基于MCGS双容水箱的液位控制系统的设计.doc

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1、摘 要 目 录摘 要5ABSTRACT6第1章 前言71.1 课题研究意义71.2过程控制介绍71.3液位串级控制系统介绍101.4主要研究内容10第2章 被控对象的数学模型132.1建立单回路控制系统数学模型132.2阶跃响应曲线法建立双容水箱15第3章 系统控制方案的设计与仿真仿真193.1 系统控制方案设计193.1.1 PID控制系统193.1.2 系统控制方案设计233.2 控制系统仿真283.2.1 软件介绍283.2.2 软件仿真29第4章 组态软件的系统设计与结果分析334.1 MCGS组态软件介绍334.2 MCGS软件工程组态344.3 计算机过程控制系统调试运行42第5章

2、 结 论45致 谢46参考文献47摘 要 本论文的目的是设计双容水箱液位串级控制系统。在设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。关键词： 液位 模型 PID控制 串级控制系统 仪表过程控制系统

3、 计算机过程控制系统AbstractThe purpose of this thesis is to design the liquid levels concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicator technique the computer techniquethe communication technique and the automatic control technique in order t

4、o realize concatenation control of water tanks liquid. First, I carry out the analysis of the controlled objects model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyze

5、 the capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator process control system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator. Finally, I design and set up the long distance computer control system in virtue of the data collection module MCGS soft and d

6、igital PID controller，accomplish control system experiment and analyze the outcome.Keywords:Liquid level ，Model PID control ，Cascade control system ，Indicator process control system ，Computer process control system 45第1章 前言 第1章 前言1.1 课题研究意义人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产

7、等多种行业的生产加工过程， 通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。 因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。通过进行了多次的实验得出了一些相关的数据，水箱液位控制系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现。 由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求

8、也有差异，但适用有效的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修正运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。 本文简要介绍了全中文工控组态软件 MCGS，并以 THSA-2 型高级过程控制系统实验装置为例，阐述了该系统硬件组成，控制方法，功能以及采用 MCGS 开发的人机接口可视化界面（HMI）。讲述了该系统开发的基本过程以

9、及工控机怎么通过 RS-485通讯协议与装置进行通讯。实践证明，系统具有界面友好、易于操作、运行可靠、便于升级扩充等特点。1.2过程控制介绍以表征生产过程的参量为被控制量使之接近给定值或保持在给定范围内的自动控制系统。这里“过程”是指在生产装置或设备中进行的物质和能量的相互作用和转换过程。表征过程的主要参量有温度、压力、流量、液位、成分、浓度等。通过对过程参量的控制，可使生产过程中产品的产量增加、质量提高和能耗减少。一般的过程控制系统通常采用反馈控制的形式，这是过程控制的主要方式。1工业过程控制的发展概况20 世纪 40 年代开始形成的控制理论被成为“20世纪上半叶三大伟绩之一” ，在人类社会

10、的各个反面有着 8 深远的影响。 与其他任何学科一样， 控制理论源于社会 实践和科学实践。 自动化技术的前驱可以追溯到我国 古代，如指南车的出现。 至于工业上的应用， 一般以瓦特的蒸汽机调速器作为起点。 有人把直到 20 世纪 30 年代末这段时期的控制理论 成为第一代控制理论， 第一代控制理论分析的主要问题 是稳定性， 主要的数学方法是微分方程解析方法。 这时 候的系统（包括过程控制系统）是简单控制系统，仪表 是基地式、大尺寸的、满足当时的需要。到第二次时间 大战前后，控制理论有了很大发展，Nyquist(1932)和 Bode（1945）频率法分析技术及稳定判据、Evens 根轨 迹分析方

