤-给学生

过程控制系统实验报告 姓名:黄佳鑫 班级:自动化1201 学号:1210410106

实验三:利用MATLAB/对串级控制系统进行仿真 一、实验目的 1.学会利用MATLAB/Simulink 对串级控制系统进行参数整定。 2.学会利用MA TLAB/Simulink 分析串级控制系统的抗干扰能力。 二、实验设备 安装Windows 系统和MATLAB 软件的计算机一台。 三、实验内容 构成以锅炉温度为主变量,锅炉夹套温度为副变量的串级控制系统,假设主、副对象传递函数分别为 试采用串级控制设计主、副PID 控制器的参数,并与等效的简单控制系统进行抗干扰能力的比较。 四、实验步骤 1.系统设计和参数整定 1)简单控制系统 (1) 利用NCD Outport ( 或Signal Constraint )模块,建立如下图所示的简单控制系统的Simulink 结构图。 图一 仿真电路图 首先点击Simulation →Configuration Parameters(stop time 设置为100,其余参数采用默认值) 在MA TLAB 窗口中利用以下命令对PID 控制器的初始值进行任意设置:>>Kc=1;Ti=1;Td=1; 然后,双击Signal constraint →g oals →desired response →点击第2个选框→进行设置参数(Settling Time 为25、Rise Time 为15、% overshoot 为12,其余参数采用默认值)单机ok 。 图二 11()(301)(31)p G s s s =++22 1()(101)(1)p G s s s =++

串级控制系统

第三章串级控制系统 简单控制系统由于结构简单,而得到广泛的应用,其数量占有所有控制系统总数的80% 以上,在绝大多数场合下已能满足生产要求。但随着科技的发展,新工艺、新设备的出现,生产过程的大型化和复杂化,必然导致对操作条件的要求更加严格,变量之间的关系更加复杂。同时,现代化生产往往对产品的质量提出更高的要求,例如甲醇精馏塔的温度偏离不允许超过1℃石油裂解气的生冷分离中,乙烯纯度要求达到99.99%等,此外,生产过程中的某些特殊要求,如物料配比、前后生产工序协调问题、为了安全而采取的软保护的问题、管理与控制一体化问题等,这些问题的解决都是简单控制系统所不能胜任的,因此,相应地就出现了复杂控制系统。 在简单反馈回路中增加了计算环节、控制环节或其他环节的控制系统统称为复杂控系统。复杂控制系统种类较多,按其所满足的控制要求可分为两大类:以提高系统控制质量为目的的复杂控制系统,主要有串级和前馈控制系统;满足某些特定要求的控制系统,主要有比值、均匀、分程、选择性等。 本章将重点介绍串级控制系统。串级控制系统是所有复杂控制系统中应用最多的一种,它对改善控制产品有独到之处。当过程的容量之后较大,负荷或扰动变化比较剧烈、比较频繁、或是工艺对生产质量提出的要求很高,采用单控制系统不能满足要求时,可考虑采用串级控制系统。 3.1 串级控制系统概述 图3-1串级控制系统方框图

3.2 串级控制系统的特点 串级控制系统从总体来看,仍然是一个定制控制系统,因此主变量在扰动作用下的过渡过程和简单定制控制系统的过渡过程具有相同的品质指标和类似的形式。但是串级控制系统和简单控制系统相比,在结构上增加了一个与之相连的副回路,因此具有一系列特点。 由于副回路的存在,改善了过程的动态特性提高了系统的工作频率。 串级控制系统在结构上区别于接单控制系统的主要标志是用一个闭合的副回路代替了原来的一部分被控对象。所以,也可以把整个副回路看作是主回路的一个环节,或把副回路称为等效副对象。 由于副过程在一般情况下可以用一阶滞后环节来表示,如果副控制器采用比例作用,那么串级控制系统由于副回路的存在,改善了过程的动态特性,是。而等效副对象的时间常数减小,意味着对象的容量滞后减小,这会使系统的反应速度增加,控制更为及时。另一方面,由于等效副对象的时间常数减小,系统的工作频率可获得提高。当主副对象都是一阶惯性环节,主副控制器均采用纯比例作用是,与简单控制系统相比,在相同衰减比的条件下,串级系统的工作频率要高于简单控制系统。 所以,串级控制系统由于副回路的存在,改善了被控对象的动态特性,是控制过程加快,从而有效地克服容量滞后、使整个系统的工作频率有所提高,进一步提高了控制质量,其主要优点表现在: ①能及时克服进入副回路的扰动影响,提高了系统抗扰动能力 与同等条件下的简单控制系统相比较,串级控制系统由于副回路的存在,能迅速克服进入副回路扰动的影响,从而大大提高了抗二次扰动的能力,抗一次扰动的能力也有所提高。这是因为当扰动进入副回路后,在他还未影响到主变量之前,首先由副变量检测到扰动的影响,并通过副回路的定值控制作用,及时调节操纵变量,师傅变量回复到设定值,从而是扰动对主主变量的影响减少。即副回路对扰动进行粗调,主回路对扰动进行细调。由于对进入副回路的扰动有两级控制措施,即使扰动作用影响主环,也比单回路的控制及时,因此,串级控制系统能迅速克服副回路的影响。 ②具有一定的自适应能力。 在简单控制系统中,控制器的参数是在一定的负荷、一定的操作条件下,根据该

