【正文】 4 串級(jí)控制控制方案設(shè)計(jì)前面的單閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間（回復(fù)時(shí)間）較長(zhǎng)，最大動(dòng)態(tài)偏差較大，單閉環(huán)控制效果不佳，而且未考慮對(duì)象的純遲延時(shí)間。下圖為串級(jí)控制系統(tǒng)仿真框圖：圖 19 串級(jí)控制仿真框圖對(duì)主副調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定：主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為 ；主調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為1,/0.,??；擾動(dòng) ，得串級(jí)控制系統(tǒng)仿真如下圖所示：1/.5,/0.,???dQ由仿真圖可知控制振蕩頻率低，衰減慢，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，最大動(dòng)態(tài)偏差大，但無(wú)靜差。圖 21 串級(jí)控制仿真曲線 Qd=5000cm3單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)175 前饋控制方案設(shè)計(jì)采用前饋反饋控制可在輸出發(fā)生變化時(shí)，提前做出修正，減小擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。如圖為前饋反饋控制系統(tǒng)仿真方框圖：圖 22 前饋控制仿真框圖比值分別為 RATIO1=，RATIO2= ；延遲時(shí)間 ；PID ??分別為 ；擾動(dòng) ，在 時(shí)加入；1/,1/0.,.276PID????35cmdQ20st流量變送器等效為增益為 1 的比例環(huán)節(jié)；設(shè)定值為 16cm，得圖仿真曲線如附圖 2所示。與單閉環(huán)相比，引入前饋后，在系統(tǒng)輸出發(fā)生變化之前，前饋控制提前對(duì)擾動(dòng)做出修正，減小了擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)，構(gòu)成單回路壓力控制系統(tǒng)，學(xué)會(huì)可自行設(shè)計(jì)、臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法和整定單回路控制系統(tǒng)的 PID 參數(shù)，熟悉 PID 參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，用調(diào)節(jié)器儀表進(jìn)行PID 參數(shù)的自整定和自動(dòng)控制的投運(yùn)。調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置如下：參數(shù) 說(shuō)明Sn=33 15V 電壓輸入Dip=0 小數(shù)點(diǎn)位數(shù)為 0Dil=0 輸入下限顯示值Dih=100 輸入上限顯示值Opl=4 輸出 420mA 電流CF=2 調(diào)節(jié)器反作用、有上電免除報(bào)警功能、無(wú)外部輸入Run=1 自動(dòng)調(diào)節(jié)，允許手動(dòng)設(shè)置 實(shí)驗(yàn)儀器PCTII 型過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 實(shí)驗(yàn)步驟壓力單閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖：?jiǎn)稳菟淇刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)19變頻器調(diào)節(jié)器壓力變送器、水泵圖 23 壓力單閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖（1） 連接實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線，將閥門(mén) V7，V10 打開(kāi)；（2） 接通總電源，各儀表電源。加入擾動(dòng)信號(hào)觀察各被測(cè)量的變化，直至過(guò)渡過(guò)程曲線符合要求為止；（5） 曲線的分析處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果本實(shí)驗(yàn)所用調(diào)節(jié)器為 808 模糊控制器（手動(dòng)/自動(dòng)輸出） ，其給定值為 818PID控制器（手動(dòng)/自動(dòng)輸出）的輸出。 液位單閉環(huán)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)掌握液位單回路控制系統(tǒng)的構(gòu)成。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）采用采用階躍響應(yīng)法、臨界比例度法、衰減曲線法整定 PID 參數(shù)，并驗(yàn)證參數(shù)的有效性；（2）采用調(diào)節(jié)器自整定方法整定 PID 參數(shù)，并驗(yàn)證其有效性。加入擾動(dòng)信號(hào)觀察各被測(cè)量的變化，直至過(guò)渡過(guò)程曲線符合要求為止（7） 曲線的分析處理，對(duì)實(shí)驗(yàn)的記錄曲線分別進(jìn)行分析和處理（8） 采用調(diào)節(jié)器自整定功能整定參數(shù)，記錄實(shí)驗(yàn)曲線并進(jìn)行分析處理 實(shí)驗(yàn)結(jié)果818PID 控制器為液位單閉環(huán)的調(diào)節(jié)器，808 模糊控制器為壓力單閉環(huán)的調(diào)節(jié)器。令 808 的 CtrL=2，在控制閥開(kāi)度變化時(shí)，其測(cè)量值仍能很快地跟隨其設(shè)定值。為此，需修改 P、I、D 值，改善系統(tǒng)性能，減小比例帶 P，減小積分時(shí)間 I，增大微分時(shí)間 D。 