11、法的建立， 使经典控制理论发展到了成熟的阶 段，这是第二代控制理论。从 20 世纪 50 年代开始，随着工业的发展、 控制需求的提高， 除了简单控制系统以 外， 各种复杂控制系统也发展起来了， 而且取得了显著 的功效。20 世纪 60 年代，现代控制理论迅猛发展，它 以状态空间方法为基础、 以极小值原理和动态规划等最 优控制理论为特征的而以在随机干扰下采用Kalman 滤波器的线性二次型系统（LOG）设计宣告了时域方法的 完成，这是第三代控制理论。从 20 世纪 70 年代开始， 为了解决大规模复杂系统的优化与控制问题， 现代控制 理论和优化与控制相结合，逐步发发展成了大系统理论。 过程控制是

12、随着控制理论的发展而发展的，从系统机构来看，过程控制已经经历了四个阶段： 基地式控制 阶段（初级阶段） 、单元组合仪表自动化阶段、计算机 控制的初级阶段、综合自动化阶段。当前自动控制系统发展的一些主要特点是：生产装置实施先进控制成为发展主流，过程优化受到普遍关注，传统的 DCS 正在走向国际统一标准的开放式系统， 综合自动化系统(CPIS)发展方向。 综合自动化系统，就是包括生产计划和调度、操作 优化、 先进控制和基层等内容的递阶控制系统， 亦称管理控制一体化系统（简称管控一体化系统） 。这类自动 化是靠计算机的组成特征， 过程系统指明了它的工作对象，正好与计算机集成制造系统（CIMS）相应，

13、有人也 称之为过程工业的 CIMS。可以说，综合自动化是当代 工业自动化的主要潮流。 它以整体优化为目标，以计算 机为主要技术工具， 以生产过程的管理和控制的自动化 为主要内容，将各个自动化“孤岛”综合集成为一个整 体的系统。2过程计算机控制系统现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。由于计算机具有运算速度快精

14、度高存储量大编程灵活以及具有很强的通信能力等特点，目前以微处理器单片微处理器为核心的工业控制几与数字调节器过程计算机设备，正逐步取代模拟调节器，在过程控制中得到十分广泛的作用。在控制系统中引入计算机，可以充分利用计算机的运算逻辑判断和记忆等功能完成多种控制任务和实现复杂控制规律。在系统中，由于计算机只能处理数字信号，因而给定值和反馈量要先经过A/D转换器将其转换为数字量，才能输入计算机。当计算机接受了给定值和反馈量后，依照偏差值，按某种控制规律（PID）进行运算，计算结果再经D/A转换器，将数字信号转换成模拟信号输出到执行机构，从而完成对系统的控制作用。过程计算机控制系统的组成包括硬件和软件（

15、除了被控对象检测与执行装置外）。1过程计算机系统的硬件部分：（1）由中央处理器时钟电路内存储器构成的计算机主机是组成计算机控制系统的核心部分，进行数据采集数据处理逻辑判断控制量计算越限报警等，通过接口电路向系统发出各种控制命令，指挥系统安全可靠的协调工作。（2）包括各种控制开关数字键功能键指示灯声讯器和数字显示器等的控制台是人机对话的联系纽带，操作人员可以通过操作台向计算机输入和修改控制参数，发出操作命令；计算机向操作人员显示系统运行状态，发出报警信号。（3）通用外围设备包括打印机记录仪图形显示器闪存等，它们用来显示存储打印记录各种数据。（4）I/O接口和I/O通道是计算机主机与外部连接的桥梁

16、。I/O通道有模拟量通道和数字量通道。模拟量I/O通道将有传感变送器得到的工业对象的生产过程参数（标准电信号）变换成二进制代码传送给计算机；同时将计算机输出的数字控制量变换为控制操作执行机构的模拟信号，实现对生产过程的控制。2过程计算机系统的软件部分：（1）系统软件由计算机及过程控制系统的制造厂商提供，用来管理计算机本身资源，方便用户使用计算机。（2）应用程序由用户根据要解决的控制问题而编写的各种程序（如各种数据采集滤波程序控制量计算程序生产过程监控程序），应用软件的优劣将影响到控制系统的功能精度和效率。1.3液位串级控制系统介绍在工业实际生产中，液位是过程控制系统的重要被控量，在石油化工环保

