串级控制实验步骤-给学生
实验四 串级控制系统
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：21802)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)(),/(,111)(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。
串级控制实验步骤-给学生
过程控制系统实验报告姓名：黄佳鑫班级：自动化1201学号：1210410106实验三：利用MATLAB/对串级控制系统进行仿真一、实验目的1．学会利用MATLAB/Simulink 对串级控制系统进行参数整定。
2．学会利用MA TLAB/Simulink 分析串级控制系统的抗干扰能力。
二、实验设备安装Windows 系统和MATLAB 软件的计算机一台。
三、实验内容构成以锅炉温度为主变量，锅炉夹套温度为副变量的串级控制系统，假设主、副对象传递函数分别为试采用串级控制设计主、副PID 控制器的参数，并与等效的简单控制系统进行抗干扰能力的比较。
四、实验步骤1．系统设计和参数整定1）简单控制系统(1) 利用NCD Outport （ 或Signal Constraint ）模块，建立如下图所示的简单控制系统的Simulink 结构图。
图一 仿真电路图首先点击Simulation →Configuration Parameters(stop time 设置为100，其余参数采用默认值) 在MA TLAB 窗口中利用以下命令对PID 控制器的初始值进行任意设置：>>Kc=1;Ti=1;Td=1; 然后，双击Signal constraint →g oals →desired response →点击第2个选框→进行设置参数（Settling Time 为25、Rise Time 为15、% overshoot 为12,其余参数采用默认值）单机ok 。
图二11()(301)(31)p G s s s =++221()(101)(1)p G s s s =++注：在图二中应注意把Final value的值改到和给定值相同的值，因为我们控制的最终目的是达到给定要求。
Optimization →T uned Parameters→add(添加需要优化的参数，参数采用默认值)→点击ok。
图三注：在操作图三的过程中，应采取默认值，因为我们实验前不知道参数的准确范围，所以采用默认参数，如若能确定参数的范围，可以进行最大值和最小值的修改，但范围尽量选的较大。
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。
实验4：串级控制20110526
实验四：上水箱液位和流量串级实验实验目的：(1) 掌握串级控制系统的基本概念及组成结构(2) 掌握串级控制系统的特点和设计方法，掌握串级控制主、副回路的选择(3) 掌握串级控制系统参数整定方法，以及串级控制系统参数的设置实验仪器：水泵、压力变送器、变频器、调节器（708型）、上水箱、上水箱液位变送器、调节器（708型）、主回路流量计、主回路流量变送器、主回路调节阀、调节器（888型）、牛顿模块（输入、输出）实验内容：调节器控制实验系统的流程图如下所示：上水箱液位和流量串级控制实验（调节器控制）系统框图液位和流量串级控制实验（调节器）接线图①恒压供水回路②液位和流量串级控制计算机控制实验系统的流程图如下所示：上水箱液位和流量串级控制实验（计算机控制）系统框图实验步骤；调节器控制：1、选择控制系统的方案，上水箱液位和主回路流量。
2、选择主被控参数、副被控参数，打开上水箱进水电磁阀V3、上水箱排水电磁阀、中水箱手动排水阀。
3、主副调节器，在恒压供水条件下工作，将上水箱和流量组成串级实验所用设备，按系统框图接好实验导线。
4、实验参数的整定，先自整定副回路流量系统。
待系统稳定后再整定主回路液位系统，最后串在一起整定。
待系统稳定后，上水箱液位给定值加个阶跃（幅度不要太大），观察流量和液位变化，并绘制曲线。
5、稳定后，分别在主副回路加一个干扰信号，然后观察流量和液位的变化。
计算机控制：1、打开计算机组态王软件的工程管理器，选中“串级实验”，点击运行，进入串级实验界面。
2、点击“自动/手动”按钮，使系统在自动状态，点击“PID设定按钮”，调出PID设定界面。
PID设定1框图是副回路流量参数，PID设定2框图是主回路液位参数。
3、投入参数，观察液位和流量的曲线，调整参数观察计算机控制的效果。
待系统稳定后，给定加个阶跃信号，观察其液位的变化曲线。
4、再等系统稳定后，给系统下水箱加干扰信号，观察上水箱液位变化曲线。
1、根据试验结果编写实验报告。
实验三 串级控制实验2016