实验三 串级控制实验2016

实验三串级控制实验 一、实验目的 1.熟悉串级控制系统的结构与特点。 2.掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。 3.了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主变量的影响。 二、实验设备 1.PCS-C型过程控制综合实验装置(DDC控制单元、信号及控制板)。2.计算机及MCGS组态软件(PCS-C-DDC.MCG)。3.实验专用线若干及九芯通讯线两根。 三、实验原理 本实验采用计算机控制,将下水箱液位控制在设定高度。串级回路是由内反馈组成的双环控制系统,属于复杂控制范畴。在计算机中设置了两个虚拟控制器作为主副控制器。将上水箱的液位信号输出作为主控制器输入,主控制器的输出作为副控制器的输入,在串级控制系统中,两个控制器任务不同,因此要选择控制器的不同调节规律进行控制,副控制器主要任务是快速动作,迅速抵制进入副回路的扰动,至于副回路的调节不要求一定是无静差。主控制器的任务是准确保持下水箱液位在设定值,因此,主控制器采用PI控制器也可考虑采用PID控制器。 上下水箱液位串级控制系统的方块原理图如图4.2所示。 图4.1 液位串级控制系统块原理图 串级控制系统的参数整定参考本章概述部分内容。 四、实验步骤与内容 1.了解实验装置中的对象,流程图如图4.2所示。

图4.2 上下水箱液位串级控制系统流程图 2.按图4.3接好实验导线和通讯线。 图4.3上下水箱双容串级控制实验接线图(高联实验台)

上下水箱双容串级控制实验接线图(云创实验台) 3.将控制台背面的通讯口与上位机连接。4.将手动阀门1V1、V4、V6打开,将手动阀门1V6、1V7、LV关闭。5.先打开实验对象的系统电源,然后打开控制台上的总电源,再打开直流电压和DDC控制单元电源。6.打开计算机上的MCGS运行环境,选择“系统管理”下拉菜单中的“用户登录”,出现如下界面。 图4.4 用户登录界面 7.点击“确认”,用户登录完毕。选择“串级控制实验”下拉菜单中的“上下水箱双容控制实验”。出现如下的“上下水箱双容串级控制实验”界面。

串级控制原理与实例分析

自动化学报 AGTA AUTOMATICA SINICA 1999年 第25卷 第2期 Vol.25 No.2 1999 磁浮列车悬浮系统的串级控制1) 李云钢 常文森 摘 要 为了消除磁浮列车的轨道共振,必须设计鲁棒性较强的悬浮控制系统.将悬浮控制系统分解为电流环和悬浮子控制系统两个串行、解耦的子系统来考虑,并应用H∞控制理论设计了电流环控制器,用时域法设计了悬浮子系统的控制器,给出了所设计的控制器在一个单转向架磁浮列车上的悬浮试验结果. 关键词 磁浮列车,串级,电流环,H∞控制. CASCADE CONTROL OF AN EMS MAGLEV VEHICLE'S LEVITATION CONTROL SYSTEM LI Yungang CHANG Wensen (Depart. of Automatic Control, Changsha Institute of Technology, Changsha 410073) Abstract To eliminate guideway resonance vibration in an EMS maglev vehicle system, a robust levitation controller should be designed. This paper divides a maglev control system into two serial-connected de-coupled sub-systems:current loop sub-system and levitation subsystem. H∞control theory is applied to the design of current loop controller while the time-domain method is applied to the design of the levitation controller. Testing results of the designed controllers for a whole size single bogie EMS maglev vehicle is given. Key words EMS maglev vehicle, cascade control, current loop, H∞ control. 1 引言 常导吸力型磁浮列车的悬浮控制技术已相当成熟,特别是在结构上采用磁轮或模块等控制概念,十分巧妙地实现了多个电磁铁的悬浮控制之间的解耦,以致于由多个电磁铁共同悬浮的磁浮列车特性,主要取决于单个电磁铁(简称单铁)的控制特性.因此单铁控制系统的设计就变得十分关键了.如何使单铁控制系统有较满意的特性及较好的鲁棒性,至今仍是磁浮列车控制界比较关心的热点.特别是在我国这一工作还刚刚起步,这个问题的顺利解决将会十分有力地促进磁浮列车技术在我国的发展. 目前进行单铁的悬浮控制系统设计主要采用状态反馈法[1].用这种方法,电磁铁的电流作为状态变量之一引入系统,和悬浮间隙以及电磁铁的加速度信号等一起起作用;因此,电流信号和其它信号之间会产生耦合,对电流的控制也不灵活、不方便.对电流信号的处理还有另一种方法,就是首先通过强电流反馈改善电磁铁的响应时间,