17、水处理冶金等行业尤为重要。在工业生产过程自动化中，常常需要对某些设备和容器的液位进行测量和控制。通过液位的检测与控制，了解容器中的原料半成品或成品的数量，以便调节容器内的输入输出物料的平衡，保证生产过程中各环节的物料搭配得当。通过控制计算机可以不断监控生产的运行过程，即时地监视或控制容器液位，保证产品的质量和数量。如果控制系统设计欠妥，会造成生产中对液位控制的不合理，导致原料的浪费产品的不合格，甚至造成生产事故，所以设计一个良好的液位控制系统在工业生产中有着重要的实际意义。 在液位串级控制系统的设计中将以THJ-2高级过程控制实验系统为基础，展开设计控制系统及工程实现的工作。虽然是采用传统的串

18、级PID控制的方法，但是将利用智能调节仪表数据采集模块和计算机控制来实现控制系统的组建，努力使系统具有良好的静态性能，改善系统的动态性能。 在设计控制系统的过程中，将利用到MATLAB软件和MCGS组态软件。以下将对它们的主要内容进行说明。1.4主要研究内容 主要以THSA_1型综合过程控制实验系统为研究对象包括了液位、流量 。图1-1实验系统总貌图 该实验平台是个过程控制综合实验系统、系统由实验控制对象、实验控制平台和上位监控PC机三部组成。对象参数包括了液位、流量、压力、温度等热工参数，可设置纯滞后环节。控制设备配置了智能仪表与PLC了两种形式，可以实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，

19、前馈控制，前馈-反馈控制，滞后控制、比值控制，解耦控制等多种控制。 本实验装置对象主要由水箱 锅炉和盘管三大部分组成。供水系统有两路：一路由三相磁力驱动泵（380恒压供水） 电动调节阀 直流电磁阀 涡流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（220变频调速） 涡流流量计及手动调节阀组成。被控对象主要包括：水箱 模拟锅炉 盘管 管道及阀门；检测装置主要包括：压力传感器、变送器， 温度传感器，流量传感器、变送器；执行机构主要包括：电动调节阀，水泵，电磁阀，三相电加热管。“THSA_1型综合过程控制实验系统控制台”主要包括控制屏组件、智能仪表控制组件、远程数据采集控制组件、DCS分布

20、式控制组件、PLC控制组件等几部分组成。具体相关内容：（1）对于组态软件的当前研究现状和发展趋势做出分析，并分析了目 前市场上组态软件，特别是 MCGS 组态软件的基本工作原理和功能特点。 （2）对于课题涉及到的控制系统做简要介绍，分析关于双容水箱系统 的基本内容。并针对设计要用的软、硬件进行了选型。 （3）针对设计中用到的硬件设备以及其特点做了简单的介绍。 （4）主要针对双容水箱对象，利用 MCGS 监控组态软件，设计组态监 控界面，完成显示控制流程，实时曲线，结构框图，历史曲线，报表打印， 报警等功能。并编写 PID 控制策略。 （5）对目前研究工作进行总结并对今后的研究方向进行展望。第2

21、章 被控对象的数学模型2.1建立单回路控制系统数学模型所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有Q1-Q2=A

22、 (2-1-1）将式(2-1)表示为增量形式Q1-Q2=A (2-1-2）式中：Q1，Q2，h分别为偏离某一平衡状态的增量； A水箱截面积。在平衡时，Q1=Q2，0；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。 （a）结构图 （b）方图由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即Q2= 或 R= (2-1-3）式中：R阀F1-11的阻力，称为液阻。将式(2-2)、式(2-3)经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得

23、到单容水箱的数学模型为W0（s）= (2-1-4）式中T为水箱的时间常数，TRC；K为放大系数，KR；C为水箱的容量系数。若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=，x0=常数，则式(2-1-4)可改写为H（s）=K-对上式取拉氏反变换得h(t)=Kx0(1-e-t/T) (2-1-5）当t时，h（）-h（0）=Kx0，因而有K= (2-1-6）当t=T时，则有h(T)=Kx0(1-e-1)=0.632Kx0=0.632h() (2-1-7）式（2-1-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。也可由

