实验四 水箱液位串级控制系统
一、实验目的
1．通过实验了解水箱液位串级控制系统组成原理。
2．掌握水箱液位串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3．研究阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主控制量的影响。 4．掌握液位串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备
1、THJ-2 型高级过程控制系统实验装置
2、计算机、上位机MCGS 组态软件、RS232-485 转换器1 只、串口线1 根 3、万用表1 只 三、实验原理
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。 本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。本实验系统结构图和方框图如图所示。
图1 水箱液位串级控制系统 (a)结构图 (b)方框图
四、实验内容与步骤
1、本实验选择中水箱和下水箱串联作为被控对象（也可选择上水箱和中水箱）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10开至适当开度（40%～90%）、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（30%～80% 要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
2、按照实验图接线，将主、副控仪表设置为自动，主控制器Sn=33,addrss=1，CF=0 ，DF=0；副控制器Sn=32,addrss=2，CF=8，DF=0；合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电
打水，上位机的主控制器，下水箱的液位设定值8—15cm。
3、首先整定副回路参数
主回路闭合，主、副调节器都在纯比例作用条件下，主调节器的比例度置于100%。关闭比例环节Ti=∞，积分环节Td=0，将比例度δ由大到小调节，每次改变δ值，改变下水箱设定值，直到出现最佳衰减曲线（如4：1）为止。记下相应的比例度δ
4、其次整定主回路参数
1）将副调节器的比例度置于所求得的δ
2S
2S
和振荡周期T2S。
值上，且把副回路作为主回路中的一个环节，
1S
用同样方法整定主回路，求取主回路的比例度δ和振荡周期T1S。
2）根据求取的δ1S、T1S和δ2S、T2S值，按单回路系统衰减曲线法整定公式计算主、副调节器的比例度δ、积分时间TI和微分时间Td的数值。
3）按“先副后主”，“先比例后积分最后微分”的整定程序，设置主、副调节器的参数，再观察过渡过程曲线，必要时进行适当调整，直到过程的动态品质达到满意为止。
图2 智能仪表控制水箱液位串级控制实验接线图
当系统到达稳定的时候，记录曲线为
五、实验报告要求
1．画出水箱液位串级控制系统的结构框图。
2．用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。 3．记录下列数据
? 水箱液位第一次达到最大值的数据 ? 水箱液位第一次达到最小值的数据 ? 水箱液位第二次达到最大值的数据：
图3 下水箱液位阶跃响应曲线
? 水箱液位第二次达到最小值的数据： ? 水箱液位第三次达到最大值的数据： ? 水箱液位第三次达到最小值的数据： ? 水箱液位达到稳定时候的数据：
4．分析主、副调节器采用不同PID参数时对系统性能产生的影响。 6．综合分析五种控制方案的实验效果。
六、思考题
1．由上述实验证明了串级控制系统的特点
2．串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用方向如何确定？
3．为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？