加热器出口水温串级控制系统解析

目录 1设计要求及分析 (1) 2被控对象分析 (2) 3系统设计过程分析 (4) 3.1方案论证 (4) 3.2 串级控制系统 (4) 3.3 测量环节 (8) 3.3.1 温度传感器 (8) 3.3.2 温度变送器 (9) 3.4 控制器 (10) 3.5 执行器 (12) 4小结 (15) 参考文献 (16)

1设计要求及分析 这次是要进行设计一个加热器出口水温控制系统,要求学习调节仪表与过程控制、传感与检测技术、单片机原理及应用、电子电路等知识。主要涉及的知识有控制理论、检测理论与方法。而主要采用的工具MATLAB、PROTEL、AUTOCAD等。 所要设计的被控对象为加热器,针对它的相关特性,和在实际应用中的工艺要求及特性,来确定控制被控对象,实现控制加热器出口水温的系统的类型。我们学过的如简单控制系统,复杂控制系统,其中包括串级控制系统、比例控制系统,均匀控制系统等。结合被控对象特性和各控制系统的适用范围去进行设计。 具体的设计任务可分为: 1、了解被控对象相关特性及工艺要求 2、设计系统实现方案 3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数 4、撰写系统调节原理及调节过程说明书

2被控对象分析 被控对象为加热器。当前国内小型加热器一般分为两种类型,电加热式和燃油加热式。用油或者电都几乎不产生灰渣,二氧化硫、二氧化碳的排放量也极少,另外占用体积小。故在小型加热器中极少采用煤、气等其它燃料方式。电加热式以电源作动力,其效率较高、运行成本比燃油加热式略低,但体积比燃油加热式大,其适宜于宾馆及住宅等有稳定市电场所的集中供热用能。而燃油加热式可以满足大功率、野外作业的要求,而不会消耗过多的能源的形式。 我选用立式盘管燃油式加热器为例,由燃油供给系统、鼓风系统、燃烧器、加热管、控制系统等组成,它的材料选择、结构设计上具有独到的特点,具有体积小、效率高、启动快和安全可靠的优点。燃油式加热器原理图如图1所示 图1 燃油加热器工作原理图 此加热器加热水的工作原理可叙述如下: 盘管加热器的受热面是一组盘管。给水从加热器的底部进入内盘管,水沿内盘管螺旋上升至加热器上部,随即进外盘管,水沿外盘管螺旋下降至加热器底部。水在内外盘

串级复杂控制系统考试试卷答案

石化公司维修公司(仪表维修工) 串级复杂控制系统考试试卷答案 (考试时间:年月日考试时长:120 分钟) 一、填空题(每空1分,满分 30分) 1.串级控制系统是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的 给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对变量的定值控制。在系统结构上, 它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统; 2.串级控制系统的目的在于通过改变副变量来提高对主变量的控制质量 由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主 变量的影响;系统对负荷改变时有一定的自适应能力。 3.串级控制系统主要应用于:对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷 变化大、对控制质量要求较高的场合。 4.在串级控制系统中,主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制,副调节 器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差,主调节器 的控制规律应选取PI或PID控制规律;副回路要求起控制的快速性,可以有余差, 一般情况选取P控制规律而不引入 I 或 D 控制。如果引入 I 控制,会延长控制 过程,减弱副回路的快速控制作用;也没有必要引入 D控制,因为副回路采用 P 控制已经起到了快速控制作用,引入D控制会使调节阀的动作过大,不利于整个系 统的控制 5.P控制作用的特点是保证过程的稳定性。 I控制作用的特点是保证控制过程作无差控制。 D控制作用的特点是补偿控制对象的迟延和惯性 6.过度过程要有较好的稳定性和快速性一般希望调节过程具有较大的衰减比,超调量 要小些,调节时间越短越好,又要没有余差 二、简答题(共 6 题,每题5分,满分 30 分) 1. 简述串级控制系统的投用步骤? 参考答案: (1)将副调节器“内、外”给定置外给定,“自动、手动”放在“手动”。主调节器 “内、外”给定置内给定,“自动、手动”放在“手动”,并把“正、反”作用开 关分别放在正确位置,调节器参数分别放在预定值。 (2)用副调节器手动控制 (3)当主参数接近给定值,副参数也较平稳后,调节主调节器手动输出,使副调节 器偏差为零,将副调节器由手动切到自动。 (4)调节主调节器给定值,使主调节器偏差为零 (5)将主调节器由手动切到自动。 2.简述串级控制系统主、副控制器作用方式的选择依据? 参考答案: (主控制器±)(副对象±)(主对象±)=(—) 因此:当主、副变量同向变化时,主控制器应选反作用方式,反向变化则应选正作用 方式。 副控制器作用方式选择: (副控制器±)(控制阀±)(副对象±)=(—) 3. 简述单回路控制系统的投用步骤? 参考答案: 1. 设置好控制器正反作用和P、I、D参数。 2. 先手动控制使测量值逐步接近给定值,并保持测量值稳定 3. 按无扰动切换(指手、自动切换时阀上信号基本不变)的要求将控制器切入自动 4. 简述单回路控制系统的“4 :1衰减振荡”参数整定方法? 参考答案: 第 1 页共3页

相关文档