【文章內(nèi)容簡介】 控制系統(tǒng)方案的選擇和分析串級(jí)控制系統(tǒng)的概述串級(jí)控制系統(tǒng)有主、副兩個(gè)控制回路，主、副調(diào)節(jié)器相串聯(lián)工作，其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值R，它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器，以改變主參數(shù)C1。串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)串級(jí)控制系統(tǒng)及其副回路對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響已在有關(guān)課程中介紹，在此將有關(guān)結(jié)論再簡單歸納一下。（1）改善了過程的動(dòng)態(tài)特性；（2）能及時(shí)克服進(jìn)入副回路的各種二次擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力；（3）提高了系統(tǒng)的魯棒性；（4）具有一定的自適應(yīng)能力。主、副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的選擇在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定值（無余差），故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。主、副調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇正如單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所述，要使一個(gè)過程控制系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)必須采用負(fù)反饋。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)來說，主、副調(diào)節(jié)器的正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，即其主通道各環(huán)節(jié)放大系數(shù)極性乘積必須為正值。各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)極性是這樣規(guī)定的：當(dāng)測量值增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加，則調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)Kc為負(fù)（即正作用調(diào)節(jié)器），反之，Kc為正（即反作用調(diào)節(jié)器）；本裝置所用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的放大系數(shù)Kv恒為正；當(dāng)過程的輸入增大時(shí)，即調(diào)節(jié)器開大，其輸出也增大，則過程的放大系數(shù)K0為正，反之K0為負(fù)。串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法在工程實(shí)踐中，串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種： （一） 逐步逼近法所謂逐步逼近法，就是在主回路斷開的情況下，按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，然后將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上，使主回路閉合，按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。而后，將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)在所求得的數(shù)值上，再進(jìn)行整定，求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值，然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類推，逐步逼近，直至滿足質(zhì)量指標(biāo)要求為止。（二） 兩步整定法兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為：（1）在工況穩(wěn)定，主回路閉合，主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下，主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%，然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減（如4：1）曲線法來整定副回路。記下相應(yīng)的比例度δ2S和振蕩周期T2S。（2）將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的δ2S值上，且把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣方法整定主回路，求取主回路的比例度δ1S和振蕩周期T1S。（3）根據(jù)求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按單回路系統(tǒng)衰減曲線法整定公式計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的數(shù)值。（4）按“先副后主”，“先比例后積分最后微分”的整定程序，設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，再觀察過渡過程曲線，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到過程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿意為止。（三） 一步整定法 由于兩步整定法要尋求兩個(gè)4：1的衰減過程，這是一件很花時(shí)間的事。因而對(duì)兩步整定法做了簡化，提出了一步整定法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 具體的整定步驟為：（1）在工況穩(wěn)定，系統(tǒng)為純比例作用的情況下，根據(jù)K02/δ2＝，通過副過程放大系數(shù)K02，求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)δ2或按經(jīng)驗(yàn)選取，并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。（2）按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。（3）改變給定值，觀察被控制量的響應(yīng)曲線。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)品質(zhì)指標(biāo)最佳。（4）如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象，只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度δ或增大積分時(shí)間常數(shù)TI，即可得到改善。（四）主、副控制器正反作用的選擇。主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)是先副后主。 ① 副控制器的正、反作用要根據(jù)副回路的具體情況決定，而與主回路無關(guān)。副環(huán)可以按照單回路控制系統(tǒng)確定正、反作用的方法來確定副控制器的正、反作用。本設(shè)計(jì)中副控制器采用的是反作用型式。 ② 主控制器的正、反作用根據(jù)主主回路所包括的各環(huán)節(jié)來確定。副回路的放大倍數(shù)可視為“正”，因變送器一般為“正”，這樣主控制器的正負(fù)特性與主對(duì)象的正負(fù)特性一樣。本設(shè)計(jì)中主控制器采用的也是反作用型式。 水箱液位的串級(jí)控制系統(tǒng)，它是由主控、副控兩個(gè)回路組成。主控回路中的調(diào)節(jié)器稱主調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為下水箱，下水箱的液位為系統(tǒng)的主控制量。副控回路中的調(diào)節(jié)器稱副調(diào)節(jié)器，控制對(duì)象為中水箱，又稱副對(duì)象，中水箱的液位為系統(tǒng)的副控制量。