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．了解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（同前） 三、实验原理
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主控、副控两个回路组成。主控回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，下水箱的液位为系统的主控制量。副控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，中水箱的液位为系统的副控制量。主调节器的输出作为副调节器的给定，因而副控回路是一个随动控制系统。副调节器的的输出直接驱动电动调节阀，从而达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的主调节器应为PI或PID控制。由于副控回路的输出要求能快速、准确地复现主调节器输出信号的变化规律，对副参数的动态性能和余差无特殊的要求，因而副调节器可采用P调节器。本实验系统结构图和方框图如图5-2所示。
图5-2 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
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、下水箱出水阀门F1-11开至适当开度（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
1．将SA-42 S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“LT2中水箱液位”、“LT3下水箱液位”钮子开关均拨到“ON”的位置。
2．接通总电源空气开关和钥匙开关，打开24V开关电源，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、Ⅲ空气开关，给S7-200PLC及电动调节阀上电。
3．打开Step 7-Micro/WIN 32软件，并打开“S7-200PLC”程序进行下载，然后运行MCGS组态环境，打开“S7-200PLC控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验十、水箱液位串级控制”，进入实验十的监控
界面。
4．在上位机监控界面中点击“启动仪表1”、“启动仪表2”。将主控仪表设置为“手动”，并将输出值设置为一个合适的值，此操作可通过调节仪表实现。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。
6．按本章第一节中任一种整定方法整定调节器参数，并按整定得到的参数进行调节器设定。
7．待液位稳定于给定值时，将调节器切换到“自动”状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：
（1） 突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；
（2）打开阀门F2-1、F2-4（或F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱(或下水箱)打水。（干扰作用在主对象或副对象）
（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度（改变负载）；
（4）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；
以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，下水箱液位的响应过程曲线将如图5-4所示。
图5-4 下水箱液位阶跃响应曲线
8．适量改变主、副控调节仪的PID参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的响应曲线。
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．根据扰动分别作用于主、副对象时系统输出的响应曲线，分析系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能。
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．试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？
2．当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？
3．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？
4．为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？
5．改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响，试从理论上给予说明。
6．评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？
实验五 下水箱液位与进水流量串级控制系统
一、实验目的
1．了解液位-流量串级控制系统的组成原理。
2．掌握液位-流量串级控制系统调节器参数的整定与投运方法。
3．了解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-流量串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备（同前） 三、实验原理
本实验系统的主控量为下水箱的液位高度h，副控量为电动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。系统由主、副两个回路所组成。主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量h等于给定值，因而系统的主调节器应为PI或PID控制。副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量h的控制目的，因而副调节器可采用P控制。但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象下水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。本实验系统结构图和方框图如图5-37所示。
图5-37 下水箱液位与进水流量串级控制系统
(a)结构图 (b)方框图
四、实验内容与步骤
本实验选择下水箱和电动调节阀支路组成串级控制系统（也可采用变频器支路）。实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。
1．将SA-42 S7-200PLC控制挂件挂到屏上，并用PC/PPI通讯电缆线将S7-200PLC连接到计算机串口2，并按照下面的控制屏接线图连接实验系统。将“FT1电动阀支路流量”、“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。