水箱液位串级控制实验
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。
实验五、串接双容下水箱液位PID整定实验
1.4.2二阶水箱对象PID控制
实验五串接双容中水箱液位PID整定
一、实验目的
（1）熟悉单回路双容液位控制系统的组成和工作原理。
（2）熟悉用P、PI和PID控制规律时的过渡过程曲线。
（3）定性分析不同PID控制器参数对双容系统控制性能的影响。
二、实验设备
CS2000型过程控制实验装置、计算机、DCS控制系统与监控软件。
(7)改变控制规律，时间允许的情况下，对于P、PI、PID，分别得到2条合理的过渡过程曲线（对应不同参数）。注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。
五、实验报告要求
（1）画出双容水箱液位控制实验系统的结构图。
（2）画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D对系统性能的影响。
六、思考题
三、实验原理
二阶双容水箱液位PID控制方框图
上图为双容水箱液位控制系统。这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使中水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于控制器（DCS）的结构和参数的合理选择。由于双容水箱的数学模型是二阶的，故系统的稳定性不如单容液位控制系统。
对于阶跃输入（包括阶跃干扰），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比。若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数δ和TI调节的合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，阀，将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。
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（同前）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5-2所示。
图5-2 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。
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1，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。
水箱液位串级控制实验
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。
实验方案：水箱液位串级控制系统
过程控制综合实验报告实验名称：水箱液位串级控制系统专业：班级:姓名：学号：实验方案一、实验名称：水箱液位串级控制系统二、串级控制系统的概述1、图5-1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5-1 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；f1(t)-作用在主对象上的扰动；f2(t)-作用在副对象上的扰动。
2、串级控制系统的特点串级控制系统及其副回路对系统控制质量的影响已在有关课程中介绍，在此将有关结论再简单归纳一下。
（1）．改善了过程的动态特性；（2）．能及时克服进入副回路的各种二次扰动，提高了系统抗扰动能力；（3）．提高了系统的鲁棒性；（4）．具有一定的自适应能力。
3、主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。
主调节器起定值控制作用，它的控制任务是使主参数等于给定值（无余差），故一般宜采用PI或PID调节器。
由于副回路是一个随动系统，它的输出要求能快速、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或PI调节器。
4、主、副调节器正、反作用方式的选择正如单回路控制系统设计中所述，要使一个过程控制系统能正常工作，系统必须采用负反馈。
对于串级控制系统来说，主、副调节器的正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈系统，即其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。
各环节的放大系数极性是这样规定的：当测量值增加，调节器的输出也增加，则调节器的放大系数K c为负（即正作用调节器），反之，K c为正（即反作用调节器）；本装置所用电动调节阀的放大系数K v恒为正；当过程的输入增大时，即调节器开大，其输出也增大，则过程的放大系数K0为正，反之K0为负。
CS4000双容水箱液位串级PID控制实验(1~6号实验装置)
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。
上水箱液位与进水口流量串级控制实验实验报告
《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。
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。
双容水箱液位串级控制DCS实训报告
DCS实训报告一、实训目的（1）熟悉集散控制系统（DCS）的组成。
（2）掌握MACS组态软件的使用方法。
（3）培养灵活组态的能力。
（4）掌握系统组态与装置调试的技能。
二、实训内容以双容水箱为对象设计液位串级控制系统，并用MACS组态软件完成组态包括：（1）数据库组态。
（2）设备组态。
（3）算法组态。
（4）画面组态。
（5）系统组态。
三、实训设备和器材（1）THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置。
（2）和利时DCS控制系统。
四、实训步骤1、工程分析双容水箱液位串级控制系统需要两个输入测量信号，一个输出控制信号。
因此需要一个模拟输出模块FM148A和一个模拟输出模块FM151.采集下水箱液位信号（LT1）控制电动控制发的开度。
