实验四 串级控制系统

实验四下水箱液位和进口流量串级控制实验一、实验目的1、学习闭环串级控制的原理。

2、了解闭环串级控制的特点。

3、掌握闭环串级控制的设计。

4、初步掌握闭环串级控制器参数调整。

二、实验设备A3000-FBS现场系统，百特控制系统。

三、实验要求1、设计串级控制器。

2、经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。

四、实验内容与步骤1、在现场系统A3000-FBS，将回路2手动调节阀JV201、JV206完全打开，使下水箱闸板具有一定开度，其余阀门关闭。

2、在控制系统A3000-CS上，将百特内给定仪表4~20mA输出端连到百特外给定仪表4~20mA外给定端，百特外给定仪表4~20mA输出端连到调节阀输入端，下水箱液位输出端连到百特内给定仪表4~20mA输入端，支路2流量计输出端连到百特外给定仪表4~20mA输入端。

3、打开A3000-CS电源，百特仪表通电。

打开A3000-FBS电源，调节阀通电。

4、启动计算机组态王软件，运行百特仪表组态程序，登陆进入下水箱液位和进口流量串级控制试验。

首先进行副回路比例调节。

主回路设为手动，副回路设为自动。

SP设为60%，主回路调节器输出设为40%，I为1800，调节P值，使调节阀控制量输出即PV1输出平衡。

获得P值。

5、在A3000-FBS上，启动右边水泵2#开关，给下水箱注水。

6、切换至单主回路控制即把手动改为自动，调节主回路的P、I值待系统稳定后，对系统加扰动信号。

通过反复对副调节器和主调节器参数的调节，使系统具有较满意的动态响应和较高的控制精度。

画下最终的曲线。

7、实验结束后，关闭阀门，关闭水泵。

关闭全部电源设备，拆下实验连接线。

六、实验结果提交1、画出液位流量串级控制实验系统的框图和最终获得的满意响应曲线，以及最佳串级控制参数。

2、阐述实现液位流量串级控制的原理。

实验四串级控制系统实验一、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。

二、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智能调节仪表挂件、RS485/232转换器及RS485通讯线；3．PC机。

三、实验原理图4-1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4-1 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；f 1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。

本实验要求针对水箱液位控制系统设计串级控制系统，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，副控回路中的调节器称副调节器，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，从而达到控制主对象液位的目的。

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。

四、实验内容与要求1.实验前的准备工作：1）实验前应复习教科书有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法与步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录等。

2）实验前应了解实验装置中的对象、水泵和所用控制组件的名称、作用及其所在位置,如图4-2所示，以便于在实验中对它们进行操作和观察。

3）熟悉实验装置面板图，要求做到由面板上的图形、文字符号能准确找到该设备的实际位置；4）熟悉工艺管道结构、每个手动阀门的位置及其作用。

串级控制系统整定实验报告本次实验旨在掌握串级控制系统的整定方法，实验采用了PI控制器对串级控制系统进行整定，并对实验结果进行分析。

一、实验原理1. 串级控制系统的构成串级控制系统由两个控制器组成，上位控制器和下位控制器。

它们之间通过某种方式相互联系，实现对被控制对象的控制。

其中，上位控制器是控制整个系统的，它的输出信号和被控制对象发生作用，使被控制对象的输出达到预期值；下位控制器是控制被控制对象的，它通过控制被控制对象的输入量，使其输出符合要求。