24、坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。图2-2 单容水箱的阶跃响应曲线如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：H(S)= (2-1-8）2.2阶跃响应曲线法建立双容水箱在本设计中将通过实验建模的方法，分别测定被控对象上水箱和下水箱在输入阶跃信号后的液位响应曲线和相关参数。通过磁力驱动泵供水，手动控制电动调节阀的开度大小,改变上水箱/下水箱液

25、位的给定量，从而对被控对象施加阶跃输入信号，记录阶跃响应曲线。 在测定模型参数中可以通过以下两种方法控制调节阀，对被控对象施加阶跃信号：(1) 通过智能调节仪表改变调节阀开度，增减水箱的流入水量大小，从而改变水箱液位实现对被控对象的阶跃信号输入。(2) 通过在MCGS监控软件组建人机对话窗口，改变调节阀开度,控制水箱进水量的大小，从而改变水箱液位，实现对被控对象的阶跃信号输入。 控制进水量供水施加阶跃输入信号阶跃响应输出电动磁力泵电动调节阀中水箱/下水箱 图2.2 水箱模型测定原理图图2-2 双容水箱对象特性测试系统 (a)结构图 (b)方框图由图2-2所示，被测对象由两个不同容积的水箱相串联

26、组成，故称其为双容对象。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。根据单容水箱特性测试的原理，可知双容水箱数学模型是两个单容水箱数学模型的乘积，即双容水箱的数学模型可用一个二阶惯性环节来描述：G(s)=G1(s)G2(s)= (2-2-1）式中Kk1k2，为双容水箱的放大系数，T1、T2分别为两个水箱的时间常数。本实验中被测量为下水箱的液位，当中水箱输入量有一阶跃增量变化时，两水箱的液位变化曲线如图2-10所示。由图2-10可见，上水箱液位的响应曲线为一单调上升的指数函数（图2-10 (a)）；而下水箱液位的响应曲线则呈S形曲线（图

27、2-10 (b)），即下水箱的液位响应滞后了，它滞后的时间与阀F1-10和F1-11的开度大小密切相关。图2-10 双容水箱液位的阶跃响应曲线（a）中水箱液位 （b）下水箱液位双容对象两个惯性环节的时间常数可按下述方法来确定。在图2-11所示的阶跃响应曲线上求取：(1) h2（t）|t=t1=0.4 h2()时曲线上的点B和对应的时间t1；(2) h2（t）|t=t2=0.8 h2()时曲线上的点C和对应的时间t2。 (2-2-3，2-2-3 ，2-2-4） 图2-11 双容水箱液位的阶跃响应曲线 然后，利用下面的近似公式计算式 (2-2-5) (2-2-6) (2-2-7) 0.32t1/t

28、20.46由上述两式中解出T1和T2，于是得到如式（2-9）所示的传递函数。在改变相应的阀门开度后，对象可能出现滞后特性，这时可由S形曲线的拐点P处作一切线，它与时间轴的交点为A，OA对应的时间即为对象响应的滞后时间。于是得到双容滞后（二阶滞后）对象的传递函数为：G（S）= (2-2-8) （3） 实验数据：表2-1双容水箱特性测试数据开始时间/t第一次水位/h1 t1第二次水位/h2 t2开度变化范围115:21:311.615:26:219.315:32:014050216:39:362.116:44:3111.716:53:06405039:16:221.59:21:027.69:29:

29、024050410:52:271.810:57:129.511:06:424050514:51:025.314:56:1811.315:06:184045615:56:371.416:01:5712.916:12:273545716:43:021.716:48:221316:58:424050817:57:306.718:03:1013.218:14:30455099:20:513.79:25:2115.79:34:0940501010:31:511.910:36:3613.411:44:2140501111:37:022.511:42:1211.611:52:2240501214:32:47