2、工程建立1）打开：开始→程序→macsv组态软件→数据库总控。
2）点击按钮或选择工程|新建工程，新建工程，输入工程名字：wenzhao。
工程名必须为12个以内的非中文字符，只包括字母、数字。
3）点击“确定”按钮，然后在空白处选择这个工程，此时会显示当前域号为65535等信息。
4）选择“编辑>域组号组态”，选择组号为1，将刚创建的工程从“未分组的域”移动到右边“该组所包括的域”里，点“确定”按钮。
出现当前域号：0等信息。
5）在数据库总控组态中添加变量。
选择菜单栏，编辑→编辑数据库，弹出窗口，输入用户名和口令bjhc/3dlcz。
点击“确定”按钮。
6）选择系统→数据操作，出现下面对话框，点击“确定”。
7）因为双容水箱定制控制系统用到一个模块，两个通道，所以需要编辑两个点号。
点击“AI模拟量输入”选项出现下图。
8）点击“全选A”按钮。
将右侧的选择项名选中，点击“确定”按钮。
9）选择后确定进入编辑数据界面。
10）数据库编辑，注意：设置它的参数，根据实际情况，设置设备好（即设备地址），通道号（输入通道为2，对应FM148，对应FM143），量程上限下限，点名（注意：点名不能重复使用）。
DCS课程设计水箱液位串级控制解析
目录1 题目背景与意义 01.1 题目背景 01.2 课题意义 02 设计题目简介 (1)2.1设计内容和规定 (1)2.2 集散控制系统基本构成 (1)2.3 设计原理及分析 (4)3 系统设计方案 (7)3.1双容水箱控制 (8)3.2串级控制 (8)4 系统硬件设计 (10)4.1数据采集模块 (10)4.1.1 模拟量输入模块 (10)4.1.2 模拟量输出模块 (11)4.2仪表和执行机构选型 (13)4.3系统连线 (13)4.3.1 模拟量输入模块FM148A接线 (13)4.3.2模拟量输出模块FM151A接线 (14)5 系统软件设计 (15)5.1组态画面旳设计 (13)5.2通讯设置 (15)6 系统仿真调试 (17)7 结论 (16)参照文献........................................... 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）, 是以多种微处理机为基础运用现代网络技术、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旳调整、监视管理旳控制技术。
其特点是以分散旳控制适应分散旳控制对象, 以集中旳监视和操作到达掌握全局旳目旳。
系统具有较高旳稳定性、可靠性和可扩展性。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制, 所有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旳长处, 克服了常规仪表功能单一, 人-机联络差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中旳缺陷, 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旳分散。
DCS系统在现代化生产过程控制中起着重要旳作用。
伴随工业自动化水平旳不停提高, 计算机旳广泛运用, 人们对工业自动化旳规定也越来越高。
而DCS又有延续性和可扩充性, 易学易用性和通用性, 使得DCS得到长足旳发展。
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
![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](https://img.taocdn.com/s3/m/e772dc6d69eae009581becac.png)
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：。
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。
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。
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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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。
7.打开计算机，运行MCGS组态软件，并进行如下的实验：
1）当系统稳定运行后，突加阶跃扰动（将给定量增/减5%～15%），观察并记录系统的输出响应曲线。
2）适量打开阀F2-4，观察并记录阶跃扰动作用于副对象（中水箱）时，系统被控制量（下水箱液位）的响应过程。
3）将阀F2-4关闭，去除副对象的阶跃扰动，且待系统再次稳定后，再适量打开阀F2-5，观察并记录阶跃扰动作用于主对象时对系统被控制量的影响。
8.通过反复对主、副调节器参数的调节，使系统具有较满意的动、静态性能。
用计算机记录此时系统的动态响应曲线。
副P=4 主P=3 I=100000 D=11000
副P=4 I=100000 主P=3 I=100000 D=11000
五、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动，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，很有可能发生共振现象，使得副环的工作频率处于谐振频率，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，二次扰动对主控变量的影响将会很大。
2.为什么本实验中的副调节器可设置为比例（P）调节器？
答：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。
3.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，副回路输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，从而使得串级控制系统更加有利于及时克服进入副环扰动的影响，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，导致副控制器很难真实反映主控制器输出的精确性。