2. PI控制器PI控制器是一种比较常见的控制器，在控制对象存在较大惯性时，应用比较广泛。

它就是对比例控制器和积分控制器的组合，可以使输出更快速地接近目标值，并且具有谷值现象消失的优点。

PI控制器的传递函数为：Gc(s) = Kp + Ki/s其中，Kp是比例增益，Ki是积分增益，s是惯性环节。

3. 整定方法常用的PI控制器整定方法有经验法和试验法两种。

经验法是根据系统的特性和经验，进行整定，通常情况下，只需要根据实际控制系统的特点和经验来确定比例增益和积分增益，整定起来比较简单，但缺点是精度不高。

试验法是通过不断试验调整比例增益和积分增益，让系统的响应满足某种条件，从而获得最优的控制效果。

试验法整定起来比较繁琐，但是精度高，能够获得最优的控制效果。

二、实验过程1. 实验装置及原理图本次实验的串级控制系统如下图所示：其中，上位控制器采用了PI控制器，下位控制器采用了P控制器。

被控对象为有机硅喷淋塔，输出为有机硅的质量含量。

2. 实验步骤（1）按照上图将实验装置连接，打开实验软件。

（2）设置实验参数，并开始实验。

（3）通过试验方法进行PI控制器的参数整定，在试验过程中，不断调整比例增益和积分增益，使得系统的稳态误差尽可能小。

（4）根据实验结果进行分析。

三、实验结果分析经过试验，得到的PI控制器参数为：比例增益Kp=0.01，积分增益Ki=0.0001。

过程控制工程实验报告实验名称：串级控制系统班级：组员：思考题1． 若控制阀为气闭式，试分析液位-液位串级系统中主、副控制器的正、反作用应如何选？主控制器选反作用， 副控制器选正作用分析：在串级控制系统中主副控制器正、反作用的选择遵循先副后主的原则； 副回路确定与单回路相同，即各环节放大倍数乘积为负，控制阀为气闭阀即为负，变送器和水箱液位都为正，故副控制器应为正作用； 主回路中，把负回路等效为一正环节，因为液位变送器和水箱液位都为正，故主控制器应为负作用。

2. 如何才能保证串级控制系统的无扰动切换？先副后主：调节主控制器的输出，使其等于副回路的测量值，这时副回路的偏差为0，则副控制器的自动电流将跟踪等于手动电流，于是可将副控制器切入自动； 当副环切入自动控制稳定，主变量接近或等于设定值时，调整主控制器器的设定值，使主控制器偏差为0，此时主控制器的自动输出电流跟踪等于手动输出电流，于是可将主控制器切入自动。

3．串级系统投运整定前需要做好哪几项工作？①检查管路、阀门（闸板的高度），设备加电；进行控制系统信号连线，构建一个有主参数、副参数，主控制器、副控制器和控制阀的完整串级控制系统。

②启动实验软件，置主、副控制器皆为手动状态；先调整副控制器的手动输出为50-60%，开启副回路动力装置；待系统达到平稳，各控制量处于中间合适位置即可。

③控制系统投自动前，务必要确认控制系统闭环后一定是负反馈的，即控制作用是消弱而不是增强干扰作用的影响。

根据调节回路中各环节作用关系、控制阀的开闭方向来判定、确定主、副控制器的正、反作用。

4．一步整定法的依据是什么？依据：在串级控制系统中一般来说，主变量时工艺的主要操作指标，直接关系产品的质量，因此对它要求比较严格。

而副的设立主要是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的要求，允许它在一定范围内变化，因此在整定时不必将过多的精力放在副环上，只要主变量达到规定的质量指标要求即可。

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。

实验一串级控制系统组成实验一、概念在串级控制系统中，采用了主、副两只控制器，其中主控制器的输出作为副控制器的给定，而由副控制器的输出去控制控制阀。

本次实验采用仪表实验装置，其内容就是让学生自行连成液位与液位及液位与流量两个串级控制系统。

二、目的要求、1．熟悉实验装置(参见实验指导书)。

2．利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L1为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统。

3．利用液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，以一阶液位F l为副变量和控制变量的液位与流量串级控制系统。

三、注意事项1．本次实践只连线路，不允许接通电源。

四、思考问题1．串级控制系统中主、副控制器的内、外给定开关应如何放置?2．试分析液位与液位串级控制系统在干扰作用下的工作过程。

3．已知控制阀为气闭式，并安装在水槽的入口处，试分析液位与液位串级控制系统中主、副控制器的正、反作用应如何选?实验二串级控制系统的投运和整定一、概述串级控制系统具有主、副两只控制器，因此投运和整定要比单回路系统复杂一些。

但只要按照先副后主的步骤循序进行，并掌握住投运和整定的要领，串级控制系统的投运和整定方法也是不难掌握的。

串级控制系统的整定方法很多，本次采用的是一步整定法。

即先根据副变量的类型，按经验数据将副控制器参数一次性放好，不再改变，然后再按单回路系统的4：1衰减曲线法直接整定主控制器的参数。

本次实验要求学生利用所提供的液位实验装置连成一个以二阶液位L2为主变量，一阶液位L l为副变量，F2为控制变量的液位与液位串级控制系统，并对该系统进行投运和整定实践。