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，因而副控回路是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器的的輸出直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而達(dá)到控制下水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。由于副控回路的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律，對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無特殊的要求，因而副調(diào)節(jié)器可采用P調(diào)節(jié)器。本實(shí)驗(yàn)選擇中水箱和下水箱串聯(lián)作為被控對(duì)象（也可選擇上水箱和中水箱）。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量，然后將閥門F1F1F17全開，將中水箱出水閥門F1下水箱出水閥門F111開至適當(dāng)開度（要求閥F110稍大于閥F111），其余閥門均關(guān)閉。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟（一）、智能儀表控制1．按照接線圖連接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。將“LT2中水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“OFF”的位置，將“LT3下水箱液位”鈕子開關(guān)撥到“ON”的位置。2．接通總電源空氣開關(guān)和鑰匙開關(guān)，打開24V開關(guān)電源，給壓力變送器上電，按下啟動(dòng)按鈕，合上單相Ⅰ、單相Ⅲ空氣開關(guān)，給智能儀表1及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。3．打開上位機(jī)MCGS組態(tài)環(huán)境，打開“智能儀表控制系統(tǒng)”工程，然后進(jìn)實(shí)驗(yàn)十的監(jiān)控界面。4．在上位機(jī)監(jiān)控界面中點(diǎn)擊“啟動(dòng)儀表1”、“啟動(dòng)儀表2”。將主控儀表設(shè)置為“手動(dòng)”，并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適的值，此操作可通過調(diào)節(jié)儀表實(shí)現(xiàn)。5．合上三相電源空氣開關(guān)，磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水，適當(dāng)增加/減少主調(diào)節(jié)器的輸出量，使下水箱的液位平衡于設(shè)定值，且中水箱液位也穩(wěn)定于某一值（此值一般為3～5cm，以免超調(diào)過大，水箱斷流或溢流）。6．按本章第一節(jié)中任一種整定方法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，并按整定得到的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)器設(shè)定。7．待液位穩(wěn)定于給定值時(shí)，將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài)，待液位平衡后，通過以下幾種方式加干擾：（1） 突增（或突減）儀表設(shè)定值的大小，使其有一個(gè)正（或負(fù)）階躍增量的變化；（2）打開閥門F2F24（或F25），用變頻器支路以較小頻率給中水箱(或下水箱)打水。（干擾作用在主對(duì)象或副對(duì)象）（3）將閥F1F113開至適當(dāng)開度（改變負(fù)載）；（4）將電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F13或F14（同電磁閥）開至適當(dāng)開度；以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的5％～15％，干擾過大可能造成水箱中水溢出或系統(tǒng)不穩(wěn)定。加入干擾后，水箱的液位便離開原平衡狀態(tài)，經(jīng)過一段調(diào)節(jié)時(shí)間后，水箱液位穩(wěn)定至新的設(shè)定值（后面三種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值），記錄此時(shí)的智能儀表的設(shè)定值、輸出值和儀表參數(shù)，下水箱液位的響應(yīng)過程曲線將如圖54所示。8．適量改變主、副控調(diào)節(jié)儀的PID參數(shù)，重復(fù)步驟7，用計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。圖31水槽液位串級(jí)控制系統(tǒng)工藝流程 圖32水槽液位串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖⑴干擾F作用于副環(huán)（副控制器起“粗調(diào)”，主控制器起“細(xì)調(diào)”）液位L1↑→L1T↑→L1C↓(反作用)→LV (氣開閥)↓ L1T↓ ⑵干擾F作用于主環(huán)（液位隨控制的要求隨時(shí)改變）干擾使得 L2↑→L2T→L2C↓(反作用)→L1C↓→LV(氣開閥)↓ L2↓←L2T↓ 由于有主副兩個(gè)控制器相串聯(lián)，系統(tǒng)總的放大倍數(shù)將增大，工作頻率提高克服干擾的大大增大。⑶干擾F同時(shí)同時(shí)主環(huán)和副環(huán)①作用方向相同干擾F同時(shí)使L2T↑→L2C↓(反作用)→L1C↓(反作用) L1T↑→L1C↓(反作用) LV↓↓ 液位L2,L1↓↓②作用方向相反干擾F作用使L2T↑→L2C↓(反作用)→L1C↓(反作用) L1T↓→L1C↑(反作用) LV變化很小 液位L2,L1變化不大第4章西門子相關(guān)內(nèi)容西門子Simatic Step7簡介串級(jí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)完全在軟件中，以程序的形式完成。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，PLC在儀表控制方面的功能已經(jīng)不斷強(qiáng)化。用于回路調(diào)節(jié)和組態(tài)畫面的功能不斷完善，而且PLC的抗干擾的能力也非常強(qiáng)，對(duì)電源的質(zhì)量要求比較低。所以基于PLC在工業(yè)控制系統(tǒng)中的良好應(yīng)用，我們將西門子的S7300PLC用于了水槽裝置液位控制系統(tǒng)。S7300系列PLC產(chǎn)品的程序設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境采用SIEMENS公司提供的STEP7來實(shí)現(xiàn)。STEP7是專門用于SIMAITIC S7300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制器程序的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用軟件包。在STEP 7程序中，可使用標(biāo)準(zhǔn)語言梯形邏輯（LAD）、功能塊圖（FBD）或語句表（STL）生成STEP 7程序。使用STEP 7軟件，可以在一個(gè)項(xiàng)目下生成你的STEP 7程序。STEP 7可編程控制器包括一個(gè)供電單元，一個(gè)CPU，以及輸入和輸出模板（I/O模板）。可編程邏輯控制器（PLC）用STEP 7程序監(jiān)視和控制你的機(jī)器。在中通過地址尋址I/O模板。SIMATIC S7300站工作原理如圖41所示。 圖41 SIMAIC S7300站工作原理本裝置中PLC控制方案采用了德國西門子公司的S7200和S7300PLC，其中西門子S7200PLC采用的是Step 7MicroWIN 32編程軟件，而西門子S7300PLC采用的是Step 7編程軟件。利用這兩個(gè)軟件可以對(duì)相應(yīng)的PLC進(jìn)行編程、調(diào)試、下裝、診斷。 圖42 S7200:CPU設(shè)計(jì)表 41 S7200:技術(shù)參數(shù) 圖43 S7300:CPU設(shè)計(jì)表42 S7300:技術(shù)參數(shù)S7300系列PLC 硬件組態(tài)實(shí)例一、S7300系列PLC單機(jī)架硬件組態(tài)單機(jī)架硬件組態(tài)最多配置8個(gè)擴(kuò)展模塊。表43所必需的硬件材料名稱數(shù)量配置型號(hào)例電源模塊PS1例如PS 307，6ES7 3071EA000AA0CPU模塊1例如CPU 313C 例如6ES7 3135BE000AB0SIMATIC 微型存儲(chǔ)卡MMC1例如6ES7 9538LL000AA0擴(kuò)展模塊根據(jù)需要配置根據(jù)需要配置前連接器根據(jù)模塊數(shù)量，分為20針、40針通過螺釘連接的40 針 6ES7 3921AM0