液位串级控制系统设计

控制系统分析课程设计

课题：液位串级控制系统设计

系 别： 电气与电子工程系 专 业： 自 动 化 姓 名： 学 号：

指导教师： 任 琦 梅

河南城建学院

成绩评定·

一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩情况及其平

时表现综合评定）。

课程设计成绩评定

1． 过程控制系统 1.1 系统组成

本实验装置由被控对象和上位控制系统两部分组成。系统动力支路分两路：一路由三相（380V交流）磁力驱动泵、气动调节阀、直流电磁阀、PA电磁流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

1、被控对象

水箱：储水箱内部有两个椭圆形塑料过滤网罩，止两套动力支路进水时有杂物进入泵中。

模拟锅炉：做温度实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。冷却层和加热层都装有温度传感器检测其温度。

盘管：可做温度纯滞后实验，在盘管上有两个不同的温度检测点。 管道：所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。 2、检测装置

压力传感器、变送器：对传感器温度漂移跟随补偿。

温度传感器：分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。传感器的检测信号中检测锅炉内胆温度的一路到通讯协议的温度变送器，直接转化成数字信号。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。

3、执行机构

调节阀：用来进行控制回路流量的调节。它具有精度高、体积小、重量轻、推动力大、耗气量少、可靠性高、操作方便。

变频器：其输入电压为单相AC220V，输出为三相AC220V。 水泵：本装置采用磁力驱动泵。

电磁阀：在本装置中作为气动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。 4、控制器：有能进行多点通讯功能的MPI。 5、空气压缩机

1.2 电源控制台

电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

仪表综合控制台包含了原有的常规控制系统，由于它预留了升级接口，因此它在总线控制系统中的作用就是为上位控制系统提供信号。

1.3 总线控制柜

总线控制柜有以下几部分构成：

(1) 控制系统供电板：该板的主要作用是把工频AC220V转换为DC24V，给主控单元和DP从站供电。

(2) 控制站：控制站主要包含CPU、以太网通讯模块、DP链路、分布式I/O DP从站和变频器DP从站构成。

(3) 温度变送器： PA温度变送器把PT100的检测信号转化为数字量后传送给DP链路。

2. 串级控制系统的概述

图2.1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2.1

2.1串级控制系统的特点

(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。

2.2 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。

2.3 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：

1、逐步逼近法：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，把副调节器的参数设置在所求的数值上，然后使主回路闭合，仍按单回路整定方法求取主调节器的整定参数。尔后，将主调节器参数设置在所求得的数值上，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，直至满足动态品质指标要求为止。

2、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的整定公式，计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td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，必要时进行适当地调整，直到过程的动态品质达到满意为止。

3、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，通过副回路的放大系数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，使主参数的动态品质指标最佳。

(4) 如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。

3．液位与进水流量串级控制系统

3.1控制设备：

1. THJ-FCS型高级过程控制系统实验装置。 2. 计算机及相关软件。

3.2液位-流量串级控制系统的结构框图

图3.1液位-流量串级控制系统的结构框图

3.3工作原理

本系统的主控量为上水箱的液位高度H，副控量为气动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量H等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量H的控制目的，因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象上水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回

路快速的调节作用消除了扰动的影响。

3.4系统流程图

控制系统流程图如图3.2所示。

图3.2 控制系统流程图

本实验主要涉及三路信号，其中两路是现场测量信号上水箱液位和管道流量，另外一路是控制阀门定位器的控制信号。

3.5控制过程

本实验选 …… 此处隐藏：3166字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……