实验三串级控制实验一、实验目的1．熟悉串级控制系统的结构与特点。
2．掌握串级控制系统的投运与参数整定方法。
3．了解阶跃扰动分别作用于副对象和主对象时对系统主变量的影响。
二、实验设备1．PCS-C型过程控制综合实验装置(DDC控制单元、信号及控制板)。
2．计算机及MCGS组态软件(PCS-C-DDC.MCG)。
3．实验专用线若干及九芯通讯线两根。
三、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控制器作为主副控制器。
将上水箱的液位信号输出作为主控制器输入，主控制器的输出作为副控制器的输入，在串级控制系统中，两个控制器任务不同，因此要选择控制器的不同调节规律进行控制，副控制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。
主控制器的任务是准确保持下水箱液位在设定值，因此，主控制器采用PI控制器也可考虑采用PID控制器。
上下水箱液位串级控制系统的方块原理图如图4.2所示。
图4.1 液位串级控制系统块原理图串级控制系统的参数整定参考本章概述部分内容。
四、实验步骤与内容1．了解实验装置中的对象，流程图如图4.2所示。
图4.2 上下水箱液位串级控制系统流程图2．按图4.3接好实验导线和通讯线。
图4.3上下水箱双容串级控制实验接线图（高联实验台）上下水箱双容串级控制实验接线图（云创实验台）3．将控制台背面的通讯口与上位机连接。
4．将手动阀门1V1、V4、V6打开，将手动阀门1V6、1V7、LV关闭。
5．先打开实验对象的系统电源，然后打开控制台上的总电源，再打开直流电压和DDC控制单元电源。
6．打开计算机上的MCGS运行环境，选择“系统管理”下拉菜单中的“用户登录”，出现如下界面。
图4.4 用户登录界面7．点击“确认”，用户登录完毕。
选择“串级控制实验”下拉菜单中的“上下水箱双容控制实验”。
实验3 串级控制系统实验
实验三串级控制系统实验
一．试验类型：设计型。
二．实验目的：
⒈掌握串级控制系统的组成、结构和设计方法。
⒉掌握串级控制系统的投运步骤。
⒊掌握控制器参数的整定方法。
⒋掌握串级控制系统回路状态的无扰动切换方法。
三．实验内容：
水槽的液位控制系统：
针对过程控制实验装置，设计水槽的液位串级调节系统。
设计并实施控制方案，进行参数整定。
四．实验要求：
⒈根据工艺流程设计控制方案，确定测量点和控制点（调节量和被调量），绘出控
制系统工艺流程图。
⒉绘出控制系统方框图。
⒊画出控制系统电路原理图。
⒋按步骤投运，进行控制器参数整定，加干扰测试，使系统达到4：1衰减过渡过
程。
五．实验设备：
⒈被控对象：水槽液位。
⒉控制装置：PLC。
⒊仪表：液位变送器。
⒋执行器：电动调节阀。
⒌附属设施：变频器，水泵等。
六．预习要求：
预习串级控制系统相关知识。
严格按实验要求中各项内容进行准备，绘制所需图表，描述整定方法，并准备调试过程数据记录表格。
预先确定实验步骤。
七．实验报告要求
⒈控制方案说明，系统方框图和接线图。
⒉参数整定结果及相应过渡过程曲线。
⒊总结PID参数对控制效果的影响。
4．与实验二的结果对比，分析串级控制系统的特点。
八．思考题
⒈串级控制系统的特点。
4。
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）
计算机控制技术 串级控制算法的研究实验
计算机控制技术串级控制算法的研究实验
计算机控制技术中的串级控制算法是一种常用的控制策略，它通过两个或更多的控制器串联起来，形成一个多层次的控制系统。
这种算法在许多领域都有广泛的应用，例如化工过程控制、电力系统和污水处理等。
为了研究串级控制算法，需要进行实验。
以下是一个可能的实验步骤：
1. 确定实验目标：首先需要明确实验的目标，例如提高系统的稳定性、减小系统的超调量等。
2. 构建控制系统：根据实验目标，设计一个由两个或更多的控制器串联组成的控制系统。
这些控制器可以是比例-积分-微分（PID）控制器、模糊控制器或其他类型的控制器。
3. 模拟实验：使用计算机软件模拟控制系统的工作过程，输入不同的干扰信号，观察系统的响应和性能。
4. 分析实验结果：对实验结果进行分析，比较不同控制算法的性能，找出最优的控制参数和策略。
5. 改进控制系统：根据实验结果，对控制系统进行改进，提高其性能和稳定性。
6. 实际应用：将改进后的控制系统应用到实际场景中，验证其性能和效果。
在进行串级控制算法的研究实验时，需要注意以下几点：
1. 保证实验条件的一致性：在进行实验时，需要保证所有实验条件的一致性，例如输入信号、初始条件和系统参数等。
2. 充分考虑干扰因素：在实际应用中，系统会受到许多干扰因素的影响，因此在实验中需要充分考虑这些因素，模拟真实情况下的系统响应。
