水箱液位串级控制系统实验报告.doc

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1、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

2、（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

3、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

4、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

5、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-2

6、2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

7、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P

8、ID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