西安电力高等专科学校 动力系 2003 届毕业设计论文题目：串级控制系统及其在水位水箱控制中的应用题目：串级控制系统及其在水位水箱控制中的应用姓姓 名：马强名：马强指导教师：雷鸣雳指导教师：雷鸣雳专专 业：热工检测及控制技术业：热工检测及控制技术班班 级：级：23031完成时间：完成时间：2006 年年 6 月月 18 日日2串级控制系统极其在水位水箱中控制中的应用摘 要本次设计建立了应用于水位水箱实验台的串级自动控制系统，简要说明了串级控制系统的特点并详细介绍了串级控制系统的参数整定方法和PID 自动控制的特点。对水位水箱实验台的硬件构成及实验台的各个组件的功能和使用方法进行了详细说明，通过手工接线建立起实验台，设计、焊接了 PID 控制电路，详细说明了接线方法并附有接线图。使用SMULINK 对系统进行了组态和仿真。最后在实验台上对系统进行了实际调试。探讨了串级控制系统参数整定的方法和应用。关键词：串级控制系统，实验台，仿真，参数整定，接线，PID3目录绪论.41 串级控制系统介绍及仿真.51.1 串级控制系统.51.2 PID 各参数在系统中的作用.61.3 参数整定方法.71.4 SIMULINK 简介.10 1.5 实验台传函.101.6 仿真整定过程及结果.102 系统接线.142.1 实验台介绍142.2 实验台的接线方法172.3 PID 调节器及其电路图.19 3 实验台的调试.223.1 调试方法的确定223.2 调试结果223.3 原因分析.234 结论.244翻译.25小结.28参考文献.29绪 论本次设计主要包括 SMULINK 仿真、实验台的建立和接线、系统实际投运调试和参数整定三大部分。主要目的是通过这次设计掌握并了解参数整定的方法和过程，对实际中系统的参数整定有一个感性的认识。并在设计中对所学到的控制理论进行合理的运用。其中含概了自动控制理论、电子学、电路基础、高数基础等学科，并且对手工操作能力有一定的要求。指导老师要求通过自己的揣摩和思考，查阅相关资料独立解决问题。本次设计是以 PID 控制为核心，PID 控制技术以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。目前 PID 控制在工业控制系统中应用极其普遍，具有广阔的发展前途。此次完成的水箱水位实验平台可用于火电厂运行人员和热工人员的模拟培训，也可用于高校有关专业课的实践教学。并且可以在该实验平台上进行复杂控制系统的研究。51 串级控制系统介绍及仿真1.1 串级控制系统1.1.1 串级控制系统简介串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的。当对象的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统往往控制质量较差，满足不了工艺上的要求，这时，可考虑采用串级控制系统。串级控制系统中的名词：主变量：在串级控制系统中起主导作用的被控变量。副变量：串级控制系统中为了稳定主变量或因某种需要而引入的辅助变量。主对象：为主变量表征其特性的设备。副对象：为副变量表征其特性的设备。主调节器：按主变量的测量值与给定值而工作，其输出作为副变量给定值的那个控制器，称为主控制器。副调节器：其给定值来自主调节器的输出，并按副变量的测量值与给定值的偏差而工作的那个调节器称为副调节器。主回路：是由主变量的测量变送装置，主、副调节器，执行器和主、副对象构成的外回路，亦称外环或主环。副回路：是由副变量的测量变送装置，副调节器执行器和副对象所构成的内回路，亦称为内环或副环。在串级控制系统中，由于引入一个闭合的副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，而且对作用于主对象上的干扰也能加速克服过程。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，并对于副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以克服。因此，在串6级控制系统中，由于主、副回路相互配合、相互补充，充分发挥了控制作用，大大提高了控制质量。1.1.2 串级控制系统的特点（1）在系统结构上，串级控制系统有两个闭合回路：主回路和副回路；有两个调节器；主调节器和副调节器；有两个测量变送器，分别测量主变量和副变量。串级控制系统中、主、副调节器是串联工作的。主调节器的输出作为副调节器的给定值、系统通过副调节器的输出去操纵执行器动作，实现对主变量的定值控制。所以在串级控制系统中，主回路是个定值控制系统，而副回路是个随动控制系统。（2）在串级控制系统中，有两个变量：主变量和副变量。一般来说，主变量是反映产品质量或生产过程运行情况的主要工艺变量。控制系统没置的目的就在于稳定这一变量，使它等于工艺规定的给定值。所以，主变量的选择原则与简单控制系统中介绍的被控变量选择原则是一样的。（3）在系统特性上，串级控制系统由于副回路的引入，改善了对象的特性，使控制过程加快，具有超前控制的作用，从而有效地克服滞后，提高了调节质量。（4）串级控制系统由于增加了副回路，因此具有一定的自适应能力，可用于负荷和操作条件有较大变化的场合。由于串级控制系统具有上述持点，所以当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。