3. 比较不同控制算法的性能：在进行串级控制算法的研究实验时，需要与其他控制算法进行比较，找出最优的控制策略和参数。
4. 充分挖掘数据价值：通过分析实验数据，可以深入了解系统的动态特性和性能指标，为控制算法的优化提供依据。
过程控制：串级控制系统仿真
实验四 串级控制实验内容：SIMULINK 建模仿真 学生信息：自动化XXX 提交日期：20XX 年5月28日 报告内容： 串级控制一、实验目的1． 通过比较单回路控制系统与串级控制系统，进一步加深对串级控制的认识； 2． 掌握串级控制的参数整定方法。
二、实验设备1． 计算机1台2． MATLAB 7.X 软件1套。
三、实验步骤已知某串级控制系统的主副对象的传递函数G o1，G o2分别为：211,1001101o G s s ==++，121()101o o G s s =+，副回路干扰通道的传递函数为：221()201d G s s s =++。
1．用Simulink 画出串级控制系统的方框图及相同控制对象下的单回路控制系统方框图。
○1单回路控制系统方框图如下其中，PID C1为单回路PID 调节器，d1为一次扰动，取阶跃信号；d2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r 为系统输入，取阶跃信号；y 为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
○2串级控制系统方框图如下其中，PID C1为主调节器，采用PD调节，PID C2为副调节器，采用P调节；q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；G o2为副对象，G o1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；y为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。
2．选用PID调节器，整定调节器的参数，并绘制相应的单位阶跃响应曲线。
进行调节器的参数整定，当输入比例系数为260，积分系数为0，微分系数为140时，系统阶跃响应达到比较满意的效果，记录系统阶跃响应图。
采用这套PID参数时，二次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下，记录系统的输出响应图。
采用这套PID参数时，一次扰动作用下，置输入为0，系统框图如下，记录系统的输出响应图。
综合以上各图可以看出采用单回路控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次和二次扰动的抑制效果不是很好。
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。
实验3上、中水箱液位串级控制系统实验
实验3 上、中水箱液位串级控制系统实验一、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AE2000B型过程控制实验装置、万用表一只三、实验原理上水箱液位作为副调节器调节对象，中水箱液位作为主调节器调节对象。
控制框图如图1所示：图1 上水箱中水箱液位串级控制框图四、实验内容与步骤1、设备的连接和检查：1）将AE2000B 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）；2）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，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀；3）打开上水箱和下水箱的出水阀至适当开度；4）检查电源开关是否关闭。
2、系统连线图：1）将I/O信号接口板上的下水箱液位的钮子开关打到OFF位置，上水箱液位的钮子开关打到ON位置；2）按图2所示连线；3）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）的1端和2端作为外部给定，上水箱液位信号转换为1~5V的信号后接入副调节器的1~5V和地两端。
调节器输出的4~20mA接电动调节阀的4~20mA控制信号两端。
3、启动实验装置：1）将实验装置电源插头接到220V的单相电源上；2）打开电源单带漏电保护空气开关，电压表指示220V；3）打开总电源开关，即可开启电源。
4、实验步骤1）开启电动调节阀电源、24V电源、智能调节仪电源，调整好仪表各项参数；图2、实验接线2）设定主控参数和副控参数。
