实验4  串级控制系统设计及控制器参数整定实验

一、实验目的

1、掌握串级控制系统的工程设计方法。

2、掌握串级控制系统整定方法。

3、了解串级控制系统的特点。

二、实验设备

计算机一台，MATLAB软件

三、实验原理

1、串级控制系统含义

串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。该系统主要应用于：对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合。

2、串级控制系统方框图

3、串级控制系统特点

（1）在系统结构上,它是由两个串接工作的控制器构成的双闭环控制系统；

（2）系统的目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量；

（3）由于副回路的存在,对进入副回路的干扰有超前控制的作用,因而减少了干扰对主变量的影响；

（4）系统对负荷改变时有一定的自适应能力。

4、串级控制系统调节器的工程整定方法

工程实践中，串级控制系统常用的参数整定方法有逐次逼近法、两步整定法和一步整定法。

（1）逐次逼近法

逐次逼近法是在主回路断开的情况下，对副调节器进行整定，而后将副调节器的参数设置在所求数值上，再闭合主回路求取主调节器的整定参数，再将调节器的参数设置在所求数值上进行整定，求出第二次副调节器的整定参数。如此反复，直至求得满足控制品质的参数为止。这种方法费时较多，因此在工程实践中的应用逐渐减少。

（2）两步整定法

两步整定法即是分两步来整定参数，先整定副回路参数，然后将副回路视为主回路的一个环节，再整定主回路参数。之所以在这一过程中可以忽略主调节器参数变化对副回路的影响，是因为副回路是为提高主回路控制质量而设置的，系统对主变量的控制要求很高、很严，对副变量的控制要求却比较低。

两步整定法的具体步骤为：

①工况稳定时，主、副回路均闭合，均采用纯比例作用，将主调节器的比例度δ₁设置为100%。按照单回路控制系统的衰减（如4:1）曲线法整定副回路，逐渐减小副回路的比例度δ₂，直到出现4:1振荡过程。记下此时副调节器的比例度δ_2s和衰减振荡周期T_2s。

②将副调节器比例度固定在δ_2s，把副回路视为主回路的一个环节，逐渐减小主调节器的比例度，当主回路达到4:1衰减振荡过程时，记下主调节器的比例度δ_1s和衰减振荡周期T_1s。

③根据得到的δ_2s、T_2s、δ_1s、T_1s，按单回路控制系统衰减曲线法整定公式来计算主、副调节器的比例度δ、积分时间T_I和微分时间T_D。

④按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的顺序，设置主、副调节器的参数，再根据扰动实验，对参数进行必要的调整。

（3）一步整定法

一步整定法是将副调节器参数根据经验值一次整定好，然后将副调节器视为一个普通的纯比例环节，按照单回路系统的整定方法整定主调节器参数。如果在整定过程中出现振荡，只需加大主、副调节器中任一比例度值即可消除。倘若振荡过于剧烈，可先切换至手动，待生产稳定后，再重新投入，重新整定。

四、实验步骤：

（包含：运行MATLAB应用程序及Simulink仿真软件在控制器参数整定中的具体步骤）。

1、设被控对象的传递函数为：，要求被调量始终维持在设定值。设计一个串级控制系统，在simulink中绘出系统框图；

2、要求控制系统的衰减率为70%，静态误差为零。调节PID控制器的参数，获得要求的控制效果。

五、实验总结

1、实验求出系统在PID调节器控制下的余差和超调量；

2、作出流量的阶跃响应曲线。