简单控制系统满足不了控制质量的要求时，采用串级控制系统是适宜的。1.1.3 调节器的选型副：副调节器的的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般采用 P 调节器，也可采用 PI 调节器。如果主、副回路的频率相差很大的话，也可考虑采用 PI 调节器。主：主调节器的任务是准确保证被调量符合生产要求不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般采用 PI 调节器，如果控制对象的惰性区的容积数目较多，同时有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑用 PID 调节器。1.2 PID 各参数在系统中的作用1.2.1 比例调节1.调节作用快，系统一出现偏差，调节器立即将偏差放大 1/P 倍输出。 72.系统存在余差比例带越大，过渡过程越平稳，但余差越大，比例带越小，过渡过程易振荡，比例带太小时，就可能出现发散振荡。比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error） 。1.2.2 积分调节积分调节作用的输出变化与输入偏差的积分成正比，积分调节作用的输出不仅取决与偏差信号的大小，还取决于偏差存在的时间，只要有偏差存在,尽管偏差可能很小，但它存在的时间越长，输出信号就越大，只有消除偏差，输出才停止变化。在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error） 。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项” 。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。1.2.3 微分调节微分调节的输出是与被调量的变化率成正比。在比例微分调节作用下，有时尽管偏差很小，但其变化速度很快，则微分调节器就有一个较大的输出。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就是零。增加的“微分项”是用来预测误差变化的趋势的。这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。1.3 参数整定方法PID 参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制参数。这种方法所得到的计算数据未8必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程整定法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。1.3.1 参数的整定原则a.在输出不振荡时，增大比例增益 P。b.在输出不振荡时，减小积分时间常数 Ti。c.在输出不振荡时，增大微分时间常数 Td。1.3.2 理论计算 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改1.3.3 工程整定法(单回路) (1) 临界比例带法这是一种闭环的整定方法。它基于纯比例控制系统临界震荡实验所得数据，既临界比例带 和临界震荡周期 T，利用一些经验公式，求取调节器的最佳参数值。其整定计算公式如下表：整定参数调节规律TiTdPPIPID2cr2.2cr1.67cr0.85T0.50T0.125T具体步骤如下：1 置调节器积分时间 T 到最大值（T=） ，微分时间 Td 为零（Td=0） ，比例带 直最大值，是系统投入运行。2 待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现如图所示的等幅震荡，既所谓的临界震荡过程。记录下此时的比例带 cr（临界比例带） ，记下两波峰间的时间 T（临界震荡周期） 。3 利用 和 T 的值，按表给出的相应计算公式，求调节器的各整定参数 、Ti、Td 的数值。临界比例带法适用于许多过程控制系统。但对于水位控制系统这样的不允许进行临界震荡的实验的系统，或某些时间常数较大的单容对象。对于这些系统是无法用临界比例带法进行整定的。(2) 衰减曲线法于临界比例带法类似，不同的是本法采用某衰减比（通常为 41 或 101）时设定值扰动的衰减震荡实验数据，然后利用一些经验公式，求取调节器相应的整定参数。对于 41 衰减曲线法9的具体步骤如下：1 置调节器积分时间 T 到最大值（T=） ，微分时间 Td 为零（Td=0） ，比例带 直最大值，是系统投入运行。2 待系统运行稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则减小比例带；反之，系统响应衰减过慢，应增大比例带。反复如此，直到系统出现如图所示的 41衰减震荡过程。记下此时的比例带 s，和界震荡周期 Ts 数值。衰减率 整定参数调节规律TiTd0.75PPIPIDs1.2s0.8s0.5Ts0.3Ts0.1Ts3 利用 s 和 Ts 的值，按表 给出的检验公式，求调节器整定参数 、Ti、Td 的数值。对于扰动频繁，过程进行较快的控制系统，要准确的确定系统响应的衰减程度比较困难，往往只能根据调节器的输出摆动次数加以判断。显然这样会给调节器的整定带来误差。1.3.4