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
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。
串级控制系统实验
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。
4 串级控制
两步法（先副环后主环的方法） 1）在主副回路闭合时，将主控制器δ置100%、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定方法整定副环，找出副变量出现4:1振 荡过程的比例度记录下δ2s 及振荡周期T 2s 。 2）、 将副控制器置δ2s 、 Ti置∞、Td 置0，然后按4:1整定 方法整定主环，找出主变量出现4:1衰减振荡过程的比例度 记录下δ1s 及振荡周期T 1s。 3）、根椐得到的δ1s 、 T 1s 、 δ2s 、 T 2s值，结合主、副控 制器的选型，按单回控制系统整定计算公式，可以计算出主 、副控制器的δ、Ti 、Td。 4）、将计算所得参数按先副环后主环、先比例再积分后微 分的顺序在控制器上放好，观察控制过程曲线，如不够满意 ，可适当地进行一些微小的调整。
冷却剂 进料
T1
D2 TC2
阀 夹套
D1 T2
槽壁 反应槽
T1sp ＋ － TC1
T2sp ＋ －
T1
夹套水温测量
反应器温度测量
串级控制系统常用术语
二次扰动 一次扰动
y1,sp
＋ －
主调 节器
y2,sp ＋ －
副调 节器
调节阀
副对象
y2
主对象
y1
ym2 ym1
副参数 测量变送 主参数 测量变送
副参数
;
Gm 2 K m 2
Gc 2 K c 2 ;
Gv K v ;
串级控制系统的特点（2）
结论：由 Tp 2 s + 1 于副回路 ' G p 2 (s) 的存在， K p2 1 + Kc2 Kv Km2 使主控制 Tp 2 s + 1 通道的动 ' Kc2 Kv K p 2 K p2 态特性得 ' Tp 2 s + 1 + K c 2 K v K p 2 K m 2 T p 2 s + 1 到改善 （时间常 Kc2 Kv K p 2 ' K p2 数显著减 1 + Kc2 Kv K p2 Km2 少） Tp 2 ' Tp 2 Tp 2 1 + Kc2 Kv K p 2 Km2
4 实验四 液位串级调节系统
“－” （2）二次干扰下，若D1→△h2↓ →测量值PV2↓ → e2↓ →副调节器“ －”输出→ ↑ 调节阀“+”开度↑
△h2↑（平稳） 进入水槽流量↑
8-2
4、工作过程
恒流器Ⅰ
8mA
3mA
恒流器Ⅱ
80% 30%
给定SV1
e1
－ PV1
干扰 D1(s)
副变量 h1 1水槽 副被控对象
D2
主变量 h2 2水槽 主被控对象
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。
干扰
给定值SP
+ －
内给SP1 主调节器 DTL－321
－
副调节器 MV DTL－321
水槽Ⅱ
h2
水槽Ⅲ
被控参数h3
PV1
PV2
0～10mA
测量变送器 DBC－211 测量变送器 DBC－211
主调节器（PI） δ＝35％ TI ＝185s 15s TD＝0 TD＝0 KC =1.5 TI ＝
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。 8-9
TI ＝∞ TD＝0
定得比较合适。满足了PID参数整定 要求，达到了实验要求。
8-10
8.
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
9.
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
实验四串级控制系统
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
①串级控制系统的投运准备 串级控制的最主要特征是一个控 制系统，两个控制回路，内回路 （副环）含在外回路（主环）之 内；有两个控制器，仅有一个执 行机构，因为主控制器是通过发 出指令来操纵副控制器，由副控 制器负责执行控制，完成控制动 作，所以，主控制器的输出作为 副控制器的设定。如何实现？-注意控制器在限号转接面板上的 连线或按钮。
液位-液位串级控制系统
(3)SP1加干扰。注意：设定值变化10%，具体向哪个方 向变化取决于当前水位的状况。
(4)给系统施加一干扰后待其稳定，需观察控制过程是 否满意。 (5)然后可将主控制器的比例度调整到50～20，每次改 变后，都要改变给设定值加扰动进行测试，观察控制过 渡过程曲线的变化—是否稳定较快，超调量较小，接近 4:1衰减震荡过程。最后确定一组最合适的参数.
