上水箱液位与进水口流量串级控制实验实验报告
上水箱液位与进水流量串级控制系统设计
课程设计任务书摘要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。
用WinCC组件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。
关键词：串级控制；PLC控制；PID控制；WinCC组件目录一、概述 (1)1.1 串级控制系统简介 (1)1.2 串级控制系统的特点 (1)1.3 主、副调节器控制规律的选择 (1)1.4 串级控制系统的整定方法 (2)二、课程设计使用的实验设备 (3)2.1 高级过程控制系统实验装置 (3)2.1.1 电源控制台 (3)2.1.2 总线控制柜 (3)2.2 计算机及相关软件 (3)2.2.1 STEP 7简介 (3)2.2.2 WINCC简介 (4)三、基本原理 (5)3.1 系统组成 (5)3.1.1 被控对象 (5)3.1.2 检测装置 (5)3.1.3 执行机构 (6)3.1.4 控制器 (6)3.2 系统工作原理 (6)3.3 控制系统流程图 (7)3.4 系统投入运行步骤 (8)四、串级控制系统PID参数整定 (11)4.1 调节器参数整定过程 (11)4.1.1 主调节器为PID (11)4.1.2 主调节器为PI (13)4.2 系统在阶跃扰动作用下的静、动态性能 (15)4.3 主、副调节器采用不同PID参数时对系统动态性能的影响 (16)结束语 (17)参考文献 (18)一、概述1.1 串级控制系统简介图2.1是串级控制系统的方框图。
液位串级控制系统实习报告
液位串级控制系统实习报告一、实习目的1. 掌握液位串级控制系统的原理及组成；2. 学习使用调节器、传感器、执行器等仪器设备；3. 培养动手能力、观察能力及问题解决能力；4. 理解并实践自动控制系统在实际工程中的应用。
二、实习内容1. 液位串级控制系统原理及组成液位串级控制系统由两个控制器级联组成，上级控制器控制下级控制器，下级控制器控制被控对象。
本实习采用的液位串级控制系统主要由液位控制器、流量控制器、调节器、传感器、执行器等组成。
2. 系统设备及参数（1）调节器：采用电动调节阀，可用于控制液位和流量。
（2）传感器：采用液位变送器，用于测量液位。
（3）执行器：采用气动执行器，用于控制阀门的开关。
（4）被控对象：水箱，用于实现液位的控制。
3. 实习过程（1）设备调试：首先对液位变送器、电动调节阀、气动执行器等设备进行调试，确保设备正常工作。
（2）系统连接：将液位变送器、调节器、执行器等设备按照原理图连接起来，形成液位串级控制系统。
（3）参数设置：根据系统要求，设置调节器的控制参数，包括比例、积分、微分等。
（4）系统投运：启动系统，观察并调整参数，使系统达到稳定运行状态。
4. 问题及解决（1）问题一：系统启动过程中，液位波动较大。
解决：调整调节器参数，减小比例系数，提高系统稳定性。
（2）问题二：液位达到设定值后，系统出现超调。
解决：增加积分时间，减小超调现象。
（3）问题三：流量控制器工作不稳定，导致液位波动。
解决：检查流量控制器设备，清理阀门及管道，确保流量稳定。
三、实习收获1. 掌握了液位串级控制系统的原理及组成；2. 学会了使用调节器、传感器、执行器等设备；3. 培养了动手能力、观察能力及问题解决能力；4. 理解了自动控制系统在实际工程中的应用。
四、实习总结通过本次实习，我对液位串级控制系统有了更深入的了解，掌握了系统的原理、组成及调试方法。
在实际操作过程中，我学会了使用调节器、传感器、执行器等设备，并培养了动手能力、观察能力及问题解决能力。
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。
实验三上水箱下水箱液位串级控制实验
实验三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3-1所示：3-1、上水箱下水箱液位串级控制框图三.实验设备AE2000A型过程控制实验装置：上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、万用表一只四.实验内容和步骤1、设备的连接和检查：（1）、关闭阀1、阀22将AE2000A 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。
（3）、打开上水箱的出水阀：阀8至适当开度。
（4）、检查电源开关是否关闭2、系统连线图：图3-2、实验接线1）、如图5-2所示：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）、将下水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的+极），下水箱液位-（负端）接到智能调节仪的2端（即RSV的-极）。
智能仪表的地址设为1，软件定义调节仪地址为1的调节器为主调节器，调节仪地址为2的调节器为副调节器。
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0.2~1V的信号后接入副调节器的3、2两端。
调节器输出的4~20mA接电动调节阀的4~20mA控制信号两端。
4）、电源控制板上的三相电源、单相Ⅰ的空气开关、单相泵电源开关打在关的位置。
5）、电动调节阀的~220V电源开关打在关的位置。
6）、智能调节仪的~220V电源开关打在关的位置。
新编[工学]过程控制实验报告5上水箱液位和流量串级系统
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班级：082班座号：姓名成绩：