30、2.314:37:5712.314:48:1740501315:30:012.615:35:3113.115:46:113040149:06:491.89:14:0916.29:30:1940501510:28:551.910:36:2516.410:50:054050参数整定： 第3章 系统控制系统方案设计与仿真 第3章 系统控制方案设计与仿真 控制方案设计是过程控制系统设计的核心，需要以被控过程模型和系统性能要求为依据，合理选择系统性能指标，合理选择被控参数，合理设计控制规律，选择检测、变送器和选择执行器。选择正确的设计方案才能使先进的过程仪表和计算机系统在工业生产过程中发挥良好的作用。3

31、.1 系统控制方案设计3.1.1 PID控制系统目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的计算机系统等。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、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。y(t)+r(t) 比例P积分I微分D被控对象

32、图3.1 PID控制基本原理图PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：。PID控制规律为：或以传递函数形式表示：式中，KP:比例系数 TI:积分时间常数 TD:微分时间常数 PID控制器各控制规律的作用如下：（1）比例控制（P）：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，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（2）积分控制（I）：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，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中

33、必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。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。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。（3）微分控制（D）：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环节或有滞后环节，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

34、前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，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。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性。PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应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控制器参数整定的方法分为两大类：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

35、器参数。由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。（一）经验法若将控制系统按照液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定

36、的参数均可相互参考。表3-1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按TD=()TI计算。表3-1 经验法整定参数系 统参 数(%)TI(min)TD(min)温 度20603100.53流 量401000.11/压 力30700.43/液 位2080/(二)临界比例度法 图3-4 具有周期TS的等幅振荡这种整定方法是在闭环情况下进行的。设TI=，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图3-4所示。根据临界比例度k和振荡周期TS，按表3-2所列的经验算式，求取调节器的参考参数值，这种整

37、定方法是以得到4：1衰减为目标。表3-2 临界比例度法整定调节器参数 调节器参数调节器名称TI(S)TD(S)P2k/PI2.2kTS/1.2/PID1.6k0.5TS0.125TS临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。首先要产生允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。（三）衰减曲线法（阻尼振荡法）图3-5 4：1衰减曲线法图形在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过

38、程，直至出现图3-5所示的4：1衰减过程为止。这时的比例度称为4：1衰减比例度，用S表示之。相邻两波峰间的距离称为4：1衰减周期TS。根据S和TS，运用表3-3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。表3-3 衰减曲线法计算公式 调节器参数调节器名称（%）TI(min)TD(min)PS/PI1.2S0.5TS/PID0.8S0.3TS0.1 TS （四）动态特性参数法所谓动态特性参数法，就是根据系统开环广义过程阶跃响应特性进行近似计算的方法，即根据第二章中对象特性的阶跃响应曲线测试法测得系统的动态特性参数（K、T、等），利用表3-4所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：1时调节

39、器的相关参数。如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：1衰减）就有难度，此时应采用动态特性参数法进行整定。表3-4 经验计算公式调节器参数调节器名称（%）TITDP100%/PI1.1100%3.3/PID0.85100%20.53.1.2 系统控制方案设计一、串级控制系统的概述图5-1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5-1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值； C1-被控的主参数

40、 ； 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、副调节器控制规律选择的在串级控制系统中，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

41、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，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数Kc为负（即正作用调节器），反之，Kc为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数Kv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。

42、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

43、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2S和振荡周期T2S。2将副调节器的比例度置于所求得的2S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1S和振荡周期T1S。3根据求取的1S、T1S和2S、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、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

44、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K02/20.5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2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。4如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数TI，即可得到改善。六控制系统性能指标(1) 静态偏差：系统过渡过程终了时的给定值与被控参数稳态值之差。(2) 衰减率：闭环控制系统被施加输入信号后，输出响应中振荡过程的衰减指标，即振荡经过一个周期以后，波动幅度衰减的百分数。为了保证系统足够的稳定程度，一般衰减率在0.75-0.9。