实验四 液位串级调节系统

一、实验目的进一步熟悉串级控制系统的定义、组成、结构和工作原理。掌握串级控制系统主、副控制器PID控制规律的选择掌握串级控制系统的投运方法。掌握串级控制系统主、副控制器参数的整定方法。二、实验设备实验四串级控制系统

过程控制系统实验装置、连接导线三、串级控制系统定义、组成、框图、原理1、定义2、组成由7个部分组成（即1台主调、1台副调，1台执行器、1个主对象，1个副对象、

1台主变送器、1台主变送器）3、框图由主、副两台控制器、一台执行器、主、副两个被控对象和主、副两台测量变送器组成的双闭环负反馈控制系统叫串级控制系统。（1）调节阀确定为气开阀（电开阀）“+”，副对象为“+”，则副调节器选“－”

；由于主对象“+”、则主调节器为“－”（2）二次干扰下，若D1→△h2↓→调节阀“+”开度↑→测量值PV2↓→e2↓→副调节器“－”输出↑进入水槽流量↑△h2↑（平稳）4、工作过程8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰D180%30%内给SP2－2水槽副被控对象PV20～10mA副调节器副变量h2

e2副测量变送器主变量

h30～10mA+－PV1主调节器给定SV1MV13水槽主被控对象

e1主测量变送器30%80%（3）若D2→△h3↓→测量值PV1↓→e1↓→主调节器(－)输出↑水槽1进水流量↑△h3↑（平稳）→副调节器(+)输出↑→e2↓调节阀(+)开度↑8mA3mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰D1(s)80%30%内给SP2－1水槽副被控对象PV20～10mA副调节器副变量h1

e2副测量变送器主变量

h20～10mA+－PV1主调节器给定SV1MV12水槽主被控对象

e1主测量变送器30%80%4、工作过程D2流量计Ⅱ液位Ⅰ液位Ⅱ液位Ⅲ主调节器Ⅰ记录仪伺服放大器1流量计ⅠLT3LT2LT1mAmA35电动阀流量计手动阀2461水龙头水泵加法器副调节器Ⅱ水槽恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ伺服放大器2Ⅰ

Ⅱ切换开关电动阀四、实验接线流量计Ⅱ液位Ⅰ液位Ⅱ液位Ⅲ变频器S500主调节器Ⅰ记录仪牛顿模块A/DI-7017流量计ⅠLT3LT2LT1mAmA35电动阀流量计手动阀2461水龙头水泵加法器副调节器Ⅱ水槽设置U2按钮五、实验步骤及实验记录5.启动两台水泵。2、将水龙头1、2打开，其余关闭，使干扰作用落在副回路内。4、主、副控制器均搬到“硬手动”，主控制器打内给定，副控制器打外给定。副控制器输出调为30％（3mA）。主、副调节器的正、反作用开关都搬到“反”位置。调节副调节器手动拨盘使其输出表头指示30％（3mA）处。3、开关K搬到Ⅰ端，调恒流器Ⅰ输出=3mA。K搬到Ⅱ端，调恒流器Ⅱ输出=8mA

3、鼠标单击实验界面中的“设置U2”按钮，调U2=25%鼠标单击“水箱3液位控制器”，调手动输出值MV=50%4、将主、副控制器设为手动，即用鼠标单击实验界面中主、副控制器的“手动”按钮。6.（模拟系统）主调节器设定为PI控制（δ＝85%~90％（0.8）、Ti＝220~230秒、Td＝0），副调节器设定为P

控制（δ＝35％、Ti

＝∞

秒、Td

＝0）。当液位稳定，按先主后副把主、副调节器以无扰动的方式投入自动。曲线4:1波形较好6.（计算机系统）（1）将主控制器设定为PI控制,副控制器设为P控制（具体PID参数见下表）（2）当液位稳定后，按先主后副把主、副调节器以无扰动的方式投入自动。7.开关K从Ⅱ打到加入Ⅰ干扰

（鼠标单击“设置U2”按钮，调U2=（38%）

，观察记录仪曲线主、副被控参数h3h2是否达到4∶1衰减，若达到，则副调节器PI参数整定完毕，否则，适当改变δ值、Ti值重新整定，直到4∶1衰减出现。这一次曲线记入下表第1次表格H2内给SP1副测量变送器DBC－211－水槽ⅡPV20～10mA副调节器DTL－321主被控参数H30～10mA+－主测量变送器DBC－211PV1水槽Ⅲ主调节器DTL－321给定值SP6.5mA4mA恒流器Ⅰ恒流器Ⅱ干扰MV2MV1主、副控制器PID参数设定实验得到的曲线对实验曲线进行分析做第1次副调节器（P）δ＝80％KC=1TI＝∞

