基于CS4000装置的串级控制系统的设计

摘 要 本文基于浙大中控CS4000实验装置完成双容水箱的系统建模、水箱液位与调节阀流量串级控制系统的设计。采用两步整定法进行PID调节器的参数整定，最终获得了较为满意的控制效果。

【关键词】CS4000 串级控制系统 建模 参数整定

1 前言

过程控制是自动化专业研究的一个重要方向，而液位控制是过程控制系统中最常见的控制类型。液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。但控制中，被控过程的容量滞后较大，控制要求较高，如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。本文以浙大中控CS4000 装置为控制对象，利用过程控制的相关知识，完成双容水箱的系统建模、设计水箱液位与调节阀流量的串级控制系统。利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性，加快响应速度。

2 双容水箱的数学建模

2.1 CS4000实验装置

实验对象系统可以参照图1，该系统包括两个独立的水路动力系统，一路由水泵、电动调节阀、电磁流量计组成（主管路）；另一路由变频器、水泵、涡轮流量计组成（副管路）。系统提供一组有机玻璃四容水箱，每个水箱装有液位变送器；通过阀门切换，任何两组动力的水流可以到达任何一个水箱。

2.2 双容水箱的实验建模

建模对象为实验装置中的1号水箱，输入量是进水阀门开度，输出量是1号水箱液位高度。采用阶跃扰动法测定双容水箱1号水箱的动态特性，实验过程中的双容水箱的液位过程是二阶纯滞后惯性环节。根据阶跃响应曲线法，求得双容水箱的数学模型：

3 串级控制系统的设计与实现

3.1 串级控制系统的设计

串级控制系统是改善和提高控制品质的一种极为有效的控制方案。设计主对象为双容水箱（3号水箱在上，1号水箱在下）1号水箱的液位，副对象为调节阀流量。其中内回路为调节阀流量，外回路为液位。该串级控制系统的方框图如图2所示。

3.2 串级控制系统的参数整定

使用两步整定法对串级控制系统的参数进行整定。第一步：先将主回路断开，对副控制器的参数进行整定，当δ=90%，TI=0.25min=15s ，TD=0时，对内回路阀门流量能够达到很好的控制效果，如图3所示（曲线A为流量测量值PV，曲线B为阀门开度MV，曲线C为流量设定值SV）。第二步：主控制器的参数整定；将主回路闭合，当δ=70%，TI=1.2min=72s ，TD=0时，对外回路1号水箱液位能够达到很好的控制效果，能够迅速进入稳态，控制效果如图4所示（曲线B为阀门开度MV，曲线D为液位设定值MV，曲线E为液位设定值SV）。与单回路控制相比，串级控制系统下的1号水箱液位的动态特性得到很明显的改善，上升时间也迅速减小、液位振荡减弱，进入稳态以后，液位基本保持在恒定值。

4 结论

基于CS4000实验装置所设计的串级控制系统，能够减小流量扰动对液位的影响，串级控制系统下的液位振荡减弱。通过两步整定法进行PID调节器的参数整定后，液位基本保持在恒定值，液位控制的控制质量较高。

参考文献

[1]傅信a.过程计算机控制系统[M].西安：西北工业大学出版社，1995.

[2]CS4000控制系统操作手册[Z].浙江中控，2001.

[3]曾志伟.盘管出水口水温与热水流量的串级控制实验系统设计[J].计算技术与自动化，2008，27（03）：95-98.

作者简介

马银萍（1989-），女，安徽省芜湖市人。硕士研究生。现供职于江苏海事职业技术学院。研究方向为控制理论与控制工程。

作者单位

江苏海事职业技术学院 江苏省南京市 211100