实验四 下水箱液位和进口流量串级控制实验
水箱液位串级控制系统实训报告
实训指导教师：系别：专业：生产进程自动化班级：姓名：实训地点：实训时间：9.2.2 水箱液位串级控制系统1.实训目的（1）熟悉集散控制系统的组成（见附录B）。
（2）学习MACS组态软件的利用方式。
（3）培育学生灵活组态的能力。
（4）掌握系统组态与装置调试的技能。
（5）掌握串级控制系统的组态方式。
2.实训内容（1）水箱液位串级控制系统数据库组态。
（2）水箱液位串级控制系统设备组态。
（3）水箱液位串级控制系统算法组态。
（4）水箱液位串级控制系统画面组态。
（5）水箱液位串级控制系统调试。
3.实训设备和器材（1）THSA-1型生产进程自动化技术综合实训装置。
（2）万用表一个、PC/PPI通信电缆一根。
4.实训接线参照图完成系统接线。
图水箱液位串级控制系统接线图5.实训步骤（1）工程分析水箱液位串级控制系统需要两个输入信号端子和一个输出端子，因此选用一个模拟量输入模块（FM148A）和一个模拟量输出模块（FM151）。
FM148A的通道2收集上水箱液位数据，FM148A的通道3收集中水箱液位数据，控制输出信号由模拟量输出模块（FM151）的通道1送出，去操纵电动控制阀的开度。
（2）成立工程。
①参照图和图，打开数据库组态工具，进入数据库组态界面。
图数据库组态工具打开步骤图数据库组态界面②在数据库总控组态界面中工具栏下单击新建工程按钮，弹出如图所示添加工程的对话框，添入工程名称，单击肯定。
图添加工程③工程成立以后能够在c：\hs2000macs组态软件下看到新建的工程名称。
（3）编辑数据库。
①选择编辑→编辑数据库，在弹出的对话框如图所示，输入用户名Bjhc和密码3dlcz，单击肯定，进入数据库编辑界面。
图进入数据库编辑界面②参照图(a)选择系统→数据操作，单击肯定，弹出如图(b)所示窗口。
因为水箱液位串级控制控制系统利用两个模块，三个通道，所以需要编辑三个点号。
③单击数据操作后，选择模拟量输入，在右边选择项名列表框中，选择必需设置的项目名称，见表，单击肯定并添加记录。
下水箱液位和进口流量串级控制试验概要
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-FS/FBS 现场系统，任意控制系统。
（该实验要求中、下水箱均配置液位传感器）三、实验原理单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值问题。
但是，随着现代工业生产的迅速发展，工艺操作条件的要求更加严格，对安全运行和经济性及对控制质量的要求也更高。
但回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求，在这样的情况下，串级控制系统就应运而生。
1、串级控制系统的结构串级控制系统是改善控制质量的有效方法之一，在过程控制中得到广泛地应用，串级控制系统是指不止采用一个控制器，而是将两个或几个控制器相串级，是将一个控制器的输入作为下一个控制器设定值的控制系统。
2、串级控制系统的名词术语主被控参数：在串级控制系统中起主导作用的那个被控参数。
副被控参数：在串级控制系统中为了稳定主被控参数而引入的中间辅助变量。
主被控过程：由主参数表征其特性的生产过程，主回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为副被控参数，输出为主控参数。
副被控过程：由副被控参数为输出的生产过程，副回路所包含的过程，是整个过程的一部分，其输入为控制参数。
主调节器：按主参数的测量值与给定值的偏差进行工作的调节器，其输出作为副调节器的给定值。
副调节器：按副参数的测量值与主调节器输出的偏差进行工作的调节器，其输出直接控制调节阀动作。
副回路：由副调节器、副被控过程、副测量变送器等组成的闭合回路。
主回路：由主调节器、副回路、主被控过程及主测量变送器等组成的闭合回路。
一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动。
当生产过程处于稳定状态时，它的控制量与被控量都稳定在某一定值。
当扰动破坏了平衡工况时，串级控制系统便开始了其控制过程。
水箱水位与水泵供水流量串级控制系统
水箱水位与水泵供水流量串级控制系统
简介
本文档将介绍一种水箱水位与水泵供水流量串级控制系统，该系统可以根据水箱的水位变化自动调整水泵的供水流量，确保水箱的水位处于合适的范围内。
系统原理
该系统由水箱、水位传感器、水泵和控制器组成。
水位传感器安装在水箱中，用于测量水位的变化。
控制器根据传感器测量到的水位信息，通过调整水泵的供水流量来控制水箱的水位。
系统工作流程
1. 当水箱的水位低于设定的最低水位时，控制器将开启水泵，并将供水流量调至最大。
2. 当水箱的水位达到设定的最高水位时，控制器将关闭水泵。
3. 当水箱的水位处于最低水位和最高水位之间时，控制器将根据水位的变化调整水泵的供水流量。
水位上升时，供水流量逐渐减小；水位下降时，供水流量逐渐增大。
通过这种方式，系统可以稳定地控制水箱的水位。
优点与应用
该系统具有以下优点：
- 系统简单可靠，易于实现和维护。
- 可根据实际需求设定水位范围，确保水箱的水位在合适的范围内。
- 可自动调整供水流量，避免过度供水或供水不足的情况。
该系统适用于以下场景：