课程名称：过程控制工程实验项目：上水箱液位和流量串级系统
一、实验目的：
通过实验掌握串级控制系统的基本概念，掌握串级控制系统的组成结构，即主被控参数、
三、实验步骤：
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，观察下水箱液位变化的曲线。
四、计算机控制的参数设置:
五、实验报告：
1、根据试验结果编写实验报告。
2、按5-2衰减曲线调节器参数计算表填写表格中的数据
3、整理并附上记录仪的下列过渡过程曲线：
（1）整定副调节器时得到的4:1衰减曲线。
（2）整定主调节器时得到的4:1衰减曲线。
（3）主副调节器参数整定后，干扰作用于上水箱中，主变量H1的过渡过程曲线。
（4）主副调节器参数整定后，干扰作用于流量中，主变量H1的过渡过程曲线。
4、列表比较控制质量：。
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。
总结串级控制系统实验
文件编号： AC -40-58-81-D5整理人 尼克 串级控制系统实验辽宁省高等教育自学考试（应用本科）《过程控制工程（实践）》一、实验题目：水箱液位与进水流量串级控制实验二、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。
三、仪器设备：DDD-Z05-I 实验对象一台、DCS网络控制柜、DDD-Z05-III 电源控制柜一台、计算机一台、万用表一个；四、注意事项：1．实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置。
2．接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，接线时要注意电源极性。
完成接线后，正式投入运行之前，应严格检查安装、接线是否正确，并请指导老师确认无误后，方能通电。
3．在投运之前，请先检查管道及阀门是否已按实验指导书的要求打开，储水箱中是否充水至三分之二以上，以保证磁力驱动泵中充满水，磁力驱动泵无水空转易造成水泵损坏。
4．在进行温度试验前，请先检查锅炉内胆内水位，至少保证水位超过液位指示玻璃管上面的红线位置，无水空烧易造成电加热管烧坏。
5．实验之前应进行变送器零位和量程的调整，调整时应注意电位器的调节方向，并分清调零电位器和满量程电位器。
6．小心操作，切勿乱扳硬拧，严防损坏设备。
五、实验原理：本实验系统的主控量为上水箱的液位高度h，副控量为电动调节阀支路流量，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，比例带必须选得较大，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。
上、中水箱液位串级PID控制实验
上、中水箱液位串级PID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AE2000型过程控制实验装置、万用表、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根、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，中水箱液位做为主调节器调节对象。
控制框图如图9-1所示：图9-1上水箱下水箱液位串级控制框图四、实验内容和步骤1、设备的连接和检查1).打开以丹麦泵为动力的支路至上水箱的所有阀门，关闭动力支路上通往其它对象的切换阀门。
2).打开上水箱出水阀和中水箱的出水阀开至适当的开度。
3).检查电源开关是否关闭2、系统连线图图9-2实验接线图1).将上水箱液位信号接至8017的AI0通道，将中水箱液位信号接至8017的AO0通道。
2).将8024的AO1通道接至气动调节阀的控制信号输入端。
3).电源控制板上的三相电源空气开关、丹麦泵电源开关打在关的位置。
3、启动实验装置：1).打开电源带漏电保护空气开关。
打开电源总开关，电源指示灯点亮，即可开启电源。
打开单相泵电源。
2).启动计算机DDC组态软件，进入实验系统相应的实验3).建立工作点将副回路的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a、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。
水箱液位串级控制实验【范本模板】
第六节水箱液位串级控制实验一、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的整定方法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、实验原理图6-1 液位串级控制系统的结构图图6—2 液位串级控制系统的方框图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。
图6—1为实验系统的结构图,图6-2为相应控制系统的方框图.四、实验内容与步骤1.按图6—1要求，完成实验系统的接线.2。
接通总电源和相关仪表的电源。
3。
打开阀F1-1、F1—2、F1—7、F1-10、F1-11,且使阀F1-10的开度略大于F1—11。
4.按经验数据预先设置好副调节器的比例度。
5.调节主调节器的比例度,使系统的输出响应出现4:1的衰减度,记下此时的比例度δS和周期TS。
据此，按经验表查得PI的参数对主调节器进行参数整定。
6.手动操作主调节器的输出,以控制电动调节阀支路给中水箱送水的大小，等中、下水箱的液位相对稳定，且下水箱的液位趋于给定值时，把主调节器切换为自动。