TI＝∞TD＝0TD＝0主调节器（PI）δ＝35％KC=1.5TI＝185s

TI＝15sTD＝0

TD＝0副被控参数分析结论：由上述数据可知衰减比n=3:1＜4:1，即副被控参数h2没有达到4:1衰减，即主、副控制器PID整定得不合适。调整PID参数后，重新做第二次整定，直到n≥4:1为止3主被控参数分析结论：由上述数据可知衰减比n=2.5:1＜4:1，即主被控参数h3也没有达到4:1衰减，即主副调节器PID整定得不合适。调整PID参数后，重新做第二次整定，直到

n≥4﹕1为止。2.5主、副调节器PI参数设定实验得到的曲线对实验曲线进行分析做第2次副调节器δ＝85％KC=1TI＝∞TI＝∞TD＝0TD＝0主调节器δ＝35％KC=1.1TI＝160STI＝12sTD＝0TD＝0副被控参数分析结论：由上述数据可知衰减比n=4:1，即副被控参数h2达到了4:1衰减，即副调节器PID整定得比较合适。满足了PID参数整定要求，达到了实验要求。主被控参数分析结论：由上述数据可知衰减比n=4.5:1＞4:1，即主被控参数h3也达到4:1衰减，即主调节器PID整定得比较合适。满足了PID参数整定要求，达到了实验要求。副调节器PID参数保持上一步的不变，则用上述方法整定主调节器PID参数整定。这一次曲线记入上表第2次做表格重新确定干扰通道上的水龙头开关位置，使干扰落在副环之外，主环之内。等主副参数稳定后，开关K从Ⅱ打到加入Ⅰ干扰[鼠标单击实验界面中的“设置U2”按钮，调U2=4mA（40%）]

，加入一个阶跃干扰，记录下该调节过程，这一次曲线记入上表第3次做表格。被控参数h30～10mA+－测量变送器DBC－211PV1水槽Ⅲ主调节器DTL－321给定值SP干扰h2内给SP1测量变送器DBC－211－水槽ⅡPV20～10mA副调节器DTL－321MV第1次做U1=50%U2=25%~40%第2次做U1=50%U2=25%~40%主控制器副控制器第3次做U1=50%U2=25%~40%主控制器副控制器第3次做U1=50%U2=38%主控制器副控制器第4次做U1=50%U2=25%~40%第5次实验调节U1=50%干扰U2=28%~38%结果：效果比较好五、回答思考题

1.干扰落在副回路之外，即主环之内有什么结果？答:（1）干扰落在副回路之外，即主回路之内时可用下图表示：H2内给SP1副测量变送器DBC－211－水槽ⅡPV20～10mA副调节器DTL－321被控参数H30～10mA+－主测量变送器DBC－211PV1水槽Ⅲ主调节器DTL－321给定值SP干扰

（2）上图中干扰是作用在副回路之外，主回路之内，虽然是串级调节系统，但并没有发挥其副回路对干扰的“预先调节”、“粗调”的作用。所以这种情况只会有单回路系统的调节效果，而不会有串级调节系统的调节效果。2、串级控制统中主、副变量应如何选择？副变量的选择原则是：（1）主、副变量间应有一定的内在联系，副变量的变化应在很大程度上能影响主变量的变化。（2）通过对副变量的选择，使所构成的副回路能包含系统的主要干扰。（3）在可能的情况下，应使副回路包含更多的主要干扰，但副变量又不能离主变量太近。

（4）副变量的选择应考虑到主、副对象时间常数的匹配，以防“共振”的发生。答：主变量的正确选择是关系到系统能否达到预期控制效果的重要因素，选择原则是：（1）主变量应是反映工艺操作状态的重要变量。（2）主变量应是工艺生产过程中经常变化，因而需要加以频繁控制的变量。（3）主变量应是能测量的、变化灵敏的、独立可控的变量。（4）还应考虑工艺的合理性与经济性。3、如何选择串级控制系统中主、副控制器的正、反作用？答(1)副控制器

正、反作用的选择与单回路控制系统选择方法相同。即：(副调节器±)(调节阀

±)(副对象

±)＝(－)（1）主控制器

正、反作用的选择方法是：即：(主调节器±)(副对象

±)(主对象

±)＝(－)（2）(2)本实验中，用电开阀（＋）阀开大，水槽液位上升，故副对象是（＋）主对象是（＋）