实验名称
串级控制系统实验
实验地点
实验楼804
实验时间
2012-5
1. 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
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的实现过程。
2. 实验设备：
（1）. THPCAT-2型现场总线过程控制对象系统实验装置；
（2）. AT-I智能调节仪
表
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挂件、RS485/232转换器及RS485通讯线；
（3）. PC机。
3. 实验原理：
图3-1是串级控制系统的方框图，该系统有主、副两个控制回路，主、副调节器相串联工作，其中主调节器有自己独立的给定值R，它的输出m1作为副调节器的给定值，副调节器的输出m2控制执行器，以改变主参数C1。
图3-1 串级控制系统方框图
R-主参数的给定值； C1-被控的主参数； C2-副参数；
f1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。
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，控制对象为上水箱，又称副对象，上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
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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。
系统流程结构图如下图所示：
图3-2 系统流程结构图
系统的结构框图：
4. 实验内容及步骤：
（1）. 按系统流程结构图连接实验系统,打开对象相应的水路（打开阀F1-1、F1-2、F1-7，将阀F1-10、F1-11开至适当开度（一般要求阀F1-10的开度稍大于阀F1-11的开度），其余阀门均关闭）。
（2）. 合上DCS控制柜电源，启动服务器和主控
单元
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。
（3）. 在工程师站的组态中选择“THJ-3”工程进行编译下装。
（4）. 启动操作员站，选择运行界面中的实验12，进入实验十二流程图。
（5）. 合上对象总电源，并合上三相电源、单相、24V电源开关，开始实验。
（6）. 在流程图的各液位测量值上点击左键，弹出主控和副控PID窗口，按经验数据预先设置好副调节器的比例度，副调节器设置为串级状态。
（7）. 主调节器设置为手动状态，并选择PI或PID控制规律，根据经验法设定PID三个参数值，或者根据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的参数设定。
（8）. 手动操作主调节器的输出，以控制电动调节阀支路给中水箱送水的大小，等中水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。
（9）. 当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察系统的输出响应曲线。
（10）. 启动变频器-磁力泵支路，适量打开阀F2-4，观察阶跃扰动作用于副对象（中水箱）时，系统被控制量（下水箱液位）的响应过程。
（11）. 将阀F2-4关闭，去除副对象的阶跃扰动，且待系统再次稳定后，再适量打开阀F2-5，观察阶跃扰动作用于主对象时对系统被控制量的影响。
（12）. 通过反复对主、副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。
（13）. 在实验中可点击窗口中的“趋势”下拉菜单中的“综合趋势”，可查看相应的实验曲线。
5. 实验结果及分析：
系统参数的整定过程：
主调节器参数设置： 副调节器参数设置：
初始给定：
系统响应曲线：
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:
增加阶跃扰动：
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. 实验总结：
思
考题
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：
（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？
实验总结：
说明：
1. 实验名称、实验目的、实验设备、实验原理及内容由教师确定，实验前学生填好；
2. 实验步骤、实验结果及分析由学生记录实验的过程，包括操作过程、实验结果、遇到哪些问题以及如何解决等；
3. 实验总结由学生在实验后填写，总结本次实验的收获、未解决的问题以及体会和建议等。
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