(2)投运需按照“先副后主”的原则进行，先投运副控制器，再 投运主控制器。待两个液位都基本达到稳定，分别将两个控制器 的设定值与测量值（液位高度）对齐，即消除系统偏差。
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
特别注意：调整副控制器的设定值时，应该在哪里调？ (实际工业中一般是操作测量值等于设定值，在这为了加快试验速度， 才采用此法操作；)
液位-液位串级控制系统
具体步骤如下：
①串级控制系统的投运准备 同上次实验操作，首先检查管路、阀门(闸板的高度)，设备加电， 进行信号连线，构建一个以1#控制器为主控制器，2#控制器为副 控制器，以调节阀为执行环节的串级控制系统； 启动实验软件，选择主、副控制器，全部都置于手动状态；先调 整副控制器的手动输出为50%左右，启动水泵。待系统达到平稳， 其间不要频繁调整阀的开度； 在自动控制系统投运自动前，务必要确保控制系统运行后一定是 负反馈控制，即控制作用是消弱而不是增强干扰作用的影响-根据 调节阀的作用方向，确定主、副控制器的正、反作用；由于副控 制器是先于主控制器投入工作，必须先保证副控制器单独工作时 也是负反馈（通过set键－＞PID->cont->ract/act）
第4章串级控制系统
传统的反馈控制是在被控变量和设定值之间产生偏差之后才起 作用的，因此在第4章中介绍采用前馈控制来帮助克服干扰的影响。 但是如果干扰不可测或者无法获得干扰与被控变量之间的模型时，就 不能采用前馈控制策略。
另外一种可以克服干扰的方法就是串级控制，它通过选择第二 个测量点构成第二个反馈回路来克服干扰。
这种将两个调节器串联在一起工作，各自完成不同任务的系统结 构，就是串级控制的基本思想。根据这一构思，反应釜温度串级控制 示意图如图5—3所示。
进料(F1)
T1T
T1C
水
T1
T2T
T2C
冷却水(F2) 出料
图5-3反应釜温度与夹套温度串级控制
（1)框图如下：
设定T1r X1(s) +
主调节器 T2r
（2）名词术语： 1)主、副参数——主、副被控参数
主参数：起主导作用的那个被控参数。如：反应釜温度T1 副参数：为了稳定主参数而引入的中间辅助参数。
2)主、副对象——主、副被控过程
主被控过程：由主被控参数表征其特性的生产过程， 其输入量为副参数，输出量为主参数。
副被控过程：由副参数为输出的生产过程，其输入量为控制参数。
第二个测量点应该比被控变量更快感知到干扰的影响，这样才 能在干扰对被控变量产生很大影响之前通过第二个反馈回路迅速克服 干扰的影响。
为了进一步认识串级控制系统，在这里先举一个实际例子。对 于图5—1所示的连续搅拌反应釜，放热反应所产生的热量被流经夹 套的冷却剂移走。假设反应釜液位稳定，而温度控制系统的控制目 标是使反应混合物温度θ稳定在设定值，控制手段是调节冷剂流量Qc。 扰动来自两方面：来自物料方面的有物料温度f和流量Qf的变化；来 自冷剂方面的有冷源的压力pf,c和温度f,c的变化。
实验4串级控制系统2014-外扰
液位单回路自动控制系统
特别说明：
对现用的实验软件进行了改进，因而也影响到以后的操 作，请特别注意。软件的改进带来了如下变化： （1）控制器一开始运行就处于手动状态，且MV的初值 已设为50%；PID参数已经设置，P=150,I=50, D=0; （2）并已置SP=PV，在手动状态时一直保持，SP不能修 改，这就为随时进行手动-自动无扰动切换做好准备。 （3）当系统稳定可随时投入自动，操作比较安全，稳 定，不易产生大的扰动，使今后的手自切换变得容易。 手动设置： 主控输出等于副控设定。 在自动状态可以随时修改设定值。 投运自动后可直接修改放置已整定好的PID参数。
液位-液位串级控制系统
思考问题 （4）一步整定法的依据是什么？ （5）试分析串级系统比单回路控制系统质量高的原因 （6）干扰落在上水箱或下水箱时，控制效果一样么， 为什么？
液位-液位串级控制系统
⑤串级控制系统克服干扰能力测试步骤
改变干扰的位置，记录两个位置的干扰作用下的控制 过渡过程曲线，并与单回路控制的同样情况的扰动过 程进行对比。 利用Matlab对串级控制系统的不同位置的扰动进行仿 真分析，并分析对比中水箱中闸板放下时串级系统的 控制质量有何不同，为什么？【自控同学必做】 思考问题 （1）若控制阀为气闭式，试分析液位与液位串级系 统中主、副控制器的正、反作用应如何选？ （2）如何才能保证串级控制系统的无扰动切换？ （3）串级系统投运整定前需要做好哪几项工作？
液位单回路自动控制系统
③在开启调节量的同时，也要开启并运行管路1流量， 使之稳定： 启动变频器：（1）接通变频器电源（2）开启变频器开 关（3）打开1#电磁阀；并检查手动阀开闭状态是否正 确，以确保水流能进入指定水箱。 在加干扰按钮，调整频器输入为100，让电机转动起来， 然后置于较低的数值上，例如20%（有的装置可能要放 在30~40%）； ④将串级系统无扰地投入自动，按先付后主的顺序。将 主、副控制器的参数，依次放置好。若设定值过低或过 高，可适当调整。
实验4 串级控制系统
• 右侧的副控制器只接受外部的模拟信号（左侧的主控制器）作为设定
输入
串级控制系统的投运准备
1. 同上次实验操作，首先检查管路、阀门（闸板的高度），设备加电；
进行控制系统信号连线，构建一个下液位为主参数 ，中水位为副参 数，1#控制器为主控制器，2#控制器为副控制器，以调节阀为执行
环节的串级控制系统；
Z1 (s)
Z2 (s)
• 注意：Y1(s)、Y2(s)分别代表什么？Z1(s)、Z2(s)代表什么？U1(s)与 R1(s)有什么联系？
实验要求与内容
• 实验要求：构建一个以下水箱液位为主被控参数、中水箱液位为副被
