XXX科技大学
电子信息工程学院
专业硕士学位研究生综合实验报告
实验名称：水箱液位串级控制系统
专业：控制工程
姓名：XXX
学号：******
指导教师：***
完成时间：20**年6月*日
实验名称：水箱液位串级控制系统
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。
实验仪器设备：
1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个；
2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根；
3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个；
4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根；
5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线；
6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。
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所示。
水箱液位串级控制系统
(a)结构图(b)方框图
方案设计及参数计算：
串级控制系统有主、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。
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。
系统参数整定步骤为：
1．在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。
2．按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数。
3．改变给定值，观察被控制量的响应曲线。根据主调节器放大系数K1 和副调节器放大系数K2的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质指标最佳。
4．如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，即可得到改善。
实验内容及操作步骤：
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．将挂件SA-22远程数据采集模拟量输出模块、SA-23远程数据采集模拟量输入模块挂到屏上，并将挂件上的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口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，给智能采集模块及压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给电动调节阀上电。
3．打开上位机MCGS组态环境，打开“远程数据采集系统”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。
实验数据及结果：
实验中，首先下水箱定值控制的给定为30，由实验数据可知系统表现出比较好的跟总特性。待系统稳定后将给定突变为40，系统依旧可以快速稳定的跟踪给定，表现出很好的动态特性和稳态特性。
结果分析：
主调节器采用PID控制器可以使下水箱液位等于给定值，并且没有误差。由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、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比例控制就可以满足要求。
由实验数据可知，使用串级控制可以获得比传统的PID控制器获得更好的动态特性和稳态特性，对副回路的扰动有很强的抵抗作用，对于有迟滞环节的系统有很好的控制效果。
实验心得：
1.通过实验，我们了解到串级控制和单回路控制相比的优越性。
2.对实验的观察使我们对主副回路不同的作用和功能有了深刻的了解。
3.做实验时对实验出现的问题，积极思考。
4.处理数据时要保持严肃认真的态度。
实验成绩：
