实验四 加热炉温度串级控制系统
（实验地点：程控实验室，崇实楼407）
一、实验目的
1、熟悉串级控制系统的结构与特点。

2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。

3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。

二、实验设备
1、MATLAB 软件，
2、PC 机 三、实验原理
工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。

图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图
图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为
主对象：;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象：2
1802)1)(110()(++=-s s e s G s
主控制器的传递函数为PI 或PID ，副控制器的传递函数为P 。

对PI 控制器有 221111)(),/(,
1
11)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=
采用串级控制设计主、副PID 控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。

四、实验过程
串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。

1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 （图4-2）
在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下：)(01s G 为主被控对象，)(02s G 为副被控对象，Step 为系统的输入，c 为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可以用示波器观察输出波形。

PID1为主控制器，双击PID 控制器可设置参数：（PID 模块在
MATLAB/Simulink Library Browser/Simulink Extras ），Step 为阶跃信号，参数起始时间应设置为0。

Delay 为延迟环节，在Simulink/Continuous 子目录中。

串级控制系统建模如图4-2。

（仿真时间=5000s ）
图4-2 加热炉温度串级控制系统模型
2. 采用临界比例度法确定PID2（副调节器）参数：取212c K =，使副回路产生临
界等幅振荡，记录22222/1/k c c K K δδδ==⇒== 。

加入比例系数，记录副回路的
输出波形。

与单回路相同，采用临界比例度法确定主回路的PID1参数，记录数据，并反复修改参数，得到较理想的响应曲线，记录对应的PI 参数，在实验报告中写入该参数值及对应的波形。

临界比例度法确定PID1的参数：取21=c K ～3，2c K 不变，使系统产生临界振荡，记录11k k T δ、，利用临界比例度法参数计算表（教材161页），求取PID1分别为P 、PI 及PID 时的参数。

假设1 1.2c K =时产生临界振荡（要自己调试出实际值），设测试得1350k T s =， 则P 参数计算：（注：比例控制不做扰动实验）
6.0/16
7.12.1/22==⇒===δδδc k K 。

如果选PI 调节器，则,546.0/183.12.1/2.22.2==⇒===δδδc k K 5.29735085.085.0=⨯==k I T T
00183.05.297/546.0/===I c I T K K 。

把c K 、I K 作为比例、积分系数填入PID1中。

如果波形不理想，应反复调节，得到较理想的响应曲线对应的PI 参数，在实验报告中记录该参数值及对应的波形。

3. 加入单位阶跃一次扰动、单位阶跃二次扰动，输入设为零：r=0，测试对应输出曲线。

4. 阶跃响应及扰动作用时的波形如下。

图4-3 串级控制系统输出波形
记录串级控制系统在二次阶跃扰动（q2=1,q1=0,r=0）输入下的输出响应曲线；一次阶跃扰动（q1=1, q2=0,r=0）输入下的输出响应曲线。

(a) 一次扰动时的输出响应 (b) 二次扰动时的输出响应 图4-4干扰作用时的输出波形
5. PID 算法：采用临界比例度法确定主调节器PID1的参数：2c K 仍不变，计算PID1的参数：
==⇒=
=δδδ/17.1c k K ==⇒=
=I
c I k I T K K T T /5.0 ==⇒=
=D c D k D T K K T T 13.0
把计算参数代入PID 模块中，反复调节，调出理想波形，记录此时的参数及波形，并
标注在图形中。

将调整好的单回路与串级控制时的性能指标填入下表，对各参数进行对比，说明采用单回路控制与串级控制时的阶跃响应及抑制扰动能力区别。

表4-1 实验分析表 五、实验报告要求
1、画出本实验中单回路和串级控制系统的仿真模型。

2、记录各种实验时的调节器参数及系统输出波形。

六、思考题
1、试述串级控制系统为什么对二次扰动具有很强的抗扰能力？
2、为什么本实验中的副调节器采用比例（P）调节器？。