双容水箱串级PID控制实验液位

双容水箱液位串级PID控制实验
一、实验目的
1、进一步熟悉PID调节规律
2、学习串级PID控制系统的组成和原理
3、学习串级PID控制系统投运和参数整定
二、实验设备
1、四水箱实验系统DDC实验软件
2、PC机（Window 2000 Professional 操作系统）
三、实验原理
1、控制系统的组成及原理
一个控制器的输出用来改变另一个控制器的设定值，这样连接起来的两个控制器称为“串级”控制器。

两个控制器都有各自的测量输入，但只有主控制器具有自
己独立的设定值，只有副控制器的输出信号送给被控对象，这样组成的系统称为串
级控制系统。

本仿真系统的双容水箱串级控制系统如下图所示：
图17－1 本仿真系统的双容水箱串级控制系统框图
串级控制器术语说明
主变量：y1称主变量。

使它保持平稳使控制的主要目的
副变量：y2称副变量。

它是被控制过程中引出的中间变量
副对象：上水箱
主对象：下水箱
主控制器：PID控制器1，它接受的是主变量的偏差e1，其输出是去改变副控
制器的设定值
副控制器：PID控制器2，它接受的是副变量的偏差e2，其输出去控制阀门
副回路：处于串级控制系统内部的，由PID控制器2和上水箱组成的回路
主回路：若将副回路看成一个以主控制器输出r2为输入，以副变量y2为输出的等效环节，则串级系统转化为一个单回路，即主回路。

串级控制系统从总体上看，仍然是一个定值控制系统，因此，主变量在干扰作用下的过渡过程和单回路定值控制系统的过渡过程具有相同的品质指标。

但是串级控制系统和单回路系统相比，在结构上从对象中引入一个中间变量（副变量）构成了一个回路，因此具有一系列的特点。

串级控制系统的主要优点有：
1）副回路的干扰抑制作用
发生在副回路的干扰，在影响主回路之前即可由副控制器加以校正2）主回路响应速度的改善
副回路的存在，使副对象的相位滞后对控制系统的影响减小，从而改善了主回路的相应速度
3）鲁棒性的增强
串级系统对副对象及控制阀特性的变化具有较好的鲁棒性
4）副回路控制的作用
副回路可以按照主回路的需要对于质量流和能量流实施精确的控制由此可见，串级控制是改善调节过程极为有效的方法，因此得到了广泛的应用。

2、串级PID控制系统投运
串级控制系统和简单控制系统的投运要求一样，必须保证无扰动切换，采用先副回路后主回路的投运方式。

这里以我们的串级控制系统为例，给出具体的操作步骤：
A.将主、副控制器的切换开关都置于手动位置，副回路处于内给定
B.用副控制器的输出控制阀门，使主变量接近设定值，当工况比较平稳时，
将副控制器设成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定值
跟踪副变量
C.手动设定主控制器的输出值等于副控制器的设定值，当工况比较平稳时，
将主控制器设置成自动——无扰动切换，因为手动状态时副控制器的设定
值跟踪副变量
D.串级两个控制器，将副回路控制器设置成“远端模式”，这样主控制器的
输出便作为副控制器的设定值，从而构成串级系统
3、串级PID控制系统的参数整定
串级控制系统参数整定也采用先副后主的方式。

在整定时，应尽量加大副调节器的增益，提高副环的频率，使主、副回路的频率错开，最好相差3倍以上。

整定时，先切除主调节器，使主环处于断开的情况下，按通常的方法整定副调节器的参数。

然后在投入副回路的情况下，把副环作为弱阻尼的二阶环节等效对象，再加上副环外的部分对象，按通常方法整定主调节器参数。

四、实验步骤
1、进入实验
运行四水箱实验系统DDC实验软件，进入首页界面；
选择实验模式为“DDC模块”；
单击实验菜单，进入双容水箱液位串级控制实验界面，如下图所示：
2、选择控制回路
A、选择对象
在实验界面的“请选择控制回路”选择框中选择控制回路，如下图所示：
从两个回路中任选一个。

B、组成控制回路
当选择“串级回路1”作为控制回路时，须打开进水阀V13，关闭其它进水阀；
当选择“串级回路2”作为控制回路时，须打开进水阀V14，关闭其它进水阀。

这样便构成了一个控制回路。

在串级控制系统中，上水箱为串级系统的副回路——对应的PID控制器为串级的后级，下水箱为串级系统的主回路——对应的PID控制器为串级的前级
3、选择控制器工作点
a、将副回路的PID控制器设成手动
单击实验界面中的副回路PID控制器标签打开副回路PID控制器界面，然后
单击副回路PID控制器的“手动”按钮
b、设定工作点
单击副回路PID控制器界面中MV柱体旁的增/减键，设置MV（U1）的值
c、进行对象动态特性测试（参见已做过的实验）
给MV一个阶跃，将1号和3号水箱的液位变化数据记录在表1中：
根据实验数据用两点法建立3号和1号水箱的传递函数，作为PID初始参数计算的依据。

4、调节串级的后级
a、设置PID参数
根据对象特性，查表计算PID初始参数，P＝I＝D＝，并将参数输入到控制器中，并进行微调，使内回路控制效果达到最佳。

b、将控制器设成自动状态
保持模式为本地模式
单击副回路PID控制器界面中副回路PID控制器的“自动”按钮
5、调节串级的前级
前提：等液位稳定后
a、将控制器设成手动状态
单击主回路PID控制器界面的“手动”按钮
b、设置控制的输出值
单击MV柱体旁的增/减键，设置MV（Z1）的值，使其与副回路PID控制器
的设定值相等。

c、设置控制器PID参数
根据对象特性，设置
P＝I＝D＝
并将参数输入到控制器中，参加前面实验
d、将控制器设成自动状态
单击主回路PID控制器的“自动”按钮
6、串接两个PID控制器
将串级后级的PID控制器设置成“远端模式”
此时，串级前级的输出值便作为串级后级的设定值。

7、串级PID控制器的控制效果
通过“实时趋势”或“历史趋势”窗体可以查看趋势曲线；
根据趋势曲线，从超调量、过渡时间和衰减比等方面对控制效果进行评估
当达到或接近期望效果时，跳到第9步。

8、根据控制效果，调整PID控制器参数
当控制效果不佳时，重新将控制器设置成手动，根据调节规律
跳转到第5步，继续实验。

9、数据记录
记录控制的调节参数，并利用趋势窗体查看控制效果，并结果记录在下表中：
10、结果分析
根据记录的实验数据，依据超调量、过渡时间和衰减比等特性参数评估串级控制的效果。

五、注意事项
四水箱实验系统DDC实验软件使用时，确保文件“四容水箱系统数据库”不在使用。

六、实验报告
1、通过趋势曲线，分析串级控制的效果
2、评估控制器参数对控制效果的影响
3、分析串级控制和单回路PID控制不同之处。

七、思考题
1、串级控制相比于单回路控制有什么优点?
2、为什么串级控制系统在加了副回路控制后控制量得到较大提升？
3、串级控制系统应如何投运？
4、串级控制系统参数应如何整定？。