《过程控制系统设计》
课程设计报告
姓 名： 韩杨 学 号： 20081540 班 级： 2008032 指导老师： 李芹
设计时间： 2011年 12月29日～2012年1月10日
第一部分 双容水箱液位串级PID控制实物实验
时间： 12月29日17：:30—20:30 同组人： 马斯丽、孙欢、丁程剑
一、实验目的
1、进一步熟悉PID调节规律
2、学习串级PID控制系统的组成和原理 3、学习串级PID控制系统投运和参数整定
二、实验原理（画出“系统方框图”和“设备连接图”） 1、控制系统的组成及原理
一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自己的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串级控制系统。本实验系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：
串级控制器术语说明：
主变量：y1称主变量。使它保持平稳使控制的主要目的； 副变量：y2称副变量。它是被控制过程中引出的中间变量； 副对象：上水箱； 主对象：下水箱；
主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控制器的设定值； 副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门； 副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路；
主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。
串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。串级控制系统的主要优点有： 1） 副回路的干扰抑制作用
发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正； 2） 主回路响应速度的改善
副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度； 3） 鲁棒性的增强
串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性； 4） 副回路控制的作用
副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。
由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。
2、串级PID控制系统投运
串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样，必须保证无扰动切换，采用先副回路后主回路的投运方式。这里以我们的串级控制系统为例，给出具体的操作步骤： A. 将主、副控制器的切换开关都置于手动位置，副回路处于内给定
B. 用副控制器的输出控制阀门，使主变量接近设定值，当工况比较平稳时，将副控制器设成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量。
C. 手动设定主控制器的输出值等于副控制器的设定值，当工况比较平稳时，将主控制器设置成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量
D. 串级两个控制器，将副回路控制器设置成“远端模式”，这样主控制器的输出便作为副控制器的设定值，从而构成串级系统。
3、串级PID控制系统的参数整定
串级控制系统参数整定也采用先副后主的方式。在整定时，应尽量加大副调节器的增益，提高副环的频率，使主、副回路的频率错开，最好相差3倍以上。
整定时，先切除主调节器，使主环处于断开的情况下，按通常的方法整定副调节器的参数。然后在投入副回路的情况下，把副环作为弱阻尼的二阶环节等效对象，再加上副环外的部分对象，按通常方法整定主调节器参数。 三、实验步骤
1、进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面，选择实验模式为“实物模型”， 单击实验菜单，进入双容水箱液位串级控制实验界面。 2、选择控制回路 A、选择对象
在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：
从两个回路中任选一个。 B、组成控制回路
当选择“串级回路1”作为控制回路时，须打开水箱１和３的进水阀，关闭其它进水阀；当选择“串级回路2”作为控制回路时，须打开水箱２和４进水阀，关闭其它进水阀，这样便构成了一个控制回路。
在串级控制系统中，上水箱为串级系统的副回路——对应的PID控制器为串级的后级，下水箱为串级系统的主回路——对应的PID控制器为串级的前级 3、选择控制器工作点
a、将副回路的PID控制器设成手动
单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后单击副回路PID控制器的“手动”按钮 b、设定工作点
单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值 4、调节串级的后级 a、设置PID参数 根据对象特性，设置
P＝0.625 I＝90 D＝0
并将参数输入到控制器中，参见前面实验 b、将控制器设成自动状态 保持模式为本地模式；
单击副回路PID控制器界面中副回路PID控制器的“自动”按钮。 5、调节串级的前级 前提：等液位稳定后
a、将控制器设成手动状态
单击主回路PID控制器界面的“手动”按钮
b、设置控制的输出值
单击MV柱体旁的增/减键，设置MV（Z1）的值，使其与副回路PID控制器的设定值相等。 c、设置控制器PID参数 根据对象特性，设置 P＝0.166 I＝120 D＝0
并将参数输入到控制器中，参照前面实验； d、将控制器设成自动状态
单击主回路PID控制器的“自动”按钮； 6、串接两个PID控制器
将串级后级的PID控制器设置成“远端模式”；
此时，串级前级的输出值便作为串级后级的设定值。
7、串级PID控制器的控制效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线；
根据趋势曲线，从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估。当达到或接近期望效果时，跳到第9步。
8、根据控制效果，调整PID控制器参数
当控制效果不佳时，重新将控制器设置成手动，根据调节规律跳转到第5步，继续实验。 四、实验记录（包括现象、实验数据和波形图） 见附页
五、结果分析
1、通过趋势曲线，分析串级控制的效果
串级控制在控制效果上优于单回路控制，因为其存在一个副回路，能够很快的将系统的扰动平抑，是系统处于稳定的状态，而单回路控制不能实现这一点，在控制效果上劣于串级控制。
2、评估控制器参数对控制效果的影响
控制器的参数有P，I，D三个，对应的是比例系数、积分时间、微分时间。增大比例系数能够提高系统的响应速度，但会使系统的静差增大；积分作用能够消除系统的静差，做到
无差控制，积分时间越短，积分作用越强，但是积分时间过小会是系统变得不稳定；微分作用能够改善系统的动态性能，他是随系统的偏差的变化率来控制系统的，因而不能单独使用，微分时间浴场，微分效果越强，但是过大的微分时间会是系统变得不稳定。 3、分析串级控制和单回路PID控制不同之处。
与单回路控制系统相比，串级控制系统控制质量有显著提高。但是串级控制系统结构复杂，使用仪表多，费用较高，参数整定也比较麻烦。串级控制系统主要用于对象容量滞后较大，纯滞后时间较长，扰动幅值大，负荷变化频繁，剧烈的被控过程。
最终的PID调整之后，还是会有震荡，这是在实物中不可避免的，与仿真的结果会有些出入，所以在仿真时要留有余量，即考虑到实际中不可预计的干扰。 六、思考题
1、串级控制相比于单回路控制有什么优点?