上水箱液位和流量組成串級(jí)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的基本概念；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)；掌握串級(jí)控制主、副回路的選擇；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)整定；掌握串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)投運(yùn)方法；了解串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路和主回路擾動(dòng)的克服能力。待系統(tǒng)穩(wěn)定后再整定主回路液位系統(tǒng)，最后串在一起整定（5） 待系統(tǒng)穩(wěn)定后，上水箱液位加個(gè)給定，觀察計(jì)算機(jī)上流量和液位的曲線的變化，并保存此曲線（6） 系統(tǒng)穩(wěn)定后，分別在主副回路加個(gè)干擾信號(hào)，然后觀察計(jì)算機(jī)上歷史曲線的變化 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與液位單閉環(huán)控制系統(tǒng)相比較，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)流量擾動(dòng)的抑制大大增強(qiáng)，使其對(duì)主參數(shù)的影響大大減小。控制性能分析：（A）由于副回路的快速作用，可迅速克服進(jìn)入副回路的干擾，故選用 PI 作用可以進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)23（B）引入副回路減小了副對(duì)象的相位滯后，從而改善了主回路的響應(yīng)速度，這對(duì)克服進(jìn)入主副回路的干擾都是有利的（C）串級(jí)控制系統(tǒng)改善了系統(tǒng)的魯棒性（D）副回路可按主回路的要求對(duì)副變量進(jìn)行精確的控制（E）由于該串級(jí)系統(tǒng)有較大的滯后，故可以采用 PID 作用進(jìn)行有效的調(diào)節(jié) 前饋反饋控制實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)設(shè)計(jì)前饋反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的液位控制，掌握前饋反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，前饋量的選擇，控制參數(shù)的整定等方法。由于流量變化速度快，調(diào)節(jié)器不能整定出比較合理的參數(shù)，需根據(jù)曲線來(lái)人工調(diào)整（9） 系統(tǒng)穩(wěn)定后，改變主回路流量的大小，觀察副回路流量的變化（10） 觀察計(jì)算機(jī)上歷史曲線的變化，記錄并處理歷史曲線（11） 改變比例器的比例系數(shù)，觀察流量的變化 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與液位單閉環(huán)相比較，前饋反饋控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間（回復(fù)時(shí)間）減少，最大動(dòng)態(tài)偏差減少。單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)257 總結(jié)經(jīng)過(guò)為期將近一個(gè)學(xué)期的設(shè)計(jì)，過(guò)程控制系統(tǒng)的這份大作業(yè)——單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，終于將要畫(huà)上句號(hào)了。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，我們對(duì)抽象的過(guò)程控制理論知識(shí)有了直觀的認(rèn)識(shí)和理解。單閉環(huán)的控制性能較差，超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單，PID 參數(shù)整定較簡(jiǎn)單；串級(jí)控制的控制性能比單閉環(huán)好，能夠減小超調(diào)量，減小調(diào)節(jié)時(shí)間，能夠快速的抑制內(nèi)環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但串級(jí)系統(tǒng)參數(shù)整定較復(fù)雜；前饋反饋控制的控制性能也比單閉環(huán)好，能夠在擾動(dòng)影響系統(tǒng)輸出之前對(duì)調(diào)節(jié)器的輸出做出修正，減小擾動(dòng)對(duì)輸出的影響。單容水箱控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)26參考文獻(xiàn)[1] 王子才. 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1993[2] 王樹(shù)青，樂(lè)嘉謙. 自動(dòng)化與儀表工程師手冊(cè). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2022[3] Seb D E，Edgar T F and Mellichamp D A 著，王京春等譯 . 過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性與控制(Process Dynamics and Control). 第二版. 北京：電子工業(yè)出版社， 2022[4] Shinskey F G 著，蕭德云等譯. 過(guò)程控制系統(tǒng)——應(yīng)用、設(shè)計(jì)、整定. 第三版. 北京：清華大學(xué)出版社，2022[5] 黃德先等. 過(guò)程控制系統(tǒng). 北京：清華大學(xué)出版社，2022[6] 蔣慰孫，俞金壽. 過(guò)程控制工程. 第二版. 北京：中石化出版社，2022[7] 黃德先等. 化工過(guò)程先進(jìn)控制. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2022[8] Luyben W L. Design and control degrees of freedom. Industrial amp