- 水箱供水系统，如楼宇供水系统、农田灌溉系统等。
- 需要稳定控制水位的场合，如水池、水塔等。
总结
水箱水位与水泵供水流量串级控制系统是一种简单可靠的系统，可根据水箱的水位变化自动调整水泵的供水流量。
通过该系统，可
以确保水箱的水位在合适的范围内，避免供水过度或不足的情况发生。
该系统适用于各种水箱供水系统的场合。
水箱液位串级控制系统
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．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。
二、实验设备三、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2所示。
图2 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。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制1．将两个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件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”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
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 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
水箱液位与进水流量串级控制系统设计
题目（二）:水箱液位与进水流量串级控制系统设计一、初始条件1.课程设计辅导资料：“过程控制系统和应用”、“过程控制系统与仪表”、“过程控制仪表及控制系统”、“过程控制系统”等；2.先修课程：测量仪表与自动化等。
3.主要涉及的知识点：过程控制仪表、控制系统、被控过程等二、要求完成的主要任务1.课程设计时间：4周；2.课程设计内容：本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。
3.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：1)目录；2)摘要；3)生产工艺和控制原理介绍；4)控制参数和被控参数选择；5)控制仪表及技术参数；6)控制流程图及控制系统方框图；7)总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；8)课程设计的心得体会（至少500字）；9)参考文献（不少于5篇）；10)其它必要内容等。
三、时间安排：具体时间设计内容11月10日指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍。
学生确定选题，明确设计要求11月11日——11月14日查阅与设计有关的资料。
11月17日~11月19日根据查阅的资料，进行方案设计11月20日~11月21日确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数；画控制流程图及控制系统方框图。
11月24日——11月29日撰写课程设计说明书。
12月1日——12月3日课程设计初稿的修订12月4日上交课程设计说明书。
12月5日课程设计进行答辩I。
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。
液位串级控制实验报告
液位串级控制实验报告液位串级控制是对压力变送器技术的延伸和发展，根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理，实现对水、油及糊状物的体积、液高、重量的准确测量和传送。
实验报告：1、工作原理液位变送器工作原理是当被测介质的两种压力通入高、低两压力室，作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。
液位变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。
当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。
压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。
A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。
微处理器控制变送器的工作。
另外，它进行传感器线性化。
重置测量范围。
工程单位换算、阻尼、开方，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。
本微处理器中有16字节程序的RAM，并有三个16位计数器，其中之一执行A/D转换。
D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。
数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。
数字通信线路为变送器提供一个与外部设备(如205型智能通信器或采用HART协议的控制系统)的连接接口。