二、实验目的1．串级控制系统的投运2．串级控制系统控制器参数的整定三、实验要求1．掌握串级控制系统的投运方法。

2．掌握一步整定法整定串级控制系统控制器参数的方法。

3．要求学生根据实验的目的要求自行拟定实验步骤。

4．实验完成后一星期内每人提交一份实验报告，内容要求同前。

串级控制系统实验心得
首先，从实验设计的角度来看，串级控制系统实验需要合理安
排实验方案和步骤。

在实验方案中，需要明确控制对象、控制器和
传感器的选取，并确定各个组件之间的连接方式。

在实验步骤中，
需要按照一定的顺序进行搭建和调试，确保实验的顺利进行。

其次，从实验过程的角度来看，串级控制系统实验需要注意实
验操作的准确性和稳定性。

在搭建系统时，要仔细连接各个组件，
确保信号传输的正确性。

在调试系统时，要注意参数的设置和调整，以达到期望的控制效果。

同时，要注意实验环境的稳定性，避免外
界干扰对实验结果的影响。

再次，从实验结果的角度来看，串级控制系统实验需要对实验
结果进行准确的记录和分析。

在实验过程中，可以通过观察和测量
系统的输入和输出信号，得到实验数据。

在分析实验结果时，可以
采用数学模型和控制理论的知识，对系统的稳定性、响应速度等进
行评估和比较，从而得出结论。

此外，从实验意义的角度来看，串级控制系统实验有助于加深
对控制系统原理的理解和应用能力的提高。

通过实际搭建和调试控
制系统，可以更加直观地感受到控制器对系统行为的影响，加深对控制策略和参数调整的理解。

同时，实验还可以培养实验操作和数据分析的能力，提高解决实际问题的能力。

综上所述，串级控制系统实验是一项有意义的实验，通过合理的实验设计、准确稳定的实验操作、准确分析实验结果，可以全面理解和掌握控制系统的原理和应用，提高解决实际问题的能力。

希望我的回答能够满足你的需求。

串级控制系统整定实验报告实验目的：掌握串级控制系统的整定方法，了解串级控制系统的特点和优势。

实验器材：1.信号发生器2.示波器3.串级控制系统实验装置4.计算机实验原理：串级控制系统是由两个或多个级联连接的控制环路组成的。

它以内环的输出作为外环的输入，通过内环的控制作用影响外环的控制效果。

内环的任务是根据外环发送过来的控制指令对被控对象进行快速而精确的调节，外环的任务则是为内环提供稳定的控制环境，并保持内环的输出在可接受的范围内。

实验步骤：1.搭建串级控制系统实验装置，根据实验要求连接信号发生器、示波器和计算机。

2.设计合理的控制结构，确定主控制器和辅助控制器的类型和参数。

3.根据实验要求设置信号发生器的输出频率，在示波器上观察到输入和输出信号的波形。

4.在计算机上打开数据采集软件，记录输入和输出信号的数据。

5.根据采集到的数据计算系统的频率响应曲线，并分析系统的参数，包括幅频特性、相频特性和相位裕量。

6.根据分析结果对控制器的参数进行整定，使系统的稳定性和性能达到要求。

7.重复实验步骤3-6，直到系统的控制效果满足要求。

实验结果：根据实验数据计算得到的频率响应曲线显示，系统在低频段（0~10Hz）具有较大的增益，但随着频率的增加，增益逐渐减小。

相频特性显示，系统的相位随着频率的增加而呈现出先增大后减小的趋势。

相位裕量为20°，说明系统具有较好的相位裕量，有一定的稳定性。

实验结论：通过实验可以得出，串级控制系统具有较好的控制效果和稳定性。

同时，通过频率响应曲线的分析和参数的计算，可以对控制器的参数进行整定，使系统的性能得到改善。

实验中还发现，串级控制系统整定方法具有一定的难度，需要丰富的理论知识和实践经验才能得到较好的结果。

因此，在实际应用中，需要根据系统的具体情况和要求选择合适的整定方法，并进行充分的实验验证，以确保系统的控制效果和稳定性。

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；
1(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
初始给定：
系统达到稳定状态打开电磁阀，产生扰动改变系统给定，即
阶跃扰动
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
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。