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。
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。
实验三上中水箱液位串级控制系统实验
实验三上中水箱液位串级控制系统实验一、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．掌握串级控制参数整定方法。
二、实验类型综合型三、实验装置1、过程控制实验装置见图3－1，其中使用：电磁阀、上下水箱及液位变送器、水泵系统等。
2、控制仪表一套，以及通信线路。
3、计算机一台。
图3－1 系统示意图四、实验原理上下水箱双容液位串级控制的方块原理图如图3－2，本实验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。
在实验中使用了两个调节器作为主副调节器。
将上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。
图3－2 串级控制框图PID 算法的两种类型①、位置型控制[]00)1()()()()(u n e n e T T i e T Tn e K n u ni DI P +⎭⎬⎫⎩⎨⎧--++=∑= ②、增量型控制[][])2()1(2)()()1()()1()()(-+--++--=--=∆n e n e n e TT K n e T TK n e n e K n u n u n u D P I PP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，将主控制器的比例带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.使副控制比例带置于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。
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。
上水箱液位与进水流量串级控制系统
上水箱液位与进水流量串级控制系统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。
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.关键词：PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机目录上水箱液位与进水流量串级控制系统 (1)摘要 (1)1。
过程控制系统简介 (4)1.1过程控制介绍 (4)1.2 串级控制系统的组成 (4)1.2.1 硬件介绍 (4)1。
2 电源控制台 (6)1.3 总线控制柜 (6)1。
4 软件介绍 (6)1．6系统总貌图 (7)2．串级控制系统简介 (8)2.1液位串级控制系统介绍 (8)2。
2 串级控制系统的概述 (8)2.3串级控制系统的工作过程 (8)2.4 系统特点及分析 (9)2。
5 串级控制系统的整定方法 (9)2。
6主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 (10)2。
7 PID控制工作原理 (10)3 上水箱液位与进水流量串级控制系统 (10)3。
1 实验设备： (10)3.2 液位—流量串级控制系统的结构框图 (11)3。
杭电《过程控制系统》实验报告
实验时间：5月25号序号：杭州电子科技大学自动化学院实验报告课程名称：自动化仪表与过程控制实验名称：一阶单容上水箱对象特性测试实验实验名称：上水箱液位PID整定实验实验名称：上水箱下水箱液位串级控制实验指导教师：尚群立学生姓名：俞超栋学生学号：09061821实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验一．实验目的（1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。
（2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。
二．实验设备AE2000型过程控制实验装置， PC 机，DCS 控制系统与监控软件。
三、系统结构框图单容水箱如图1-1所示：丹麦泵电动调节阀V1DCS控制系统手动输出hV2Q1Q2图1-1、 单容水箱系统结构图四、实验原理阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。
然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。
图解法是确定模型参数的一种实用方法。
不同的模型结构，有不同的图解方法。
单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。
如图1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2，水箱的液面高度为h ，出水阀V 2固定于某一开度值。
根据物料动态平衡的关系，求得：在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞)0 T式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为单容对象的放大倍数，R 1、R 2分别为V 1、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。