主调节器的参数与单回路闭环控制设定方法一样；3）启动动力支路，待系统稳定后，在上水箱给一个阶跃信号，观察实时曲线的变化，并记录此曲线；4）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；2、系统连接好以后，在老师的指导下，运行串级控制实验；3、为保护仪表及用电设备的使用寿命实验完毕，先关闭所有电源开关，再关电源总开关。
串级控制系统仿真实验
某串级系统的方框图如图所示，已知各环节的传递函数如下： 对象特性：，)13)(130(1)(1++=s s s G o ，)110()1(1)(22++=s s s G o 调节器：， )11()(11sT K s G i c c +=，22)(c c K s G = 调节阀： 1)(==v v K s G 变送器： 121==m m G G（1）先用稳定边界法对副调节器进行整定，求出2c K ；然后对主调节器整定，求出主调节器的参数1c K 、i T 。
（2）如果主调也用比例作用，求二类扰动D 2和一类扰动D 1在单位阶跃时主被控量的静差，并进行分析。
（3）若采用简单控制系统，已得调节器的比例增益4.5=c K ，再分别求出二类扰动D 2和一类扰动D 1在单位阶跃时的静差，且与（2）比较分析。
过程控制系统设计仿真实验报告实验名称：串级控制系统仿真实验姓名：学号：班级：一、实验目的1. 掌握串级控制系统的组成和原理2. 掌握串级控制系统两步法PID 参数整定过程。
3. 理解掌握串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。
二、实验步骤（1）a:先用稳定边界法对副调节器进行整定，求出2c K =1/P2=12.1①使系统处于串级运行状态，主，副调节器均为比例作用的条件下，先将主调节器的比例度 P1置于100%刻度上，然后有大到小逐渐降低副调节器的比例度P2，直到系统对输入的阶跃 响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数Pm=0.0412;②根据所记录的Pm ，用195页的经验公式计算调节器的整定参数:P2=2Pm=0.0824。
b:然后对主调节器整定，求出主调节器的参数1c K =1/P1=9.9、iT =9.86。
①在副调节器的比例度等于2Pm 的条件下，逐步降低主调节器的比例度P1,直到同样得到临 界振荡，记下这时的比例放大系数Pm=0.0459和临界振荡周期Tm=11.6。
②根据所记录的Pm 和Tm ，用195页的经验公式计算调节器的整定参数： P1=2.2Pm=0.10098,iT =0.85Tm=9.86。
实验一 串级控制实验
2
综合以上各图可以看出采用单回路控制，系统的阶跃响应达到要求时，系统对一次，二 次扰动的抑制效果不是很好。 下面考虑采用串级控制时的情况，下图为串级控制时的 Simulink 模型图：
图中， q1 为一次扰动， 取阶跃信号； q2 为二次扰动， 取阶跃信号； PID C1 为主控制器， 采用 PID 控制，PID C2 为副控制器，采用 PID 控制；Go2 为副对象；Go1 为主对象；r 为系 统输入，取阶跃信号；c 为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。 经过不断试验，当 PID C1 为主控制器输入比例系数为 8.4，积分系数为 12.8，微分系数 为 0 时；当 PID C2 为主控制器输入比例系数为 10，积分系数为 0，微分系数为 0 时；系统 阶跃响应达到比较满意的效果，系统阶跃响应如下图所示：
6
由图可知系统的阶跃响应效果不理想，超调太大，需要进行精调。按照步骤 4 反复实验 当 Kc1=8.4，Ki =12.8，Kc2=10 时，系统阶跃响应如下图所示：
由图可知系统的阶跃响应效果比较理想，此时整定的主副回路的参数比较合理。当然， 还可以调整不同的参数组合，以取得满意的输出响应曲线。这是一个反复的实验过程，利用 Simulink 这一便捷的工具具有很大的优势。
图中采用单回路控制的 Simulink 图，其中，q1 为一次扰动，取阶跃信号；q2 为二次扰 动，取阶跃信号；Go2 为副对象；Go1 为主对象；r 为系统输入，取阶跃信号；c 为系统输出， 它连接到示波器上，可以方便地观测输出。 图中的 PID C1 为单回路 PID 控制器，它是按照 PID 原理建立的 Simulink 中的子模块， 其内部结构如下图所示：
PID 控制器模块子系统的参数设置如下图：
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。
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
过程控制实验报告实验名称：串级控制班级：姓名：学号：实验二 串级控制系统一、实验目的1) 通过本实验，了解串级控制系统的基本结构以及主、副回路的性能特点。
