专业课程设计。
设计报告。下水箱液位和进口流量串级控制实验。
班级： 08级1班
专业： 工控
设计人（学号）：
完成日期： 2011-12-7
成都信息工程学院控制工程系。
1、设计目的： 1、学习闭环串级控制的原理。
2、了解闭环串级控制的特点。
3、掌握闭环串级控制的设计。
4、初步掌握闭环串级控制器参数调整。
二、设计任务：设计一个串级控制器，对主副回路的扰动能在短时间内（30秒）进行自动补偿，使输出尽快达到稳定。
三、设计要求： 1、设计串级控制器。
2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。
四、方案设计：
1、总体设计：
设计思路：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、副回路关系的考虑。下面介绍设计原则。
1.1主参数的选择和主回路的设计。
串级控制系统由主回路和副回路组成。主回路是一个定值控制系统。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。
1.2副参数的选择和副回路的设计。
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，从而加快需要的工作频率，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，并尽可能多地包括一些扰动。
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，要充分发挥这一特点，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。如此次实验就是以下水箱的水位为主参数与上水箱的水位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，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较明显。但是，副回路反应较迟钝，不能及时有效地克服扰动，并将明显地影响参数。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，若设置串级控制系统，是由于副回路过程时间常数过大，为了改善过程特性，则副过程时间常数可以适当取大一些。但是，副过程的时间常数均不宜过大和过小。
1.3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。
1.4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。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整个控制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。
系统框图：设计系统框图如下。
工作原理：实验以串级控制系统来控制下水箱液位，以第二支路流量为副对象，右边水泵直接向下水箱注水，流量变动的时间常数小、时延小，控制通道短，符合副回路选择的超前，快速、反应灵敏等要求。下水箱为主对象，流量的改变需要经过一定时间才能反应到液位，时间常数比较大，时延大。
使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与副反馈值相同。待流量稳定后，通过变频器快速改变流量，加入扰动。若参数比较理想，且扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响下水箱的液位。
如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的稳定，此时再由主回路进一步调节，从而完全克服上述扰动，使液位调回到给定值上。当使用第一动力支路把扰动加在下水箱时，扰动使液位发生变化，主回路产生校正作用，克服扰动对液位的影响。由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动对主回路的液位影响较小。
原理示意图如下：
2、硬件设计与分析：
a3000-fs/fbs现场系统，任意控制系统。(该实验要求中、下水箱均配置液位传感器)
电气接线图：
3、软件平台。
组态王6.5界面如图所示：
4、设计步骤。
1、在a3000-fs上，打开手动调节阀jv201、jv206，调节下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。
如上图连线图上将线接好：
a.住调节器的输出给副调节器作为输入。
b.副调节器的输出作为调节阀的输入。
c.调节阀的输出检测流浪反馈给副调节器。
d.水箱液位检测反馈给主调节器。
2、正确设置pid调节器：
副调节器：纯比例(p)控制，反作用，自动，kc2(副回路的开环增益)较大。
主调节器：比例积分(pi)控制，反作用，自动，kc1〈 kc2(kc1主回路开环增益)。
3、待系统稳定后，类同于单回路控制系统那样，对系统加扰动信号，扰动的大小与单回路时相同。
4、通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。
调试步骤：1、在主环闭合的情况先，将主调节器的比例带p1放在100%处，用“衰减曲线”法整定副回路，求出副回路在衰减率为0.75-0.9是的副调节器的比力度p2值。
2、将副调节器置于这一求得的比例度上，把副回路是为调节系统中的一个组成部分，用同样的方法，求出主回路在0.75-0.9的衰减过程的主调节器比例度p1s和被调量y1在出现第一个高峰的时间tr。
然后根据p1s，tr按经验公式求出主调节器的参数。按“先副后主的原则”先放上副调节器参数，后放上主调节器参数。如果投入运行后的调节过程不够满意，对调解器参数再作适当的调整。
五、实验现场图：
一、二次回路加入第一次扰动：
二、二次回路加入第二次扰动：
三、主回路一次扰动：
四、主回路第二次扰动：
五、主回路第三次扰动：
六、合理的主副回路参数：
五、设计过程评估与改进：个人心得体会、改进的意见和建议。
通过这次专业课程设计，我们小组一起设计和实际操作，更深的了解及掌握了串级控制系统的设计要领，对一些扰动的抑制，主副回路的参数对整个系统的重要比例都有深刻了解，对以后的学习和工作打下了基础。
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