控参数的串级控制系统；学习、掌握如何在工程中将串级控制系统无 扰地投入自动运行，学习正确整定串级系统控制器参数的基本方法，
串级控制系统的连线准备
• 串级控制最主要的特征是一个控制系统中有两个控制回路，副回路含
在主回路之内；两个控制器是串联的，通过仅有的一个执行环节进行 控制，主控制器指挥操纵副控制器完成控制动作 • 在实际操作中，应特别注意控制器连线以及界面上显示的操作状态 • 实验过程中使用的两控制器，左侧控制器为主控制器，其输入端连接 到下液位变送器，输出端接到右侧副控制器的设定值输入端口；右侧 控制器为副控制器，其输入端连接到中液位变送器，输出端接到控制 阀的输入端口
串级控制系统手动-自动无扰切换
特别提示：实际的工业控制操作，一般要调整测量值等于设定值，在
实验中为了缩短实验时间，故采用调整设定值等于测量值
MV1
PV1 PV2
MV2
串级系统方框图与实际信号连接对照
3. 待各控制器的偏差消除后，分别把比例度和积分时间设置为 100 和
30。然后按“先副后主”的顺序，把两控制器依次投入“自动”；
串级控制系统整定实验报告
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。
串级控制实验报告
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
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。
过程控制系统串级控制系统实验
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
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
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。
4串级控制系统(4)
单回路控制
串级控制
12
第4章 串级控制系统
4.2 串级控制系统的特点
1. 改善对象的动态特性,提高系统的工作频率
串级控制等效方框图
G02 s
*
等效副对象为
Y2 s
F2 s
1 Gc 2 s Gv s G02 s G m 2 s
13
G02 s
第4章 串级控制系统
4.2 串级控制系统的特点
假设: GC 2 ( s ) K C 2 则
G 02 ( s )
*
GV ( s ) K V
G02 ( s )
K 02 1 T02 s
, Gm 2 ( s ) K m 2
K 02 1 K c 2 K v K 02 K m 2 T02 s
可以证明：在一个系统中,中间大小的时间常数的减小,有利 于提高控制质量,提高系统的可控性。 结论：等效副对象时间常数的缩小，可使系统的控制质量 获得提高。
14
第4章 串级控制系统
4.2 串级控制系统的特点
由于等效副对象时间常数缩小，系统的工作频率因此可获得提高。 系统工作频率可从系统的特征方程求出： 串级系统特征方程为
1 '2 2 '
串 单
T01 T02 ' T01 T02
T01T02 T01T02 '
1 T01 / T02 ' 1 T01 / T02
T02 T02
串 单
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第4章 串级控制系统
4.2 串级控制系统的特点
2. 具有较强的抗干扰能力，能迅速克服二次干扰
过程控制工程第四章串级控制系统
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力 发生波动，尽管控制阀门开度没变，必将引起燃烧室温度的波动 ，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。因为只 有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料 压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后，控制器根 据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带 温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔 焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当 调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。也就是 说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳 定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现，对于单回路控制系统， 不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不 到满意的控制效果。
《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
从图中可以看到，串级系统和简单系统有一个显著的
区别，即其在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，
被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作
用；一个环在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细
调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或
