三闭环液位串级控制系统设计

摘要：

在复杂的工业过程系统中，简单的单回路过程控制系统不能满足性能指标要求时，就要采取复杂的过程控制系统和智能控制策略。三闭环液位串级是复杂的过程控制系统，

硕士论文由上、中、下三个水箱串联连接组成。下水箱的液位为系统的主控变量，其余两个水箱的液位h2和h3均为辅助控制量。

串级控制系统的目的是使系统具有良好的动态性能，确保主控变量的控制质量，实现无差调节。不仅要使下水箱的液位h1等于给定量所要求的值，而且当扰动出现在上、中水箱时，由于它们的时间常数小于下水箱，故在下水箱的液位未发生明显变化前，扰动所产生的影响已通过内回路的控制及时地被消除。当然，扰动作用于下水箱，系统的被控制量h1必然要受其影响，但由于本系统有两个内回路，因而大大减少了上、中水箱的时间常数，使它比具有上、中、下三个水箱串接的单回路系统动态的单回路系统动态响应快的多。如方框图1所示。

关键词：液位 串级 控制 系统 设计

目录：

abstract:

in the complex industrial processes in the system, simple single-loop process control system can not meet the performance index, take complex process control system and intelligent control strategy. three closed-loop level cascade is a complicated process control system, and by serial connection, three tank. under the water level control system for the remaining two variables, the water level are auxiliary and h3 h2 control.

cascade control system is designed to make the system has good dynamic performance control, ensure quality control variables, no difference adjustment. not only will make the next level cistern is required for quantitative h1 of value, and when the disturbance in the tank, and because of their time constant, so less water tank under the next level did not change greatly, the impact of disturbance in control of the loop already through by eliminating timely. of course, the disturbance effect next cistern, system is controlled by the amount h1 will inevitably influence, but because this system has two inside loop, thus greatly reduced, and the time constant of water tank, make it and, more than three tank under the single loop system of dynamic single-loop system dynamic response. such as block 1.

keywords: level, cascade, control, system, design

正文：

1.三闭环液位串级控制的实验原理及实验仪器

1.1实验原理

本实验由上、中、下三个水箱串联连接组成。下水箱的液位为系统的主控变量，其余两个水箱的液位h2和h3均为辅助控制量。与前面的双回路液位控制系统相比，本系统多了一个内回路，其目的是减小上水箱的时间常数，以加快系统的响应。本系统的控制目的，不仅要使下水箱的液位h1等于给定量所要求的值，而且当扰动出现在上、中水箱时，由于它们的时间常数小于下水箱，故在下水箱的液位未发生明显变化前，扰动所产生的影响已通过内回路的控制及时地被消除。当然，扰动作用于下水箱，系统的被控制量h1必然要受其影响，但由于本系统有两个内回路，因而大大减少了上、中水箱的时间常数，使它比具有上、中、下三个水箱串接的单回路系统动态的单回路系统动态响应快的多。如图1为三闭环液位串级控制系统的结构图。

图 1 三回路液位串级控制系统的方框图

1.2实验仪器

1.zy17prcon32sb型高级过程控制系统实验装置

2.计算机、上位机mcgs组态软件、rs232-485转换器一只、串口线一根

3.万用表一台

1.3串级控制系统的设计

1.1 主回路的设计

串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中

个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。

1.2 副回路的设计

由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中，此外要尽可能包含较多的扰动。

归纳如下。

(1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。

(2) 将更多的扰动包括在副回路中。

3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。

(4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。

(5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。

在这里要注意(2)和(3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼顾(2)和(3)的综合。

1.3主、副回路的匹配

1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配

设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回路中，主调节器也就失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在3～10之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共振”现象，系统不能正常工作。

2) 主、副调节器的控制规律的匹配、选择

在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取pi或pid控制规律；副回路要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取p控制规律而不引入 i 或 d 控制。如果引入 i 控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 d控制，因为副回路采用 p控制已经起到了快速控制作用，引入d控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。

3) 主、副调节器正反作用方式的确定

一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。