此线路检测叠加在4-20mA信号的数字信号，并通过回路传送所需信息。
通信的类型为移频键控FSK技术并依据BeII202标准。
2、使用方法一、最好选择稳压电源单独供电。
电源的稳定性影响着变送器的性能指标，最好将其误差控制在变送器允许误差五分之一以下。
对于有特殊供电要求的产品，必须接特殊电源。
二、液位变送器信号线要采取带屏蔽的电缆，防止电磁波干扰。
三、按照正确的接线方法连接变送器，其通电时间要在十五到三十分钟。
四、如果液位变送器安装在水池、水塔等场合，可以将它的探头沉于水底，远离水流速过快的位置。
水箱液位和注水流量串级控制PLC系统设计
科信学院课程设计说明书（2011 /2012 学年第二学期）课程名称：PLC应用课程设计题目：水箱液位和注水流量串级控制PLC系统设计专业班级：学生姓名：学号：指导教师：刘增环、岑毅南、王艳芬等设计周数：2周设计成绩：2012年6月21日目录1.课程设计目的 (2)2.设计正文 (2)2.1 技术要求 (2)2.2 方案设计 (2)2.3 I/O口分配表 (2)2.4 系统分析 (2)2.5 PLC程序 (2)主程序 (3)子程序 (4)中断子程序0 (6)2.4 电路设计 (8)3、课程设计总结 (8)4、参考文献 (9)1、课程设计目的通过本次课程设计,加深对PLC知识的理解；了解力基于PLC的过程控制工程设计流程及方法；重点掌握PLC的I/O地址分配、信号采集、PID控制算法、程序编辑以及调试运行方法。
结合课程设计的内容，熟悉过程控制工程中需要编写的技术文档；加强对PLC编程能力；培养全面、周到的考虑实际问题的习惯；学会查阅有关专业技术资料及设计手册，提高进行独立设计的能力并完成课程设计相关任务。
（1）了解水箱液位控制系统的物理结构、闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。
（2）逐一明确各路检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、信号调节电路、引入PLC的接线以及PLC中的编址。
（3）逐一明确PLC到各执行机构的输入通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。
（4）绘制水箱液位控制系统的电路原理图，编制I/O口地址分配表。
（5）编制PLC的程序，结合实验室现有设备进行调试，要求尽可能多地在实验设备上演示控制过程。
2、课程设计正文2.1技术要求水箱液位和注水流量串级控制系统主要由水箱、管道、水泵、异步电动机、电机控制电器、水压力传感器、涡轮流量计、电动调节阀、可编程控制器及其输入（检测）输出（控制）通道电路构成。
其中电动机和水泵作为动力系统。
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”；
上下水箱液位串级控制系统
实验六上下水箱液位串级控制一、实验目的1、了解复杂过程控制系统的构成。
2、掌握复杂过程控制一—串级控制方法。
3、控制要求：超调量σ＜20%，调节时间Ts≤3T，余差＜5%。
二、实验设备及参考资料1、PCS-B过程控制实验装置（使用其中：电动调节阀、DDC控制单元、上下水箱及液位变送器、水泵1系统等）。
2、电动调节阀的操作说明书、液位变送器的调试（一般出厂之前已调试好）方法。
三、实验系统流程图：四、实验原理本实验采用计算机控制,将下水箱液位控制在设定高度。
串级回路是由内反馈组成的双环控制系统，属于复杂控制范畴。
在计算机中设置了两个虚拟调节器作为主副调节器。
将下水箱的液位信号输出作为主调节器输入，主调节器的输出作为副调节器的输入，在串级控制系统中，两个调节器任务不同，因此要选择调节器的不同调节规律进行控制，副调节器主要任务是快速动作，迅速抵制进入副回路的扰动，至于副回路的调节不要求一定是无静差。
主调节器的任务是准确保持下水箱液位在设定值，因此，主调节器采用PI调节器也可考虑采用PID调节器。
串级控制系统的方块原理图如图1。
图1串级控制系统的方块原理图串级控制系统的参数整定①. 两步整定法第一步整定副回路的副控制器；第二步整定主回路的主控制器。
a. 在系统工作状况稳定，主、副回路主控制器在纯比例作用的条件下，将副控制器的比例带δ取100％，再逐渐降低副控制器的比例带，用整定单回路的方法来整定副回路。
如用4：1衰减法来整定副回路，则求出副参数在4：1衰减时的副控制器比例带δ2S和操作周期T2S。
b.使主控制比例带置于δ1S的数值上，逐渐降低主控制器的比例带δ1S，求出同样衰减比时主回路的过渡过程曲线，记录此时主控制器的比例带δ1S和操作周期T1S。
c.将上述步骤中求出的δ1S、T1S、δ2S、T2S按所用的4：1衰减曲线的整定方法，求出主、副控制器的整定参数。
d.按照“先副后主，先比例次积分后微分”的原则，将计算机得出的控制器参数置于各种控制器之上。
水箱水位控制实验报告
水箱水位控制实验报告实验名称：水箱水位控制实验实验目的：1. 理解并掌握水位控制的基本原理；2. 学习并掌握PID控制器的原理和应用；3. 进一步培养分析和解决问题的能力。
实验原理：水箱水位控制是典型的反馈控制系统，它的基本原理是根据传感器检测到的水位信号，通过控制阀门的开度来调节进水和排水的流量，从而实现控制水箱水位的目的。