答：○副回路的干扰抑制作用：发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正，在控制速度上具有优势；
○主回路响应速度的改善：副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度；
○副回路控制的作用：副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制。 2、为什么串级控制系统在加了副回路控制后控制量得到较大提升？
答：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。副回路是随动控制系统，具有较好的干扰抑制作用：发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正，通过它们的协调工作，使主参数能够准确地控制在工艺规定的范围之内。 3、串级控制系统应如何投运？
答：串级控制系统和简单控制系统的要求一样，需保证无扰动切换，先将副回路投运，然后后主回路的投运方式。具体的操作步骤如下：
○1将主、副控制器的切换开关都置于手动位置，副回路处于内给定；
○2用副控制器的输出控制阀门，使主变量接近设定值，当工况比较平稳时，将副控制器设成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量；
○3手动设定主控制器的输出值等于副控制器的设定值，当工况比较平稳时，将主控制器设置成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值跟踪副变量
○4串级两个控制器，将副回路控制器设置成“远端模式”，这样主控制器的输出便作为副控制器的设定值，从而构成串级系统。
4、串级控制系统参数应如何整定？
答：串级控制系统参数整定也采用先副回路后主回路的方式。在整定时，应尽量加大副调节器的增益，提高副环的频率，使主、副回路的频率错开，最好相差3倍以上。整定时，先切除主调节器，使主环处于断开的情况下，按通常的方法整定副调节器的参数。然后在投入副回路的情况下，把副环作为弱阻尼的二阶环节等效对象，再加上副环外的部分对象，按通常方法整定主调节器参数。 七、分析与总结
1.串级控制系统改善被控过程的动态特性，由于副回路的比例增益可以取很大，加快了副回路的响应速度，控制通道容量滞后减小，加快了系统的响应速度，控制更为及时，从而提高了整个系统的控制品质。
2.抗干扰能力增强，由于串级控制系统副回路的存在能迅速克服进入副回路的干扰，从而大大减小副回路干扰对主参数的影响；其次，副回路的存在提高了系统主调节器对进入主回路的干扰控制的快速性，而且由于福葫芦的存在，总放大系数提高了，因此抗干扰能力和控制性能都比单回路控制系统有明显的提高。
3.串级控制系统对负荷和操作条件的适应能力增强，其对进入副回路的干扰有很强的克服能力，改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率，对负荷或操作的条件变化有一定的适应能力。
4.串级控制系统主要用于对象容量滞后较大、纯滞后时间较长、扰动幅值大、负荷变化频繁、剧烈的被控过程。
第二部分 实际生产过程控制系统设计与仿真
一、设计内容和要求
丙烯冷却器的呗冷却介质温度—压力串接控制系统
1、在化工过程中，常用液态丙烯汽化吸收裂解气体的热量，使裂解气体温度下降到某一个规定的数值上。例如乙烯裂解气冷却温度要求控制在151.5℃，如果温度太高，冷却后的气体会包含过多的水分，对生产造成有害的影响，如果温度太低，乙烯裂解气会产生结晶析出，堵塞管道，这就要求设计的温度控制系统具有较高的静态和动态精度。本设计采用的冷却剂是23℃的液态丙烯（常压下的沸点为-44.7℃）。为了精确控制裂解气出冷却剂的温度，分别采用两个调节系统来保证：
1）冷却器液位调节系统：保证液态丙烯具有最大的汽化面积。 2）温度-压力串级调节系统：保证乙烯裂解气出冷却器的温度。
2、丙烯冷却器的温度-压力串级控制系统的组成如下图，分析系统的控制原理，并给出控制系统原理方框图。
3、系统设计
若丙烯冷却器的温度—压力串级控制系统的主。副回路传递函数为：
G副(s)G(s)IIIIp(s)0.8313.3s11.37(s)mT
(s)主(s)Pe23s190s1
选择合理的主副回路控制器，并进行系统整定。给出按20%超调量正定的调节器参数。分析此系统的动静态特性及其控制系统优缺点。