2) 掌握串级控制系统的设计思想和主、副回路控制器的参数整定方法。
二、 实验原理串级控制系统由两个或两个以上的控制器、相应数量的检测变送器和一个执行器组成。
控制器相串联，副控制器的输入由主控制器的输出设定。
主回路是恒值控制系统，对主控制器的输出而言，副回路是随动系统，对二次扰动而言，副回路是恒值控制系统。
串级控制的主要优点可概括如下:1) 由于副回路的存在，改善了对象的部分特性，使系统的工作频率提高，加快了调节过程。
2) 由于副回路的存在，串级控制系统对二次扰动具有较强的克服能力。
3) 串级控制系统提高了克服一次扰动的能力和回路参数变化的自适应能力。
串级控制系统副回路的设计原则：1) 副回路应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁和幅度大的扰动。
在可能的情况下力求包含尽可能多的扰动。
2) 当对象具有较大纯滞后时，在设计时应使副回路尽量少包括或不包括纯滞后。
3) 当对象具有非线性环节时，在设计时应使非线性环节于副环之中。
4) 副回路设计时应考虑主、副对象时间常数的匹配，以防共振。
5) 所设计的副回路需考虑到方案的经济性和工艺的合理性。
串级控制系统常用的控制器参数整定方法有逐步逼近法、两步法、一步法等。
逐步逼近法1) 在主回路断开的情况下，求取副控制器的整定参数；2) 将副控制器的参数设置在所求的数值上，使串级控制系统主回路闭合，以求取主调节器的整定参数值；3) 将主调节器参数设置在所求值上，再次整定副控制器的参数值。
4) 如控制品质未达到指标，返回2)继续。
三、实验内容某系统的主、副对象传递函数分别为：12211(),()301(101)(1)P P G s G s s s s ==+++主回路有一个10s 的传输延迟，传递函数为10()s d G s e -=。
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。
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过程控制系统实验报告
姓名：黄佳鑫
班级：自动化1201
学号：1210410106
实验三：利用MATLAB/对串级控制系统进行仿真
一、实验目的
1．学会利用MATLAB/Simulink 对串级控制系统进行参数整定。
2．学会利用MA TLAB/Simulink 分析串级控制系统的抗干扰能力。
二、实验设备
安装Windows 系统和MATLAB 软件的计算机一台。
三、实验内容
构成以锅炉温度为主变量，锅炉夹套温度为副变量的串级控制系统，假设主、副对象传递函数分别为
试采用串级控制设计主、副PID 控制器的参数，并与等效的简单控制系统进行抗干扰能力的比较。
四、实验步骤
1．系统设计和参数整定
1）简单控制系统
(1) 利用NCD Outport （ 或Signal Constraint ）模块，建立如下图所示的简单控制系统的Simulink 结构图。
图一 仿真电路图
首先点击Simulation →Configuration Parameters(stop time 设置为100，其余参数采用默认值) 在MA TLAB 窗口中利用以下命令对PID 控制器的初始值进行任意设置：>>Kc=1;Ti=1;Td=1; 然后，双击Signal constraint →g oals →desired response →点击第2个选框→进行设置参数（Settling Time 为25、Rise Time 为15、% overshoot 为12,其余参数采用默认值）单机ok 。
图二
11()(301)(31)p G s s s =++22
1()(101)(1)p G s s s =++
注：在图二中应注意把Final value的值改到和给定值相同的值，因为我们控制的最终目的是达到给定要求。
Optimization →T uned Parameters→add(添加需要优化的参数，参数采用默认值)
→点击ok。
图三
注：在操作图三的过程中，应采取默认值，因为我们实验前不知道参数的准确范围，所以采用默认参数，如若能确定参数的范围，可以进行最大值和最小值的修改，但范围尽量选的较大。
点击开始，即可运行。
运行结果如下所示
图四
注：在的到图四的结果后，可进行坐标的调整edit→axes properties→得到图五，可以设定想要的参数便于分析观察图形。
图五坐标的调整
五、实验结果与分析
1、将simulink图截图至实验报告
2、将示波器显示结果和参数整定结果截图至实验报告。
3、思考并总结串级控制的参数整定的基本方法与原理，在整定过程中需要注意哪些事项。
实验结果：。