令输入流量Q 1 的阶跃变化量为R 0，其拉氏变换式为Q 1（S ）=R O /S ，R O 为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为：当t=T 时，则有：h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e-t/T)当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。
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。
实验三 (上下水箱串级液位控制实验)实验报告电子版2014
电子科技大学中山学院学生实验报告
系别：机电工程学院专业：自动化课程名称：过程控制与自动化仪表在设计串级控制系统时，要求系统副对象的时间常数要远小于主对象。
图2、液位串级控制系统结构图
1、用RS232通讯线连接计算机与GK-03串行通讯口，并打开上位机监控软件进入数据采集状态。
2、对象系统：打开进水口阀
3、阀9，出水口阀6、阀7打到一定开度并且使得阀6的开度大于
的开度。
打开磁力泵1使系统运行。
系统稳定后再打开磁力泵2作为扰动，此扰动可以加到上水箱，也可以加到下水箱。
实验参考参数：上水箱出水阀的开度约为80%左右，下水箱出水阀的开度约为70%左右。
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《控制工程实验》实验报告实验题目：上水箱液位与进水口流量串级控制实验课程名称：《控制工程实验》姓名：学号：专业：年级：院、所：日期： 2019.04.18实验三上水箱液位与进水口流量串级控制实验一、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。
4．掌握液位串级控制系统的实现过程。
二、实验设备1. 实验装置对象及控制柜 1套2. 装有Step7、WinCC等软件的计算机 1台3. CP5621专用网卡及MPI通讯线各1个三、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1所示。
四、实验内容与步骤本实验选择选择上水箱和中水箱串联作为被控对象。
实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-7全开，将中水箱出水阀门F1-10开度开到70%左右、下水箱出水阀门F1-11开度50%左右（要求阀F1-10稍大于阀F1-11），其余阀门均关闭。
图1 双容水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图1．用 MPI 通讯电缆线将 S7-300PLC 连接到计算机 CP5621 专用网卡，并按照控制柜接线图连接实验系统。
2．接通总电源空气开关，合上单相，打开钥匙开关，给系统上电，将相应旋钮开关打至开，给 S7-300PLC 及电动调节阀上电。
3．打开 Step 7 软件，并打开“S7-300PLC”程序进行下载，然后将S7-300PLC 置于运行状态，然后运行 WinCC 组态环境，打开“S7-300PLC 控制系统”工程，然后进入 WinCC 运行环境，在主菜单中点击“实验十四、上水箱液位与进水口流量串级控制实验”，进入实验十四的监控界面。
4．在上位机监控界面中输出值设置为一个合适的值。
5．合上三相电源空气开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少主调节器的输出量，使下水箱的液位平衡于设定值，且中水箱液位也稳定于某一值（此值一般为3～5cm，以免超调过大，水箱断流或溢流）。
6．按经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择 PI 控制规律，并按整定后的 PI 参数进行调节器参数设置。
7．待液位稳定于给定值后，切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：（1）突增（或突减）设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；（此法推荐，后面三种仅供参考）（2）打开阀门F2-1、F2-4（或F2-5），用变频器支路以较小频率给中水箱(或下水箱)打水。
（干扰作用在主对象或副对象）（3）将阀F1-5、F1-13开至适当开度（改变负载）；（4）将电动调节阀的旁路阀F1-3或F1-4（同电磁阀）开至适当开度；以上几种干扰均要求扰动量为控制量的 5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。
加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时 PLC 的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图 2 所示。
8．分别适量改变调节仪的 P 及 I 参数，重复步骤 7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。
9．分别用 P、PD、PID 三种控制规律重复步骤 4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。
图 2 上水箱液位响应曲线五、实验结果1．画出水箱液位串级控制系统的结构框图。
如图1（a）所示2．用实验方法确定调节器的相关参数，并写出整定过程。