于是就出现了下图所示的以燃烧室温度2为被控变量的单回
路控制系统。
天津大学仁爱学院信息工程系
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《过程控制系统》 Process Control System
第四章 串级控制系统
这种控制系统对于上述的干扰有很强的抑制作用，不等到它 们影响烧成带温度，就被较早发现，及时进行控制，将它们对烧 成带温度的影响降低到最小限度。但是，我们也知道，还有直接 影响烧成带温度的干扰，例如窑道中装载制品的窑车速度、
串级控制系统实验
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。
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实验四 加热炉温度串级控制系统
（实验地点：程控实验室，崇实楼407）
一、实验目的
1、熟悉串级控制系统的结构与特点。
2、掌握串级控制系统临界比例度参数整定方法。
3、研究一次、二次阶跃扰动对系统被控量的影响。
二、实验设备
1、MATLAB 软件，
2、PC 机 三、实验原理
工业加热炉温度串级控制系统如图4-1所示，以加热炉出口温度为主控参数，以炉膛温度为副参数构成串级控制系统。
图4-1 加热炉温度串级控制系统工艺流程图
图4-1中，主、副对象，即加热炉出口温度和炉膛温度特性传递函数分别为
主对象：;)130)(130()(18001++=-s s e s G s 副对象：2
1802)1)(110()(++=-s s e s G s
主控制器的传递函数为PI 或PID ，副控制器的传递函数为P 。
对PI 控制器有 221111)(),/(,
1
11)(c c I c I I c I c c K s G T K K s K K s T K s G ==+=⎪⎪⎭⎫ ⎝
⎛+=
采用串级控制设计主、副PID 控制器参数，并给出整定后系统的阶跃响应曲线和阶跃扰动响应曲线，说明不同控制方案控制效果的区别。
四、实验过程
串级控制系统的设计需要反复调整调节器参数进行实验，利用MATLAB 中的Simulink 进行仿真，可以方便、快捷地确定出调节器的参数。
1．建立加热炉温度串级控制系统的Simulink 模型 （图4-2）
在MATLAB 环境中建立Simulink 模型如下：)(01s G 为主被控对象，)(02s G 为副被控对象，Step 为系统的输入，c 为系统的输出，q1为一次阶跃扰动，q2为二次阶跃扰动，可以用示波器观察输出波形。
PID1为主控制器，双击PID 控制器可设置参数：（PID 模块在
MATLAB/Simulink Library Browser/Simulink Extras ），Step 为阶跃信号，参数起始时间应设置为0。
Delay 为延迟环节，在Simulink/Continuous 子目录中。
串级控制系统建模如图4-2。
（仿真时间=5000s ）
图4-2 加热炉温度串级控制系统模型
2. 采用临界比例度法确定PID2（副调节器）参数：取212c K =，使副回路产生临
界等幅振荡，记录22222/1/k c c K K δδδ==⇒== 。
加入比例系数，记录副回路的
输出波形。
与单回路相同，采用临界比例度法确定主回路的PID1参数，记录数据，并反复修改参数，得到较理想的响应曲线，记录对应的PI 参数，在实验报告中写入该参数值及对应的波形。
临界比例度法确定PID1的参数：取21=c K ～3，2c K 不变，使系统产生临界振荡，记录11k k T δ、，利用临界比例度法参数计算表（教材161页），求取PID1分别为P 、PI 及PID 时的参数。
假设1 1.2c K =时产生临界振荡（要自己调试出实际值），设测试得1350k T s =， 则P 参数计算：（注：比例控制不做扰动实验）
6.0/16
7.12.1/22==⇒===δδδc k K 。
如果选PI 调节器，则,546.0/183.12.1/2.22.2==⇒===δδδc k K 5.29735085.085.0=⨯==k I T T
00183.05.297/546.0/===I c I T K K 。
把c K 、I K 作为比例、积分系数填入PID1中。
如果波形不理想，应反复调节，得到较理想的响应曲线对应的PI 参数，在实验报告中记录该参数值及对应的波形。
3. 加入单位阶跃一次扰动、单位阶跃二次扰动，输入设为零：r=0，测试对应输出曲线。
4. 阶跃响应及扰动作用时的波形如下。
图4-3 串级控制系统输出波形
记录串级控制系统在二次阶跃扰动（q2=1,q1=0,r=0）输入下的输出响应曲线；一次阶跃扰动（q1=1, q2=0,r=0）输入下的输出响应曲线。
(a) 一次扰动时的输出响应 (b) 二次扰动时的输出响应 图4-4干扰作用时的输出波形
5. PID 算法：采用临界比例度法确定主调节器PID1的参数：2c K 仍不变，计算PID1的参数：
==⇒=
=δδδ/17.1c k K ==⇒=
=I
c I k I T K K T T /5.0 ==⇒=
=D c D k D T K K T T 13.0
把计算参数代入PID 模块中，反复调节，调出理想波形，记录此时的参数及波形，并
标注在图形中。
将调整好的单回路与串级控制时的性能指标填入下表，对各参数进行对比，说明采用单回路控制与串级控制时的阶跃响应及抑制扰动能力区别。
表4-1 实验分析表 五、实验报告要求
1、画出本实验中单回路和串级控制系统的仿真模型。
2、记录各种实验时的调节器参数及系统输出波形。
六、思考题
1、试述串级控制系统为什么对二次扰动具有很强的抗扰能力？
2、为什么本实验中的副调节器采用比例（P）调节器？。