PID（Proportional-Integral-Derivative）控制器是一种常用的控制器，它能根据给定的目标值和当前的反馈信号，通过比例、积分和微分三个控制参数来实现对系统的精确控制。
实验步骤：1. 搭建水箱水位控制实验装置，包括水箱、加水阀门、排水阀门、水位传感器和PID控制器等；2. 使用水位传感器对水箱的水位进行实时检测，并将检测到的信号传输给PID 控制器；3. 设置PID控制器的参数，并设定所需的水位目标值；4. PID控制器根据当前的水位反馈信号，通过计算得出相应的控制信号，进而调节阀门的开度；5. 根据控制信号的变化，调整阀门的开度，从而控制进水和排水的流量，以达到控制水箱水位的目的；6. 不断监测水箱水位的变化，对PID控制器的参数进行调整，优化控制系统的性能；7. 记录实验数据，并分析实验结果。
实验结果与分析：通过实验，我们可以得到一系列的实验数据，包括水箱水位和时间的变化关系、阀门开度和时间的变化关系等。
根据这些数据，我们可以对系统进行分析和优化。
在实验过程中，我们可以观察到如下现象：1. 当PID控制器的参数设置不合理时，系统的水位控制效果不佳，水位波动较大；2. 通过合理调整PID控制器的参数，可以减小水位波动，使得水位能够在较短的时间内达到稳定状态；3. 在某些情况下，系统的响应时间会较长，此时需要进一步优化PID控制器的参数；4. 可以通过改变目标水位值，观察系统的响应特性，进一步研究系统的稳定性和灵敏度。
实验结论：通过本实验，我们深入了解了水箱水位控制的基本原理和PID控制器的原理与应用。
DCS课程设计 水箱液位串级控制
目录1 题目背景与意义11.1 题目背景11.2 课题意义 (1)2 设计题目介绍 (1)2.1设计内容和要求 (1)2.2 集散控制系统根本组成 (2)2.3 设计原理及分析 (3)3 系统设计方案 (6)3.1双容水箱控制 (7)3.2串级控制 (7)4 系统硬件设计 (8)4.1数据采集模块 (8)4.1.1 模拟量输入模块 (8)4.1.2 模拟量输出模块 (9)4.2仪表和执行机构选型 (11)4.3系统连线 (11)4.3.1 模拟量输入模块FM148A接线 (11)4.3.2模拟量输出模块FM151A接线 (12)5 系统软件设计 (13)5.1组态画面的设计 (13)5.2通讯设置 (13)6 系统仿真调试 (15)7 结论 (16)参考文献 ......................................................... 错误!未定义书签。
71 题目背景与意义1.1 题目背景集散控制系统〔Distributed control system〕，是以多个微处理机为根底利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。
其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操作到达掌握全局的目的。
系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。
该系统将假设干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克制了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要的作用。
随着工业自动化水平的不断提高，计算机的广泛运用，人们对工业自动化的要求也越来越高。
而DCS 又有延续性和可扩大性，易学易用性和通用性，使得DCS得到长足的开展。
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。
液位流量串级控制
水箱液位控制系统的设计摘要：随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。
在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。
本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。
系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。
涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。
流量控制是内环，液位控制是外环。
制作相对应的控制画面，让画面的个按钮与变量相对应，对系统的个参数进行整定，通过不断的调试，使系统尽可能的保持在要求的位置。
系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。
目录1、设计目的和任务 (1)1.1 目的 (1)1.2 主要任务 (1)2、设计方案提出及选择 (1)2.1 液位单闭环控制系统 (1)2.2 液位流量串级控制系统 (1)3、液位串级控制系统组成结构 (2)3.1 串级控制系统的组成 (2)3.2 系统总貌图 (4)4、设计方案的控制流程图和电气原理图 (4)4.1 水箱液位串级控制系统的结构图设计 (4)4.2 水箱液位串级控制系统框图的设计 (5)4.3 电气原理图的设计 (5)5、系统工作原理 (6)5.1 水箱工作原理 (6)5.2 PID控制工作原理 (7)6、软件流程图及程序的编写 (7)7、上位机画面制作 (9)8、PID参数整定 (10)8.1 串级控制回路系统的优点 (10)8.2 串级控制系统的作用 (10)8.3 监控画面参数的调节 (10)9、结果 (11)1、设计目的和任务1.1 目的利用实验室的多容水箱及其辅助检测设备，并采用PLC作为控制器的硬件，设计一个液位控制系统，使得液位能够尽量保持平稳在设定的范围内通过课程设计，加强对课程的理解与掌握，学会查寻资料、方案比较，以及设计计算及系统调试等环节，初步掌握PLC的硬件设计和软件设计，程序调试等PLC系统的开发过程，进一步提高分析解决实际问题的能力。