4、除以上控制方案外，还可采取其他那种控制手段来实现控制要求，画出控制系统的方框图，并进行设计和分析。
二、设计原理（画出“系统原理方框图”） 见手写附页
三、仿真记录（包括模块图、控制器参数整定时的多组典型数据和波形图）
进行串级的PID参数的调整，首先是进行副回路的参数整定，副控制器一般都是P控制。按照下图进行仿真搭建：
在本实验中，丙烯冷却器的压力控制是副回路，要求反应迅速，因此我们用一个P调
节就可以。调整参数后运行得到仿真曲线图
形。如左图。
然后我们按照类似的方法进行主回路PID参数的调整。
按照如下图进行仿真搭建：
运行得到仿真曲线，利用衰减曲线法进行控制器参数整定，首先通过修改P参数来使输出曲线达到4:1的曲线，如左图所示，然后从图中读出振荡周期T，并记录此时对应的比例度P，根据数案件曲线法整定参数计算表分别计算出P、Ti、Td，
然后将参数值输入搭建的模型中，观察响应曲线，然后根据要求再对参数值做微调就可以了，如下图
为了更直观的显示串级控制系统，我们再副回路中加入扰动观察响应曲线，如右图
四、结果分析
我们是按照20%超调亮整定调节参数。首先我们进行的是副回路的参数的整定。先对P的整定。手动进行调节，先把Kp放较小值，不停的加大，使得接近于目标值1（阶跃输入），由于是副回路要求反应迅速，因此只需要调节P即可，最后整定出来的是P=70，进行仿真得到如左图。
此时零误差，无超调，响应迅速，符合我们副回路的要求。然后保持副回路的参数不变而以同样
的方法进行主回路的PID参数调整。
我们在整定主回路控制器参数的时候，可以使用4：1衰减比例法进行参数的整定。由图像我们可以看出，使用4:1衰减比例法进行整定，存在误差，并且误差不少，而且超调量高达50%（如右图）。
然后按照衰减曲线法整定参数经验值表来选定PID的参数和进一步的手动调整使得得到更加完美的图形。最后经过调整PID的参数为：P=5.8，I=150，D=10，得到的仿真的图形是合乎要求的，进行仿真得到如左图图形。
由左图中，我们可以看到得到的曲线是比较的合乎我们要求的，超调量在20%以内，并且最终无误差，过渡时间为400s-500s之间,也是比较的好的。所以选定这个PID参数。
得到合理的PID参数后，我们加上扰动，以观察它的抗扰动能力。这样可以验证串级对扰动的拟制能力。
在500s处添加扰动进行仿真得到的图像如右图所示。
有图像结果可知，这个系统对于扰动有一定的抑制能力，把扰动拟制在合理的范围内。所以认为这个参数整定是合理，可行的。
五、改进设计（若题目有要求） 可以用前馈控制控制，系统框图如下：
前馈的响应输出曲线如下：
从仿真结果，我们可以看到，对于扰动的消减，前馈—simth预估控制法，不及串级的方法那样好。
六、总结
在进行参数整定时，首先整定比例部分。将比例系数由小调大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差小到允许的范围之内，并且响应曲线已属满意，那么只需要用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。
当仅调节比例调节器参数，系统的静差还达不到设计要求时，则需加入积分环节。整定时，首先置积分常数Ti为一个较大值，经第一步整定得到的比例系数会略为缩小（如减小
20%），然后减小积分常数，使系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据响应曲线的好坏反复修改比例系数和积分常数，直至得到满意的效果和相应的参数。
若使用比例积分器，能消除静差，但动态过程经反复调整后仍达不到要求，这时可加入微分环节。在整定时，先置微分常数Td为零，在第二步整定的基础上，增大Td，同时相应地改变Kp和Ti，逐步凑试，以获得满意的调节效果和参数。
从实验中，我们可以知道，串级对于多扰动控制系统有很好的扰动拟制效果，能维持系统在平稳的状态下工作，有利于生产的正常进行。前馈控制对于特定的扰动的抑制效果比较好，但是对于实际生产过程中扰动是不确定的，因此前馈不如串级好。
参考文献：
1、《自动控制原理学习辅导》 ——杨平、翁思义、王志萍（中国电力出版社） 2、《过程控制系统与仪表》 ——王再英、刘淮霞、陈毅静 （机械工业出版社） 3、《自动控制原理实验与实践》 ——杨平、余洁、冯照坤、翁思义（中国电力出版社） 4、《控制系统仿真与计算机辅助设计》——薛定宇 （机械工业出版社）