（1）确定比例系数Kp先确定比例系数Kp时，首先去掉PID的积分项和微分项，可以令Ti=0、Td=0，使之成为纯比例调节。
输入设定为系统允许输出最大值的60％～70％，比例系数Kp由0开始逐渐增大，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例系数Kp 逐渐减小，直至系统振荡消失。
记录此时的比例系数Kp，设定PID的比例系数Kp为当前值的70％～80％。
（2）确定积分时间常数Ti比例系数Kp确定之后，设定一个较大的积分时间常数Ti，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，然后再反过来，逐渐增大Ti，直至系统振荡消失。
记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150％～180％。
（3）确定微分时间常数Td微分时间常数Td一般不用设定，为0即可，此时PID调节转换为PI调节。
如果需要设定，则与确定Kp的方法相同，取不振荡时其值的30％。
（4）系统空载、带载联调PID参数进行微调，直到满足性能要求。
3．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。
在阶跃扰动下，当比例系数较大时，系统的静态误差也较大，这是因为比例系数会加大幅值；在加入微分环节后，系统的动态误差明显减小，但调节时间却延长，这是因为微分具有超前的作用，可以增加系统的稳定度。
4．分析主、副调节器采用不同 PID 参数时对系统性能产生的影响Ti：为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”,积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而增大，他推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，知道为零，由于积分项的存在会使调节时间增大。
因此，PI控制器可使系统在进入稳太后无稳态误差。
Kp：放大误差的幅值。
快速抵消T扰的影响，使系统上升时间降低，如果仅有比例环节，系统会存在稳态误差。
Td：自动控制系统在克服误差的调解过程中可能会出现振荡甚至失稳，在控制器中仅引入“比例P”往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，他能预测误差的变化趋势。
这样具有比例加微分的控制器，就能够提前十抑制误差的的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重失调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，PD控制器能改善系统在调解过程的动态特性。
六、思考题1．试述串级控制系统为什么对主扰动（二次扰动）具有很强的抗扰能力？如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时，二次扰动对主控制量的影响是否仍很小，为什么？答：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提升。
如果副对象的时间常数与主对象的时间常数大小接近时。
视有可能发生共振现象。
使得副环的工作频车处于谐振频率,其相角接近180°，从而使得副环的增益为负。
形成正反馈，出现共振现象，二次扰动对主控变的影响将会很大。
2．当一次扰动作用于主对象时，试问由于副回路的存在，系统的动态性能比单回路系统的动态性能有何改进？答：改进在于：副被控交检测到扰动的影响,并通过副回路的定值控制作用，从而调节操纵变量，使得副被控变量恢复到副设定值，也使得扰动对主被控量的影响减少，副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用.从而使系统更快趋于稳定，调整时间缩短。
并且比较准确的恢复到开始的设定值。
3．串级控制系统投运前需要作好那些准备工作？主、副调节器的正反作用方向如何确定？答：串级控制系统投运前需要作好以下准备工作：主副控制器的参数整走好，设好主回路的设定值，同时设置好实验装置各个开关的初始状态。
主、副调节器的正反作用方向设定方法如下。
(1)根据安全运行准则，选择控制阀(执行器)的气开和气关类型；(2)根据工艺条件确定副被控对的转性。
操纵变量增加时。
副被控变量增加时，系数为正，反之为负；(3)根据负反馈准则，确定测控制器的正反作用；(4)根据工艺条件确定主被控对象的精性。
操纵变量增加时，副被控变量增加时，系数为正，反之为负；(5)根据负反馈准则，确定主控制器的正反作用.4．为什么本实验中的副调节器为比例（P）调节器？答：由于副控回路的出要求能快速、准确地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，因而喜调节器可采用P调节器5．改变副调节器的比例度，对串级控制系统的动态和抗扰动性能有何影响，试从理论上给予说明。
答：在一定范围内，副控制器P参数增大,副回路出最大动态偏差增大，振荡和恢复周期更短，振荡更剧烈，使得副控制器的输出更加有利于及时跟踪主控制器的输出，及时调节执行器的输出,从而使得申级控制系统更加有利于及时克服进入副环扰功的影响，提高控制系统的品质，提高抗干扰能力，但P如果过大，会使得副控制器的输出余差增大，导致副控制器根难真实反映主控制器辅出的精确性。
6．评述串级控制系统比单回路控制系统的控制质量高的原因？答：（1）能够迅速客观进入副扰动；（2）自适应能力强；（3）能够更加精确控制操纵变量的流量；（4）改善广义对象特性，提高工作效率；（5）可实现更灵活的操作方式。