下水箱液位与进水流量串级控制系统
下水箱液位与进水流量串级控制系统一、实验目的1．了解液位-流量串级控制系统的组成原理。
2．掌握液位-流量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-流量串级控制系统采用不同控制方案的实现过程。
二、实验设备三、实验原理本实验系统的主控量为下水箱的液位高度h，副控量为电动调节阀支路流量Q，它是一个辅助的控制变量。
系统由主、副两个回路所组成。
主回路是一个定值控制系统，要求系统的主控制量h等于给定值，因而系统的主调节器应为PI 或PID控制。
副回路是一个随动系统，要求副回路的输出能正确、快速地复现主调节器输出的变化规律，以达到对主控制量h的控制目的，因而副调节器可采用P控制。
但选择流量作副控参数时，为了保持系统稳定，比例度必须选得较大，这样比例控制作用偏弱，为此需引入积分作用，即采用PI控制规律。
引入积分作用的目的不是消除静差，而是增强控制作用。
显然，由于副对象管道的时间常数小于主对象下水箱的时间常数，因而当主扰动（二次扰动）作用于副回路时，通过副回路快速的调节作用消除了扰动的影响。
本实验系统结构图和方框图如图37所示。
图37 下水箱液位与进水流量串级控制系统(a)结构图 (b)方框图四、实验内容与步骤本实验选择下水箱和电动调节阀支路组成串级控制系统（也可采用变频器支路）。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8全开，将下水箱出水阀门F1-11开至适当开度，其余阀门均关闭。
具体实验内容与步骤按五种方案分别叙述，这五种方案的实验与用户所购的硬件设备有关，可根据实验需要选做或全做。
（一）、智能仪表控制1．将两个SA-12挂件挂到屏上，并将挂件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“FT1电动阀支路流量”钮子开关拨到“OFF”的位置，将“LT3下水箱液位”钮子开关拨到“ON”的位置。
上水箱下水箱液位串级控制实验
上水箱下水箱液位串级控制实验一、实验目的（1）掌握串级控制系统的基本概念和组成。
（2）掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。
（3）研究阶跃扰动分别作用在副对象和主对象时对系统主被控量的影响。
二、实验设备AE2000A型过程控制实验装置、仪表控制实验柜或计算机控制实验柜（亚当5000或7000模块）或PLC控制柜、RS232-485转换器、串口线、上位机软件、计算机、实验连接线。
三、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位做为主调节器调节对象。
控制框图如图所示：四、实验内容和步骤（1）设备的连接a)关闭阀1、阀22将AE2000A 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）；b)打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀6，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀2、阀10、阀17、阀20，打开上水箱的出水阀：阀8至适当开度；c)使用仪表控制实验柜时，将主调节仪的4~20mA输出接至I/O信号面板的温度变送器转换电阻上转换成1~5V电压信号，再将此转换信号接至另一调节仪（副调节器）输入端作为外部给定，上水箱液位信号转换为电压信号后接入副调节器的输入端。
调节器输出的4~20mA接电动调节阀的4~20mA控制信号两端；d)使用计算机控制柜和PLC控制柜时，用连接线将面板“上水箱液位”连接至“AI”，“下水箱液位”连接至“AI1”，“电动调节阀”连接至“AO”，注意极性相符。
（2）实验步骤a)打开控制器、电动调节阀、24VDC电源开关。
b)启动计算机组态软件，进入实验系统相应的实验c)待系统稳定后，在上水箱给一个阶跃信号，观察软件的实时曲线的变化，并记录此曲线。
d)系统稳定后，在副回路上加干扰信号，观察主回路和副回路上的实时曲线的变化。
记录并保存曲线。
五、实验报告要求。
（1）画出串级控制系统的控制方块图。
（2）分析串级控制和单回路PID控制不同之处。
六、注意事项（1）实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。
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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。