串级控制系统

1、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

2、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、一一逐步逼近法1）在主回路

3、断幵的情况下，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：130 s1，GP2(S)1210 s(10 s 1 )( s 1 )主回路有一个10s的传输延迟，传递函数为 G d （ s ）图1串级控制系统结构图(1)画出单回路控制系统以及相同控制对象下的的Simulink仿真系统图图2单回路控制器仿真系统图单回路控制器纯比列整定后得到的曲线图:图3单回路阶跃响应曲线上图中

4、Kp二；系统第一个峰值坐标为（，），第二个峰值的坐标为（，）,稳态值为根据4: 1衰减曲线法整定控制器参数经验公式可得:采用PI控制时控制规律控制器参数P(Kp)l(Ti)/minD( Td)/minPKpPIKpTsPIDKpTsTsP= （）=所以，当Kp=；积分时间常数 Ti=;微分时间常数Td= 0 ；此时可以得到如下图4的效果。图4单回路PI整定后系统的阶跃相应曲线在同上PI的情况下，单回路控制系统的一次扰动Simulink仿真图:单回路控制系统一次扰动响应曲线如下图5所示:图5单回路控制系统一次扰动响应曲线在此PI系统下，单回路控制系统的二次扰动结构下图6所示0.50105D1D0

5、15D2DQ2SG300353400图6单回路控制系统二次扰动响应曲线(2)串级控制系统 Simulimk仿真图:图7串级控制系统仿真图8串级控制系统P整定后的阶跃响应曲线上图中Kp =;由图b的仿真图以及相应理论公式可得；根据 4: 1衰减曲线法整定控制器参数经验公式控制规律控制器参数P(Kp)l(Ti)/minD( Td)/minPKpPIKpTsPIDKpTsTs=（）=所以，当Kp=；积分时根据表格中公式可得：采用PI控制时：P=Ti=间常数Ti=；微分时间常数Td= 0 ；此时可以得到如下图9的效果。图9串级控制系统PI整定后的阶跃响应曲线串级控制系统的一次扰动 Simuli nk仿

6、真图如下图10：图10串级控制系统一次扰动 Simulink仿真图在上述串级控制系统的 PI参数下，得到下图11所示的响应曲线图:u育2CU串级控制系统二次扰动01hu _lP0 0550iso2Q|30D350K3EJ9Y： J J 363r e小图12串级控制系统的二次扰动图11串级控制系统的一次扰动阶跃响应曲线Simulink仿真图如下图13所示，在上述PI参数下的串级控制系统的响应曲线图Simulink仿真图如下图12所示一叫图13串级控制系统二次扰动阶跃响应曲线(4)串级系统延迟环节副回路Simulink仿真图图14串级控制系统延迟环节副回路仿真图将延迟环节副回路只进行 P的整定，有如下图效果的曲线图:图15延迟环节副回路p整定4:1的曲线响应曲线其中Kp二；分析数据可根据4： 1衰减曲线法整定控制器参数经验公式控制规律控制器参数P(K)l(Ti)/minD( Td)/minPKpPIKpTsPIDKpTsTs根据表格中公式可得，当采用PI控制时:P= ()=所以，PI整定曲线图如下图所示图16 PI整定响应曲线延迟环节主副回路串联 Simulink仿真图如下图17延迟环节主回路P整定图其中Kp=,根据4:1衰减曲线法整定控制器参数经验公式控制规律控制器参数P(K)l(Ti)/minD (Td) /minPKpPIKpTsPIDKpTsTs根据表格中公式可得当米用 PI